毕业设计水温控制系统.docx

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毕业设计水温控制系统

水温控制系统

1方案设计与论证

分析题目

本文要求设计制作一个水温控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿，水温可以在范围内由人工设定，并能在环境温度降低时，实现自动调整，以保持设定温度基本不变。

静态控制精度为0.2摄氏度。

并具有较好的快速性与较小的超调，以及十进制数码管显示、温度曲线打印、语音播报温度等功能。

题目对控制温度要求较高，对调节时间和超调量也有要求，因而必须要用释放的控制算法，另外，还需要显示水温和打印水温变化曲线等。

1.1总体方案设计

经过题目的分析，根据题目要求，现提出以下三种设计方案。

方案一（框图如图1）

图1一位式模拟控制方案框图

此方案是传统的一位式模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。

其特点是电路简单，易于实现，但是系统所地结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定。

系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，难以用数码管显示，难以用键盘设定。

方案2（框图如图2）

此方案是传统的二位式模拟控制方案，其基本思想与方案一相同，但由于采用上下限比较电

路，所以控制精度有所提高。

这种方法还是模拟控制方式，因此也不能实现复杂的控制算法使精度做得较高，而且仍难以用数码管显示与键盘设定。

图2二位式模拟控制方案框图

方案3（框图如图3）

图3单片机控制方案框图

此方案采用单片机系统来实现。

单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。

单片机系统可用数码管显示水温的实际值，能用键盘输入设定值，并可实现打印功能。

本方案可选用SPCE061A单片机（内部含有KB的EEPROM），不需要外扩展存储器可使系统整体结构更为简单。

方案一和方案二是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改也比较麻烦，而方案三是采用单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，它可达到核心的控制系统，尤其对温度控制，它可达到模拟控制所达不到的控制效果，并且可方便实现数码显示、打印、键盘设定、报警系统所测结果精度大大提高，故经过对三种方案的比较论证，本设计采用方案三，利用单片机安一定的控制算法对采集的温度数据进行处理，得到控制量，以次控制电炉的功率，从而实现对水温的控制。

1.2关键部分设计

该系统设计的关键部分是核心部件单片机控制算法和测温部分及功率驱动器件，需要首先确定，这些确定好了，整个控制系统才能达到所预先估计的效果。

1.2.1驱动控制部分

本系统是以单片机为控制核心的控制系统，因此单片机的选择尤其重要，根据系统需求，我们设计了两种方案。

方案一此方案采用89C51单片机实现，MCS-51系列单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，该单片机的应用比较广泛，因为其软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。

但是89C51本电路中因为有温度数据采样，所以就需外接模数转换器来满足数据采样，这就要求针对系统的需求，选择合适的A/D器件，还要根据所选的A/D器件设计外围电路与单片机的接口电路和编写控制A/D器件进行数据采集的单片机程序，这些大大加大了工作量。

若要增加语音播报功能，还需要外接语音芯片及接口，加繁了外围电路设备，实现比较复杂。

此外51单片机内部无在线仿真、编程接口，因此就需要用仿真器来实现软硬件调试，较为繁琐。

方案二此方案采用SPCE061A单片机实现。

SPCE061A单片机除具有体积小，集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点外，内置8路ADC，2路DAC。

在实现控制系统中，采用SPCE061A为前端采集单元，具有较好的同步性和实时性。

而且SPCE061A单片机内嵌32K字闪存FLASH，处理速度高，集成开发环境中，配有很多语音播报系数，实现语音播报极为方便，另外，比较方便的是该芯片内置在线仿真、编程接口，可以方便实现在线调试，这大大加快了系统的开发与调试。

方案比较及选择:

对两个方案进行比较，SPCE061A本身的内部结构决定了其内在特性比89C51的特性更加优越，实现起本文所有的要求更加方便，硬件设计也更加简单。

故本设计选用SPCE061单片机。

1.2.2测量部分

任何温控制系统首先要采用温度传感器将温度转化为电信号，因此测温传感器的选择是系统设计必不可少的考虑问题。

本系统的温度传感器我们设计了两种方案。

方案一用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻可靠性差，测量温度准备率低，重复性也较多,其阻值温度特性曲线是一条指数曲线，非线性十分严重，实际应用中要进行线性化处理比较复杂,对于检测小于1摄氏度的信号不使用。

