智能化水溫控制系統(tǒng)

智能化水溫控制系統(tǒng)水溫控制系統(tǒng)摘要現(xiàn)如今，人們的生活越來(lái)越強(qiáng)調(diào)智能化以及低碳化，無(wú)論是智能化還是低碳化，生活在人們都希望自己的電器越來(lái)越智能，即能按照人們的意愿，低功耗的實(shí)現(xiàn)功能。水溫控制作為人們生活以及工業(yè)的重要組成部分，能否實(shí)現(xiàn)智能化以及低功耗化十分重要。水溫控制系統(tǒng)以XXXX1作為核心的溫度控制系統(tǒng)，將xxxx作為溫度感應(yīng)器，可直接反饋數(shù)字量的溫度信息并可以調(diào)節(jié)精度；以繼電器以及螺旋加熱管作為加熱模塊；以發(fā)光二級(jí)管以及蜂鳴器作為聲光告警裝置；以數(shù)碼管作為溫度顯示模塊。程序上利用PID調(diào)節(jié)算法，多次調(diào)節(jié)其中參數(shù)，使得溫度控制更加精確。該系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單、成本低、質(zhì)量安全可靠的特點(diǎn)。相信無(wú)論是在生活還是生產(chǎn)中都會(huì)有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞智能化溫度控制xxxx1xxxxPID調(diào)節(jié)算法任務(wù)以及要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能。基本內(nèi)容如下：溫度設(shè)定范圍為：40?90°C，最小區(qū)分度為1°C，標(biāo)定溫度W1°C。環(huán)境溫度降低時(shí)溫度控制的靜態(tài)誤差W1C。用10進(jìn)制數(shù)碼管顯示水的實(shí)際溫度。發(fā)揮要求：溫度控制范圍擴(kuò)大，最小區(qū)分度減小。溫度控制的靜態(tài)誤差W0.2C。特色與創(chuàng)新。方案設(shè)計(jì)及其論證水溫的控制，必須先精確地獲取溫度，所以溫度傳感器的選擇就非常重要。通常，溫度所測(cè)量的是模擬量，模擬量的轉(zhuǎn)換涉及到A/D的轉(zhuǎn)換。溫度傳感器把溫度傳送給處理器核心，處理器核心經(jīng)過(guò)分析，判斷是否滿足處理的條件，進(jìn)行相關(guān)的處理?？蓪?shí)現(xiàn)的動(dòng)作包括以下幾項(xiàng)：達(dá)到設(shè)定溫度，進(jìn)行聲光報(bào)警；溫度低，進(jìn)行加熱處理。其中溫度的設(shè)定就要利用到鍵盤。聲光報(bào)警就需要用到發(fā)光二級(jí)管以及蜂鳴器。經(jīng)以上分析，可以將溫度控制系統(tǒng)分為以下幾個(gè)模塊：溫度傳感器溫度傳感器應(yīng)具有精度足夠高、處理速度足夠快、體積小等特點(diǎn)。采用xxxx溫度傳感器。xxxx是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO-92小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為一55°C?+125°C，可編程為9位?12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625C，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出遠(yuǎn)端引入。此器件具有體積小、質(zhì)量輕、線形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。更重要的是采用該溫度傳感器后不用采用A/D轉(zhuǎn)換。節(jié)省了大量的工作量。鍵盤顯示按鍵主要涉及到溫度的調(diào)節(jié)以及模式的轉(zhuǎn)換。顯示部分主要涉及到水溫的實(shí)時(shí)顯示，以及功能模式的顯示。按任務(wù)功能需求采用獨(dú)立鍵盤，并且利用MCU對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描。這種方案既能很好的控制鍵盤及顯示，又為MCU大大的減少了程序的復(fù)雜性，而且具有體積小，簡(jiǎn)單易做的特點(diǎn)。顯示部分按照任務(wù)要求采用4位數(shù)碼管設(shè)計(jì)，來(lái)顯示水溫以及工作模式等。也具有簡(jiǎn)單、可靠的特點(diǎn)。CPU核心CPU主要控制水溫以及其他模塊的協(xié)調(diào)工作。是該水溫控制系統(tǒng)的核心。根據(jù)對(duì)方案的分析，采用簡(jiǎn)單易用的xxxx2單片機(jī)，其內(nèi)部有4KB單元的程序存儲(chǔ)器，不需外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，而且它的I/O口也足夠本次設(shè)計(jì)的要求。具有簡(jiǎn)單方便、成本低以及可靠的特點(diǎn)。經(jīng)以上分析，只要合理設(shè)計(jì)電路以及正確編寫(xiě)程序，以上幾個(gè)模塊在MCU以及程序的調(diào)節(jié)下能協(xié)調(diào)工作，共同完成水溫的控制，從而達(dá)到任務(wù)要求。理論分析與計(jì)算各個(gè)模塊要在MCU的調(diào)節(jié)下合理有序的工作，那么系統(tǒng)必須采用合理高效的控制系統(tǒng)。這就要涉及到過(guò)程控制，過(guò)程控制指對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制。過(guò)程控制可分為：模擬控制系統(tǒng)、微機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)以及數(shù)字控制系統(tǒng)DDC。模擬控制系統(tǒng)中被控量的值由傳感器或變送器來(lái)檢測(cè)，這個(gè)值與給定值進(jìn)行比較，得到偏差，模擬調(diào)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(guò)執(zhí)行器作用于過(guò)程。