課程設計（論文）-基于單片機的淋浴水溫控制系統(tǒng)的設計

1、基于單片機的淋浴水溫控制系統(tǒng)的設計摘要:本論文對實際情況進行數(shù)學建模,并根據(jù)分析和實驗的結(jié)果設計了控制系統(tǒng)。利用工業(yè)控制的8031單片機搭建控制系統(tǒng),系統(tǒng)的前向通道未用了成本低、休積小、線性電流傳感器，為提高精度，傳感器設計了T型濾波器以增加杭干擾能力，單片機應用未用PID葬法的撞制方式擔制雙向可控硅的導通、關斷，調(diào)整功率，使之切斷或接通加熱器，從而控制水溫穩(wěn)定在預設定值上。系統(tǒng)后向通道采用干擾小、器件運行可靠的過零觸發(fā)方式，省去了傳統(tǒng)的D/A接口電路，簡化了硬件設備。在軟件設計中，為提高精度我們采用了數(shù)字濾波方案以減少干擾信號的比重。根據(jù)溫控的單回路PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件設計，完成實時瀏重(

2、傳感采樣)、實時決策(PID控制運算)和實時控制(調(diào)功)三部分功能，為防止超調(diào)量過大，對PID算法進行了適當改進，用單片機產(chǎn)生PWM波對電機進行控制,調(diào)節(jié)冷熱水管的流量,最終達到控制輸出水溫的目的。目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc196471135 引言 PAGEREF _Toc196471135 h 1 HYPERLINK l _Toc196471136 1.設計任務 PAGEREF _Toc196471136 h 2 HYPERLINK l _Toc196471137 基本要求 PAGEREF _Toc196471137 h 3 HYPERLINK l

3、 _Toc196471138 發(fā)揮部分 PAGEREF _Toc196471138 h 3 HYPERLINK l _Toc196471139 2方案論證 PAGEREF _Toc196471139 h 3 HYPERLINK l _Toc196471140 方案一 PAGEREF _Toc196471140 h 3 HYPERLINK l _Toc196471141 方案二 PAGEREF _Toc196471141 h 4 HYPERLINK l _Toc196471142 方案三 PAGEREF _Toc196471142 h 4 HYPERLINK l _Toc196471143 3方

4、案設計 PAGEREF _Toc196471143 h 5 HYPERLINK l _Toc196471144 系統(tǒng)工作原理 PAGEREF _Toc196471144 h 5 HYPERLINK l _Toc196471145 主要電路設計 PAGEREF _Toc196471145 h 6 HYPERLINK l _Toc196471146 軟件設計 PAGEREF _Toc196471146 h 9 HYPERLINK l _Toc196471147 4性能指標測試: PAGEREF _Toc196471147 h 11 HYPERLINK l _Toc196471148 5結(jié)論 PAG

5、EREF _Toc196471148 h 12 HYPERLINK l _Toc196471149 系統(tǒng)誤差分析 PAGEREF _Toc196471149 h 12 HYPERLINK l _Toc196471150 參考文獻 PAGEREF _Toc196471150 h 13引言隨著自動化技術的進一步發(fā)展,現(xiàn)在很多家庭都希望能享受智能化服務的家居環(huán)境;人們生活無非衣食住行,對于居住,如果有智能化淋浴設施,更能為生活增色不少,智能化淋浴設施中關鍵的兩項技術為:溫度控制與流量控制,其中人們對于溫度控制是希望在自己設定數(shù)值以后變化不大,僅僅在設定數(shù)值周圍波動;而流量則直接按需要進行調(diào)節(jié)。1.設

6、計任務設計制作一個淋浴水溫控制系統(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(nèi)由人工設定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調(diào)整，以保持設定的溫度基本不變。淋浴水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)由溫度傳感裝置、控制系統(tǒng)、顯示裝置、冷水流控制裝置、熱水流控制裝置、總流量控制裝置構成,如圖2-1所示。其中流量與溫度有一定的關系,系統(tǒng)利用溫度傳感器測量水的溫度,并將其結(jié)果傳遞到控制系統(tǒng),將溫度顯示出來,并與所設置的溫度進行對比,根據(jù)對比所得到的結(jié)果來控制冷熱水的流量。圖2-1水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成框圖水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)目標是控制出水管的溫度和流量。對于流量的控制,是通過手動調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的;而對于溫度的控制,則是先通過控制面板手

