水溫控制系統(tǒng)復(fù)習(xí)進(jìn)程

1、水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告1.設(shè)計(jì)原理水溫控制系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為控制核心，采 用開關(guān)控制和PID控制算法相結(jié)合，通過控制單位時(shí)間內(nèi)加熱 時(shí)間所占的比例（即控制波形占空比）來控制水的加熱速度，實(shí) 現(xiàn)對(duì)1L水的全量程（10C 70C ）內(nèi)的升溫、降溫功能 的自動(dòng)控制。根據(jù)設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)可劃分為控制模塊、溫度測量模 塊、水溫調(diào)節(jié)模塊、鍵盤輸入模塊、顯示電路模塊等。系統(tǒng)原理 圖如圖所示STC89C52首先寫命令給DS18B20開始轉(zhuǎn)換數(shù) 據(jù)，將轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)送入8 9C52進(jìn)行處理，處理后在液 晶屏上實(shí)時(shí)顯示。并將實(shí)際測量溫度值與鍵盤設(shè)定值進(jìn)行比較， 根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，當(dāng)溫差比較大時(shí)采

2、用開關(guān)量調(diào)節(jié)， 既全速加熱和制冷，當(dāng)溫差小時(shí)采用PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終 達(dá)到溫度的穩(wěn)定控制。其中，加熱采用內(nèi)置（水中）電加熱器實(shí) 現(xiàn)，熱量直接與水傳遞，加熱效果好，控溫方便；降溫采用半導(dǎo) 體制冷片實(shí)現(xiàn)。其體積小，安裝簡單，易于控制，價(jià)格便宜，可 短時(shí)間內(nèi)反復(fù)啟動(dòng)，但其制冷速率不高，所以設(shè)計(jì)中配套散熱風(fēng) 扇以達(dá)到快速降溫的目的。2 .溫度控制算法實(shí)際溫度控制系統(tǒng)，常采用開關(guān)控制或數(shù)字PID控制方式。開關(guān)控制的特點(diǎn)是可以使系統(tǒng)以最快的素的向平衡點(diǎn)靠近， 但在實(shí)際應(yīng)用卻很容易造成系統(tǒng)在平衡點(diǎn)附近震蕩，精度不高； 而數(shù)字PID控制具有穩(wěn)態(tài)誤差小特點(diǎn)，實(shí)用性廣泛的特點(diǎn)，但 誤差較大時(shí)，系統(tǒng)容易出現(xiàn)積分

3、飽和，從而份致系統(tǒng)出現(xiàn)很大的 超調(diào)量，甚至出現(xiàn)失控現(xiàn)象。因此，本設(shè)計(jì)將開關(guān)控制，放積分 飽和、防參數(shù)突變積分飽和等方法溶入PID控制算法組成復(fù)式 數(shù)字PID控制方法，集各種控制策略的優(yōu)點(diǎn)，既改善了常規(guī)控 制的動(dòng)態(tài)過程又保持了常規(guī)控制的穩(wěn)態(tài)特性。2.1控制算法的確定溫度控制過程為：當(dāng)水溫溫差大時(shí)，采用開關(guān)控制方式迅速 減小溫差，以縮短調(diào)節(jié)時(shí)間；當(dāng)溫差小于某一值后米用PID控制方式，以使系統(tǒng)快速穩(wěn)定并保持系統(tǒng)無靜態(tài)誤差。在這種控制方 法中，PID控制在較小溫差時(shí)開始進(jìn)入，這樣可有效避免數(shù)字積 分器的飽和。PID參數(shù)和被控制對(duì)象關(guān)系密切，要精確得到被控 對(duì)象模型比較困難，為此，采用離線模糊整定的方法

4、來確定PID參數(shù)，即給出一組 PID參數(shù)的初值，測得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，按使這個(gè) 量減小的方向調(diào)節(jié) PID參數(shù)，用整定后的參數(shù)控制該系統(tǒng)，并根 據(jù)輸出的調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量及穩(wěn)態(tài)誤差，調(diào)節(jié) PID參數(shù)，如此反 復(fù)，求得一組使系統(tǒng)性能最優(yōu)的 PID參數(shù)。復(fù)合PID控制系統(tǒng)方 框圖如圖所示。2.2PID控制算法根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)對(duì) 1L凈水進(jìn)行加熱或降溫處理，根據(jù) 水的對(duì)象特性，會(huì)出現(xiàn)慣性溫度誤差問題，原因如下：溫度控制器采用發(fā)熱絲對(duì)水進(jìn)行加熱。發(fā)熱絲通電加熱時(shí)， 內(nèi)部溫度很高。當(dāng)容器內(nèi)水溫升高至設(shè)定溫度時(shí)，溫度控制器發(fā) 出信號(hào)停止加熱。但這時(shí)發(fā)熱絲的溫度會(huì)高于設(shè)定溫度，發(fā)熱絲 還將繼續(xù)對(duì)對(duì)水進(jìn)行加熱，導(dǎo)致水

