水温控制系统设计与报告总结

1、水温控制系统摘要： 本系统以MSP430F149超低功耗MCU为核心,以DS18B20为温度传感器进行温度检测，采用电热棒进行加热。该控制系统可根据设定的温度，通过PID算法调节和控制PWM波的输出，控制电磁继电器的通断时间从而控制水温的自动调节。该系统主要包括MSP430F149单片机控制器模块、DS18B20测温模块、键盘模块、继电器控制模块及LCD12864液晶显示模块等构成。具有电路结构简单、程序简短、系统可靠性高、操作简便等特点。关键词：MSP430 DS18B20 PID算法 PWM LCD12864目录一、任务及要求11.1设计任务11.2要求1基本要求1发挥部分1二、方案设计与

2、论证22.1 温度检测电路方案选择22.2显示电路的方案选择22.3加热和控制方案选择22.4控制算法选择与论证3三、系统硬件电路设计33.1系统结构框图33.2控制器模块33.3温度检测电路设计43.4加热控制电路设计53.5键盘及显示电路设计53.6电源电路设计6四、软件设计64.1 PID算法设计64.2程序流程图8主程序框图84.2.2 LCD12864程序流程图94.2.3 PID程序流程图104.2.4 DS18B20水温检测程序流程图11五、系统测试及分析125.1系统调试12控制模块的调试125.1.2 温度检测模块125.1.3 继电器的检测125.2测试结果及分析12测试仪

3、器12测试方法13测试结果13六、设计总结14七、附录15附录1 仪表器件清单15附录2 水温控制系统原理图16附录3 程序设计17一、任务及要求1.1设计任务该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算输出控制加热装置以实现水温控制的全过程。本设计的任务与要求为计并制作一个水温控制系统，控制对象为1L净水，容器为水杯。水温可以在一定范围内可人工设定，并在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。1.2要求基本要求(1)温度设定范围：4090，最小区分度为1。(2)环境温度降低时，控制精度：温度控制的静态误差1。(3)用LCD128

4、64显示实际水温及设定的水温。1.2.2发挥部分(1)采用适当控制方法，当设定温度突变时，减小系统的调节时间和超调量。(2)温度控制的静态误差0.2。(3)能自动显示水温随时间变化的曲线。二、方案设计与论证2.1 温度检测电路方案选择方案一：使用热敏电阻。通过阻值的变化来获得电压的变化，再做相应的转换得到温度值，虽然价格便宜但精度不高。对于精度要求高的系统不宜采用。方案二：使用线性NTC温度传感器。它是一种线性温度电压转换电路。在通过工作电路（100uA）的条件下，元件电压值随温度呈线性变化。测温范围在-200+200之间。这个温度值同样需要做相应转换，所以不方便。方案三：使用DS18B20温

5、度传感器。内含AD转换器，且线路连接十分方便，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，使用读取温度暂存器的方法还能达到0.2以上的精度，应用方便，这样的电路主要工作量集中到单片机软件编程上。方案论证与选择：选择方案三，采用DS18B20温度传感器。2.2显示电路的方案选择方案一：使用数码管显示。通过数码管显示实际水温和设定温度。该方案程序简单，但硬件占用单片机I/O口较多，而且只能显示数字和少数几个字母，不能显示汉子提示功能，只能显示一行。方案二：使用LCD1602。LCD1602可显示温度及测量温度，但显示时1602只能显示两行，且只

6、能显示字符和数字，不能显示汉字及曲线。方案二：使用LCD12864。LCD12864可显示字母，数字及汉字，且一次可以显示4行，显示直观，通过字幕模式、温度、曲线。该方案程序较复杂，但显示图形代码较简单且观察清晰，显示更加明白。方案论证与选择：选择方案三，采用LCD12864。2.3加热和控制方案选择方案一：使用电热炉进行加热。通过控制电炉的功率即可控制加热速度，当水温过高时，关掉电炉即可，但使用电炉成本高，且精度不易控制。方案二：使用可控硅控制加热器的工作。可控硅是一种半控器件，通过控制导通角的方式来控制，对每个周期的交流电进行控制，因为导通角连续可调，故控制精度高，但控制不当易造成电磁干扰

