水溫自動控制系統(tǒng)

1、電子技術綜合設計設計報告設計題目： 水溫自動控制系統(tǒng) 組長姓名： 學 號： 專業(yè)與班級： 工業(yè)自動化14-16班 姓 名： 學 號： 專業(yè)與班級： 工業(yè)自動化14-16班 姓 名： 學 號： 專業(yè)與班級： 工業(yè)自動化14-16班 時 間： 2016 2017 學年第（1）學期 指導教師： 陳燁 成 績： 評閱日期： 一、 課題任務設計并制作一個水溫自動控制系統(tǒng)，對1.5L凈水進行加。水溫保持在一定范圍內且由人工設定。細節(jié)要求如下：1.溫度設定范圍為4090 ，最小分辨率為0.1，誤差1。2.可通過LCD顯示屏顯示溫度目標值與實時溫度。3.可以通過鍵盤調整目標溫度的數值。二、 方案比較1. 系統(tǒng)

2、模塊設計為完成任務目標，可以將系統(tǒng)分為如下幾個部分：5V直流電供電模塊、測溫模塊、80C52單片機控制系統(tǒng)、鍵盤控制電路、溫度顯示模塊、繼電器控制模塊、強電加熱電路。通過各模塊之間的相互配合，可以完成水溫檢測、液晶顯示、目標值設置、水溫控制等功能。系統(tǒng)方框圖如下：2. 5V直流電供電模塊方案一：直接用GP品牌的9v電池，然后接通過三端穩(wěn)壓芯片7805穩(wěn)壓成5伏直流電源提供給單片機系統(tǒng)使用，接兩個5伏電源的濾波電容后輸出。方案二：通過變壓器，將220v的市電轉換成9v左右的交流電，變壓器輸出端的9V電壓經橋式整流并電容濾波。要得到一個比較穩(wěn)定的5v電壓，在這里接一個三端穩(wěn)壓器的元件7805。由于

3、需要給繼電器提供穩(wěn)定的5V電壓，而方案一中導致電池的過度損耗，無法穩(wěn)定帶動繼電器持續(xù)工作，所以我們選用能夠提供更加穩(wěn)定5v電源的方案二。3. 測溫模塊經查閱資料,IC式感溫器在市場上應用比較廣泛的有以下幾種：AD590：電流輸出型的測溫組件,溫度每升高1 攝氏度，電流增加1A，溫度測量范圍在-55 150之間。其所采集到的數據需經A/D 轉換，才能得到實際的溫度值。DS18B20：內含AD轉換器，所以除了測量溫度外，它還可以把溫度值以數字的方式(9 B i t ) 送出，因此線路連接十分簡單，它無需其他外加電路，直接輸出數字量，可直接與單片機通信，讀取測溫數據。它能夠達到0.5的固有分辨率，使

4、用讀取溫度暫存寄存器的方法還能達到0.0625以上精度，溫度測量范圍在-55125 之間，應用方便。SMARTEC感溫組件:這是一只3個管腳感溫IC，溫度測量范圍在-45 13，誤差可以保持在0.7 以內。max6225/6626：最大測溫范圍也是-55+125，帶有串行總線接口，測量溫度在可測范圍內的的誤差在4以內，較大，故舍棄該方案。本設計選用DS18B20感溫IC，這是因其性能參數符合設計要求，接口簡單，內部集成了A/D 轉換，測溫更簡便，精度較高，反應速度快，且經過市場考察，該芯片易購買，使用方便。下面是DS18B20感溫IC的實物和接口圖片4. 80C52單片機控制系統(tǒng)AT89C52

5、是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應用。5. 鍵盤控制電路方案一：四鍵設定，一個十位控制鍵，一個個位控制鍵，一個位控制鍵，一個確認鍵，通過四鍵的配合設定為度，該方案接線和程序簡單，但實際操作不太便捷。方案二：矩陣鍵盤設定，通過按鍵輸入不同數字實現溫度的設定，電路連接比較簡單，程序較方案一復雜，但已經在學習過