5、的溫度還會(huì)繼續(xù)上升幾度，然 后才開始下降。當(dāng)水溫下降到設(shè)定溫度的下限時(shí)，溫度控制器又 發(fā)出加熱信號(hào)，開始加熱，但發(fā)熱絲要把溫度傳遞到被加熱器件 需要一定的時(shí)間，導(dǎo)致水溫會(huì)繼續(xù)下降幾度。所以，為了對(duì)水溫 實(shí)現(xiàn)精確控制，使溫度測量誤差在士 0.5 C內(nèi)，必須采用PID模 糊控制算法，通過Pvar、Ivar、Dvar （比例、積分、微分）三方 面的結(jié)合形成一個(gè)模糊控制來解決慣性溫度誤差問題。利用數(shù)值逼近方法，在采樣時(shí)刻t=iT（T為采樣周期，i為正 整數(shù)）時(shí)，PID調(diào)節(jié)規(guī)律可通過下式近似計(jì)算。則增量式PID算法的輸出量為:T礙-乜“二（笙一氣+乞+式中，ei、ei-1、ei-2分別為第n次、n-1次

6、和n-2次的偏差值，Kp Ti、Td分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，T為采樣周期單片機(jī)每隔固定時(shí)間T將現(xiàn)場溫度與用戶設(shè)定目標(biāo)溫度的差 值帶入增量式PID算法公式，由公式輸出量決定 PWM方波的占空 比，后續(xù)加熱電路根據(jù)此 PWM方波的占空比決定加熱功率?，F(xiàn)場 溫度與目標(biāo)溫度的偏差大則占空比大，加熱電路加熱功率增大， 使溫度的實(shí)測值與設(shè)定值的偏差迅速減少；反之，二者的偏差小 則占空比減小，加熱電路加熱功率減少，直至目標(biāo)值與實(shí)測值相 等，達(dá)到自動(dòng)控制的目的。2.3PID參數(shù)的確定PID參數(shù)的選擇是設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵，它決定了溫度控制的準(zhǔn) 確度。由于溫度系統(tǒng)是一個(gè)具有較大滯后性的系統(tǒng)，所以本系統(tǒng) 的

7、采樣周期定為10秒，加熱周期定為1秒鐘，根據(jù)一些文獻(xiàn)提 供的經(jīng)驗(yàn)值，初步確定 Kp=2, Ti=2,Td=0.5,根據(jù)公式Ki= Kp*T/ TI ； Kd = Kp * TD /T ;計(jì)算得出Ki=1,Kd=1;然后，由按鍵對(duì)系 統(tǒng)設(shè)定一個(gè)溫度值，在線應(yīng)用工程整定法中的經(jīng)驗(yàn)法對(duì)P,I,D各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)驗(yàn)法是一種湊試法，它通過模擬或閉環(huán)運(yùn)行， 觀察調(diào)節(jié)過程的響應(yīng)曲線，如果曲線不夠理想，貝S按某種程序?qū)?參數(shù)反復(fù)湊試，直到調(diào)節(jié)質(zhì)量滿意為止。湊試程序通常是先比例后積分，最后加入微分。湊試法整定 PID參數(shù)的步驟是：1）首先進(jìn)行P整定。將參數(shù)Kp由小而大慢慢變化，直至得 到反應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)曲

8、線。若無靜差或靜差在允許范圍內(nèi)且 響應(yīng)曲線滿意，整定結(jié)束，否則繼續(xù)下步。2）進(jìn)行PI整定。略小于Kp值，將Ti由大而小緩慢變化， 在保持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能良好的前提下，消除靜差或是靜差允許范圍內(nèi)。反復(fù)改變Kp,Ti值以求得較好效果，若效果滿意，則整定結(jié) 束，否則繼續(xù)下去。3）進(jìn)行PID整定。略改變Kp,Ti的值，使Td由小而大緩慢 變化，以求得較好的響應(yīng)曲線和較小的靜差。逐步反復(fù)的試湊， 直至獲得滿意效果為止。對(duì)于一定的系統(tǒng)，合理的參數(shù)組并不唯一，根據(jù)一 些文獻(xiàn)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在具體實(shí)施PID參數(shù)整定時(shí)，以下幾個(gè)結(jié)論比較實(shí)用：1）比例系數(shù)Kp是PID調(diào)節(jié)中最關(guān)鍵的一個(gè)參數(shù)，Kp增大， 系統(tǒng)穩(wěn)定性增加，但

