恒溫控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)書

1、本設(shè)計(jì)以單片機(jī) STC89C52為核心部件，采用單總線型數(shù)字式的溫度傳感器 DS18B20作為溫度采集，以場(chǎng)效應(yīng)管作加熱控制的開(kāi)關(guān)器件，設(shè)計(jì)制作了帶鍵盤輸入 控制，動(dòng)態(tài)顯示和越限報(bào)警功能的恒溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以對(duì)當(dāng)前溫度進(jìn)行實(shí)時(shí) 顯示，又可以對(duì)溫度進(jìn)行控制，并使其恒定在某一溫度范圍?？刂奇I盤設(shè)計(jì)使設(shè)置溫 度簡(jiǎn)單快捷，兩位整數(shù)一位小數(shù)的顯示方式具有更高的顯示精度。建立在模糊控制理 論上的控制算法，使控制精度完全能滿足一般的電子產(chǎn)品的生產(chǎn)要求。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)軟 件和硬件的合理規(guī)劃，發(fā)揮單片機(jī)自身集成多系統(tǒng)功能單元的優(yōu)勢(shì)，在不減少功能的 前提下有效降低了成本，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便。1引言12系統(tǒng)方案論證22

2、.1 設(shè)計(jì)方案22.2 方案的論證23系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)33.1 電路總體原理框圖33.2 單片機(jī)的選擇33.3 溫度采集電路的設(shè)計(jì)43.4 鍵盤接口電路的設(shè)計(jì)53.5 顯示接口電路的設(shè)計(jì)53.6 加熱控制電路的設(shè)計(jì)63.7 電源及報(bào)警指示電路的設(shè)計(jì)73.8 總電路的設(shè)計(jì)84軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)94.1 主程序模塊94.2 功能實(shí)現(xiàn)模塊114.3 運(yùn)算控制模塊114.3.1 標(biāo)度轉(zhuǎn)換114.3.2 模糊控制算法114.3.3 控制算法子程序125系統(tǒng)性能測(cè)試及分析135.1 設(shè)計(jì)所達(dá)到的性能指標(biāo)135.1.1 溫控系統(tǒng)的控制精度135.1.2 溫度工作波形圖135.2 結(jié)果分析論述145.3 設(shè)計(jì)方案

3、評(píng)價(jià)145.3.1 優(yōu)點(diǎn) 145.3.2 缺點(diǎn) 146結(jié)論與展望157致謝16參考文獻(xiàn)17隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常遇到的過(guò)程控制，人們需 要對(duì)各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。特別是在冶金、 化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用，其溫度的控制效果 直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，因而設(shè)計(jì)一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價(jià)值的。工 業(yè)生產(chǎn)中溫度控制具有單向性、時(shí)滯性、大慣性和時(shí)變性的特征，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)溫度控 制的快速性和準(zhǔn)確性，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于不同場(chǎng)所、不同工藝、所需溫度高低范圍不同、精度不同，則采用的測(cè)溫元 件、

4、測(cè)溫方法以及對(duì)溫度的控制方法也將不同；產(chǎn)品工藝不同、控制溫度的精度不 同、時(shí)效不同，則對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同。因而，對(duì)溫度的測(cè)控 方法要多種多樣。隨著電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)也得 到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。利用微機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)控的技術(shù)，也便隨之而生，并 得到日益發(fā)展和完善，越來(lái)越顯示出其優(yōu)越性。然而現(xiàn)有的溫度傳感元件大多為模擬 器件（熱電耦）體積大、應(yīng)用復(fù)雜、而且不容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化等缺點(diǎn)，阻礙了應(yīng)用領(lǐng)域 的擴(kuò)展。實(shí)現(xiàn)恒溫控制的方法有很多，傳統(tǒng)的有利用PLC自適應(yīng)控制加熱絲實(shí)現(xiàn)恒溫控制，還有利用模擬PID調(diào)節(jié)的恒溫控制，其算法需要查表轉(zhuǎn)換。而基于單片機(jī)的