方案二采用温度传感器铂电阻Pt1000，由于铂电阻的物理和化学性能在高温和氧化介质中很稳定,价格又便宜，常用作工业测量元件。

以铂电阻温度计作基准器，此元件线性较好，

在0～100摄氏度时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。

铂热电阻与温度关系式为：

Rt=R0（1+At+Bt*t）

其中：

Rt：

温度为t摄氏度时的电阻；

R0：

温度为0摄氏度时的电阻；

T：

任意温度；

A、B：

温度系数A=3.94*102/℃

B=-5.84*10-7/℃

经过比较最终我们选择铂电阻Pt1000做为本系统的温度传感器。

1.2.3控制算法确定

控制算法即控制器的操作方式，是控制器对过程变量的实测值与设定值之间的误差信号的响应。

温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。

温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。

因此长期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，产生了大批温度控制器，如性能成熟应用广泛的PID调节器、智能控制PID调节器、自适应控制等。

此处主要对一些控制器特性进行分析以便选择适合的控制方法应用于改造。

（1）模糊控制

模糊逻辑控制（FLC）是人工智能领域中形成最早、应用最广的一个重要分支，适用于结构复杂且难以用传统理论建立模型的问题。

目前FLC已经成功地应用与各种温度控制上。

模糊控制与一般的自动控制的根本区别是，不需要建立精确的数学模型，而是运用模糊理论将人的经验知识、思维推理，其控制过程的方法与策略是由所谓模糊控制器来实现。

对于多变量、非线性和时变的大系统，系统的复杂性和控制技术的精确性形成了尖锐的矛盾。

模糊控制对那些难以获得数学模型或模型非常粗糙的工业系统，如那些大滞后、非线性等复杂工业对象实施控制有独特优势，但静态误差不易控制.模糊控制偏偏含有大量专家经验,实际实现比较困难,它绝不可以代替经典的自动控制，而是扩展了一般的自动控制。

在一些实际过程中，人们也常把模糊控制与一般的自动控制结合在一起应用，并且已研制出神经模糊网络的家电产品，将模糊控制技术与人工神经网络、专家系统等人工智能中一些新技术相结合，向着更高层次的研究和应用发展。

采用模糊控制其优点是不需要粗确知道被控对象的数学模型，而且适用于有较大滞后特性的控制对象。

缺点是静态误差不易控制，因含有大量专家经验，实际实现比较困难。

（2）PID控制

PID在温度控制中已使用数十年，是一种成熟的技术，它具有结构简单、易于理解和实现，且一些高级控制都是以PID为基础改进的。

PID具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞

后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。

其调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方

法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、…）。

图4PID控制框图

PID调节器又称为比例积分微分调节器，它具有比例、积分、微分三种调节作用：

PID调节器其动态方程为：

u（t）=Kpe（t）+Ki∫e（t）dt+Kdde（t）/dt

其中Kp---为调节器的比例放大系数

Ki---为积分时间常数

Kd---为微分时间常数

PID调节器的离散化表达式为：

U（k）=Kpe（k）+KiTe（k）+Kd/T×[e（k）-e（k-1）]

其增量表达形式为：

∆u（k）=u（k）-u（k-1）

=Kp[e（k）-e（k-1）]+kiTe（k）+Kd/T×[e（k）-2k（k-1）+e（k-2）]