7、動調(diào)定好溫度的數(shù)值,再通過閉環(huán)控制其真實水溫圍繞設定水溫小范圍波動。1.1基本要求(1) 溫度設定范圍為400CJ900C，最小區(qū)分度為1 C，標定溫差10C（2）環(huán)境溫度降低時(例如用電風扇降溫)溫度控制的靜態(tài)誤差10Co (3) 用十進制數(shù)碼顯示水的實際溫度。1.2發(fā)揮部分 (1) 采用適當?shù)目刂品椒ǎ斣O定溫度突變(由40提高到60 0C)時，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。 (2) 溫度控制的靜態(tài)誤差B時，用PD控制 當eiB時，用PID控制4性能指標測試:1.測試條件 環(huán)境溫度為23 C2.測試儀器 MY-68數(shù)字萬用表SS一7804雙通道示波器DA一16晶體管毫伏表JM一222數(shù)字溫度

8、計(1) 測溫度:將溫度計與傳感器同時浸入搪瓷杯的水中，對電爐進行全功率加熱，測試水溫溫度。單位()(2) 恒溫設定及調(diào)整:用鍵盤設定一固定溫度值，對1升水進行加熱，恒溫。單位() (3) 靜態(tài)誤差測試用鍵盤設定一固定溫度值，對1升水加熱，恒溫，同時用電風煽降低周圍環(huán)境溫度，測試靜態(tài)誤差。單位()4.整機指標(1)前向通道部分傳感器測溫范圍:一5555數(shù)據(jù)采集周期: 10次/秒采集精度:三位半A/D轉(zhuǎn)換(相當于11位二進制數(shù))(2)后向通道部分功率控制:最大電流6A(3)鍵盤顯示部分溫度設定:35 99顯示范圍:099. 95結(jié)論(1)該集成傳動系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構緊湊,制造工藝簡便。(2)與有桿

9、活塞式液壓缸相比,采用無桿活塞缸使得相關部位由動密封轉(zhuǎn)變?yōu)殪o密封,流體泄漏容易控制。(3)斜面-鋼球-斜面-鋼球三級增力機構的增力效果,顯著高于同類的一級及二級增力機構12,設計夾具時應優(yōu)先選用。(4)斜面-鋼球-斜面-鋼球三級增力機構的力傳遞效率相對較低。但由于理論增力系數(shù)很大,故仍能得到相對較大的實際增力系數(shù)。系統(tǒng)誤差分析從整個電路原理框圖來看，系統(tǒng)的主要誤差來源于以下幾個方面:1. A/D變換器MC14433的量化誤差。指標為(士1LSB) 滿度誤差為: 2.由于系統(tǒng)前向通道設計中，須加入一些必要的T型濾波網(wǎng)絡，雖然采用對稱網(wǎng)絡，抑制傳輸中間的干擾，提高了系統(tǒng)誤差與精度，但也給電路中引入

10、一些非線性因素，使得溫度傳感器的線性度受到影響，從而引入了新的誤差。3.在PID控制算法中，我們采用的是理想PID數(shù)字控制器，雖然其算法較實際PID更為簡單，更易實現(xiàn)，但其控制品質(zhì)較差，原因在于其微分作用僅局限于第一個采樣周期有一個大幅度輸出，一般執(zhí)行機構無法在較短采樣周期內(nèi)跟蹤較大的微分作用輸出，須綜合考慮多方面因素。4.由于實驗所用測量工具(如溫度計)本身精度以及所帶來的視覺誤差，加上溫度變化慣性較大，動態(tài)測量時準確控制測量精度略有難度。參考文獻1鐘康民，宋強，郭培全 鋼球增力液壓夾具J制造技術與機床, 1999 (11): 47482芮豐 新穎的滾珠式力放大機構J機械設計,1992 (3): 49503林文煥，陳本通 機床夾具設計M北京:國防工業(yè)出版社, 19874 趙亮,侯國銳.單片機C語言編程與實例M.北京:人民郵電出版社,2003.307-311.5 金偉正.單線數(shù)字溫度傳感器的原理與應用J.電子技術應用,2000,(6):66-68.6 金春林,邱慧芳,張皆喜.AVR系列單片機C語言編程與應用實例M.北京:清華大學出版社,2003.277-282.7 孫道忠,王衛(wèi)星,許利霞,等.魚塘含氧量自動監(jiān)控系統(tǒng)J.農(nóng)機化研究,2005,(4):128-