9、調(diào)節(jié)靈敏度減弱，一般曲線振蕩頻繁時(shí)，要 增大Kp,而曲線飄浮繞大彎時(shí)，要減小 Kp.2）積分時(shí)間常數(shù)Ti主要起消除靜差的作用，減小 Ti，消除靜差快，但穩(wěn)定性減小，一般曲線偏離恢復(fù)慢時(shí)，減小Ti,而曲線波動(dòng)周期長時(shí)，再增大Ki。3）微分時(shí)間常數(shù)Td是加速過程的有力調(diào)節(jié)，在加速過渡過 程，應(yīng)增加Td,Td不宜過小，也不宜太大，Td 一般選Ti的四分 之一為最佳。根據(jù)以上調(diào)節(jié)的步驟及調(diào)節(jié)的方法及經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)做后得到最終的P,I,D的參數(shù)為Kp=30,Ki=5,Kd=0.3.硬件電路設(shè)計(jì)水溫控制系統(tǒng)的硬件電路主要包括：主控電路、溫度采集電路、溫控電路和顯示電路等，下面依次對(duì)各部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。3

10、.1主控電路主控電路采用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，結(jié)合數(shù)字PID算法完成對(duì)溫度測量信號(hào)的接收、處理，控制加熱器和制冷 片，使水溫控制達(dá)到設(shè)計(jì)要求。主控電路包括STC89C52最小系統(tǒng)和鍵盤電路兩部分，STC89C52最小系統(tǒng)在上一章中已介紹，這 里不再贅述。本設(shè)計(jì)鍵盤采用RF-X1開發(fā)板上的6個(gè)獨(dú)立按鍵中的4個(gè)，各按鍵經(jīng)上拉電阻分別接到單片機(jī)的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5 口上，起到確認(rèn)、選擇、上調(diào)和下調(diào)的作用，每按上 調(diào)或下調(diào)鍵一次，設(shè)定溫度值加 1或減1。電路圖如圖所示。+5VS1S2S3S4HR6162R6310K10K10KR6510KP32P33P34P36II

11、-II22pFLC3III12MHZJII22PfC2+5VS19C1T10uFR110K,P10POO,P11P01,P12P02.P13P03.P14P04.P15P05,P16P06,P17P07INT1P20INTOP21P22，T1P23.T0P24P25EA/VPP26P27，X1.X2 RESETRXDTXDRDALE/叫WrPSENU11234567813121514311918917STC89C5238373635343332212223242526272810113029D940013.2溫度采集電路本系統(tǒng)采用DS18B20單總線可編程溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)溫度的 采集和轉(zhuǎn)換，溫

12、度以912位數(shù)字量讀出，可以直接與單片機(jī)進(jìn) 行連接，無需外部器件和電源，大大簡化了電路的復(fù)雜度。 DS18B20應(yīng)用廣泛，測溫范圍為-55+125oC,溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換 快，性能可以滿足題目的設(shè)計(jì)要求。DS18B20的測溫電路如圖所示。3.3溫度控制電路溫度控制電路采用加熱器和制冷片對(duì)1L水實(shí)現(xiàn)加熱和降溫，具體電路如圖12-5所示。當(dāng)實(shí)測溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，單 片機(jī)P0.2腳輸出低電平，光耦管導(dǎo)通輸出高電平，進(jìn)入LM393管腳比較整形，濾除高次諧波，輸出高電平，進(jìn)入 Q3和Q4組成 的推挽電路，Q3導(dǎo)通Q4截止，輸出低電平，晶閘管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng) 制冷片降溫。當(dāng)實(shí)測溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，P0.3腳輸出低

13、電平，驅(qū)動(dòng)加熱器對(duì)水溫進(jìn)行加熱，工作原理與降溫驅(qū)動(dòng)相同。3.4顯示電路顯示電路采用LCD12864液晶模塊顯示系統(tǒng)的設(shè)定溫度和實(shí) 測溫度。LCD12864液晶共有20個(gè)引腳，管腳名稱及功能如表 12-1所示。本系統(tǒng)選用單片機(jī) P1 口作為數(shù)據(jù)輸出端與LCD12864 的數(shù)據(jù)端（DBADB7相連，進(jìn)行水溫?cái)?shù)據(jù)傳輸；P20接串并行 模式方式位RS P21接并行的讀寫方式位 R/W P22接并行使能 端口 E; P23接并/串行接口選擇位PSB P24接復(fù)位端口 RST具 體電路圖如圖所示。Hsn h cm uz jaw uz s in ci Ea HQ SQ aaCITDtxl aH捋2SSA4.