6、程中接觸過矩陣鍵盤的編程技巧，有一定的可行性，且操作起來更加符合我們的日常習慣。本次設計暫定采用矩陣鍵盤來作為溫度設定電路的輸入。6. 溫度顯示模塊方案一：使用數碼管顯示，通過數碼管顯示被測溫度和設定溫度。該方案程序簡單，且已學習過其編程技巧，但硬件占用單片機I/O口較多，對于盡量節(jié)約端口，讓線路簡單來說不是好方法，而且顯示也不夠直觀靈活，只能顯示數字，。方案二：使用液晶屏1602顯示。1602可顯示兩行字符及數字，可以用來顯示設定溫度及測量溫度，較之數碼管顯示更加清晰直觀，雖然此前沒有接觸過相關知識，但該器件上手比較容易，可以在短期內學會其使用方法。1602較之數碼管更加符合本次設計要求，因

7、此使用1602作為顯示器件。7. 繼電器控制模塊方案一：采用普通的控制方法，即水溫溫度到達臨界溫度時，控制繼電器開閉。但由于水溫變化快，且慣性大，不易控制精度。 方案二：采用PWM控制加PID算法，通過采用PWM可以產生一個波形，而PWM波形的占空比是通過PID算法調節(jié)，這樣就可以通過控制加熱電路的開、斷時間比來控制加熱器功率進而控制溫度的變化，從而使精度提高。此方法中硬件上可以使用固態(tài)繼電器或晶閘管控制加熱器工作。我們選擇方案二。三、 電路設計1. 電源電路整個系統(tǒng)需要使用5V直流電和220V交流電。電源電路采用變壓器與穩(wěn)壓模塊，將工頻電壓降為5V直流電，為系統(tǒng)供電。首先用變壓器模塊20V交

8、流電降為9V交流電，接入整流電橋，變?yōu)橹绷麟娸敵?，再使用三端穩(wěn)壓芯片7805穩(wěn)壓為5V。L7805輸出端要聯(lián)上電解電容，濾除交流電干擾，防止損壞單片機系統(tǒng)。LM7805最大可以輸出1A的電流，內部有限流式短路保護，短時間內，例如幾秒鐘的時間，輸出端對地（2腳）短路并不會使7805燒壞。2. 溫度傳感器DS18B20溫度傳感器只有三根外引線：單線數據傳輸總線端口DQ ，外供電源線VDD，共用地線GND。外部供電方式(VDD接+5V，且數據傳輸總線接4.7k的上拉電阻，其接口電路如下圖（外接電源工作方式）所示。3. 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng),或者稱為最小應用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機可

9、以工作的系統(tǒng).對51系列單片機來說,最小系統(tǒng)一般應該包括:單片機、晶振電路、復位電路4. 按鍵、顯示電路這部分實際上是一個單片機最小系統(tǒng)的基本電路，鍵盤選用矩陣鍵盤可滿足要求，通過按鍵輸入不同數字實現溫度的設定。在顯示方面選用常用的1602液晶顯示模塊。通過相應的程序，可以實現溫度的實時顯示，電路連接也比較簡單，只需連接數據總線，和三根控制線即可實現數據控制，實現顯示功能。1602顯示電路5. 繼電器溫控單片機驅動繼電器的通斷，從而比較容易的實現對小功率電熱棒的加熱。本系統(tǒng)利用繼電器的吸合與否來實現水溫的自動化控制。本次設計采用型號為JRC-21F的繼電器。其特點有：（1）.超小型,低功耗;（

