水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與報(bào)告總結(jié)

1、水溫控制系統(tǒng)摘要： 本系統(tǒng)以MSP430F149超低功耗MCU為核心,以DS18B20為溫度傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)，采用電熱棒進(jìn)行加熱。該控制系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的溫度，通過(guò)PID算法調(diào)節(jié)和控制PWM波的輸出，控制電磁繼電器的通斷時(shí)間從而控制水溫的自動(dòng)調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)主要包括MSP430F149單片機(jī)控制器模塊、DS18B20測(cè)溫模塊、鍵盤(pán)模塊、繼電器控制模塊及LCD12864液晶顯示模塊等構(gòu)成。具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、程序簡(jiǎn)短、系統(tǒng)可靠性高、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：MSP430 DS18B20 PID算法 PWM LCD12864目錄一、任務(wù)及要求11.1設(shè)計(jì)任務(wù)11.2要求1基本要求1發(fā)揮部分1二、方案設(shè)計(jì)與

2、論證22.1 溫度檢測(cè)電路方案選擇22.2顯示電路的方案選擇22.3加熱和控制方案選擇22.4控制算法選擇與論證3三、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)33.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖33.2控制器模塊33.3溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)43.4加熱控制電路設(shè)計(jì)53.5鍵盤(pán)及顯示電路設(shè)計(jì)53.6電源電路設(shè)計(jì)6四、軟件設(shè)計(jì)64.1 PID算法設(shè)計(jì)64.2程序流程圖8主程序框圖84.2.2 LCD12864程序流程圖94.2.3 PID程序流程圖104.2.4 DS18B20水溫檢測(cè)程序流程圖11五、系統(tǒng)測(cè)試及分析125.1系統(tǒng)調(diào)試12控制模塊的調(diào)試125.1.2 溫度檢測(cè)模塊125.1.3 繼電器的檢測(cè)125.2測(cè)試結(jié)果及分析12測(cè)試儀

3、器12測(cè)試方法13測(cè)試結(jié)果13六、設(shè)計(jì)總結(jié)14七、附錄15附錄1 儀表器件清單15附錄2 水溫控制系統(tǒng)原理圖16附錄3 程序設(shè)計(jì)17一、任務(wù)及要求1.1設(shè)計(jì)任務(wù)該水溫控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的檢測(cè)、控制型應(yīng)用系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)完成從水溫檢測(cè)、信號(hào)處理、輸入、運(yùn)算輸出控制加熱裝置以實(shí)現(xiàn)水溫控制的全過(guò)程。本設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求為計(jì)并制作一個(gè)水溫控制系統(tǒng)，控制對(duì)象為1L凈水，容器為水杯。水溫可以在一定范圍內(nèi)可人工設(shè)定，并在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以保持設(shè)定的溫度基本不變。1.2要求基本要求(1)溫度設(shè)定范圍：4090，最小區(qū)分度為1。(2)環(huán)境溫度降低時(shí)，控制精度：溫度控制的靜態(tài)誤差1。(3)用LCD128

4、64顯示實(shí)際水溫及設(shè)定的水溫。1.2.2發(fā)揮部分(1)采用適當(dāng)控制方法，當(dāng)設(shè)定溫度突變時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。(2)溫度控制的靜態(tài)誤差0.2。(3)能自動(dòng)顯示水溫隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。二、方案設(shè)計(jì)與論證2.1 溫度檢測(cè)電路方案選擇方案一：使用熱敏電阻。通過(guò)阻值的變化來(lái)獲得電壓的變化，再做相應(yīng)的轉(zhuǎn)換得到溫度值，雖然價(jià)格便宜但精度不高。對(duì)于精度要求高的系統(tǒng)不宜采用。方案二：使用線(xiàn)性NTC溫度傳感器。它是一種線(xiàn)性溫度電壓轉(zhuǎn)換電路。在通過(guò)工作電路（100uA）的條件下，元件電壓值隨溫度呈線(xiàn)性變化。測(cè)溫范圍在-200+200之間。這個(gè)溫度值同樣需要做相應(yīng)轉(zhuǎn)換，所以不方便。方案三：使用DS18B20溫