5、控制 系統(tǒng)，為閉環(huán)系統(tǒng)，工作穩(wěn)定性高，控制精度高，利用模糊控制算法1使超調(diào)量大大降低。軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，提高了通用性。本設(shè)計(jì)的目的不僅僅使溫度控制本身， 主要提供了單片機(jī)外圍電路及軟件包括控制算法設(shè)計(jì)的思想，應(yīng)該說(shuō)，這種思想比控 制系統(tǒng)本身更為重要。因此本設(shè)計(jì)從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)選取了體積小、精度相對(duì)高的數(shù)字式溫度傳感元件 DS18B20作為溫度采集器，單片機(jī) STC89C52作為主控芯片，液晶顯示屏 1602作為 顯示輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量與恒定控制。2系統(tǒng)方案論證對(duì)于溫度的檢測(cè)通常是采用熱敏電阻在通過(guò) A/D （模/數(shù)）轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，但 由于信號(hào)的采集對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響很大，如果采樣精

6、度不高，會(huì)使這個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性下 降。2.1 設(shè)計(jì)方案對(duì)于溫度控制的方法也有很多：如單片機(jī)控制、PLC控制、模擬PID調(diào)節(jié)器和數(shù)字PID調(diào)節(jié)器等等。而PID調(diào)節(jié)器的算法復(fù)雜，其成本也相對(duì)較高。方案一：利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)恒溫控制利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度恒定的控制，系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)溫度采集、實(shí)時(shí)溫度顯示、加熱控制參數(shù)設(shè)置、加熱電路控制輸出、報(bào)警裝置和系統(tǒng)核心STC89C52單片機(jī)作為微處理器。溫度采集電路以數(shù)字形式將現(xiàn)場(chǎng)溫度傳至單片機(jī)，單片機(jī)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)溫度與 用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度，按照已經(jīng)編程固化的模糊控制算法計(jì)算出實(shí)時(shí)控制量。以此控 制量控制場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)通和關(guān)斷，決定加熱電路的工作狀態(tài)，使溫度逐步穩(wěn)定于用戶設(shè) 定的

7、目標(biāo)值。在溫度達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)溫度后，由于冷卻溫度降低，單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)到 的溫度與設(shè)置的目標(biāo)溫度比較，作出相應(yīng)的控制開(kāi)啟加熱片。方案二：利用PLC實(shí)現(xiàn)恒溫控制這用恒溫控制，采用 PLC控制實(shí)現(xiàn)電熱絲加熱全通、間斷導(dǎo)通和全斷加熱的自控 式方式，來(lái)達(dá)到溫度的恒定。智能型電偶溫度表將置于被測(cè)對(duì)象中，熱電偶的傳感器 信號(hào)與恒定溫度的給定電壓進(jìn)行比較，生成溫差，自適應(yīng)恒溫控制電路根據(jù)差值大小 控制電路的斷開(kāi)。2.2 方案的論證對(duì)于方案二，采用的PLC實(shí)現(xiàn)恒溫控制，由于其 PLC成本高，且PLC外圍系統(tǒng) 配置復(fù)雜，不利于我們的設(shè)計(jì)。由于數(shù)字調(diào)節(jié)和運(yùn)算量大，相反對(duì)于 STC89C52單片 機(jī)只要選擇合適的參數(shù)

8、對(duì)于溫度的控制精度往往能達(dá)到比較好的效果。對(duì)于方案一，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)恒溫控制，該方案成本低，可靠性高，抗干擾性 強(qiáng)，對(duì)于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)定性要求不是很高的場(chǎng)合時(shí)非常合適的。采用高精度的溫 度傳感器：數(shù)字溫度傳感器 DS18B20這種數(shù)字溫度傳感器是 DALLA宓司生產(chǎn)的單總 線。在這種前提下，通過(guò)單片機(jī)對(duì)偏差進(jìn)行模糊控制運(yùn)算，對(duì)調(diào)節(jié)加熱可達(dá)到控制溫 度恒定。綜合各方面的意見(jiàn)，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的控制。3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 電路總體原理框圖溫度測(cè)量及加熱系統(tǒng)控制的總體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。體統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)溫度采集、實(shí)時(shí)溫度顯示、加熱控制參數(shù)設(shè)置、加熱電路控制輸出、報(bào)警裝置和系統(tǒng)核心 S

