水温控制系统.docx
《水温控制系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水温控制系统.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
水温控制系统
设计报告
1.设计原理
水温控制系统以ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机作为控制核心，采用开关控制和ＰＩＤ控制算法相结合，通过控制单位时间内加热时间所占的比例（即控制波形占空比）来控制水的加热速度，实现对１Ｌ水的全量程（１０℃――７０℃）内的升温、降温功能的自动控制。
根据设计要求系统可划分为控制模块、温度测量模块、水温调节模块、键盘输入模块、显示电路模块等。
系统原理图如图所示
ＳＴＣ８９Ｃ５２首先写命令给ＤＳ１８Ｂ２０开始转换数据，将转换后的温度数据送入８９Ｃ５２进行处理，处理后在液晶屏上实时显示。
并将实际测量温度值与键盘设定值进行比较，根据比较结果进行温度调节，当温差比较大时采用开关量调节，既全速加热和制冷，当温差小时采用ＰＩＤ算法进行调节，最终达到温度的稳定控制。
其中，加热采用内置（水中）电加热器实现，热量直接与水传递，加热效果好，控温方便；降温采用半导体制冷片实现。
其体积小，安装简单，易于控制，价格便宜，可短时间内反复启动，但其制冷速率不高，所以设计中配套散热风扇以达到快速降温的目的。
２．温度控制算法
实际温度控制系统，常采用开关控制或数字ＰＩＤ控制方式。
开关控制的特点是可以使系统以最快的素的向平衡点靠近，但在实际应用却很容易造成系统在平衡点附近震荡，精度不高；而数字ＰＩＤ控制具有稳态误差小特点，实用性广泛的特点，但误差较大时，系统容易出现积分饱和，从而份致系统出现很大的超调量，甚至出现失控现象。
因此，本设计将开关控制，放积分饱和、防参数突变积分饱和等方法溶入ＰＩＤ控制算法组成复式数字ＰＩＤ控制方法，集各种控制策略的优点，既改善了常规控制的动态过程又保持了常规控制的稳态特性。
2.1控制算法的确定
温度控制过程为:
当水温温差大时，采用开关控制方式迅速减小温差，以缩短调节时间；当温差小于某一值后采用PID控制方式，以使系统快速稳定并保持系统无静态误差。
在这种控制方法中，PID控制在较小温差时开始进入，这样可有效避免数字积分器的饱和。
PID参数和被控制对象关系密切，要精确得到被控对象模型比较困难，为此，采用离线模糊整定的方法来确定PID参数，即给出一组PID参数的初值，测得相应的数据，按使这个量减小的方向调节PID参数，用整定后的参数控制该系统，并根据输出的调节时间、超调量及稳态误差，调节PID参数，如此反复，求得一组使系统性能最优的PID参数。
复合PID控制系统方框图如图所示。
2.2PID控制算法
根据设计要求，系统对1L净水进行加热或降温处理，根据水的对象特性，会出现惯性温度误差问题，原因如下：
温度控制器采用发热丝对水进行加热。
发热丝通电加热时，内部温度很高。
当容器内水温升高至设定温度时，温度控制器发出信号停止加热。
但这时发热丝的温度会高于设定温度，发热丝还将继续对对水进行加热，导致水的温度还会继续上升几度，然后才开始下降。
当水温下降到设定温度的下限时，温度控制器又发出加热信号，开始加热，但发热丝要把温度传递到被加热器件需要一定的时间，导致水温会继续下降几度。
所以，为了对水温实现精确控制，使温度测量误差在±0.5℃内，必须采用PID模糊控制算法,通过Pvar、Ivar、Dvar（比例、积分、微分）三方面的结合形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。
利用数值逼近方法，在采样时刻t=iT（T为采样周期，i为正整数）时，PID调节规律可通过下式近似计算。
则增量式PID算法的输出量为：
式中，ei、ei-1、ei-2分别为第n次、n-1次和n-2次的偏差值，Kp、Ti、Td分别为比例系数、积分系数和微分系数，T为采样周期。
单片机每隔固定时间T将现场温度与用户设定目标温度的差值带入增量式PID算法公式，由公式输出量决定PWM方波的占空比，后续加热电路根据此PWM方波的占空比决定加热功率。
现场温度与目标温度的偏差大则占空比大，加热电路加热功率增大，使温度的实测值与设定值的偏差迅速减少；反之，二者的偏差小则占空比减小，加热电路加热功率减少，直至目标值与实测值相等，达到自动控制的目的。
2.3PID参数的确定
PID参数的选择是设计成败的关键，它决定了温度控制的准确度。
