水温自动控制系统.docx

1、水温自动控制系统电子技术综合设计设计报告设计题目： 水温自动控制系统 组长： 学 号： 专业与班级： 工业自动化14-16班 姓 名： 学 号： 专业与班级： 工业自动化14-16班 姓 名： 学 号： 专业与班级： 工业自动化14-16班 时 间： 2016 2017 学年第（1）学期 指导教师： 烨 成 绩： 评阅日期： 一、课题任务设计并制作一个水温自动控制系统，对1.5L净水进行加。水温保持在一定围且由人工设定。细节要求如下：1.温度设定围为4090 ，最小分辨率为0.1，误差1。2.可通过LCD显示屏显示温度目标值与实时温度。3.可以通过键盘调整目标温度的数值。二、方案比较1.系统模

2、块设计为完成任务目标，可以将系统分为如下几个部分：5V直流电供电模块、测温模块、80C52单片机控制系统、键盘控制电路、温度显示模块、继电器控制模块、强电加热电路。通过各模块之间的相互配合，可以完成水温检测、液晶显示、目标值设置、水温控制等功能。系统方框图如下：2.5V直流电供电模块方案一：直接用GP品牌的9v电池，然后接通过三端稳压芯片7805稳压成5伏直流电源提供给单片机系统使用，接两个5伏电源的滤波电容后输出。方案二：通过变压器，将220v的市电转换成9v左右的交流电，变压器输出端的9V电压经桥式整流并电容滤波。要得到一个比较稳定的5v电压，在这里接一个三端稳压器的元件7805。由于需要

3、给继电器提供稳定的5V电压，而方案一中导致电池的过度损耗，无法稳定带动继电器持续工作，所以我们选用能够提供更加稳定5v电源的方案二。3.测温模块经查阅资料,IC式感温器在市场上应用比较广泛的有以下几种：AD590：电流输出型的测温组件,温度每升高1 摄氏度，电流增加1A，温度测量围在-55 150之间。其所采集到的数据需经A/D 转换，才能得到实际的温度值。DS18B20：含AD转换器，所以除了测量温度外，它还可以把温度值以数字的方式(9 B i t ) 送出，因此线路连接十分简单，它无需其他外加电路，直接输出数字量，可直接与单片机通信，读取测温数据。它能够达到0.5的固有分辨率，使用读取温度

4、暂存寄存器的方法还能达到0.0625以上精度，温度测量围在-55125 之间，应用方便。SMARTEC感温组件:这是一只3个管脚感温IC，温度测量围在-45 13，误差可以保持在0.7 以。max6225/6626：最大测温围也是-55+125，带有串行总线接口，测量温度在可测围的的误差在4以，较大，故舍弃该方案。本设计选用DS18B20感温IC，这是因其性能参数符合设计要求，接口简单，部集成了A/D 转换，测温更简便，精度较高，反应速度快，且经过市场考察，该芯片易购买，使用方便。下面是DS18B20感温IC的实物和接口图片4.80C52单片机控制系统AT89C52是一个低电压，高性能CMOS

5、 8位单片机，片含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。5.键盘控制电路方案一：四键设定，一个十位控制键，一个个位控制键，一个位控制键，一个确认键，通过四键的配合设定为度，该方案接线和程序简单，但实际操作不太便捷。方案二：矩阵键盘设定，通过按键输入不同数字实现温度的设定，电路连接比较简单，程序较方案一复杂，但已经在学习过程中接触过矩阵键盘的编程技巧，有一

6、定的可行性，且操作起来更加符合我们的日常习惯。本次设计暂定采用矩阵键盘来作为温度设定电路的输入。6.温度显示模块方案一：使用数码管显示，通过数码管显示被测温度和设定温度。该方案程序简单，且已学习过其编程技巧，但硬件占用单片机I/O口较多，对于尽量节约端口，让线路简单来说不是好方法，而且显示也不够直观灵活，只能显示数字，。方案二：使用液晶屏1602显示。1602可显示两行字符及数字，可以用来显示设定温度及测量温度，较之数码管显示更加清晰直观，虽然此前没有接触过相关知识，但该器件上手比较容易，可以在短期学会其使用方法。1602较之数码管更加符合本次设计要求，因此使用1602作为显示器件。7.继电器

