水温控制系统

1、摘要：本水温控制系统使用单片机进行温度实时采集与控制。温度信号由数字化温度传 感器DS18B20提供。水温实时控制以单片机作为控制核心，采用mos管控制加热器进行升 温、降温控制，通过数字PID算法，能够实现在10C70C量程范围内对每一点温度的自动 控制，以保持设定的温度基本保持不变。系统具备高测量精度与控制精度，并能用液晶屏显 示水温随时间变化的实时曲线。采用关键字：PID AT89C52 半导体制冷片 DS18B201系统方案选择和论证1.1题目要求1.1.1基本要求（1）可键盘设定控制温度值，并能用液晶显示，显示最小区分度为0.1 C；（2）可以测量并显示水的实际温度。温度测量误差在土

2、0.5 C内；（3）水温控制系统应具有全量程（10C70C ）内的升温、降温功能（降温可用半导体制 冷片、升温用800W以内的电加热器）；（4）在全量程内任意设定一个温度值（例如起始温度15C内），控制系统可以实现该给 定温度的恒值自动控制。控制的最大动态误差4C，静态误差1C，系统达到稳态的 时间15min （最少两个波动周期）。1.1.2发挥部分（1）当设定温度突变（温度变化土20C ）时，控制的最大动态误差2C，系统达到稳态 的时间8min （最少两个波动周期）；（2）温度控制的静态误差0.2C（在最小稳态时间内）；（3）在设定温度发生突变（温度变化20C ）时，用液晶屏显示水温随时间变

3、化的实时曲 线（最少显示两个波动周期）；（4）其他。1.2系统基本方案本温度控制系统采用经典的自动控制控制原理，通过PID运算来对水进行加热和制冷调 节，很好地控制水的温度。根据题目要求系统可划分为：温度测量模块、显示电路模块、水 温调节模块、控制模块、键盘输入模块（系统框图如图1.21所示）为实现个模块功能，分别 设想几种不同设计方案进行论证InputOutput测温部分Vi显示电路控制部分键盘控温输入设备2：1.2.1各模块方案的选择及论证控制器模块根据题目要求，控制器主要用于对温度测量信号的接受和处理、控制加热器和制冷片， 使其满足实验要求、控制显示电路对温度实时显示以及控制温度值的设定

4、等。对控制器的选 择有以下两种方案方案一：采用FPGA作为系统控制器。FPGA功能强大，可以实现各种复杂的逻辑功能， 规模大，密度高，他将所有期间集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应 用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。FPGA系统处理速度快，适合大规模实时控 制系统核心。由温度传感器送来的温度信号，经FPGA程序处理，控制加热、制冷装置动作。 但本设计对数据处理速度要求不高，FPGA的高速处理有事得不到充分体现，并且其成本偏 高，引脚较多，硬件电路布线复杂方案二：采用ATMEL公司的AT89C52作为系统控制器。单片机算术运算功能强，软件编 程灵活、自由度大，可用软件编

5、程实现各种算法和逻辑控制，可采用PID算法对水温进行控 制。并可附加显示、温度设定等功能。基于以上分析拟订方案二，由AT89C52作为控制核心采用数字式PID对温度采集和实时 显示以及控温装置进行控制。加热装置根据题目要求，控制的最大动态误差4C，静态误差1C，系统达到稳态的时间 15mino根据以上要求对加热装置选择有以下两种方案。方案一：外置(外壁)加热。控制的功率可以控制加热的速度。当水温过高时，关掉电 热炉进行降温处理，让其自然冷却。在制作中，我们装设一个小电风扇，当水温超高时关闭 电炉开启风扇散热，当需要加热时开启电炉关闭风扇。由于加热的功率较大，考虑到简化电 路的设计，可直接采用2

6、20V电源。但其控温精度较差，当加热器断电后外壁仍向水中散热。方案二：内置(水中)加热。此方案虽工艺要求较高，需破环外壁安装，并且要做密封。 但其热量直接与水传递。控温方便。因此我们拟定方案二为加热装置制冷装置根据题目要求，水温控制系统应具有全量程(10C-70C)内的升温、降温功能。当设 定温度突变时，控制的最大动态误差2C，系统达到稳态的时间8min。因此我们对比 了一下两种方案方案一：压缩机制冷。压缩机制冷速度快，最低温度低。但其不可短时间内反复启动， 温度控制难，价格较高，且便携性差方案二：半导体制冷片制冷。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。但其制冷速率低，