5、度傳感器。內(nèi)含AD轉(zhuǎn)換器，且線(xiàn)路連接十分方便，無(wú)需其他外加電路，直接輸出數(shù)字量，可直接與單片機(jī)通信，讀取測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，它能夠達(dá)到0.5的固有分辨率，使用讀取溫度暫存器的方法還能達(dá)到0.2以上的精度，應(yīng)用方便，這樣的電路主要工作量集中到單片機(jī)軟件編程上。方案論證與選擇：選擇方案三，采用DS18B20溫度傳感器。2.2顯示電路的方案選擇方案一：使用數(shù)碼管顯示。通過(guò)數(shù)碼管顯示實(shí)際水溫和設(shè)定溫度。該方案程序簡(jiǎn)單，但硬件占用單片機(jī)I/O口較多，而且只能顯示數(shù)字和少數(shù)幾個(gè)字母，不能顯示漢子提示功能，只能顯示一行。方案二：使用LCD1602。LCD1602可顯示溫度及測(cè)量溫度，但顯示時(shí)1602只能顯示兩行，且只

6、能顯示字符和數(shù)字，不能顯示漢字及曲線(xiàn)。方案二：使用LCD12864。LCD12864可顯示字母，數(shù)字及漢字，且一次可以顯示4行，顯示直觀，通過(guò)字幕模式、溫度、曲線(xiàn)。該方案程序較復(fù)雜，但顯示圖形代碼較簡(jiǎn)單且觀察清晰，顯示更加明白。方案論證與選擇：選擇方案三，采用LCD12864。2.3加熱和控制方案選擇方案一：使用電熱爐進(jìn)行加熱。通過(guò)控制電爐的功率即可控制加熱速度，當(dāng)水溫過(guò)高時(shí)，關(guān)掉電爐即可，但使用電爐成本高，且精度不易控制。方案二：使用可控硅控制加熱器的工作?？煽毓枋且环N半控器件，通過(guò)控制導(dǎo)通角的方式來(lái)控制，對(duì)每個(gè)周期的交流電進(jìn)行控制，因?yàn)閷?dǎo)通角連續(xù)可調(diào)，故控制精度高，但控制不當(dāng)易造成電磁干擾

7、需加相應(yīng)防護(hù)措施，且費(fèi)用較高。方案三：使用固態(tài)繼電器。通過(guò)控制繼電器通斷來(lái)控制加熱器工作，固態(tài)繼電器使用非常簡(jiǎn)單，而且無(wú)觸點(diǎn)，無(wú)需外加光耦，自身可實(shí)現(xiàn)電氣隔離，還可頻繁動(dòng)作。該方案實(shí)行較簡(jiǎn)單且價(jià)格便宜。方案論證與選擇：選擇方案三，采用固態(tài)繼電器。2.4控制算法選擇與論證方案一：通過(guò)軟件來(lái)調(diào)節(jié)占空比。根據(jù)實(shí)時(shí)水溫值來(lái)調(diào)節(jié)溫度，由于水溫值變換快，且慣性大。通過(guò)軟件控制不僅需要大量的代碼且控制精度會(huì)受到影響。方案二：通過(guò)采用PWM控制加PID算法，通過(guò)采用PWM可以產(chǎn)生一個(gè)矩形波，且矩形波占空比是通過(guò)PID算法調(diào)節(jié)，PID算法會(huì)不斷的獲取當(dāng)前溫度值，通過(guò)設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行比較和調(diào)節(jié)，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加熱棒

8、的功率進(jìn)而控制溫度變化。方案論證與選擇：選擇方案二，采用PWM控制加PID算法。三、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖LCD12864顯示MSP430 F149測(cè)溫模塊hvrrrrrrhvrrrrrr散熱風(fēng)扇加熱控制模塊rl鍵盤(pán)模塊圖3.1-13.2控制器模塊本設(shè)計(jì)采用TI公司16位超低功耗混合信號(hào)處理器MSP430F149作為控制器?？刂破魍ㄟ^(guò)與DS18B20的一條連接線(xiàn)來(lái)發(fā)送或接收信息從而控制加熱控制模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的自動(dòng)調(diào)節(jié)。同時(shí)，通過(guò)按鍵設(shè)定并調(diào)節(jié)溫度并在LCD上顯示實(shí)時(shí)水溫和設(shè)定的溫度值。當(dāng)實(shí)際水溫與所設(shè)定溫度值在1時(shí)，加熱停止，散熱停止，當(dāng)實(shí)際水溫高于設(shè)定溫度時(shí)，散熱開(kāi)啟。如圖3.