14、軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用c語言，采用模塊化對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程 實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。主要包括：PID控制程序、按鍵子程序、溫度采 集子程序、溫度比較子程序和液晶顯示程序。4.1主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電初始化后，首先進(jìn)行按鍵掃描，若有按鍵按下，則 讀取按鍵值，更新設(shè)定溫度。將實(shí)測溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較， 若實(shí)測溫度與設(shè)定溫度差值大于 2o C,則對(duì)水進(jìn)行全速加熱或降 溫；若實(shí)測溫度與設(shè)定溫度差值小于 2o C,則調(diào)用PID子程序, 對(duì)水溫進(jìn)行微調(diào)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)主程序流程圖如圖所示.附錄：PID控制程序PID控制就是按設(shè)定值與測量值之間偏差的比例、偏差 的積累和偏差變化的趨勢進(jìn)行控制。它根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差

15、 值計(jì)算輸出控制量的增量，調(diào)節(jié)控制信號(hào)的導(dǎo)通時(shí)間來控制 加熱電路和冷卻電路的工作。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，可以用 求和代替積分，用差商代替微分。PID控制子程序如下：算 法un sig ned偏差/*PID*/unsigned int PIDCalc( struct PID *pp,int NextPoi nt )un sig ned int dError,Error;Error = pp-SetPoint - NextPoint; / pp-SumError += Error; / 積分 dError = pp-LastError - pp-PrevError; II 當(dāng)前微分pp-PrevEr

16、ror = pp-LastError;pp-LastError = Error;return (pp-Proporti on * Error/比例+ pp-ln tegral * pp-SumError / 積分項(xiàng)+ pp-Derivative * dError); /微分項(xiàng)/*/按鍵子程序本系統(tǒng)采用四個(gè)按鍵，完成溫度的設(shè)定。當(dāng)選擇鍵 K1每按下一次，K1num加1，根據(jù) K1n um值選擇對(duì)溫度值的百位（預(yù)留）、十位、個(gè)位進(jìn)行數(shù) 值調(diào)節(jié)。每按一次按鍵 K2,對(duì)應(yīng)位數(shù)值加1,每按一次按鍵 K1,對(duì)應(yīng)位數(shù)值減1,并將設(shè)定溫度值寫到液晶顯示器的相 應(yīng)位置。按鍵子程序如下：/*按鍵子程序*void

17、shedi ng()if(k1=O)delay1(10);if(k1=0)/按鍵K1按下 while(!k1);按鍵K1抬起write_com(0x0f);write_com(0x94);klnu m+;switch(k1 num) case 1: write_com(0x0f);write_com(0x94);液晶顯示位置，十位break;case2:write_com(0x95);液晶顯示位置，個(gè)位break;case 3: write_com(0x96);液晶顯示位置，小數(shù)位break;case 4:k1nu m=0;write_com(0x0c);清零break;if(k1 nu m!

18、=0) 返回/溫度值加處理：if(k2=0)/按鍵K2按下delay1(10);if(k2=0)while(!k2);switch(k1 num)case 1:shi+;if(shi=10)shi=0;a=shi;十位力口1,到10清零write_com(0x94);write_date(tableshi);write_com(0x94);break;case 2:ge+;if(ge=10)ge=0;b=ge; 個(gè)位加 1,到10清零write_com(0x95);write_date(tablege);write_com(0x95);break;case 3:xs+;if(xs=10)xs=

19、0;c=xs;小數(shù)位加 1,到10清零write_com(0x96);write_date(.);write_date(tablexs);write_com(0x96);在液晶對(duì)應(yīng)位置畫點(diǎn)break;/溫度值減處理：if(k3=0)delay1(10);if(k3=0)while(!k3);switch(k1 num)case 1:shi-;if(shi=-1)shi=9;a=shi;write_com(0x94);write_date(tableshi);write_com(0x94);break;case 2:ge-;if(ge=-1)ge=9;b二ge;write_com(0x95);w