10、2）.觸點型式:1H,1Z(1A.AC);（3）.觸點負載:2A,120VAC;（4）.外型尺寸:15.7X10.4X11.4如圖是驅動較大功率繼電器的接口，當p1.1（連接單片機的輸出口）輸出低電平時，Q1導通，繼電器吸合；當p1.1輸出高電平時，Q1截止，繼電器斷開。由于繼電器吸合時電流比較大，所以在單片機與繼電器之間增加了光電耦合器件作為隔離電路。R3是光電耦合輸出管的限流電阻，R4是驅動管Q1基極泄放電阻。整體硬件電路見附錄四、 程序設計程序結構包括：主程序、傳感器測溫程序、lcd1602顯示程序、鍵盤掃描程序、PID計算程序、PWM波形發(fā)生程序。主程序流程圖如下所示：傳感器測溫程序流

11、程圖：lcd1602顯示程序流程圖：鍵盤掃描程序流程圖：溫度比較與PID計算程序流程圖：PWM波形發(fā)生程序（定時器中斷）流程圖：五、 測試方案1.靜態(tài)測試：室溫狀態(tài)下，分別用溫度計與18B20傳感器檢測水溫，觀察兩者是否有誤差。2.動態(tài)測試：用繼電器控制“熱得快”對1升水加熱，用鍵盤設定需加熱溫度值，觀察、記錄1602顯示屏上實時水溫值的變化過程和每次改變溫度設定值后PID調節(jié)的超調量。多次調試并和修改PID參數來完善該系統(tǒng)。檢驗水溫的穩(wěn)定值是否滿足設計目標的要求。六、 系統(tǒng)調試1.加熱水量與加熱器的功率確定加熱器水量與功率應當構成匹配，加熱水量過多或功率過小會導致加熱時間過長，而加熱水量過少

12、或功率過大會使超調增大，不利于控制。我們選擇1L的容器作為測試對象，預計將20攝氏度的水加熱到100攝氏度需要5分鐘。經過計算這樣的加熱器功率至少為1120w，因此選擇1000w的加熱管。滿足1L的容器很多，但是廣口的盆水位較低，不利于加熱管的安放。經過努力，找到了合適的容器（實物見附件），恰能使得加熱棒處于最為合適的水位深度。2.上下層溫差的優(yōu)化和電動機電源的選擇電動機本不在設計的范圍里面，但是隨著系統(tǒng)調試的進行，發(fā)現容器中的的水很難實現熱均勻。容器中上下層溫差過大，導致溫度傳感器所測數據極不準確，滯后過大，非常不利于控制。所以又添加一個直流減速電機帶動槳葉加速冷熱水對流，從而讓容器里面的水

13、受熱均勻，方便測溫模塊對系統(tǒng)水溫的實時監(jiān)測。這一額外的電動機沒有在事先考慮的器件電氣匹配范圍內，所以當它與加熱模塊一同共用5v的直流電源時，已超出了整流模塊所能提供的最大電流，于是又添加了一個電源給電動機供電。3. PID程序的修改調試當實際水溫與目標值差距過大時，加熱器只需滿功率工作(或完全停止工作)即可滿足要求。此時采用PID控制意義不大，且PID控制范圍很大，參數很難整定，而微分環(huán)節(jié)也容易受到干擾導致加熱器無法滿功率運行。因此，在滿足控制精度的前提下，可將PID控制的范圍縮小到設定溫度的1之內。范圍縮小后，PID參數容易調整，控制效果明顯增強。經過調試后PID參數分別為Proportio

14、n = 10，Integral = 8，Derivative =6。4.PWM波周期的調試PWM波的周期越短，控制的精度越高。但PWM波形的輸出需要單片機中斷程序進行控制，中斷頻率過高會干擾單片機中主程序的運行。測溫模塊18B50對時間的要求非常嚴格，因此測溫模塊讀取數據期間會與中斷程序沖突。若18B20讀數期間允許中斷中斷會導致其溫度輸出出現大量錯誤；若不允許中斷會導致PWM波周期頻繁變化。經過調試，將PWM波周期設為5s。七、 數據測試與處理1.靜態(tài)溫度的測試室溫狀態(tài)下，分別用溫度計與18B20傳感器檢測水溫，得到結果分別為。溫度計顯示17.5，18B20傳感器顯示溫度17.9，在誤差允許