9、TC89C52單片機(jī)作為微處理器。圖3-1恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖溫度采集電路以數(shù)字量形式將現(xiàn)場(chǎng)溫度傳至單片機(jī)。單片機(jī)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)溫度與功能 要求設(shè)定的目標(biāo)溫度，按照已經(jīng)編程固化的模糊控制算法計(jì)算出實(shí)時(shí)控制量。以此控 制量控制MOS管開(kāi)通和關(guān)斷，決定加熱電路的工作狀態(tài)，使水溫逐步穩(wěn)定于要求設(shè) 定的目標(biāo)值。在水溫到達(dá)設(shè)定的目標(biāo)溫度后，由于自然冷卻而使其溫度下降時(shí)，單片 機(jī)通過(guò)采樣回的溫度與設(shè)置的目標(biāo)溫度比較，作出響應(yīng)的控制，開(kāi)啟加熱器。系統(tǒng)運(yùn) 行過(guò)程中的各種狀態(tài)均可由液晶顯示器 1602實(shí)時(shí)顯示。3.2 單片機(jī)的選擇用STC 89C52的單片機(jī)作為控制主機(jī)。之所以選擇89C52作為主機(jī)，是因?yàn)?9C

10、52作為51系列單片機(jī)的一種，其使用性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜，完全能夠滿足此次設(shè) 計(jì)的需求。而且89C52內(nèi)部集成了程序存儲(chǔ)器，可以裝載用戶程序，方便后續(xù)的課程 設(shè)計(jì)需要，不像8031因?yàn)橐饨映绦虼鎯?chǔ)器而是電路相對(duì)麻煩了。其實(shí)物圖如圖 32:圖3-2 STC89C52實(shí)物圖3.3 溫度采集電路的設(shè)計(jì)由于本設(shè)計(jì)是精確控制系統(tǒng)，并且有控制范圍上的要求，所以在選擇傳感器上要 著重考慮其精度和測(cè)試范圍。AD590和DS18B20都包含一個(gè)可以精確測(cè)量環(huán)境溫度的 片內(nèi)溫度傳感器，但 AD590是模擬傳感器，需對(duì)溫度模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，在調(diào) 理和放大信號(hào)時(shí)，又會(huì)帶來(lái)新的誤差，影響精度，而DS18B2的含一

11、個(gè)10位AD轉(zhuǎn)換器，是一個(gè)以0.25的分辨力將溫度數(shù)字化的數(shù)字式溫度傳感器，并且其測(cè)溫理論范 圍為-55度到125度，因其精確度高，范圍可選這兩大特點(diǎn)，故本設(shè)計(jì)的傳感器選為 DS18B20溫度采集電路模塊如圖 3-3所示。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有四個(gè)部分組成：1） 64為光刻ROM; 2）溫度傳感器；3）非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH和TL ; 4）配置 寄存器。其中DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸 入端。器件用如下方式從單線通訊線上汲取能量：在信號(hào)線處于高電平期間把能量存 儲(chǔ)在內(nèi)部電容里，在信號(hào)線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來(lái) 再給寄生

12、電源（電容）充電。DS18B20也可以用外部5V電源供電。圖3-3溫度采集電路DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，用 12位存儲(chǔ)溫值度，用16位符 號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以 0.0625C/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位，負(fù) 溫度S=1,正溫度S=Q如下圖3-4為18B20的溫度存儲(chǔ)方式：圖3-4 18B20的溫度存儲(chǔ)方式這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn) 制中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于 0,這5位為0,只要將測(cè)得的數(shù)值 乘以0.0625即可得到實(shí)際溫度。例如：0550H 為+85C, 0191H 為+25.0625