7、需加相应防护措施，且费用较高。方案三：使用固态继电器。通过控制继电器通断来控制加热器工作，固态继电器使用非常简单，而且无触点，无需外加光耦，自身可实现电气隔离，还可频繁动作。该方案实行较简单且价格便宜。方案论证与选择：选择方案三，采用固态继电器。2.4控制算法选择与论证方案一：通过软件来调节占空比。根据实时水温值来调节温度，由于水温值变换快，且惯性大。通过软件控制不仅需要大量的代码且控制精度会受到影响。方案二：通过采用PWM控制加PID算法，通过采用PWM可以产生一个矩形波，且矩形波占空比是通过PID算法调节，PID算法会不断的获取当前温度值，通过设定好的参数进行比较和调节，从而实时调节加热棒

8、的功率进而控制温度变化。方案论证与选择：选择方案二，采用PWM控制加PID算法。三、系统硬件电路设计3.1系统结构框图LCD12864显示MSP430 F149测温模块hvrrrrrrhvrrrrrr散热风扇加热控制模块rl键盘模块图3.1-13.2控制器模块本设计采用TI公司16位超低功耗混合信号处理器MSP430F149作为控制器。控制器通过与DS18B20的一条连接线来发送或接收信息从而控制加热控制模块，实现对水温的自动调节。同时，通过按键设定并调节温度并在LCD上显示实时水温和设定的温度值。当实际水温与所设定温度值在1时，加热停止，散热停止，当实际水温高于设定温度时，散热开启。如图3.

9、2-1所示。 图3.2-1 控制器模块3.3温度检测电路设计温度检测电路采用DS18B20数字式温度传感器，无需外部元件可用数据总线供电，供电范围为3.0V5.5V，无需备用电源测量温度范围为-55+125。最小分辨率为0.0625。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），其接口电路如图3.3-1所示。 图3.3-1 温度检测电路3.4加热控制电路设计本设计采用固态继电器控制加热棒。通过三极管与继电器的连接来控制加热棒的通断。加热控制电路如图3.4-1所示。 图3.4

10、-1 加热模块3.5键盘及显示电路设计键盘采用4x1 独立键盘，通过LCD12864液晶模块显示实时温度值和按键设定的温度值，其电路如图3.5-1，3.5-2所示。 图3.5-1 独立键盘 图 3.5-2 LCD128643.6电源电路设计该系统由5V直流电源供电，经AMS1117稳压器转换为MSP430单片机可用的3.3V。由220V交流电源为风扇及加热棒供电，使整个水温控制系统能够正常运行。其电路图如3.6-1所示。 图3.6-1 供电电路四、软件设计系统软件设计采用C语言，对MSP430单片机进行编程实现各项功能。程序在Windows环境下采用IAR Embedded Workbench

11、软件编写，可对测温模块、加热模块、键盘模块及显示模块等进行有效控制。4.1 PID算法设计（1）PID工作原理：由于来自外界的各种干扰不断产生，要想达到现场控制对象值保持恒定的目的，控制作用就必须不断地进行。若扰动出现使得现场控制对象值发生变化，现场检测元件就会将这种变化采集后经变送器送至PID控制器的输入端，并与其给定值（以下简称SP值）进行比较得到偏差值（以下简称e值），调节器按此偏差并以预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器开度增加或减少，从而使现场控制对象值发生改变，并趋向于给定值（SP值），以达到控制目的，如图4.1-1所示。PID的实质就是对偏差（e值

12、）进行比例（P）、积分（I）、微分运算（D），根据运算结果控制执行部件的过程。但并不是必须同时具备这三种算法，也可以是PD，PI，甚至只有P算法控制，将当前结果反馈回来，在与目标相减，为正的话，就减速，为负的话，就加速。（2）比例（P）、积分（I）、微分（D）控制算法各有作用： 比例，反应系统的基本偏差e(t)，系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定；积分，反应系统的累积偏差et=et+et-1+et-2+.+e(1)，使系统消除稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节一直进行直至无误差；微分，反映系统偏差信号的变化率e(t)-e(t-1)，具有预见

13、性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统干扰不利。积分与微分不能单独起作用，必须与比例控制配合。+比例（P）r(t)P(t)c(t)+设定 +e(t) 执行部件积分（I）+微分（D）反馈 图4.1-1 PID控制系统原理图（3）PID算法表达式：P(t)=Kpe(t)+ 1Ti0te(t)dt +Tdde(t)dt式中：r（t）调节器输入信号（给定值）；c（t）调节器的输出信号（测量值）；e（t）调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差； Kp调节器的比例系数；Ti调节器