15、的范圍內，滿足要求。2.動態(tài)溫度的測試：令測溫系統(tǒng)工作，對1.5L凈水加熱，設定溫度分別為50，60, 80，每10s記錄一次顯示屏幕上的數據，繪制其溫度變化曲線，并計算溫度控制的超調量，穩(wěn)態(tài)誤差。溫度數據及曲線如下：（1） 目標溫度50度：時間（10s）01234567溫度（）303030.130.531.13232.733.5時間（10s）89101112151718溫度（）34.535.336.137.138.140.642.343.2時間（10s）1920212324252627溫度（）44.14545.847.648.449.149.750.8時間（10s）2829303132333

16、435溫度（）51.251.651.851.851.851.851.851.7時間（10s）3639404346515457溫度（）51.651.351.150.850.650.550.350.1時間（10s）6063646668697072溫度（）5049.849.950.150.550.750.750.7時間（10s）7578818487889091溫度（）50.550.450.250.149.949.85050時間（10s）92溫度（）50超調量為3.6%（2） 目標溫度60度：時間（10s）01234567溫度（）5050.551.151.852.653.554.155時間（10s）8

17、9101112131415溫度（）55.856.657.558.358.959.860.361.2時間（10s）1617181920212427溫度（）61.561.661.661.661.561.461.160.8時間（10s）3032333436374041溫度（）60.460.260.16059.86060.260.3時間（10s）4245474850525354溫度（）60.360.2606059.859.960.160.3時間（10s）5657溫度（）60.460.3超調量為2.5%（3） 目標溫度80度：時間（10s）01234567溫度（）6060.861.462.162.863

18、.764.565.3時間（10s）89101112131516.5溫度（）66.166.867.668.369.170.371.372.4時間（10s）1819212223242526溫度（）73.574.375.676.47777.778.478.9時間（10s）2728293031323334溫度（）79.580.180.380.580.580.380.280.1時間（10s）35363738.539404142溫度（）79.879.679.479.379.379.379.479.4時間（10s）4344454647484950溫度（）79.579.679.779.879.9808079.

19、9時間（10s）5152535455565758溫度（）79.779.679.679.679.779.779.880時間（10s）5960616263溫度（）80.180808080超調量為0.6%由以上溫度曲線可以看出，水溫能夠保持在設定溫度上下，控制過程中超調量4%,且穩(wěn)態(tài)時的誤差在為0.3，滿足系統(tǒng)設計要求。八、 設計總結通過本次應用系統(tǒng)設計，在很大程度上提高了我們的獨立思考、分析判斷以及動手實踐能力，也對系統(tǒng)設計過程以及設計過程中應注意的問題有了初步的認識，加深了我們對所學知識的理解。出于對自身知識及可獲取的學習資源的考慮，我組本次電子綜合設計的選題最終定為水溫自動控制系統(tǒng)的設計，該題

20、目為往年電設題目，參考資料較易獲取且基本未超出我們現掌握的知識水平。在參考了書本及網絡上的設計思想之后，我們確定了該系統(tǒng)的設計方案初稿，并討論了設計方案的可行性。討論確定出實驗所需器材以及組員的分工,由一名組員進行程序的編寫，另外兩名組員進行硬件電路的焊接及調試。經過幾次檢查、調試以及修改之后，基本實現了本次設計的部分預期目標：可通過LCD顯示屏顯示溫度目標值與實時溫度，可以通過鍵盤調整目標溫度的數值等功能。在系統(tǒng)調試過程中，遇到一些問題：1.由于一開始沒有估計好器件占用的空間，所購萬用板太小，無法滿足實驗要求，之后又換用了一個較大的萬用板。在最小系統(tǒng)焊接完成后，由于沒有搞清楚按鍵的內部接線，