13、 C, FC90H為-55 C3.4 鍵盤接口電路的設(shè)計(jì)鍵盤采用對(duì)稱排列和外部中斷相結(jié)合的方法，圖 3-5中各按鍵的功能定義如下表 3-1 。其中設(shè)置鍵 RET與單片機(jī)的|lNT0 |腳相連,KEY什KEY3接單片機(jī)P2 口，REST 鍵為硬件復(fù)位鍵，與R、C構(gòu)成復(fù)位電路。模塊電路如下圖 3-5:表3-1按鍵功能按鍵鍵名功能RESET復(fù)位鍵使系統(tǒng)復(fù)位RET設(shè)置鍵使系統(tǒng)產(chǎn)生中斷，進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)KEY1 KEY3數(shù)字鍵設(shè)置用戶需要的溫度OK確定鍵設(shè)置溫度后確定圖3-5按鍵模塊接口電路3.5 顯示接口電路的設(shè)計(jì)顯示電路采用字符型液晶顯示模塊，它是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等 點(diǎn)陣式的LCD2,本

14、設(shè)計(jì)采用的是SMC1602A LCM顯示容量16X2個(gè)字符。模塊電路 如下圖3-6: 一u J r ssf 一 f出發(fā);寸號(hào)團(tuán)鐺星式舉:總圖3-6顯示接口電路的設(shè)計(jì)液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙 標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時(shí)要先輸入顯示字符地址， 也就是告訴模塊在哪里顯示字符，圖 3-7是1602的內(nèi)部顯示地址。圖3-7 1602的內(nèi)部顯示地址3.6 加熱控制電路的設(shè)計(jì)用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制，被控對(duì)象為加熱片，采用對(duì)加在電 熱片兩端的電壓進(jìn)行通斷的方法進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水是否加熱的調(diào)整，從而達(dá)到對(duì) 水溫控制的目的。

15、對(duì)加熱片通斷的控制采用MOSFETt控制，它的使用非常簡(jiǎn)單，只要在控制端TTL電平，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)MOS管的開(kāi)關(guān)，使用時(shí)完全可以用1.5K電阻接成 電壓跟隨器的形式驅(qū)動(dòng)。當(dāng)單片機(jī)的 P1.5為高電平時(shí)，電阻驅(qū)動(dòng) MOS管導(dǎo)通，接通 加熱片工作，當(dāng)單片機(jī)的P1.5為低電平時(shí)MOS管不導(dǎo)通關(guān)斷，加熱片停止工作。控 制電路圖如下圖3-8:圖3-8加熱控制電路3.7 電源及報(bào)警指示電路的設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中我設(shè)計(jì)了越線報(bào)警裝置，控制目標(biāo)溫度范圍。當(dāng)設(shè)定的目標(biāo)溫度線達(dá) 到時(shí)，需用聲音的形式提醒使用者，此時(shí)報(bào)警器開(kāi)始發(fā)出報(bào)警聲。在本系統(tǒng)中，當(dāng)溫 度低于設(shè)置的最低目標(biāo)溫度或高于設(shè)置的最高目標(biāo)溫度時(shí)報(bào)警器為連續(xù)不斷的滴

16、答滴 答叫聲。當(dāng)單片機(jī)P1.7輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，報(bào)警器工作發(fā)出報(bào)警聲。P1.7為低電平時(shí)三極管關(guān)斷，報(bào)警器不工作。當(dāng)溫度低于設(shè)置的最低溫度時(shí)，溫度傳感器檢測(cè)到實(shí)時(shí)溫度，發(fā)送信息給單片 機(jī)，P0.4低電平有效，D4為加熱片加熱指示燈；同理，當(dāng)溫度加熱到高于設(shè)置的最 高溫度時(shí)，P0.6低電平有效，D5為降溫指示燈。D1為檢測(cè)到電源和液晶顯示器共同 的顯示燈，高電平有效；D6為檢測(cè)到DS18B20的指示燈，低電平有效；指示燈電路 如下圖3-9所示：圖3-9電源指示燈和報(bào)警指示燈電路3.8 總電路的設(shè)計(jì)恒溫控制的總電路圖如圖3-10:llajM8M17r¥ EPSrr白：ri