7、控制模块方案一：采用普通的控制方法，即水温温度到达临界温度时，控制继电器开闭。但由于水温变化快，且惯性大，不易控制精度。 方案二：采用PWM控制加PID算法，通过采用PWM可以产生一个波形，而PWM波形的占空比是通过PID算法调节，这样就可以通过控制加热电路的开、断时间比来控制加热器功率进而控制温度的变化，从而使精度提高。此方法中硬件上可以使用固态继电器或晶闸管控制加热器工作。我们选择方案二。三、电路设计1.电源电路整个系统需要使用5V直流电和220V交流电。电源电路采用变压器与稳压模块，将工频电压降为5V直流电，为系统供电。首先用变压器模块20V交流电降为9V交流电，接入整流电桥，变为直流电

8、输出，再使用三端稳压芯片7805稳压为5V。L7805输出端要联上电解电容，滤除交流电干扰，防止损坏单片机系统。LM7805最大可以输出1A的电流，部有限流式短路保护，短时间，例如几秒钟的时间，输出端对地（2脚）短路并不会使7805烧坏。2.温度传感器DS18B20温度传感器只有三根外引线：单线数据传输总线端口DQ ，外供电源线VDD，共用地线GND。外部供电方式(VDD接+5V，且数据传输总线接4.7k的上拉电阻，其接口电路如下图（外接电源工作方式）所示。3.单片机最小系统单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对51系列单片机来说,最小系统一般应该

9、包括:单片机、晶振电路、复位电路4.按键、显示电路这部分实际上是一个单片机最小系统的基本电路，键盘选用矩阵键盘可满足要求，通过按键输入不同数字实现温度的设定。在显示方面选用常用的1602液晶显示模块。通过相应的程序，可以实现温度的实时显示，电路连接也比较简单，只需连接数据总线，和三根控制线即可实现数据控制，实现显示功能。1602显示电路5.继电器温控单片机驱动继电器的通断，从而比较容易的实现对小功率电热棒的加热。本系统利用继电器的吸合与否来实现水温的自动化控制。本次设计采用型号为JRC-21F的继电器。其特点有：（1）.超小型,低功耗;（2）.触点型式:1H,1Z(1A.AC);（3）.触点负

10、载:2A,120VAC;（4）.外型尺寸:15.7X10.4X11.4如图是驱动较大功率继电器的接口，当p1.1（连接单片机的输出口）输出低电平时，Q1导通，继电器吸合；当p1.1输出高电平时，Q1截止，继电器断开。由于继电器吸合时电流比较大，所以在单片机与继电器之间增加了光电耦合器件作为隔离电路。R3是光电耦合输出管的限流电阻，R4是驱动管Q1基极泄放电阻。整体硬件电路见附录四、程序设计程序结构包括：主程序、传感器测温程序、lcd1602显示程序、键盘扫描程序、 PID计算程序、PWM波形发生程序。主程序流程图如下所示：传感器测温程序流程图：lcd1602显示程序流程图：键盘扫描程序流程图：

11、温度比较与PID计算程序流程图：PWM波形发生程序（定时器中断）流程图：五、测试方案1.静态测试：室温状态下，分别用温度计与18B20传感器检测水温，观察两者是否有误差。2.动态测试：用继电器控制“热得快”对1升水加热，用键盘设定需加热温度值，观察、记录1602显示屏上实时水温值的变化过程和每次改变温度设定值后PID调节的超调量。多次调试并和修改PID参数来完善该系统。检验水温的稳定值是否满足设计目标的要求。六、系统调试1.加热水量与加热器的功率确定加热器水量与功率应当构成匹配，加热水量过多或功率过小会导致加热时间过长，而加热水量过少或功率过大会使超调增大，不利于控制。我们选择1L的容器作为测

12、试对象，预计将20摄氏度的水加热到100摄氏度需要5分钟。经过计算这样的加热器功率至少为1120w，因此选择1000w的加热管。满足1L的容器很多，但是广口的盆水位较低，不利于加热管的安放。经过努力，找到了合适的容器（实物见附件），恰能使得加热棒处于最为合适的水位深度。2.上下层温差的优化和电动机电源的选择 电动机本不在设计的围里面，但是随着系统调试的进行，发现容器中的的水很难实现热均匀。容器中上下层温差过大，导致温度传感器所测数据极不准确，滞后过大，非常不利于控制。所以又添加一个直流减速电机带动桨叶加速冷热水对流，从而让容器里面的水受热均匀，方便测温模块对系统水温的实时监测。这一额外的电动机

13、没有在事先考虑的器件电气匹配围，所以当它与加热模块一同共用5v的直流电源时，已超出了整流模块所能提供的最大电流，于是又添加了一个电源给电动机供电。3. PID程序的修改调试当实际水温与目标值差距过大时，加热器只需满功率工作(或完全停止工作)即可满足要求。此时采用PID控制意义不大，且PID控制围很大，参数很难整定，而微分环节也容易受到干扰导致加热器无法满功率运行。因此，在满足控制精度的前提下，可将PID控制的围缩小到设定温度的1之。围缩小后，PID参数容易调整，控制效果明显增强。经过调试后PID参数分别为Proportion = 10，Integral = 8，Derivative =6。4.