其中T为采样周期。

可见温度PID调节器有三个可设定参数，即比例放大系数、积分时间常数、微分时间常数。

对一个控制系统而言，合理地设置这三个参数可取得较好的控制效果。

在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。

微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。

此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。

采用PID控制其优点是理论和技术都很成熟，在单片机上用软件较易实现，可以达到较小的静态误差，但必须仔细调整控制参数，才能获得较好的效果。

因题目对静态误差要求较高，故采用PID控制。

参数整定采用试凑法，在系统调试阶段完成。

考虑到电炉对水进行加热有较大的滞后性，若采用单一的PID控制，难以兼顾调节时间和超调量，设定温度突变时，有可能产生振荡或调节时间过长。

因此将控温过程分成两段，误差较大时用模糊

控制，接近设定温度时改用PID控制。

2系统硬件设计

该系统设计目的为一实验系统，其控制对象为1L净水，容器为搪陶瓷皿，加热器为1千瓦电热

炉。

系统设计要求：

（1）温度在一定范围内可由人工设定，并能在环境温度降低（例如用电风扇降温）时，实现自动调整，以保持设定温度基本不变。

（2）温度设定范围为40～90℃，最小区分度为1℃。

静态控制精度为0.2摄氏度。

（3）能用十进制数码管显示水的实际温度，并用语音播放水温设置温度。

（4）采用适当的控制方法，当设定温度突变（如由40℃提高到60℃）时，减小系统的调节时间和超调量。

（5）在设定温度发生突变（如由40℃提高到60℃）时，能自动打印水温随时间变化的曲线。

为实现系统设计要求，经过方案设计与论证,该系统采用了如下设计方案：

（1）采用凌阳十六位SPCE061A型单片机实现温度控制，能使系统电路简单，可靠性高。

（2）由Pt1000和电压放大电路提供温度信号。

（3）通过PID算法实现对电炉功率和水温控制。

（4）利用凌阳十六位SPCE061A型单片机的特性来实现温度数字语音播报。

（5）借助PC机图形处理功能进行温度变化曲线的打印。

2.1水温控制系统硬件设计总体设计框图及说明

系统的硬件结构较简单，具体结构图如图5所示：

图5系统总体设计图

本系统使用1升净水作为控制对象，核心元件采用凌阳SPCE061A单片机，属于凌阳u’nSP™系列产品的一个16位结构的微控制器。

在存储器资源方面考虑到了用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，较高的处理速度使u’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。

以Pt100热电阻为温度传感器，执行部分选择了SSR固态继电器来控制热电炉的通过功率。

并有键盘设定、语音播放、数据显示、打印电路。

具体说明如下：

键盘设定：

用于温度设定，共三个按键：

KEY1、KEY2、KEY3。

数据采集：

将由传感器及相关电路采集到的温度转为电压信号，送入SPCE061A相应接口中，

经AD转换后，换算成温度值，用于播报和显示。

电源电路：

提供给单片机各电源引脚电源。

数据显示：

采用三位八段数码管显示，设置温度与测量温度，显示小数点后1位数字。

串行口传输：

将采样温度值，上传至PC机，以利用PC的图形处理功能来描绘曲线并打印。

继电器/热电炉：

通过三极管控制继电器的开关来完成对热电炉的功率控制。

语音播报：

语音播放水温设置温度，并播报整数温度变化。

2.2单片机系统

单片机系统是整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是处理数据、系统管理及实现控制算法的处理器。

由于我们采用了SPCE061A单片机，其内部已经包含了32K字FLASHROM和2K字2RAM，因此单片机的最小系统图仅由SPCEO61A组成。

本系统采用SPCE061A芯片作为核心部件，SPCE061A内部带有8路ADC和2路的DAC,32个IO

口，内置32K字闪存和2K字的静态存储器。

用来实现水温控制资源足够使用。

图6即为单片机的最小系统组成图，其接线比较简单，在OSC0、OSC1端接上晶振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻后即可工作。

其他不用的电源端和地端

接上0.1μF的去藕电容提高抗干扰能力。

2.2.1SPCE061A单片机概述

随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，DigitalSignalProcessing）等领域。

凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。

它的CPU内核采用凌阳最新推出的µ’nSP™（MicrocontrollerandSignalProcessor）16位微处理器芯片（以下简称µ’nSP™）。

围绕µ’nSP™所形成的16位µ’nSP™系列单片机（以下简称µ’nSP™家族）采用的是模块式集成结构,它以µ’nSP™内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件。

SPACE061A单片机内部结构如图7所示。

其主要功能模块有并行I/O端口、数/模转换ADC、数/模转换DAC、存储器RAM&FLASH、定时器/计数器T/C（脉宽调制输出PWM）、WatchDog、异步串行通信口UART、指令寄存器IR、设备串行口SIO、低电压检测LVD（低电压复位）等。