17、5;JK 門留U *£2 m自 T國(guó)日-1 一=國(guó)日回 日目c呻EC Id T& =MIHIEIsBs ff B.r23;:-lact+8.Bs4軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊和運(yùn)算控制器模塊。4.1 主程序模塊主程序主要完成加熱控制系統(tǒng)各部件的初始化和實(shí)現(xiàn)各功能子程序的調(diào)用,以及 實(shí)際測(cè)量中各個(gè)功能模塊的協(xié)調(diào)在無(wú)外部中斷申請(qǐng)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)循環(huán)對(duì)外部溫度進(jìn) 行實(shí)時(shí)顯示。把設(shè)置鍵作為外部中斷0,以便能對(duì)數(shù)字按鍵進(jìn)行相應(yīng)處理。主程序流程圖如下圖4-1:圖4-1主程序流程圖4.2 功能實(shí)現(xiàn)模塊以用來(lái)執(zhí)行對(duì)MOSFET及加熱片的控制。功能實(shí)現(xiàn)模塊主要

18、由溫度比較處理子 程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序、報(bào)警子程序等部分組成。鍵盤顯示及程序流程 圖如下圖4-2:4.3 運(yùn)算控制模塊該模塊由標(biāo)度轉(zhuǎn)換3、模糊控制算法及其中用到的乘法子程序。4.3.1 標(biāo)度轉(zhuǎn)換A = A0 0.0625 = A0/16式中A為二進(jìn)制的溫度值，A為DS18B20勺數(shù)字信號(hào)線送來(lái)的溫度數(shù)據(jù)。單片機(jī)在處理標(biāo)度轉(zhuǎn)換時(shí)是通過(guò)把 DS18B20的信號(hào)線送回的16位數(shù)據(jù)右移4位 得到二進(jìn)制的溫度值。其小數(shù)部分通過(guò)查小數(shù)表的形式獲取。4.3.2 模糊控制算法目前溫度控制系統(tǒng)中的控制算法多為 PID算法，但PID算法由于微分作用導(dǎo)致高 頻干擾大，易引起超調(diào)，參數(shù)調(diào)整也麻煩，同時(shí)考慮

19、到水溫控制系統(tǒng)本身有一個(gè)大滯 后的特點(diǎn)，故本系統(tǒng)選用了目前國(guó)際上較流行的從能量控制的觀點(diǎn)出發(fā)，引入模糊控制思想而提出的變參數(shù)控制算法控制?？刂葡到y(tǒng)在其特性或參數(shù)發(fā)生攝動(dòng)時(shí)仍可使品 質(zhì)指標(biāo)保持不變的性能。魯棒性是英文robustness 一詞的音譯，也可意譯為穩(wěn)健性。魯棒性原是統(tǒng)計(jì)學(xué)中的一個(gè)專門術(shù)語(yǔ)，70年代初開(kāi)始在控制理論的研究中流行起來(lái) ，用以表征控制系統(tǒng)對(duì)特性或參數(shù)攝動(dòng)的不敏感性。在實(shí)際問(wèn)題中，系統(tǒng)特性或參數(shù)的 攝動(dòng)常常是不可避免的。產(chǎn)生攝動(dòng)的原因主要有兩個(gè)方面，一個(gè)是由于測(cè)量的不精確 使特性或參數(shù)的實(shí)際值會(huì)偏離它的設(shè)定值（標(biāo)稱值），另一個(gè)是系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中受環(huán) 境因素的影響而引起特性或參數(shù)

