水溫自動控制系統(tǒng)實驗報告匯總

1、水溫控制系統(tǒng)(B題)摘要在能源日益緊張的今天，電熱水器，飲水機和電飯煲之類的家用電器在保溫時，由于其簡單的溫控系統(tǒng)，利用溫敏電阻來實現(xiàn)溫控，因而會造成很大的能源浪費。但是利用AT89C51單片機為核心，配合溫度傳感器，信號處理電路,顯示電路，輸出控制電路，故障報警電路等組成的控制系統(tǒng)卻能解決這個問題。單片機可將溫度傳感器檢測到的水溫模擬量轉換成數(shù)字量，并顯示于1602顯示器上。該系統(tǒng)具有靈活性強，易于操作，可靠性高等優(yōu)點，將會有更廣闊的開發(fā)前景。水溫控制系統(tǒng)概述能源問題已經是當前最為熱門的話題，離開能源的日子，世界將失去一切顏人，人們將寸步難行，我們知道雖然電能是可再生能源，但是在今天還是有很

2、多的電能是依靠火力，核電等一系列不可再生的自然資源所產生，一旦這些自然資源耗盡，我們將面臨電能資源的巨大的缺口，因而本設計從開源節(jié)流的角度出發(fā)，節(jié)省電能，保護環(huán)境。一、設計任務設計并制作一個水溫自動控制系統(tǒng)，控制對象為1升凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在一定范圍內由人工設定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動控制，以保持設定的溫度基本不變。二、要求1、基本要求(1)溫度設定范圍為：4090C,最小區(qū)分度為1C,標定溫度&VCo(2)環(huán)境溫度降低時溫度控制的靜態(tài)誤差&rco(3)能顯示水的實際溫度。2、發(fā)揮部分（1）采用適當?shù)目刂品椒?，當設定溫度突變（由40提高到60）時，減小系統(tǒng)的調節(jié)時間和超調量。

3、（2）溫度控制的靜態(tài)誤差00.2Co（3）在設定溫度發(fā)生突變時，自動打印水溫隨時間變化的曲線。（4）其他。一系統(tǒng)方案選擇1.1 溫度傳感器的選取目前市場上溫度傳感器較多，主要有以下幾種方案：方案一：選用鉑電阻溫度傳感器。此類溫度傳感器線性度、穩(wěn)定性等方面性能都很好,但其成本較高。方案二：采用熱敏電阻。選用此類元器件有價格便宜的優(yōu)點，但由于熱敏電阻的非線性特性會影響系統(tǒng)的精度。方案三：采用DS18B20溫度傳感器。DS18B20是DALLAS公司生產的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO92小體積封裝形式；溫度測量范圍為55c+125C,可編程為9位12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.062

4、5C,被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出遠端引入。此器件具有體積小、質量輕、線形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設計要求。比較以上三種方案，方案三具有明顯的優(yōu)點，因此選用方案三。1.2 溫度顯示模塊方案一：采用8個LED八段數(shù)碼管分別顯示溫度的十位、個位和小數(shù)位。數(shù)碼管具有低能耗，低損耗、壽命長、耐老化、對外界環(huán)境要求低。但LED八度數(shù)碼管引腳排列不規(guī)則，動態(tài)顯示時要加驅動電路，硬件電路復雜。方案二：采用帶有字庫的12864液晶顯示屏。12864液晶顯示屏具有低功耗，輕薄短小無輻射危險，平面顯示及影像穩(wěn)定、不閃爍、可視面積大、畫面效果好、抗干擾能力強。同時12864帶有

5、字庫，編程容易，且具有多種功能：光標顯示、畫面移位、睡眠模式、增加可讀性、降低功耗。由于要顯示只有設定和測量的兩個溫度值，8位數(shù)碼管足夠使用，所以選擇方案一。1.3 控制電路部分方案一：采用8031芯片，其內部沒有程序存儲器，需要進行外部擴展，這給電路增加了復雜度。方案二：采用2051芯片，其內部有2KB單元的程序存儲器，不需外部擴展程序存儲器。但由于系統(tǒng)用到較多的I/O口，因此此芯片資源不夠用。方案三：采用AT89C51單片機，其內部有4KB單元的程序存儲器，不需外部擴展程序存儲器，而且它的I/O口也足夠本次設計的要求。比較這三種方案，綜合考慮單片機的各部分資源，因此此次設計選用方案二。1.