9、2-1所示。 圖3.2-1 控制器模塊3.3溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)電路采用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，無(wú)需外部元件可用數(shù)據(jù)總線(xiàn)供電，供電范圍為3.0V5.5V，無(wú)需備用電源測(cè)量溫度范圍為-55+125。最小分辨率為0.0625。DS18B20溫度傳感器只有三根外引線(xiàn)：?jiǎn)尉€(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸總線(xiàn)端口DQ，外供電源線(xiàn)VDD，共用地線(xiàn)GND。外部供電方式（VDD接+5V，且數(shù)據(jù)傳輸總線(xiàn)接4.7k的上拉電阻），其接口電路如圖3.3-1所示。 圖3.3-1 溫度檢測(cè)電路3.4加熱控制電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用固態(tài)繼電器控制加熱棒。通過(guò)三極管與繼電器的連接來(lái)控制加熱棒的通斷。加熱控制電路如圖3.4-1所示。 圖3.4

10、-1 加熱模塊3.5鍵盤(pán)及顯示電路設(shè)計(jì)鍵盤(pán)采用4x1 獨(dú)立鍵盤(pán)，通過(guò)LCD12864液晶模塊顯示實(shí)時(shí)溫度值和按鍵設(shè)定的溫度值，其電路如圖3.5-1，3.5-2所示。 圖3.5-1 獨(dú)立鍵盤(pán) 圖 3.5-2 LCD128643.6電源電路設(shè)計(jì)該系統(tǒng)由5V直流電源供電，經(jīng)AMS1117穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為MSP430單片機(jī)可用的3.3V。由220V交流電源為風(fēng)扇及加熱棒供電，使整個(gè)水溫控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。其電路圖如3.6-1所示。 圖3.6-1 供電電路四、軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言，對(duì)MSP430單片機(jī)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。程序在Windows環(huán)境下采用IAR Embedded Workbench

11、軟件編寫(xiě)，可對(duì)測(cè)溫模塊、加熱模塊、鍵盤(pán)模塊及顯示模塊等進(jìn)行有效控制。4.1 PID算法設(shè)計(jì)（1）PID工作原理：由于來(lái)自外界的各種干擾不斷產(chǎn)生，要想達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷地進(jìn)行。若擾動(dòng)出現(xiàn)使得現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值發(fā)生變化，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件就會(huì)將這種變化采集后經(jīng)變送器送至PID控制器的輸入端，并與其給定值（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SP值）進(jìn)行比較得到偏差值（以下簡(jiǎn)稱(chēng)e值），調(diào)節(jié)器按此偏差并以預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)，去改變調(diào)節(jié)器的開(kāi)度，使調(diào)節(jié)器開(kāi)度增加或減少，從而使現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值發(fā)生改變，并趨向于給定值（SP值），以達(dá)到控制目的，如圖4.1-1所示。PID的實(shí)質(zhì)就是對(duì)偏差（e值

12、）進(jìn)行比例（P）、積分（I）、微分運(yùn)算（D），根據(jù)運(yùn)算結(jié)果控制執(zhí)行部件的過(guò)程。但并不是必須同時(shí)具備這三種算法，也可以是PD，PI，甚至只有P算法控制，將當(dāng)前結(jié)果反饋回來(lái)，在與目標(biāo)相減，為正的話(huà)，就減速，為負(fù)的話(huà)，就加速。（2）比例（P）、積分（I）、微分（D）控制算法各有作用： 比例，反應(yīng)系統(tǒng)的基本偏差e(t)，系數(shù)大，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但過(guò)大的比例使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；積分，反應(yīng)系統(tǒng)的累積偏差et=et+et-1+et-2+.+e(1)，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度，因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)一直進(jìn)行直至無(wú)誤差；微分，反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率e(t)-e(t-1)，具有預(yù)見(jiàn)