20、的緩慢漂移。因此，魯棒性已成為控制理論中的一個(gè) 重要的研究課題，也是一切類型的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中所必需考慮的一個(gè)基本問(wèn)題。對(duì) 魯棒性的研究主要限于線性定?？刂葡到y(tǒng)，所涉及的領(lǐng)域包括穩(wěn)定性、無(wú)靜差性、適 應(yīng)控制等。魯棒性問(wèn)題與控制系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性和不變性原理有著密切的聯(lián)系，內(nèi)模 原理的建立則對(duì)魯棒性問(wèn)題的研究起了重要的推動(dòng)作用。模糊控制算法的基本原理可采用解讀式描述為：u = k e （1 - k） c其中，e, c, k 為經(jīng)過(guò)量化和模糊化的控制變量，相應(yīng)的論域分別為溫差 （當(dāng)前溫 度和目標(biāo)溫度的差值），溫差變化率及控制量（當(dāng)前溫度與上一個(gè)時(shí)刻溫度的差值）；k 為調(diào)整因子。其基本思想是通過(guò)調(diào)整

21、k的大小，可改變對(duì)差量和差量變化率的不同加權(quán)程度。 在實(shí)際系統(tǒng)中，系統(tǒng)在不同的狀態(tài)下，對(duì)控制規(guī)則中的差量e和差量變化率c有不同的要求。如差量較大時(shí)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是減小溫差，此時(shí)對(duì)差量加權(quán)應(yīng)該大 些；當(dāng)差量較小時(shí)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，減小超調(diào)，此時(shí)要求在 控制規(guī)則中差量變化率加權(quán)大些?；谶@個(gè)思想，我提出了模糊溫度控制方法 ，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，根據(jù)不同的溫差和 目標(biāo)溫度來(lái)改變加熱時(shí)間與休息時(shí)間的在控比，從而達(dá)到控制的目的。算法通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，此算法使系統(tǒng)能自行控制加熱程度，使系統(tǒng)具有無(wú)超調(diào)和包 溫精度高，具有穩(wěn)定性好，控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的依賴性弱等優(yōu)點(diǎn)。4.3.3 控制算法子程序該

22、系統(tǒng)為一溫度控制系統(tǒng)，由于無(wú)法確定電爐的物理模型，因而無(wú)法建立其數(shù)學(xué) 模型和傳遞函數(shù)。加熱片為一慣性系統(tǒng)，我們采用模糊控制的方法，通過(guò)多次溫度測(cè) 量模糊計(jì)算當(dāng)用戶設(shè)定目標(biāo)溫度時(shí)需提前關(guān)斷加熱片的溫度，利用加熱片自身的熱慣 性使溫度上升到其設(shè)定溫度。每隔5c我們進(jìn)行一次溫度測(cè)量，并當(dāng)達(dá)到其溫度差值時(shí)關(guān)斷加熱片記錄下因加熱片的熱慣性而上升的溫度值。從而可以建立熱慣性的溫度 差值表，在程序中利用查表法，查出相應(yīng)設(shè)定溫度對(duì)應(yīng)的關(guān)斷溫度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我 們可以看出，當(dāng)水溫從0c加熱到50c這段溫度區(qū)域，其溫度慣性曲線可近似成線性 的直線，水溫從50c加熱到100c這段溫度慣性曲線可近似成另一條線性的直線