6、4 PID過程控制部分：過程控制的基本概念過程控制一一對生產過程的某一或某些物理參數(shù)進行的自動控制。1、 模擬控制系統(tǒng)模擬調節(jié)器圖5-1-1基本模擬反饋控制回路被控量的值由傳感器或變送器來檢測，這個值與給定值進行比較，得到偏差，模擬調節(jié)器依一定控制規(guī)律使操作變量變化，以使偏差趨近于零，其輸出通過執(zhí)行器作用于過程?？刂埔?guī)律用對應的模擬硬件來實現(xiàn)，控制規(guī)律的修改需要更換模擬硬件。2、 微機過程控制系統(tǒng)微型訂算機圖5-1-2微機過程控制系統(tǒng)基本框圖執(zhí)行器過程D/A被控變量 以微型計算機作為控制器?？刂埔?guī)律的實現(xiàn)，是通過軟件來完成的。改變控制規(guī)律，只要改變相應的程序即可。3、 數(shù)字控制系統(tǒng)DDC示印錄

7、警顯打記報微型計算機工業(yè)對象圖5-1-3DDC系統(tǒng)構成框圖DDC(DirectDigitalCongtrol)系統(tǒng)是計算機用于過程控制的最典型的一種系統(tǒng)。微型計算機通過過程輸入通道對一個或多個物理量進行檢測，并根據確定的控制規(guī)律(算法)進行計算，通過輸出通道直接去控制執(zhí)行機構，使各被控量達到預定的要求。由于計算機的決策直接作用于過程，故稱為直接數(shù)字控制。DDC系統(tǒng)也是計算機在工業(yè)應用中最普遍的一種形式模擬PID控制系統(tǒng)組成微分比例圖514模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID調節(jié)器是一種線性調節(jié)器，它將給定值r(t)與實際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構成控制量

8、，對控制對象進行控制。1 、PID調節(jié)器的微分方程u(t)=Kpe(t)1-；e(t)dtTd啰Ti0dt式中&t)=Mt)-c(t)2 、PID調節(jié)器的傳輸函數(shù)D(S)=U(S)=Kp11TdSE(S)_TiSPID調節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用1、比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號e(t),偏差一旦產生，調節(jié)器立即產生控制作用以減小偏差。2、積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI,TI越大，積分作用越弱，反之則越強。3、微分環(huán)節(jié)：能反應偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系

9、統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間。數(shù)字PID控制器一、模擬PID控制規(guī)律的離散化模擬形式離散化形式e(t)=r(t)-c(t)e(n)=r(n)一c(n)de(t)dTe(n)-e(n-1)Tt(e(t)dtnnZe(i)T=TZe(i)i=0i=0、數(shù)字PID控制器的差分方程u(n)=KpJe(n)+工Ze(i)+TDb(n)e(n1)|十u0TitT=UP(n)Ui(n)Ud(n)uo式中Up(n)=KPe(n)稱為比例項稱為積分項T/Ui(n)-Kpe(i)Tii=0UD（n）=KpTDe（n）-e（n-1）】稱為微分項T2總體方案原理的理論分析2.1 系統(tǒng)模塊分為：DS18B20模塊，數(shù)碼管

10、顯示模塊，繼電器模塊，獨立鍵盤輸入模塊和聲光報警模塊，DS18B20可以被編程，所以箭頭是雙向的，CPU(89c51)首先寫入命令給DS18B20,然后DS18B20開始轉換數(shù)據，轉換后通89C51來處理數(shù)據。數(shù)據處理后的結果就顯示到數(shù)碼管上。2.2 系統(tǒng)模塊總關系圖3電路與程序設計1.蜂鳴器模塊L2DSUB：|vcc10KP37SPEAKER2.數(shù)碼管顯示模塊下圖是數(shù)碼管顯示模塊的圖日日日日P號U50灑U34-U-I二U引。工12R34L52.C6plOuFSCL7SDA8i910P3111RIP321210KP331314C215vcc卜T30孝C3P3616巴訐普18下KTFIzPIQV

11、CCPl.1(ADO)PO.0Pl.2(AD1)POJPl3(AD2JP02Pl.4(AD3)P0.3PI.5(AD4)P0r4PIi(AD5)PO5Pl.7(AD6)P0.6RST(AD7JP0.7P30(RXDEA/VPPP3.jTXD)ALE/PROGP3J(lMp)PSENP33flNT1)(A15)P2.7P3.4(TO)(Al4)P2.6P3.5CT)fAl3P23P3用(Al2)P2+4P，7很D)(Al1)P23XTAL2(Al0)P2.2XTAL1GNDAS2.0UIIVCC40139A3HF日36E35D34dp33C32755-lvcc2928P27HIP2525P232

12、3五-P2I213.89C51單片機最小系統(tǒng)模塊89C51單片機最小系統(tǒng)模塊如下，P0口接10K的上拉電阻以便與顯示模塊通訊。4.鍵盤和Cl.卜U1博二A(1L:REALX31阜耳釗23u門口1u2-L_陽TB回3JL13_*!L節(jié)R1Plf_6fflK理LZ_TBDS18B20模塊MALI，口枷口:EL2RFTPjTALE蒜P1,AT2P11H2EDSIKB2-|vccR1310KP37DS18B20模塊對水溫進行采樣，并與單片機通RVCC5測試方案與測試結果5.1 測試方案如下：用繼電器模塊來控制300W“熱得快”來對1升水進行加熱，用獨立按鍵設定需加熱溫度值，觀察數(shù)碼管所顯示的穩(wěn)定時的水溫值和環(huán)境溫度降低時溫度控制的靜態(tài)誤差。多次調試并和設定PID參數(shù)來完善該系統(tǒng)。5.2 測試結果如下：經過多次測試，得到如下數(shù)據設定溫度十404550556065實際溫度/