21、使單片機一直處于復位狀態(tài)，無法正常工作，后用萬用表排查出該錯誤。2.在加熱控制器件的選擇上花費了較多精力，開始的設計方案是用光電耦合器配合雙向晶閘管利用PWM波控制加熱功率來實現溫度的穩(wěn)定，但在硬件實驗時發(fā)現控制導通無法實現，且電壓、電流余量有限，不能滿足設計要求。便換用了固態(tài)繼電器配合三極管來實現功率控制。3.在完成基本功能后，發(fā)現由于水溫分布不均勻，溫度傳感器無法及時檢測到水溫變化以改變加熱功率，減小超調量，又在原系統(tǒng)中增加了電機攪拌器以使水溫分布均勻。4. 在PID參數整定中，發(fā)現初始的PID算法過于簡單，造成被控變量誤差與穩(wěn)定性均較差。普通的位置PID算法很難滿足水溫控制系統(tǒng)的要求。查

22、閱資料后，縮小了PID控制的范圍，在滿足控制精度的前提下，溫控范圍縮小到設定溫度的1之內。范圍縮小后，PID參數容易調整，控制效果明顯增強。這些問題的解決幫助我們融合所學的知識，極大提高了我們動手能力。通過對本設計的反思總結，加深了對機械，單片機，自動控制等多方面知識的理解，也激發(fā)了我們對電子設計的極大興趣，這對我們以后的學習生活有著十分重要的作用。 九、 參考文獻1.劉海成.AVR單片機原理及測控工程應用 .北京航空航天大學出版社2.周潤景 劉曉霞.單片機實用系統(tǒng)設計與仿真經典實例.電子工業(yè)出版社3.謝維成 楊加國.單片機原理與應用及C51程序設計.清華大學出版社4.大學生電子設計競賽組委會

23、.第五屆全國電子設計競賽獲獎作品選編.北京理工大學出版社5.黃志偉 全國大學生電子設計競賽系統(tǒng)設計。北京航空航天出版社6.51黑電子論壇 十、 附錄1. 電路原理圖2.程序#include #include#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ =P27; /定義端口sbit RS=P25;sbit RW=P24;sbit EN=P23;sbit output=P20;sbit P0_0=P00;sbit P0_1=P01;sbit P0_2=P02;sbit P0_3=P03;uc

24、har flag;/flag為溫度值的正負號標志單元uchar c2;/18b20的直接輸出量 uint cc,cc2;/變量cc為18b20輸出量的直接計算值，cc2為放大100倍溫度值 float cc1;/cc1為溫度值uchar buff110=Set temp: ;/1602屏顯示uchar buff210=Cur temp: ;/1602屏顯示uchar set_c2=5,0;/用于溫度設置及1602屏顯示uchar buff36=+00.0 ;/1602屏顯示uchar temper,set_temper=50;/temper用于PID的測量值(整數)，set_temper用于P

25、ID參考值uint s;/PID的測量值(小數)struct PID unsigned int SetPoint; / 設定目標 unsigned int Proportion; / 比例常數 unsigned int Integral; / 積分常數 unsigned int Derivative; / 微分常數 unsigned int LastError; / Error-1unsigned int PrevError; / Error-2unsigned int SumError; / Sums of Errors;struct PID spid; / 創(chuàng)建PID結構uint rout

26、; / PID Outputuint rin; / PID Inputunsigned char high_time,low_time,count=0;/占空比調節(jié)參數void delay(uint useconds) /延時程序 for(;useconds0;useconds-);uchar ow_reset(void) /復位（18B20） uchar presence; DQ = 0; / DQ 低電平 delay(50); / 480ms DQ = 1; / DQ 高電平 delay(3); / 等待 presence = DQ; / presence 信號 delay(25); re