14、PWM波周期的调试PWM波的周期越短，控制的精度越高。但PWM波形的输出需要单片机中断程序进行控制，中断频率过高会干扰单片机中主程序的运行。测温模块18B50对时间的要求非常严格，因此测温模块读取数据期间会与中断程序冲突。若18B20读数期间允许中断中断会导致其温度输出出现大量错误；若不允许中断会导致PWM波周期频繁变化。经过调试，将PWM波周期设为5s。七、数据测试与处理1.静态温度的测试室温状态下，分别用温度计与18B20传感器检测水温，得到结果分别为。温度计显示17.5，18B20传感器显示温度17.9，在误差允许的围，满足要求。2.动态温度的测试：令测温系统工作，对1.5L净水加热，设

15、定温度分别为50，60, 80，每10s记录一次显示屏幕上的数据，绘制其温度变化曲线，并计算温度控制的超调量，稳态误差。温度数据及曲线如下：（1）目标温度50度：时间（10s）01234567温度（）303030.130.531.13232.733.5时间（10s）89101112151718温度（）34.535.336.137.138.140.642.343.2时间（10s）1920212324252627温度（）44.14545.847.648.449.149.750.8时间（10s）2829303132333435温度（）51.251.651.851.851.851.851.851.7时

16、间（10s）3639404346515457温度（）51.651.351.150.850.650.550.350.1时间（10s）6063646668697072温度（）5049.849.950.150.550.750.750.7时间（10s）7578818487889091温度（）50.550.450.250.149.949.85050时间（10s）92温度（）50超调量为3.6%（2）目标温度60度：时间（10s）01234567温度（）5050.551.151.852.653.554.155时间（10s）89101112131415温度（）55.856.657.558.358.959.8

17、60.361.2时间（10s）1617181920212427温度（）61.561.661.661.661.561.461.160.8时间（10s）3032333436374041温度（）60.460.260.16059.86060.260.3时间（10s）4245474850525354温度（）60.360.2606059.859.960.160.3时间（10s）5657温度（）60.460.3超调量为2.5%（3）目标温度80度：时间（10s）01234567温度（）6060.861.462.162.863.764.565.3时间（10s）89101112131516.5温度（）66.16

18、6.867.668.369.170.371.372.4时间（10s）1819212223242526温度（）73.574.375.676.47777.778.478.9时间（10s）2728293031323334温度（）79.580.180.380.580.580.380.280.1时间（10s）35363738.539404142温度（）79.879.679.479.379.379.379.479.4时间（10s）4344454647484950温度（）79.579.679.779.879.9808079.9时间（10s）5152535455565758温度（）79.779.679.679

19、.679.779.779.880时间（10s）5960616263温度（）80.180808080超调量为0.6%由以上温度曲线可以看出，水温能够保持在设定温度上下，控制过程中超调量4%,且稳态时的误差在为0.3，满足系统设计要求。八、设计总结通过本次应用系统设计，在很大程度上提高了我们的独立思考、分析判断以及动手实践能力，也对系统设计过程以及设计过程中应注意的问题有了初步的认识，加深了我们对所学知识的理解。出于对自身知识及可获取的学习资源的考虑，我组本次电子综合设计的选题最终定为水温自动控制系统的设计，该题目为往年电设题目，参考资料较易获取且基本未超出我们现掌握的知识水平。在参考了书本及网络

20、上的设计思想之后，我们确定了该系统的设计方案初稿，并讨论了设计方案的可行性。讨论确定出实验所需器材以及组员的分工,由一名组员进行程序的编写，另外两名组员进行硬件电路的焊接及调试。经过几次检查、调试以及修改之后，基本实现了本次设计的部分预期目标：可通过LCD显示屏显示温度目标值与实时温度，可以通过键盘调整目标温度的数值等功能。在系统调试过程中，遇到一些问题：1.由于一开始没有估计好器件占用的空间，所购万用板太小，无法满足实验要求，之后又换用了一个较大的万用板。在最小系统焊接完成后，由于没有搞清楚按键的部接线，使单片机一直处于复位状态，无常工作，后用万用表排查出该错误。2.在加热控制器件的选择上花