图6单片机的最小系统图

图7SPACE061A模块结构图

µ’nSP™内核是一个通用的核结构。

除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。

借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。

这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。

2.2.2SPCE061A单片机的结构

SPCE061A单片微控制器的内部结构图入图8所示：

图8SPCE061A单片微控制器的内部结构图

2.2.3SPCE061A单片机的特点极其主要性能

（1）µ’nSP™家族有以下特点：

①体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展µ’nSP™家族把各功能部件模块化地集成在一

个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。

另外，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的需求。

②具有较强的中断处理能力µ’nSP™家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。

③高性能价格比µ’nSP™家族片内带有高寻址能力的ROM、静态RAM和多功能的I/O口。

另外，µ’nSP™的指令系统提供具有较高运算速度的16位×16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能，使得µ’nSP™家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的DSP芯片廉价。

④功能强、效率高的指令系统µ’nSP™指令系统的指令格式紧凑，执行迅速,并且其指令

结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。

⑤低功耗、低电压µ’nSP™家族采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。

另外，µ’nSP™家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。

这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义.

（2）SPCE061A单片机的主要性能

SPCE061A是继μ’nSP™系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。

具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点，内嵌32K字闪存FLASH，处理速度高，能够很方便地完成普通单片机的功能，尤其适应于语音播报和识别等应用领域。