27、turn(presence); / 0允許, 1禁止 uchar read_byte(void) /從單總線上讀取一個字節(jié)（18B20） uchar i; uchar value = 0; for (i=8;i0;i-) value=1; DQ = 0; DQ = 1; delay(1); if(DQ)value|=0x80; delay(6); return(value);void write_byte(uchar val) /向單總線上寫一個字節(jié)（18B20） uchar i; for (i=8; i0; i-) / 一次寫一位 DQ = 0; DQ = val&0x01; delay(5

28、); DQ = 1; val=val/2; delay(5);void Read_Temperature(void) /讀取溫度（18B20） ow_reset(); write_byte(0xCC); / 跳過 ROM write_byte(0xBE); / 讀 c1=read_byte();/低字節(jié) c0=read_byte();/高字節(jié) ow_reset(); write_byte(0xCC); write_byte(0x44); / 再次開始 cc=c0*256.0+c1;/ 18b20輸出量的直接計算值 if (c00xf8) flag=1;cc=cc+1;else flag=0;

29、cc1=cc*0.0625; /計算出溫度值 cc2=cc1*100;/溫度值放大100倍，放在整型變量中便于取數字c0=(c04; temper=c0|c1;/溫度值整數部分delay(1000);/用于PID的測量溫度值 return;void fbusy()/檢查忙函數（1602）P1 = 0xff;RS = 0;RW = 1;EN = 1;EN = 0;while(P1 & 0x80)EN = 0;EN = 1;void wc51r(uchar j)/寫命令函數（1602） fbusy();EN = 0;RS = 0;RW = 0;EN = 1;P1 = j;EN = 0;void w

30、c51ddr(uchar j)/寫數據函數（1602） fbusy();/讀狀態(tài)；EN = 0;RS = 1;RW = 0;EN = 1;P1 = j;EN = 0;void init()/1602初始化wc51r(0x01); /清屏wc51r(0x38); /使用8位數據，顯示兩行，使用5*7的字型wc51r(0x0c); /顯示器開，光標開，字符不閃爍wc51r(0x06); /字符不動，光標自動右移一格void display(void) /1602顯示程序1(初始化顯示)uchar k;delay(10); init();wc51r(0x80); /寫入顯示緩沖區(qū)起始地址為第1行第1

31、列for (k=0;k10;k+)/第一行顯示提示信息Set temp： wc51ddr(buff1k);for (k=0;k2;k+) wc51ddr(set_ck);/顯示設定的溫度wc51r(0xc0); /寫入顯示緩沖區(qū)起始地址為第2行第1列for (k=0;k10;k+) /第二行顯示提示信息Cur temp： wc51ddr(buff2k); buff31=cc2/1000+0x30; if ( buff31=0x30) buff31=0x20;/取出十位，轉換成字符，如果十位是0不顯示。 buff32=cc2/100%10+0x30;/取出個位，轉換成字符 buff34=cc2/

32、10%10+0x30;/取出小數點后一位，轉換成字符 if (flag=1) buff30=-;else buff30=+; for (k=0;k6;k+)/第二行顯示溫度 wc51ddr(buff3k); void display2(void) /1602顯示程序2（循環(huán)顯示）uchar k;delay(10);wc51r(0xca);buff31=cc2/1000+0x30;if ( buff31=0x30) buff31=0x20;/取出十位，轉換成字符，如果十位是0不顯示。 buff32=cc2/100%10+0x30;/取出個位，轉換成字符 buff34=cc2/10%10+0x30

33、;/取出小數點后一位，轉換成字符 if (flag=1) buff30=-;else buff30=+; for (k=0;kSetPoint - NextPoint; / 偏差pp-SumError += Error; / 積分dError = pp-LastError - pp-PrevError; / 當前微分pp-PrevError = pp-LastError;pp-LastError = Error;return (pp-Proportion * Error / 比例項+ pp-Integral * pp-SumError / 積分項+ pp-Derivative * dError); / 微分項compare_temper()/溫度比較處理程序 unsigned char i; if(set_tempertemper) if(set_temper-temper1) high_time=100; low_time=0; else for(i