20、rite_date(tablege);write_com(0x95);break;case 3:xs-;if(xs=-1)xs=9;c=xs;write_com(0x96);write_date(.);write_date(tablexs);write_com(0x96);break;/*DS18B20溫度采集子程序 系統(tǒng)采用 DS18B20對(duì)1L 水的溫度進(jìn)行采集。首先根據(jù) DS18B20的工作時(shí)序?qū)ζ溥M(jìn)行 初始化，并對(duì)DS18B20內(nèi)部寄存器讀寫操作進(jìn)行定義。系統(tǒng) 工作時(shí)，單片機(jī)讀取 DS18B2 0內(nèi)部寄存器的二進(jìn)制數(shù)值，將 其轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制的真實(shí)溫度值。DS18B20溫度采集子程序 如下

21、：*DS18B20S度采集子程序*初始化/DQ復(fù)位延時(shí)單片機(jī)將DQ拉低voidin it_DS18B20()ucharx=0;DS18B20=1;delay(8);/ 稍做DS18B20 = 0;/delay(80); / 精確延時(shí)大于480usDS18B20 = 1;/拉咼總線delay(14);x二DS18B20;/稍做延時(shí)后如果x=0則初始化成功x=1則初始化失敗delay(20);uchar read_ on echar()讀一個(gè)字節(jié)uchar i=0;uchar date = 0;for (i=8;i0;i-)DS18B20 = 0;date=1;/寄存器右移DS18B20 = 1;

22、if(DS18B20)date|=0x80;delay(4);return(date);voidwrite_ on echar(uchar date)/寫一個(gè)字節(jié)uchar i=0;for (i=8; i0; i-)DS18B20 = 0;DS18B20=date&0x01;delay(5);DS18B20 = 1;date=1;ui nt read_temp() 讀 取溫度 uchar a=0;uint t=0;float tt=0;in it_DS18B20();write_ on echar(Oxcc);/跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作write_ on echar(0x44);/ 啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換i

23、n it_DS18B20();write_ on echar(0xcc);/跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作write_ on echar(Oxbe);/讀取溫度寄存器a=read_ on echar();/連續(xù)讀兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)讀低8位b=read_ on echar();/讀高8位t=b; ttemper) /是否設(shè)置的溫度大于實(shí)際溫度設(shè)置的溫度比實(shí)際的溫度if(set_temper-temper2) /是否是大于2度high_time=100; II 如果是，則全速加熱low_time=0;else II如果是在0.8到2度范圍，則開始降溫if(set_temper-temper0.8)high_tim

24、e=0;low_time=100;else II如果溫差小于0.8度，運(yùn)行PID計(jì)算for(i=0;i10;i+)s二read_temp();rin 二 s; II Read In putrout = PIDCalc ( &spid,rin); II Perform PIDIn teratio nif(high_time=100)high_time=(u nsig ned char)(rout/1000);elsehigh_time=100;low_time= (100-high_time);elseif(set_temper二temper) /是否設(shè)置的溫度小于實(shí)際溫度if(set_temp

25、er-temper0)high_time=O;low_time=100; / 全速降溫else /實(shí)際溫度大于設(shè)定溫度，馬上開啟PID計(jì)算for(i=0;i10;i+)rin 二 s; / Read Inputrout = PIDCalc ( &spid,rin);/Perform PIDIn teratio nif(high_time100)high_time=(un sig ned char)(rout/10000);elsehigh_time=0;low_time二(100-high_time);/*/液晶顯示程序液晶顯示器用于顯示水溫 的實(shí)際溫度和設(shè)定溫度。首先對(duì)LCD12864進(jìn)行初

26、始化，并讀取控制器當(dāng)前狀態(tài)，判斷是否準(zhǔn)備好（空閑）。然后向液 晶模塊寫入指令代碼，進(jìn)行顯示準(zhǔn)備，將要水溫以十六進(jìn)制 代碼的形式送入液晶顯示緩沖區(qū)，最后利用讀顯示數(shù)據(jù)指令 控制液晶模塊在相應(yīng)位置顯示水溫?cái)?shù)據(jù)。液晶顯示程序如下：/* void ini t_lcd()*LCD12864 初始化*lcd_psb=1;write_com(0x34);擴(kuò)充指令集delay1(2);write_com(0x30);基本指令集delay1(2);write_com(0x02);顯示歸位清屏顯示delay1(2);write_com(0x01);delay1(2);write_com(OxOc);顯示狀態(tài)開關(guān)delay1(2);光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置write_com(0x06);顯示delay1(2);*/*寫數(shù)據(jù)*date)void write_date(ucharread_busy();delay(5); lcd_rw=O;delay(5);lcd_date二date; lcd_e n=0;delay(5);lcd_e n=1;delay(5);lcd_e n=0;delay(5);/*寫指令*com)void write_com(ucharread_busy();lcd_rs=O;delay(5);lcd_rw=0;