23、段。 通過(guò)對(duì)設(shè)置的目標(biāo)溫度與溫控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)溫度進(jìn)行差值處理就可近似的求出單片機(jī)的提 前關(guān)斷溫度。5系統(tǒng)性能測(cè)試及分析我們的溫度控制系統(tǒng)是基于 STC89C52單片機(jī)的設(shè)計(jì)方案，它能實(shí)現(xiàn)顯示當(dāng)前溫 度，并能根據(jù)用戶的要求作出相應(yīng)的控制。此系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高，控制精度高，利用 模糊控制算法使超調(diào)量大大降低。軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，提高了通用性。本設(shè)計(jì)的目 的不僅僅使溫度控制本身，主要提供了單片機(jī)外圍電路及軟件包括控制算法設(shè)計(jì)的思 想，應(yīng)該說(shuō)，這種思想比控制系統(tǒng)本身更為重要。5.1 設(shè)計(jì)所達(dá)到的性能指標(biāo)5.1.1 溫控系統(tǒng)的控制精度我們將溫度計(jì)和溫控系統(tǒng)探頭放入同一容器中，選定若干不同的溫度點(diǎn)，記錄下 標(biāo)準(zhǔn)

24、溫度計(jì)顯示的溫度和溫控系統(tǒng)顯示的溫度進(jìn)行比較。通過(guò)設(shè)定不同的溫度值，使 加熱器加熱，待溫度穩(wěn)定時(shí)記錄各溫度點(diǎn)的溫度計(jì)數(shù)據(jù)和溫控系統(tǒng)的顯示值。其記錄 數(shù)據(jù)如下表5-1:表5-1溫度計(jì)讀數(shù)和溫控系統(tǒng)顯示的溫度設(shè)定溫度值0.028.035.045.055.075.087.091.0系統(tǒng)顯示溫度0.527.734.445.154.174.986.191.2差值0.50.3-0.60.1-0.9-0.1-0.90.25.1.2 溫度工作波形圖溫度控制模塊，溫度加熱上升與常數(shù)K存在的線性關(guān)系如表5-2:e二目標(biāo)溫度與當(dāng)前溫度之差；c=當(dāng)前溫度與上一時(shí)刻溫度之差；u =k Me + (1-k) "

25、 ; k 為常數(shù)。表5-2溫度T與常數(shù)k對(duì)應(yīng)的關(guān)系溫度 T ( C) 030 3040 4050 5060 6070 7080 8090常數(shù) K 0.3847 0.4686 0.5289 0.6585 0.7686 1.5767 1.8554溫度工作波形圖如圖5-1:圖5-1溫度工作波形圖5.2 結(jié)果分析論述我的系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)要求，靜態(tài)誤差方面可以達(dá)到0.18 C的誤差，總體控制精度方面大約0.45 C,在讀數(shù)正確方面與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的讀數(shù)誤差為 1.5%,對(duì)一般的工 業(yè)生產(chǎn)完全可以采用我們的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有較小的超調(diào)值，超調(diào)值大約為 0.83%左右。雖然超調(diào)為不利結(jié)果，但另 一方面卻減小了系統(tǒng)

26、的調(diào)節(jié)時(shí)間。從其數(shù)據(jù)表可以看出該系統(tǒng)為穩(wěn)定系統(tǒng)。5.3 設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)5.3.1 優(yōu)點(diǎn)在硬件方面：本設(shè)計(jì)方案采用了單總線型數(shù)字式的溫度傳感器，提高了溫度的采 集精度，節(jié)約了單片機(jī)的口線資源。方案還使用場(chǎng)效應(yīng)管作加熱控制器件，使設(shè)計(jì)簡(jiǎn) 單化，且可靠性強(qiáng)。在控制精度方面，本設(shè)計(jì)在不能確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型的情況 下，大膽的假設(shè)小心的求證，利用模糊控制的算法來(lái)提高控制精度。在軟件方面：我們采用模塊化編程，思路清晰，使程序簡(jiǎn)潔、可移植性強(qiáng)。5.3.2 缺點(diǎn)本設(shè)計(jì)方案雖然采用了當(dāng)前市場(chǎng)最先進(jìn)的電子器件，使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但設(shè)計(jì)方 案不是最佳。本系統(tǒng)雖然具有較小的超調(diào)量，但加大了調(diào)節(jié)時(shí)間。如果需要更高的控 制