7、需要配套散热风扇，极限制冷温度相对较高。由于题目要求量程为10C-70C，半导体制冷片基本可满足要求，固拟定方案二。功率控制模块方案一：采用可控硅来控制加热器有效功率。可控硅是一种半控器件，应用于交流电的 功率控制有两种形式：控制导通的交流周期数达到控制功率的目的；控制导通角的方式控制 交流功率。由交流过零检测电路输出方波经适当延时控制双向可控硅的导通角，延时时间即 移相偏移量由温度误差计算得到。可以实现对交流电单个周期有效值周期性控制，保证系统 的动态性能指标。该方案电路稍复杂，需使用光耦合驱动芯片以及变压器等器件。但该方案 可以实现功率的连续调节，因此响应速度快，控制精度也高。方案二：采用

8、MOS管控制。使用MOS管可以很容易实现地通过较高的电压，在正常条件 下，工作十分可靠。这种电路无法精确实现电热丝功率控制，控温设备只能工作在最大功率 或零功率，对控制精度将造成影响。但可以由单片机对温差的处理实现分级功率控制提高系 统动态性能。基于以上分析以及现有器件限制选择方案二，采用MOS管控制省去光耦和交流 过零检测电路，在软件上选用适当的控制算法，同样可以达到较好的效果。温度采集模块题目要求温度静态误差小于等于0.2C，温度信号为模拟信号，本设计要对温度进行控 制和显示，所以要把模拟量转换为数字量。该温度采集模块有以下两种方案：方案一：采用温度传感器AD590K。AD590K具有较高

9、精度和重复性，良好的非线性保证 0.1C的测量精度。加上软件非线性补偿可以实现高精度测量。AD590将温度转化为电流信 号，因此要加相应的调理电路，将电流信号转化为电压信号。送入8为A/D转换器，可以获 得255级的精度，基本满足题目要求。方案二：采用数字温度传感器DS18B20O DS18B20为数字式温度传感器，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，电路简单。基于以上分析和现有器件所限，温度采集模块选用方案二。他能够直接读出被测温度并 且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。在测温精度、转换时间、 传输距离、分辨率等方面带来了令人满意的效

10、果。(4 )键盘与显示模块根据题目要求，水温要由人工设定，并能实时显示温度值。对键盘和显示模块有下面两 种方案：方案一：采用液晶显示屏和独立按键。液晶显示屏(LCD)具有功耗小、轻薄短小无辐 射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特 点。但需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器资源占用较多，其成本也偏高。方案二：采用三位LED七段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。按键采用单列 3按键进行温度设定。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境 要求较低。同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。但其只能输

11、 出3位数字，数据不直观。根据以上论述，采用方案一。本系统中控制器资源丰富，采用了液晶屏的动态显示，直 观清晰的了解数据。1.2.2系统各模块的最终方案根据以上分析，结合器件和设备等因素，确定如下方案：采用AT89C52单片机作为控制器，分别对温度采集、液晶显示屏、温度设定、控温 设备功率控制。温度测量模块采用数字温度传感器DS18B20。此器件经软件设置可以实现高分辨率 测量。加控温设备功率控制采用MOS管控制，实现电路简单实用，加上温度变化缓慢可以 满足设计要求。显示用液晶屏显示实时温度值，用SET、ENTER、UP、DOWN四个单键实现温度值的设定。显示DS18B2 主控*加热驱,电阻丝

12、动键盘制冷驱,制冷片图1.2.3系统基本框图系统的基本框图如图1.2.3所示CPU(AT89C52)首先写入命令给DS18B20，然后DS18B20 开始转换数据，转换后通过89S52来处理数据。数据处理后的结果通过设定值和测量值的比 较，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，最终达到温度得稳定控制。可用按键进行参数设定，液晶屏进行显示。1.2.3控制算法的选择PID控制有广泛的实用性，但对于大滞后、大惯性和不确定性的系统，一般很难得到非 常满意的控制效果，需要有其他控制方法与其配合。开关控制的特点是可以使系统以最快的速度向平衡点靠近