21、费了较多精力，开始的设计方案是用光电耦合器配合双向晶闸管利用PWM波控制加热功率来实现温度的稳定，但在硬件实验时发现控制导通无法实现，且电压、电流余量有限，不能满足设计要求。便换用了固态继电器配合三极管来实现功率控制。3.在完成基本功能后，发现由于水温分布不均匀，温度传感器无法及时检测到水温变化以改变加热功率，减小超调量，又在原系统中增加了电机搅拌器以使水温分布均匀。4. 在PID参数整定中，发现初始的PID算法过于简单，造成被控变量误差与稳定性均较差。普通的位置PID算法很难满足水温控制系统的要求。查阅资料后，缩小了PID控制的围，在满足控制精度的前提下，温控围缩小到设定温度的1之。围缩小后

22、，PID参数容易调整，控制效果明显增强。这些问题的解决帮助我们融合所学的知识，极大提高了我们动手能力。通过对本设计的反思总结，加深了对机械，单片机，自动控制等多方面知识的理解，也激发了我们对电子设计的极大兴趣，这对我们以后的学习生活有着十分重要的作用。 九、参考文献1. 海成.AVR单片机原理及测控工程应用 .航空航天大学2. 周润景 晓霞.单片机实用系统设计与仿真经典实例.电子工业3. 维成 加国.单片机原理与应用及C51程序设计.清华大学4. 大学生电子设计竞赛组委会.第五届全国电子设计竞赛获奖作品选编.理工大学5. 黄志伟 全国大学生电子设计竞赛系统设计。航空航天6. 51黑电子论坛 .

23、51hei./bbs/一十、附录1. 电路原理图2.程序#include #include#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ =P27; /定义端口sbit RS=P25;sbit RW=P24;sbit EN=P23;sbit output=P20;sbit P0_0=P00;sbit P0_1=P01;sbit P0_2=P02;sbit P0_3=P03;uchar flag;/flag为温度值的正负号标志单元uchar c2;/18b20的直接输出量 uint cc,cc

24、2;/变量cc为18b20输出量的直接计算值，cc2为放大100倍温度值 float cc1;/cc1为温度值uchar buff110=Set temp: ;/1602屏显示uchar buff210=Cur temp: ;/1602屏显示uchar set_c2=5,0; /用于温度设置及1602屏显示uchar buff36=+00.0 ; /1602屏显示uchar temper,set_temper=50;/temper用于PID的测量值(整数)，set_temper用于PID参考值uint s; /PID的测量值(小数)struct PID unsigned int SetPoin

25、t; / 设定目标 unsigned int Proportion; / 比例常数 unsigned int Integral; / 积分常数 unsigned int Derivative; / 微分常数 unsigned int LastError; / Error-1 unsigned int PrevError; / Error-2 unsigned int SumError; / Sums of Errors ;struct PID spid; / 创建PID结构uint rout; / PID Outputuint rin; / PID Inputunsigned char hig

26、h_time,low_time,count=0;/占空比调节参数void delay(uint useconds) /延时程序 for(;useconds0;useconds-);uchar ow_reset(void) /复位（18B20） uchar presence; DQ = 0; / DQ 低电平 delay(50); / 480ms DQ = 1; / DQ 高电平 delay(3); / 等待 presence = DQ; / presence 信号 delay(25); return(presence); / 0允许, 1禁止 uchar read_byte(void) /从单

27、总线上读取一个字节（18B20） uchar i; uchar value = 0; for (i=8;i0;i-) value=1; DQ = 0; DQ = 1; delay(1); if(DQ)value|=0x80; delay(6); return(value);void write_byte(uchar val) /向单总线上写一个字节（18B20） uchar i; for (i=8; i0; i-) / 一次写一位 DQ = 0; DQ = val&0x01; delay(5); DQ = 1; val=val/2; delay(5);void Read_Temperature(void) /读取温度（18B20） ow_reset(); write_byte(0xCC); / 跳过 ROM write_byte(0xBE); / 读 c1=read_byte(); /低字节 c0=read_byte(); /高字节 ow_reset(); write_byte(0xCC); write