27、精度，則我們的模糊控制將不適應(yīng)，需要修改程序。設(shè)計(jì)中加熱控制方面存在遺憾，雖采用了場(chǎng)效應(yīng)管控制加熱，但不能使溫度加熱 到限制溫度時(shí)截止，需要更好的控制器件。6結(jié)論與展望本次實(shí)驗(yàn)采用了 C語(yǔ)言編程方式，實(shí)現(xiàn)了溫度的測(cè)量與控制，完全達(dá)到了本次實(shí) 驗(yàn)的要求，更重要的是該實(shí)驗(yàn)的測(cè)量誤差小于1C度，控制精度小于 0.45C度，已基本實(shí)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展部分的要求。它可以廣泛用于溫度測(cè)量精度要求比較高的場(chǎng)面，實(shí) 現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低。綜上所示，本系統(tǒng)的方案具有實(shí)用推廣價(jià)值。本系統(tǒng)通過(guò)添加一個(gè) 傳感器，還有一個(gè)12V供電的加熱片，使系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示溫度和快速加熱。若系統(tǒng) 開(kāi)始加熱就使溫度迅速上升，則說(shuō)明杯中水不足，很有

28、可能為干燒，為不安全加熱， 用戶請(qǐng)注意，這屬于該系統(tǒng)需要改進(jìn)的地方。此方案還有改進(jìn)的地方，在不改變加熱器容量的情況下，為減小調(diào)節(jié)時(shí)間，可以 實(shí)行在加熱快達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)開(kāi)啟風(fēng)扇來(lái)減小熱慣性對(duì)溫度的影響的措施。在控制精 度上可采用先進(jìn)的數(shù)字PID控制算法，對(duì)加熱時(shí)間進(jìn)行控制，提高控制精度。在控制 靈敏度方面可以采用可控硅代替場(chǎng)效應(yīng)管控制加熱，可控硅在控制加熱效應(yīng)方面能夠 很好的截止和導(dǎo)通。還可以改進(jìn)控制系統(tǒng)，使能同 PC聯(lián)機(jī)通信，以利用OC的圖像處理功能打印顯 示溫度曲線。89C52用行口為 TTL電平，PC用行口為 RS232電平，使用一片 MAX232作為電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)。就目前我所實(shí)習(xí)的公司，其

29、涉及的中國(guó)安防行業(yè)而言，監(jiān)控?cái)z像機(jī)的所有一體模塊 都需要經(jīng)過(guò)測(cè)試，其中就包括溫度的測(cè)試，它需要在八十度到零下二十度之間正常工 作，因此溫控環(huán)境很重要。在未來(lái)的各個(gè)領(lǐng)域里，溫控的設(shè)計(jì)會(huì)有很好的發(fā)展，比如 我們所有的電子產(chǎn)品都需要在溫度控制方面有較高的要求，這就需要針對(duì)各種材質(zhì)的 電子產(chǎn)品進(jìn)行溫度控制方面的測(cè)試。同時(shí)，溫度控制在環(huán)境方面具備重要因素，設(shè)計(jì) 一種溫控性能強(qiáng)的器件是未來(lái)的重要任務(wù)。7致謝在論文的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我查閱了許多有關(guān)恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的文獻(xiàn)資料，使 我對(duì)恒溫控制的設(shè)計(jì)和使用有了更深的認(rèn)識(shí)。從論文選題到完成論文，老師付出了大 量的時(shí)間和心血，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，老師從多方面進(jìn)行指導(dǎo)，不斷對(duì)論文提出修改意 見(jiàn)。在此，我要由衷地感謝李忠明老師！同時(shí)，我也要感謝給予我?guī)椭耐瑢W(xué)，在不 懂的環(huán)節(jié)為我努力探討。也要感謝在實(shí)習(xí)期間的公司，他們給我提供完成設(shè)計(jì)的環(huán) 境，提供需要的元器件和操作工具。論文的完成，不僅是我大學(xué)四年知識(shí)積累的體 現(xiàn)，而且也是電信學(xué)院所有老師悉心教