13、性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但是微分對(duì)噪聲干擾有放大作用，加強(qiáng)微分對(duì)系統(tǒng)干擾不利。積分與微分不能單獨(dú)起作用，必須與比例控制配合。+比例（P）r(t)P(t)c(t)+設(shè)定 +e(t) 執(zhí)行部件積分（I）+微分（D）反饋 圖4.1-1 PID控制系統(tǒng)原理圖（3）PID算法表達(dá)式：P(t)=Kpe(t)+ 1Ti0te(t)dt +Tdde(t)dt式中：r（t）調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)（給定值）；c（t）調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)（測(cè)量值）；e（t）調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，它等于測(cè)量值與給定值之差； Kp調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti調(diào)節(jié)器

14、的積分時(shí)間； Td調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。PID調(diào)節(jié)器的離散化表達(dá)式為：P(k)=Kpe(k)+KiTe(k)+KdTe(k)-e(k-1)其增量表達(dá)式為：P(k)=P(k)-P(k-1) =Kpe(k)-e(k-1)+ KiTe(k)+KdTe(k)-2e(k-1)+e(k-2)其中T為采樣周期。4.2程序流程圖主程序框圖開(kāi)始系統(tǒng)初始化查詢(xún)鍵值輸入否按鍵按下？相應(yīng)處理是讀取鍵值調(diào)用DS18B20溫度采集程序調(diào)用PID程序12864顯示當(dāng)前溫度及設(shè)定溫度圖4.2-1 主程序流程圖4.2.2 LCD12864程序流程圖開(kāi)始 LCD液晶初始化模式選擇否命令模式數(shù)據(jù)模式？是寫(xiě)入指定命令寫(xiě)入數(shù)據(jù)LCD顯示相

15、應(yīng)漢字及數(shù)值刷新溫度值值及狀態(tài)圖4.2-2 LCD程序流程圖4.2.3 PID程序流程圖開(kāi)始計(jì)算偏差e(t)=r(t)-c(t)Pp(t)=Kp(e(t)-e(t-1)Pi(t)=Ki(e(t)Pd(t)=Kde(t)-2e(t-1)+e(t-2)P(t)= Pp(t)+ Pi(t)+ Pd(t)P(t)= P(t)+P(t-1)e(t-2)e(t-1)e(t-1) e(t)返回圖4.2-3 PID程序流程圖 DS18B20水溫檢測(cè)程序流程圖開(kāi)始初始化DS18B20溫度轉(zhuǎn)換命令初始化DS18B20讀存儲(chǔ)器命令溫度值轉(zhuǎn)換為BCD碼LCD顯示溫度實(shí)際溫度>設(shè)定溫度<設(shè)定1>設(shè)定1

16、加熱比較溫度散熱PWM調(diào)制圖4.2-4 溫度檢測(cè)電路程序流程圖五、系統(tǒng)測(cè)試及分析5.1系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)的調(diào)試以程序?yàn)橹?，硬件調(diào)試較為簡(jiǎn)單，首先應(yīng)檢查電路焊接是否正確，然后用萬(wàn)用表或接通電源檢測(cè)。軟件調(diào)試則先編寫(xiě)顯示電路程序檢測(cè)并對(duì)硬件做正確性的校驗(yàn)。然后分別對(duì)主函數(shù)、溫度采集與識(shí)別函數(shù)、鍵盤(pán)掃描函數(shù)、加熱控制及散熱控制函數(shù)等程序進(jìn)行編程和調(diào)試?？刂颇K的調(diào)試單片機(jī)的P2.1口置高時(shí)，固態(tài)繼電器1的動(dòng)點(diǎn)與常開(kāi)觸點(diǎn)接觸，相應(yīng)的交流電源與散熱風(fēng)扇構(gòu)成回路，散熱風(fēng)扇開(kāi)始工作；當(dāng)P2.0口置高時(shí)，固態(tài)繼電器2的動(dòng)點(diǎn)與常開(kāi)觸點(diǎn)接觸，相應(yīng)的交流電源與加熱棒構(gòu)成回路，加熱棒開(kāi)始加熱。此過(guò)程中聽(tīng)到繼電器觸片切換的聲

