水温控制系统复习进程

1、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（10C 70C ）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8 9C52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

2、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

3、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米用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

4、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

5、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，使温度测量误差在士 0.5 C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:T碍-乜“二（笙一气+乞+式中，ei、ei-1、ei-2分别为第n次、n-1次

6、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

7、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，贝S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

8、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

9、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

10、.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。+5VS1S2S3S4HR6162R6310K10K10KR6510KP32P33P34P36II

11、-II22pFLC3III12MHZJII22PfC2+5VS19C1T10uFR110K,P10POO,P11P01,P12P02.P13P03.P14P04.P15P05,P16P06,P17P07INT1P20INTOP21P22，T1P23.T0P24P25EA/VPP26P27，X1.X2 RESETRXDTXDRDALE/叫WrPSENU11234567813121514311918917STC89C5238373635343332212223242526272810113029D940013.2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

12、度以912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

13、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（DBADB7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。Hsn h cm uz jaw uz s in ci Ea HQ SQ aaCITDtxl aH捋2SSA4.

14、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 2o C,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 2o C,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

15、 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：算 法un sig ned偏差/*PID*/unsigned int PIDCalc( struct PID *pp,int NextPoi nt )un sig ned int dError,Error;Error = pp-SetPoint - NextPoint; / pp-SumError += Error; / 积分 dError = pp-LastError - pp-PrevError; II 当前微分pp-PrevEr

16、ror = pp-LastError;pp-LastError = Error;return (pp-Proporti on * Error/比例+ pp-ln tegral * 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 K1n um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*void

17、shedi ng()if(k1=O)delay1(10);if(k1=0)/按键K1按下 while(!k1);按键K1抬起write_com(0x0f);write_com(0x94);klnu m+;switch(k1 num) case 1: 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;case 3: write_com(0x96);液晶显示位置，小数位break;case 4:k1nu m=0;write_com(0x0c);清零break;if(k1 nu m!

18、=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(k1 num)case 1:shi+;if(shi=10)shi=0;a=shi;十位力口1,到10清零write_com(0x94);write_date(tableshi);write_com(0x94);break;case 2:ge+;if(ge=10)ge=0;b=ge; 个位加 1,到10清零write_com(0x95);write_date(tablege);write_com(0x95);break;case 3:xs+;if(xs=10)xs=

19、0;c=xs;小数位加 1,到10清零write_com(0x96);write_date(.);write_date(tablexs);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(k1 num)case 1:shi-;if(shi=-1)shi=9;a=shi;write_com(0x94);write_date(tableshi);write_com(0x94);break;case 2:ge-;if(ge=-1)ge=9;b二ge;write_com(0x95);w

20、rite_date(tablege);write_com(0x95);break;case 3:xs-;if(xs=-1)xs=9;c=xs;write_com(0x96);write_date(.);write_date(tablexs);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 DS18B2 0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

21、：*DS18B20S度采集子程序*初始化/DQ复位延时单片机将DQ拉低voidin it_DS18B20()ucharx=0;DS18B20=1;delay(8);/ 稍做DS18B20 = 0;/delay(80); / 精确延时大于480usDS18B20 = 1;/拉咼总线delay(14);x二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);uchar read_ on echar()读一个字节uchar i=0;uchar date = 0;for (i=8;i0;i-)DS18B20 = 0;date=1;/寄存器右移DS18B20 = 1;

22、if(DS18B20)date|=0x80;delay(4);return(date);voidwrite_ on echar(uchar date)/写一个字节uchar i=0;for (i=8; i0; i-)DS18B20 = 0;DS18B20=date&0x01;delay(5);DS18B20 = 1;date=1;ui nt read_temp() 读 取温度 uchar a=0;uint t=0;float tt=0;in it_DS18B20();write_ on echar(Oxcc);/跳过读序号列号的操作write_ on echar(0x44);/ 启动温度转换i

23、n it_DS18B20();write_ on echar(0xcc);/跳过读序号列号的操作write_ on echar(Oxbe);/读取温度寄存器a=read_ on echar();/连续读两个字节数据读低8位b=read_ on echar();/读高8位t=b; ttemper) /是否设置的温度大于实际温度设置的温度比实际的温度if(set_temper-temper2) /是否是大于2度high_time=100; II 如果是，则全速加热low_time=0;else II如果是在0.8到2度范围，则开始降温if(set_temper-temper0.8)high_tim

24、e=0;low_time=100;else II如果温差小于0.8度，运行PID计算for(i=0;i10;i+)s二read_temp();rin 二 s; II Read In putrout = PIDCalc ( &spid,rin); II Perform PIDIn teratio nif(high_time=100)high_time=(u nsig ned char)(rout/1000);elsehigh_time=100;low_time= (100-high_time);elseif(set_temper二temper) /是否设置的温度小于实际温度if(set_temp

25、er-temper0)high_time=O;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;i10;i+)rin 二 s; / Read Inputrout = PIDCalc ( &spid,rin);/Perform PIDIn teratio nif(high_time100)high_time=(un sig ned char)(rout/10000);elsehigh_time=0;low_time二(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

26、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：/* void ini t_lcd()*LCD12864 初始化*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);显示归位清屏显示delay1(2);write_com(0x01);delay1(2);write_com(OxOc);显示状态开关delay1(2);光标移动设置write_com(0x06);显示delay1(2);*/*写数据*date)void write_date(ucharread_busy();delay(5); lcd_rw=O;delay(5);lcd_date二date; lcd_e n=0;delay(5);lcd_e n=1;delay(5);lcd_e n=0;delay(5);/*写指令*com)void write_com(ucharread_busy();lcd_rs=O;delay(5);lcd_rw=0;