微機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)以微型計(jì)算機(jī)作為控制器?？刂埔?guī)律的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)軟件來(lái)完成的。改變控制規(guī)律，只要改變相應(yīng)的程序即可?，F(xiàn)如今在生產(chǎn)以及實(shí)踐中運(yùn)用最多的是DDC(DirectDigitalCongtrol)系統(tǒng):圖3-1DDC系統(tǒng)構(gòu)成框圖DDC(DirectDigitalCongtrol)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)用于過(guò)程控制的最典型的一種系統(tǒng)。微型計(jì)算機(jī)通過(guò)過(guò)程輸入通道對(duì)一個(gè)或多個(gè)物理量進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)確定的控制規(guī)律(算法)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)輸出通道直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使各被控量達(dá)到預(yù)定的要求。由于計(jì)算機(jī)的決策直接作用于過(guò)程，故稱為直接數(shù)字控制。其中控制規(guī)律即為PID調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)中為軟件實(shí)現(xiàn)。涉及到的理論計(jì)算如下：模擬PID控制規(guī)律的離散化表一.模擬PID控制規(guī)律的數(shù)字化公式模擬形式離散化形式數(shù)字PID控制器的差分方程式中為比例項(xiàng)為積分項(xiàng)為微分項(xiàng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案工作模式本著智能化以及按照題目要求，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)有以下兩個(gè)個(gè)工作模式：A.測(cè)定水溫以及顯示水溫；B.設(shè)定水溫并保溫；其中A為默認(rèn)工作狀態(tài)，即開(kāi)機(jī)工作狀態(tài)，工作內(nèi)容為實(shí)時(shí)測(cè)量水溫并在數(shù)碼管上顯示。B為設(shè)定溫度并保溫。由用戶設(shè)定一定的溫度，系統(tǒng)自動(dòng)工作，加熱到設(shè)定溫度后聲光報(bào)警，聲光報(bào)警裝置可獨(dú)立開(kāi)關(guān)，如果不切斷電源或切換模式，系統(tǒng)將自動(dòng)竟然保溫模式。其中溫度的設(shè)定有鍵盤控制。不管在那種工作模式，一旦復(fù)位鍵按下，將回到默認(rèn)工作模式。在B工作模式下并且顯示實(shí)際水溫時(shí)，按下加鍵可以顯示用戶設(shè)定溫度。根據(jù)以上的分析總結(jié)如下：電路設(shè)計(jì)根據(jù)以上的分析，可以將整個(gè)系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)，測(cè)溫電路，功率電路，交流過(guò)零檢測(cè)電路，顯示電路，系統(tǒng)框圖如下：（1） 89C52最小系統(tǒng)最小系統(tǒng)采用將C52MCU以及獨(dú)立鍵盤、數(shù)碼管集成在一塊板上的工作方式。其中P0口接數(shù)碼管。其他包括復(fù)位電路、獨(dú)立鍵盤、晶振電路。其電路如下圖5-1所示：圖5-1最小系統(tǒng)（2） 18B20測(cè)溫電路測(cè)溫電路是使用DS18b20數(shù)字式溫度傳感器，它無(wú)需其他的外加電路，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)，電路十分簡(jiǎn)單。它能夠達(dá)到0.5°C的固有分辨率，使用讀取溫度的暫存寄存器的方法還能達(dá)到0.2°C以上的精度。xxxx溫度傳感器只有三根外引線：?jiǎn)尉€數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸總線接4.7k的上拉電阻，其接口電路如圖5-2所示：圖5-2控制電路（3） 功率電路功率電路主要是繼電器模塊，包括三極管以及電阻組成控制部分，與MCU進(jìn)行通信。PNP管的導(dǎo)通控制著繼電器的常閉觸點(diǎn)的接通與否。繼電器常閉觸點(diǎn)連接著外部加熱電路。其中繼電器的電感部分連接著二極管，起著引流保護(hù)PNP管的作用。其電路如下圖6-1：圖6-1功率電路（4） 聲光報(bào)警電路聲光報(bào)警電路采用蜂鳴器以及二極管串聯(lián)的形式，通過(guò)PNP三極管控制電路通斷。利用P3.7來(lái)與MCU通信。如下圖6-2：圖6-2聲光報(bào)警電路紅外接收裝置該部分為創(chuàng)新部分，采用紅外接收裝置來(lái)接受紅外遙控器的信號(hào)，這樣就可以通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行信息的傳遞。通過(guò)遙控器可以設(shè)定溫度，切換工作模式等。工作原理為紅外遙控器產(chǎn)生紅外信號(hào)，紅外接收頭接收到紅外信號(hào)后，其內(nèi)部電路把信號(hào)送到放大器和限幅器，限幅器把脈沖幅度控制在一定的水平，而不論紅外發(fā)射器和接收器的距離遠(yuǎn)近。交流信號(hào)進(jìn)入帶通濾波器，帶通濾波器可以通過(guò)30khz到60khz的負(fù)載波，通過(guò)解調(diào)電路和積分電路進(jìn)入比較器，比較器輸出高低電平，還原出發(fā)射端的信號(hào)波形。最終將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)組CU，MCU做出相應(yīng)的反應(yīng)。