SPCE061A单片机的主要性能如下：

■16位m’nSP微处理器；

■工作电压：

VDD为2.4~3.6V（cpu）,VDDH为2.4~5.5V（I/O）；

■CPU时钟：

32768Hz~49.152MHz；

■内置2K字SRAM、内置32KFLASH；

■可编程音频处理；

■32位通用可编程输入/输出端口；

■32768Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；

■2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；

■2个10位DAC（数-模转换）输出通道；

■7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道语音模-数转换器；

■声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制（AGC）功能；

■系统处于备用状态下（时钟处于停止状态）耗电小于2mA@3.6V；

■14个中断源：

定时器A/B，2个外部时钟源输入，时基，键唤醒等；

■具备触键唤醒的功能；

■使用凌阳音频编码SACM_S240方式（2.4K位/秒），能容纳210秒的语音数据；

■具备异步、同步串行设备接口；

■具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能；

■内置在线仿真电路接口ICE（In-CircuitEmulator）；

■具有保密能力以及WatchDog功能（由具体型号决定）。

2.2.4SPCE061A芯片的引脚排列和说明

目前SPCE061A有两种封装形式：

一种为为80个引脚，LQFP80封装；另一种84个引脚，PLCC84封装形式。

在本系统中我们用PLCC84封装形式，它的排列如图9所示。

图9SPACE06APLCC84封装引脚排列图

在PLCC84封装中，有15个空余脚，用户使用时这15个空余脚悬浮。

在LQFP80封装中有9个空余脚，用户使用时这9个空余脚接地。

此处以PLCC84封装管脚功能介绍，它共有84个引脚，各引脚功能表如表1所示。

表1管脚描述表

管脚名称

管脚功能

IOA0IOA15（4148，5360）

I/OA口，16个

IOB0IOB15（51，8176，6864）

I/OB口，16个

OSCI13

振荡器输入，采用石英振时，接晶振

OSCO12

振荡器输出，采用石英振时，接晶振

（续表1）

RESB6

复位信号输入，低电平有效

ICE_EN16

ICE使能端，接在线调试器PROBE的使能脚ICE_EN

ICE_CLK17

ICE时钟脚，接在线调试器PROBE的时钟脚ICE_CLK

ICE_SDA18

ICE数据脚，接在线调试器PROBE的数据脚ICE_SDA

PVIN20

程序保密设定电源输入脚

PFUSE29

程序保密设定输入脚

DAC121

音频输出通道1

DAC222

音频输出通道2

VREF223

2V参考电压输出脚

AGC25

语音输入自动增益控制引脚

OPI26

Microphone第二级运放输入脚

MICOUT27

Microphone第一级运放输出脚

MICN28

Microphone正向输入脚

MICP33

Microphone负想输出脚

VRT35

A/D转换参考电压输入脚

VCM34

ADC参考电压输出脚

VMIC37

Microphone电源

SLEEP63

睡眠状态指示，即当CPU进入睡眠状态时，输出高电平

VCP8

锁相环压控振荡器阻容输入端

XROMTPVPPXTEST（61.69.14）

出厂测试管脚，使用时悬空即可

VDDH51.52.75

I/O电平参考电压输入端，当输入参考电压为5V/3.3V时，I/O输入、输出高电平为5V/3.3V

VDD7

锁相环PLL电源

VSS9

锁相环PLL地

VSS19.24

模拟信号地

VSS38.49.50.62

数字信号地

VDD15.36

数字信号电源

2.2.5SPCE061A的开发与应用

其可通过在线调试器PROBE来实现。

实际上,PROBE既是一个编程器（即程序烧写器），又是一个实时在线调试器，它可在单片机应用项目的开发过程中替代常用的两种工具:

硬件在线实时仿真器和程序烧写器，它利用了SPCE061内置的在线仿真电路ICE（In-CircuitEmulator）和凌阳公司的在线串行编程技术。

PROBE可工作于凌阳IDE集成开发环境软件包下，其5芯的仿真头可直接连接到目标电路板上SPCE061A的相应管脚,并可直接通过目标电路板上的CPU（SPCE061A）来调试并运行用户编制的程序，PROBE的另一头是标准的25针打印机接口,可直接连接到计算机的打印口。

它与上位机的通讯可在计算机IDE集成开发环境软件包下完成。

图10所示即为是计算

机、PROBE、用户目标板三者之间在线调试时的外围连线接口电路。

图10用户目标版、PROBE、计算机三者之间的连接图

随着单片机功能集成的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制扩展为控制处理、数据处理以及DSP等领域。

SPCE061A可广泛用于如下领域：

◆家用电器控制器：

冰箱、空调、洗衣机等白色家电

◆仪器仪表：

数字仪表（有语音提示功能）

◆电表、水表、煤气表、暖气表

◆工业控制

◆智能家居控制器

◆通讯产品：

多功能录音电话、自动总机、语音信箱、数字录音系统产品

◆医疗设备、保健器械（电子血压计、红外体温监测仪等）

◆体育健身产品（跑步机等）

◆电子书籍（儿童电子故事书类）、电教设备等

◆语音识别类产品（语音识别遥控器、智能语音交互式玩具等）

2.3部分外围电路设计及分析

2.3.1键盘设置电路

KEY1、KEY2、KEY3为SPCE061A单片机的扩展键，分别接IOA0、IOA1、IOA2口。

图11键盘电路图

KEY1:

设置温度的十位数；0--9

KEY2:

设置温度的个位数；0—9

KEY3:

工作模式选择键，共有三种工作模式：

正常工作状态、温度重新设置、语音播报设置。

系统电源开启后，数码管全部显示为零，根据按KEY1次数,十位的数码管依顺序逐次增加。

同

样KEY2,也如此。

按KEY3后，系统开始测温，并与采集的温度进行比较，通过软件来控制电炉的

开关。

同时语音播报变化的整数值温度。

2.3.2测温部分电路

测量温度传感器的选择是设计时首要考虑的问题，根据题目要求，需要进行常温区的温度测量。

为了减少干扰，温度传感器选用Pt电阻，运放采用HT9274集成芯片。

整个数据采集部分电路图如图12所示。

该电路的工作原理为：

随着电热炉的炉丝温度变化，水受其热温度发生变化，于是温度传感器

Pt1000的阻值随水温的变化而变化，此信号变化通过测量放大器HT9274以及右测量放大器组成的负反馈非线性补偿电路，把阻值的较小变化转化为1V～5V的标准电压信号，既是将温度变化转变为电压变化。

Pt型铂热电阻的测温精度高、稳定性好，是-200+650℃温度范围内应用很广的一种电阻型温度传感器。

Pt电阻在0摄氏度时，阻值为1千欧姆，在100摄氏度时，阻值为1380欧姆，则表示阻值变换从