13、，但容易造成系统在平衡点附 近振荡，使得精度不高；将开关控制，防积分饱和、防参数突变微分饱和等方法溶入PID控 制组成复合PID控制的方法，集各控制策略的优点，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，原理如图2-2所示。其具体的控制过程为：当温差大时采取开关控制迅速减小温差，以缩小调节时间；当温 差进入精控区后采用PID控制，以使系统快速结束过渡过程。图1-2图1-2复合PID控制系统方框图2系统硬件设计2.1主要单元电路2.1.1温度采集部分设计本系统采用半导体温度传感器作为敏感元件。传感器我们采用了 DS18B20单总线可编程 温度传感器，来实现对温度的采集和转换，直接输出

14、数字量，可以直接和单片机进行通讯，大 大简化了电路的复杂度。DS18B20应用广泛，性能可以满足题目的设计要求。DS18B20的测温 电路如图2.2.1所示。VCCP3.0P3.0DS18B201图2.1.1统硬件模块关系图2.2.2温度控制部分由于本系统要控制加热器加热与制冷片制冷组合，功率较大，因此要借助功率电路。在 器件选择上留足余量，增加安全性。加热部分采用MOS管控制，电路简单可靠。电路如图2.2.2 所示。当实测温度低于设定值时，由单片机输出高电平信号。三极管8050导通，MOS管开始工 作对水加温。当设定温度低于实测温度时，由单片机输出低电平信号。三极管8050导通，MOS管开始

15、 工作对水降温。2.2.3键盘、显示、控制器部分图2.2.3 键盘、显示、控制器部分原理图本设计中采用128*64液晶屏进行显示。键盘采用按键开关经上拉电阻分别接P2.0、P2.2、P2.3、P2.4 口上，起到控制、上调和下调作用。每按上调和下调键，设定温度值增1 减1。原理图如图2.2.3所示。3系统软件设计系统的软件设计采用c语言，对单片机进行变成实现各项功能。3.1主程序流程3.2PID算法子程序4系统测试4.1 PID计算控制系统的控制质量与被控制对象的特性、干扰信号的形式和幅值、控制方案及控制器 的参数等因素有着密切的关系。对象的特性和干扰情况是受工艺操作和设备的特性限制的， 不可

16、能随意改变，这样，一旦控制方案确定了，对象各个通道的特性就成定局，这时控制系 统的控制质量就只取决于控制器的参数。因此，参数的整定是过程控制系统设计的核心内容。 所谓控制器的参数整定，就是通过一定的方法和步骤，确定系统处于最佳过渡过程时控制器 的比例度Kp、积分时间K和微分时间Kd的具体数值。所谓最佳过渡过程，就是在某质量 指标下，系统达到最佳调整状态，此时的控制器参数就是所谓的最佳整定参数。在简单过程控制系统中，调节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率甲=0.750.9（对 应衰减比为4： 110： 1）为主要指标，以保证系统具有一定的稳定裕量（对于大多数过程控 制系统来说，系统过渡过程的瞬

17、态响应曲线达到4：1的衰减比状态时，则为最佳的过程曲线）。 此外，在满足甲主要指标的条件下，还应尽量满足系统的稳态误差（又称静差、余差）、最 大动态偏差（超调）和过渡过程时间等其它指标。由于不同的过程控制系统对控制品质的要 求有不同的侧重点，也有用系统响应的平方误差积分（ISE）、绝对误差积分（IAE）、时间 乘以绝对误差的积分（ITAE ）分别取极小作为指标来整定调节器参数的。调节器参数整定的方法很多，概括起来可以分为两大类：一是理论计算整定法。它主要 是依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法，频率特性法等，经过理论计算确定调 节器参数的数值。二是工程整定方法，它主要依靠工程经验，直接