其電路如下圖7-1：圖7-1紅外接收裝置軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明總流程本系統(tǒng)是采用查詢方式來(lái)顯示和控制溫度的。其中加入了紅外以及鍵盤等的其他控制器件語(yǔ)句?？偭鞒虉D如下圖7-2：圖7-2總流程圖工作時(shí)序工作時(shí)序由初始化模塊、測(cè)溫、顯示等模塊組成。具體工作時(shí)序如下圖8-1：圖8-1工作時(shí)序主要程序主函數(shù)如下：#include#includeunsignedcharchoice;unsignedcharkey_down;#include"xxxx.H"#include"PID.H"#include"xxxx.H"#include"xxxx.H"#includexxxxD.Hvoidmain()(unsignedinttmp;unsignedcharcounter=0;P2|=0x07;//初始化按鍵xxxxN();//初始化PIDinit_infrared();//初始化紅外ReadTemperature();//預(yù)讀一次溫度hello();//顯示HELLO，屏蔽85°Cwhile(1)//檢測(cè)紅外線(if(IrOK==1&&Im[0]==0x00)proc_infrared();if(counter--==0)(tmp二ReadTemperature();counter=20;}key_scan();//掃描鍵盤proc_key();//刷新顯示緩存if(choice==0)update_disbuf(tmp);elseupdate_disbuf(set_tmpbuf);if(pid_on)compare_temper();else(high_time=0;low_time=100;}}}PID算法溫度控制程序#ifndef_PID_H__#define_PID_H__#include#include#includestructPID(unsignedintSetPoint;//設(shè)定目標(biāo)DesiredValueunsignedintProportion;//比例常數(shù)ProportionalConstunsignedintIntegral;//積分常數(shù)IntegralConstunsignedintDerivative;//微分常數(shù)DerivativeConstunsignedintLastError;//Error[-1]unsignedintPrevError;//Error[-2]unsignedintSumError;//SumsofErrors}structPIDspid;//PIDControlStructureunsignedintrout;//PIDResponse(Output)unsignedintrin;//PIDFeedback(Input)sbitoutput=P3”4;unsignedcharhigh_time,low_time,count=0;//占空比調(diào)節(jié)參數(shù)unsignedcharset_temper=33;voidPIDInit(structPID*pp)(memset(pp,0,sizeof(structPID));}unsignedintPIDCalc(structPID*pp,unsignedintNextPoint)(unsignedintdError,Error;Error=pp->SetPoint-NextPoint;//偏差pp->SumError+=Error;//積分dError=pp->LastError-pp->PrevError;//當(dāng)前微分pp->PrevError=pp->LastError;pp->LastError二Error;return(pp->Proportion*Error//比例+pp->Integral*pp->SumError//積分項(xiàng)+pp->Derivative*dError);//微分項(xiàng)}/***********************************************************溫度比較處理子程序***********************************************************/compare_temper()(unsignedchari;//EA=0;if(set_temper>temper)(if(set_temper-temper>2)(high_time=100;low_time=0;}else(for(i=0;i0)(high_time=0;low_time=100;}else(for(i=0;i0;i--)(DQ=0;//給脈沖信號(hào)dat>>=1;DQ=1;//給脈沖信號(hào)if(DQ)dat|=0x80;delay_18B20(10);}return(dat);}WriteOneChar(unsignedchardat)//寫(xiě)一個(gè)字節(jié)(unsignedchari=0;for(i=8;i>0;i--)(DQ=0;DQ=dat&0x01;delay_18B20(10);DQ=1;dat>>=1;}}ReadTemperature(void)//讀取溫度(unsignedchara=0;unsignedcharb=0;unsignedintt=0;//EA=0;Init_xxxx();WriteOneChar(0xCC);//跳過(guò)讀序號(hào)列號(hào)的操作WriteOneChar(0xBE);//讀取溫度寄存器等(共可讀9個(gè)寄存器)前兩個(gè)就是溫度a=ReadOneChar();b=ReadOneChar();Init_xxxx();//啟動(dòng)下一次溫度轉(zhuǎn)換WriteOneChar(0xCC);//跳過(guò)讀序號(hào)列號(hào)的操作WriteOneChar(0x44);//啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換t=(b*256+a)*25;b=(b>4;temper二a|b;return(t>>2);}#endif六.測(cè)試方法與數(shù)據(jù)測(cè)量方式：接上系統(tǒng)的加熱裝置，裝入25.06攝氏度室溫的水，通過(guò)鍵盤或者紅外遙控器設(shè)