由于温度系统是一个具有较大滞后性的系统，所以本系统的采样周期定为10秒，加热周期定为1秒钟，根据一些文献提供的经验值，初步确定Kp=2，Ti=2,Td=0.5,根据公式Ki=Kp*T/TI；Kd=Kp*TD/T；计算得出Ki=1,Kd=1;然后，由按键对系统设定一个温度值，在线应用工程整定法中的经验法对P,I,D各参数进行调整，经验法是一种凑试法，它通过模拟或闭环运行，观察调节过程的响应曲线，如果曲线不够理想，则按某种程序将参数反复凑试，直到调节质量满意为止。
凑试程序通常是先比例后积分，最后加入微分。
凑试法整定PID参数的步骤是：
1）首先进行P整定。
将参数Kp由小而大慢慢变化，直至得到反应快，超调小的响应曲线。
若无静差或静差在允许范围内且响应曲线满意，整定结束，否则继续下步。
2）进行PI整定。
略小于Kp值，将Ti由大而小缓慢变化，在保持系统动态性能良好的前提下，消除静差或是静差允许范围内。
反复改变Kp,Ti值以求得较好效果，若效果满意，则整定结束，否则继续下去。
3）进行PID整定。
略改变Kp,Ti的值，使Td由小而大缓慢变化，以求得较好的响应曲线和较小的静差。
逐步反复的试凑，直至获得满意效果为止。
对于一定的系统，合理的参数组并不唯一，根据一些文献的实践经验，在具体实施PID参数整定时，以下几个结论比较实用：
1）比例系数Kp是PID调节中最关键的一个参数，Kp增大，系统稳定性增加，但调节灵敏度减弱，一般曲线振荡频繁时，要增大Kp，而曲线飘浮绕大弯时，要减小Kp.
2）积分时间常数Ti主要起消除静差的作用，减小Ti，消除静差快，但稳定性减小，一般曲线偏离恢复慢时，减小Ti,而曲线波动周期长时，再增大Ki。
3）微分时间常数Td是加速过程的有力调节，在加速过渡过程，应增加Td,Td不宜过小，也不宜太大，Td一般选Ti的四分之一为最佳。
根据以上调节的步骤及调节的方法及经验，经过反复的试验做后得到最终的P,I,D的参数为Kp=30,Ki=5,Kd=0.
3.硬件电路设计
水温控制系统的硬件电路主要包括：
主控电路、温度采集电路、温控电路和显示电路等，下面依次对各部分进行设计。
3.1主控电路
主控电路采用STC89C52单片机作为系统控制器，结合数字PID算法完成对温度测量信号的接收、处理，控制加热器和制冷片，使水温控制达到设计要求。
主控电路包括STC89C52最小系统和键盘电路两部分，STC89C52最小系统在上一章中已介绍，这里不再赘述。
本设计键盘采用RF-X1开发板上的6个独立按键中的4个，各按键经上拉电阻分别接到单片机的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5口上，起到确认、选择、上调和下调的作用，每按上调或下调键一次，设定温度值加1或减1。
电路图如图所示。
3.2温度采集电路
本系统采用DS18B20单总线可编程温度传感器来实现温度的采集和转换，温度以9～12位数字量读出，可以直接与单片机进行连接，无需外部器件和电源，大大简化了电路的复杂度。
DS18B20应用广泛，测温范围为-55～+125oC，温度数字量转换快，性能可以满足题目的设计要求。
DS18B20的测温电路如图所示。
3.3温度控制电路
温度控制电路采用加热器和制冷片对1L水实现加热和降温，具体电路如图12-5所示。
当实测温度高于设定温度时，单片机P0.2脚输出低电平，光耦管导通输出高电平，进入LM393管脚比较整形，滤除高次谐波，输出高电平，进入Q3和Q4组成的推挽电路，Q3导通Q4截止，输出低电平，晶闸管导通，驱动制冷片降温。
当实测温度低于设定温度时，P0.3脚输出低电平，驱动加热器对水温进行加热，工作原理与降温驱动相同。
3.4显示电路
显示电路采用LCD12864液晶模块显示系统的设定温度和实测温度。
LCD12864液晶共有20个引脚，管脚名称及功能如表12-1所示。
本系统选用单片机P1口作为数据输出端与LCD12864的数据端（DB0～DB7）相连，进行水温数据传输；P20接串并行模式方式位RS；P21接并行的读写方式位R/W；P22接并行使能端口E；P23接并/串行接口选择位PSB；P24接复位端口RST。
具体电路图如图所示。
4.软件设计
系统的软件设计应用C语言，采用模块化对单片机进行编程实现各项功能。
主要包括：
PID控制程序、按键子程序、温度采集子程序、温度比较子程序和液晶显示程序。
4.1主程序设计
系统上电初始化后，首先进行按键扫描，若有按键按下，则读取按键值，更新设定温度。
将实测温度与设定温度进行比较，若实测温度与设定温度差值大于2ºC，则对水进行全速加热或降温；若实测温度与设定温度差值小于2ºC，则调用PID子程序，对水温进行微调，达到设计要求。
系统主程序流程图如图所示.