17、音且各負(fù)載都能正常工作，則控制模塊可正常工作。5.1.2 溫度檢測(cè)模塊主要檢測(cè)DS18B20的精確度，單片機(jī)的采樣時(shí)間及LCD12864液晶顯示的實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的比較。DS18B20的精確度：其準(zhǔn)確度為0.5，最小分辨率為0.0625。DS18B20內(nèi)部的RAM含有結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器使用字節(jié)，其內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。5.1.3 繼電器的檢測(cè)(1）測(cè)試觸點(diǎn)電阻：用萬(wàn)用表測(cè)動(dòng)點(diǎn)電阻與常閉觸點(diǎn)間的阻值，其阻值應(yīng)為0；用萬(wàn)用表測(cè)動(dòng)點(diǎn)電阻與常閉觸點(diǎn)間的阻值，其阻值應(yīng)為無(wú)窮大。因此，可將常開(kāi)觸點(diǎn)與常閉觸點(diǎn)區(qū)分開(kāi)來(lái)。(2）測(cè)試線(xiàn)圈電阻：用完用表Rx10檔測(cè)線(xiàn)圈阻值以檢測(cè)其是否開(kāi)路。5.2測(cè)試結(jié)果及

18、分析5.2.1測(cè)試儀器 數(shù)字萬(wàn)用表5V充電器直流電源0100的水銀溫度計(jì)5.2.2測(cè)試方法由于系統(tǒng)不完善，采用分步調(diào)試的方法，步驟如下：（1）在水杯中裝好1L凈水，將加熱棒置于器皿中，打開(kāi)控制電源，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)。（2）液晶顯示溫度與實(shí)際溫度的校準(zhǔn)：由于水銀溫度計(jì)的最小刻度為0.1，可用溫度計(jì)的讀數(shù)來(lái)校準(zhǔn)LCD12864顯示的溫度值。（3）結(jié)合軟件進(jìn)行水溫控制：假設(shè)設(shè)定溫度為60，實(shí)際溫度為40，則加熱使水溫達(dá)到60，則加熱棒模塊自動(dòng)斷電停止加熱，當(dāng)溫度低于60時(shí)，加熱棒自動(dòng)開(kāi)始加熱；當(dāng)加熱溫度過(guò)高超過(guò)60時(shí)，散熱風(fēng)扇開(kāi)啟進(jìn)行散熱。（4）通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定不同溫度值，再結(jié)合軟件進(jìn)行控制。測(cè)試結(jié)

19、果靜態(tài)控溫測(cè)量數(shù)據(jù)如下表所示：表1 組數(shù)對(duì)象123456設(shè)定溫度/測(cè)量溫度/靜態(tài)誤差/在加熱過(guò)程中，在某一時(shí)刻檢測(cè)溫度計(jì)示數(shù)及液晶顯示示數(shù)間的誤差。動(dòng)態(tài)控溫測(cè)量數(shù)據(jù)如下表所示：表2 組數(shù)對(duì)象123456溫度計(jì)示數(shù)/液晶顯示/動(dòng)態(tài)誤差/六、設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)采用MSP430F149單片機(jī)作為該水溫控制系統(tǒng)的控制器，硬件電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)上程序相對(duì)復(fù)雜些，特別是對(duì)PID算法的了解及應(yīng)用。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是提高靜態(tài)控溫精度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。經(jīng)過(guò)測(cè)試，程序基本達(dá)到所需功能。比如：通過(guò)按鍵輸入水溫設(shè)定值，輸入范圍能滿(mǎn)足4090的基本要求；運(yùn)行水溫控制系統(tǒng)，測(cè)得水溫靜態(tài)誤差滿(mǎn)足基本要求；在給定突變或環(huán)境溫度突變的情況下，觀察系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量，并能根據(jù)需要改變系統(tǒng)控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同的控制品質(zhì)要求。在本設(shè)計(jì)中還有諸多需要改善的地方：（1）硬件采