14、的积分时间； Td调节器的微分时间。PID调节器的离散化表达式为：P(k)=Kpe(k)+KiTe(k)+KdTe(k)-e(k-1)其增量表达式为：P(k)=P(k)-P(k-1) =Kpe(k)-e(k-1)+ KiTe(k)+KdTe(k)-2e(k-1)+e(k-2)其中T为采样周期。4.2程序流程图主程序框图开始系统初始化查询键值输入否按键按下？相应处理是读取键值调用DS18B20温度采集程序调用PID程序12864显示当前温度及设定温度图4.2-1 主程序流程图4.2.2 LCD12864程序流程图开始 LCD液晶初始化模式选择否命令模式数据模式？是写入指定命令写入数据LCD显示相

15、应汉字及数值刷新温度值值及状态图4.2-2 LCD程序流程图4.2.3 PID程序流程图开始计算偏差e(t)=r(t)-c(t)Pp(t)=Kp(e(t)-e(t-1)Pi(t)=Ki(e(t)Pd(t)=Kde(t)-2e(t-1)+e(t-2)P(t)= Pp(t)+ Pi(t)+ Pd(t)P(t)= P(t)+P(t-1)e(t-2)e(t-1)e(t-1) e(t)返回图4.2-3 PID程序流程图 DS18B20水温检测程序流程图开始初始化DS18B20温度转换命令初始化DS18B20读存储器命令温度值转换为BCD码LCD显示温度实际温度>设定温度<设定1>设定1

16、加热比较温度散热PWM调制图4.2-4 温度检测电路程序流程图五、系统测试及分析5.1系统调试系统的调试以程序为主，硬件调试较为简单，首先应检查电路焊接是否正确，然后用万用表或接通电源检测。软件调试则先编写显示电路程序检测并对硬件做正确性的校验。然后分别对主函数、温度采集与识别函数、键盘扫描函数、加热控制及散热控制函数等程序进行编程和调试。控制模块的调试单片机的P2.1口置高时，固态继电器1的动点与常开触点接触，相应的交流电源与散热风扇构成回路，散热风扇开始工作；当P2.0口置高时，固态继电器2的动点与常开触点接触，相应的交流电源与加热棒构成回路，加热棒开始加热。此过程中听到继电器触片切换的声

17、音且各负载都能正常工作，则控制模块可正常工作。5.1.2 温度检测模块主要检测DS18B20的精确度，单片机的采样时间及LCD12864液晶显示的实际温度与设定温度的比较。DS18B20的精确度：其准确度为0.5，最小分辨率为0.0625。DS18B20内部的RAM含有结构存储器使用字节，其内容用于确定温度值的数字转换分辨率。5.1.3 继电器的检测(1）测试触点电阻：用万用表测动点电阻与常闭触点间的阻值，其阻值应为0；用万用表测动点电阻与常闭触点间的阻值，其阻值应为无穷大。因此，可将常开触点与常闭触点区分开来。(2）测试线圈电阻：用完用表Rx10档测线圈阻值以检测其是否开路。5.2测试结果及

18、分析5.2.1测试仪器 数字万用表5V充电器直流电源0100的水银温度计5.2.2测试方法由于系统不完善，采用分步调试的方法，步骤如下：（1）在水杯中装好1L净水，将加热棒置于器皿中，打开控制电源，系统进入准备工作状态。（2）液晶显示温度与实际温度的校准：由于水银温度计的最小刻度为0.1，可用温度计的读数来校准LCD12864显示的温度值。（3）结合软件进行水温控制：假设设定温度为60，实际温度为40，则加热使水温达到60，则加热棒模块自动断电停止加热，当温度低于60时，加热棒自动开始加热；当加热温度过高超过60时，散热风扇开启进行散热。（4）通过键盘设定不同温度值，再结合软件进行控制。测试结

19、果静态控温测量数据如下表所示：表1 组数对象123456设定温度/测量温度/静态误差/在加热过程中，在某一时刻检测温度计示数及液晶显示示数间的误差。动态控温测量数据如下表所示：表2 组数对象123456温度计示数/液晶显示/动态误差/六、设计总结本设计采用MSP430F149单片机作为该水温控制系统的控制器，硬件电路设计较为简单，软件设计上程序相对复杂些，特别是对PID算法的了解及应用。整个系统的设计思想是提高静态控温精度，减小调节时间和超调量。经过测试，程序基本达到所需功能。比如：通过按键输入水温设定值，输入范围能满足4090的基本要求；运行水温控制系统，测得水温静态误差满足基本要求；在给定突变或环境温度突变的情况下，观察系统的调节时间和超调量，并能根据需要改变系统控制参数，实现不同的控制品质要求。在本设计中还有诸多需要改善的地方：（1）硬件采