附录：
PID控制程序
PID控制就是按设定值与测量值之间偏差的比例、偏差的积累和偏差变化的趋势进行控制。
它根据采样时刻的偏差值计算输出控制量的增量，调节控制信号的导通时间来控制加热电路和冷却电路的工作。
当采样周期相当短时，可以用求和代替积分，用差商代替微分。
PID控制子程序如下：
/******************************PID算法**********************************/
unsignedintPIDCalc（structPID*pp,unsignedintNextPoint）
{
unsignedintdError,Error;
Error=pp->SetPoint-NextPoint;//偏差
pp->SumError+=Error;//积分
dError=pp->LastError-pp->PrevError;//当前微分
pp->PrevError=pp->LastError;
pp->LastError=Error;
return（pp->Proportion*Error//比例
+pp->Integral*pp->SumError//积分项
+pp->Derivative*dError）;//微分项
}
/************************************************************************/
按键子程序
本系统采用四个按键，完成温度的设定。
当选择键K1每按下一次，K1num加1，根据K1num值选择对温度值的百位（预留）、十位、个位进行数值调节。
每按一次按键K2，对应位数值加1，每按一次按键K1，对应位数值减1，并将设定温度值写到液晶显示器的相应位置。
按键子程序如下：
/*************************按键子程序***********************************/
voidsheding（）
{
if（k1==0）
{
delay1（10）;
if（k1==0）//按键K1按下
while（!
k1）;//按键K1抬起
write_com（0x0f）;write_com（0x94）;
k1num++;
switch（k1num）
{
case1:
write_com（0x0f）;write_com（0x94）;//液晶显示位置，十位
break;
case2:
write_com（0x95）;//液晶显示位置，个位
break;
case3:
write_com（0x96）;//液晶显示位置，小数位
break;
case4:
k1num=0;write_com（0x0c）;//清零
break;
}
}
if（k1num!
=0）//返回
{
//温度值加处理：
if（k2==0）//按键K2按下
{
delay1（10）;
if（k2==0）
{
while（!
k2）;
switch（k1num）
{
case1:
shi++;if（shi==10）shi=0;a=shi;//十位加1，到10清零
write_com（0x94）;write_date（table[shi]）;write_com（0x94）;
break;
case2:
ge++;if（ge==10）ge=0;b=ge;//个位加1，到10清零
write_com（0x95）;;write_date（table[ge]）;write_com（0x95）;
break;
case3:
xs++;if（xs==10）xs=0;c=xs;//小数位加1，到10清零
write_com（0x96）;write_date（'.'）;write_date（table[xs]）;write_com（0x96）;//在液晶对应位置画点
break;
}
}
}
//温度值减处理：
if（k3==0）
{
delay1（10）;
if（k3==0）
{
while（!
k3）;
switch（k1num）
{
case1:
shi--;if（shi==-1）shi=9;a=shi;
write_com（0x94）;write_date（table[shi]）;write_com（0x94）;
break;
case2:
ge--;if（ge==-1）ge=9;b=ge;
write_com（0x95）;write_date（table[ge]）;write_com（0x95）;
break;
case3:
xs--;if（xs==-1）xs=9;c=xs;
write_com（0x96）;write_date（'.'）;write_date（table[xs]）;write_com（0x96）;
break;
}
}
}
}
}
/***************************************************************************/
DS18B20温度采集子程序
系统采用DS18B20对1L水的温度进行采集。
首先根据DS18B20的工作时序对其进行初始化，并对DS18B20内部寄存器读写操作进行定义。
系统工作时，单片机读取DS18B20内部寄存器的二进制数值，将其转化为十进制的真实温度值。
DS18B20温度采集子程序如下：
/*******************DS18B20温度采集子程序************************/
voidinit_DS18B20（）//初始化
{
ucharx=0;
DS18B20=1;//DQ复位
delay（8）;//稍做延时
DS18B20=0;//单片机将DQ拉低
delay（80）;//精确延时大于480us
DS18B20=1;//拉高总线
delay（14）;
x=DS18B20;//稍做延时后如果x=0则初始化成功x=1则初始化失败
delay（20）;
}
ucharread_onechar（）//读一个字节
{
uchari=0;
uchardate=0;
for（i=8;i>0;i--）
{
DS18B20=0;
date>>=1;//寄存器右移
DS18B20=1;
if（DS18B20）
date|=0x80;
delay（4）;
}
return（date）;
}
voidwrite_onechar（uchardate）//写一个字节
{
uchari=0;
for（i=8;i>0;i--）
{
DS18B20=0;
DS18B20=date&0x01;
delay（5）;
DS18B20=1;
date>>=1;
}
}
uintread_temp（）//读取温度
{uchara=0;
ucharb=0;
uintt=0;
floattt=0;
init_DS18B20（）;
write_onechar（0xcc）;//跳过读序号列号的操作
write_onechar（0x44）;//启动温度转换
init_DS18B20（）;
write_onechar（0xcc）;//跳过读序号列号的操作
write_onechar（0xbe）;//读取温度寄存器
a=read_onechar（）;//连续读两个字节数据//读低8位
b=read_onechar（）;//读高8位
t=b;
t<<=8;
t=t|a;//两字节合成一个整型变量。
tt=t*0.0625;//得到真实十进制温度值，因为DS18B20可以精确到0.0625度，所以读回数据的最低位代表的是0.0625度
//temper12=tt*10;
t=tt*10+0.5;//放大10倍，这样做的目的将小数点后第一位也转换为可显示数字，同时进行一个四舍五入操作。
return（t）;
}
voidmanage_DS18B20（）
{
uintnum;
num=read_temp（）;
shi=num/100;
delay（5）;
ge=num%100/10;
delay（5）;
xs=num%10;
delay（5）;
temper=shi*10+ge+0.1*xs;}
/**************************************************************************/
温度比较子程序
系统将DS18B20采集到的实际测量温度值与键盘设定值进行比较，根据比较结果对水温进行调节。
若设置温度大于实际温度，并且温差在2度以上，则驱动加热器对水温进行全速加热；当温差在0.8到2度之间时，则停止加热，开始降温；当温差小于0.8度时，则启用PID计算，控制温差逐渐趋近设定值，最终达到稳态。
若设置温度小于实际温度，系统驱动制冷片开始全速降温。
当实际温度下降到低于设定温度时，则马上开启PID计算，控制温差逐渐趋近设定值，最终达到稳态。
/************************温度比较处理子程序****************************/
voidcompare_temper（）
{
unsignedchari;
if（set_temper>temper）//是否设置的温度大于实际温度
{
if（set_temper-temper>2）//设置的温度比实际的温度是否是大于2度
{
high_time=100;//如果是，则全速加热
low_time=0;
}
else//如果是在0.8到2度范围，则开始降温
{
if（set_temper-temper>0.8）
{
high_time=0;
low_time=100;
}
else//如果温差小于0.8度，运行PID计算
{
for（i=0;i<10;i++）
{
s=read_temp（）;
rin=s;//ReadInput
rout=PIDCalc（&spid,rin）;//PerformPIDInteration
}
if（high_time<=100）
{
high_time=（unsignedchar）（rout/1000）;
}
else
{
high_time=100;
low_time=（100-high_time）;
}
}
}
}
elseif（set_temper<=temper）//是否设置的温度小于实际温度
{
if（set_temper-temper<0）
{
high_time=0;
low_time=100;//全速降温
}
else//实际温度大于设定温度，马上开启PID计算
{
for（i=0;i<10;i++）
{
s=read_temp（）;
rin=s;//ReadInput
rout=PIDCalc（&spid,rin）;//PerformPIDInteration
}
if（high_time<100）
{
high_time=（unsignedchar）（rout/10000）;
}
else
{
high_time=0;
low_time=（100-high_time）;
}
}
}
}
/*************************************************************************/
液晶显示程序
液晶显示器用于显示水温的实际温度和设定温度。
首先对LCD12864进行初始化，并读取控制器当前状态，判断是否准备好（空闲）。
然后向液晶模块写入指令代码，进行显示准备，将要水温以十六进制代码的形式送入液晶显示缓冲区，最后利用读显示数据指令控制液晶模块在相应位置显示水温数据。
液晶显示程序如下：
/***************************LCD12864初始化*******************************/
voidinit_lcd（）
{
//lcd_psb=1;
write_com（0x34）;//扩充指令集
delay1
（2）;
write_com（0x30）;//基本指令集
delay1
（2）;
write_com（0x02）;//显示归位
delay1
（2）;
write_com（0x01）;//清屏显示
delay1
（2）;
write_com（0x0c）;//显示状态开关
delay1
（2）;
write_com（0x06）;//显示光标移动设置
delay1
（2）;
}
/**********************************写数据*********************************/
voidwrite_date（uchardate）
{
read_busy（）;
lcd_rs=1;
升级会员 