18、在过程控制系统的实验中 进行，且方法简单、易于掌握。由于本系统有别于工业实际系统因此对于参数整定来说，使 用工程参数整定法效果不是很好，该系统参数整定采用经验凑试法。经验凑试法是通过模拟或闭环运行观察系统的响应曲线，然后根据各调节参数对系统响 应的大致辞影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定PID调节参数。增大比例系数K，一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过 p大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间K，有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随 之减慢。增大微分时间Kd，亦有利于加快系统响应，使用权超调减小，稳

19、定性增加，但系统对 扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。在凑试时，可参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行下述比例、后积分、再 微分的整定步骤：整定比例部分将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。 如果系统没有静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，那么只需用比例调节 器即可，比例系数可由此确定。加入积分环节如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。整定时首 先置积分时间气为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小（如缩小为原来的 0.8倍），然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到

20、消除。在此 过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与保持时间，以期得到满意的控制过程与 整定参数。加入微分环节若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分 环节，构成比例积分微分调节器。在整定时，可先置微分时间Kd为零。在第二步整定的基 础上，增大Kd，同时相应地改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果 和控制参数。所谓“满意”的调节效果，是随不同的对象和控制要求而异的。此外PID调节器的参数 对控制质量的影响不十分敏感，因而在整定中参数的先定并不是唯一的。事实上，在比例、 积分、微分三部分产生的控制作用中，某部分的减小往往可由其它部分的增大

21、来补偿。因此， 用不同的整定参数完全有可能得到同样的控制效果。从应用的角度看，中要被控过程主要指 标已达到设计要求，那么即可选定相应的调节器参为有效的控制参数。表6给出了一些常见 -11 -被调量的调节器参数选择范围。表6常见被调量的调节器参数选择范围被调量特点KKi/minKd/min流量对象时间常数小，并有噪声，故K较短，不用微1 2.50.11温度对象为多容系统，有较大滞后，常用微分1.653100.5 3压力对象为容量系统，滞后一般不大，不用微分1.4 3.50.43液位在允许有静差时，不必用积分，不用微分1.25 54.2 PID参数的确定数字PID计算由于单片机控制是一种采样控制，

22、它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式（1） 中的积分和微分项不能直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近。在采样时刻t=iT（T为采 样周期）。式（1）所示的PID调节规律可通过数值公式（2）近似计算。（2）（3）u = K e + Z e + (e - e ) + u（2）（3）i P i T j T i iT o由式（2）可以得到:u = K e + 一 e + (e - e ) + ui-1P i-1 T j T iTi 2o由(2)-(3)可得增量式算法公式：=K (e 一 e ) + e + (e 一 2 e + e ) p ii-1T i T ii-1i -2=K e + I

23、e + D 2 e =K e + K e + K 2 e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，有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

24、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

25、，以下几个结论是有用的：1） 比例Kp时PID调节其中最关键的调节作用，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Ti作用主要是起到消除静差的作用，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，在增大Ki.3）微分Td是具有加速过程的有力调节作用，要加速过渡过程时，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=0.4.3静态温度测试测

26、量仪器：水银温度计测试结果如表4.1.1所示：标准温度/c2022252728测量温度/c19.822.124.826.827.9误差/c动态温控测量测量仪器：水银温度计 测量结果如表4.2.1所示:表4.2.1测试结果数据设定温度/c29303335超调温度/c0.3稳态误差/c0.44.5结果分析有以上的测量结果可见，系统达到了所要求的指标，静态测温的精度主要由DS18B20 来决定。在控温指标中，影响系统的性能的因素很多。最关键的是加热系统本身的物理性质 及控制算法。5心得感谢黑龙江电子设计竞赛组委会的各位领导老师给

27、我们这次比赛的机会，感谢我们的母 校黑龙江科技学院的无私培养，更要感谢我们的指导老师在比赛期间对我们的悉心指导，使 我们能顺利完成竞赛。通过此次竞赛我们对所学专业有了更加深刻的认识，队伍中的每一个人都有了长足的成 长，比赛期间我们从最开始的茫然，到之后慢慢构思设想，实验总结，按照各自特长组织分 工，到最后完成作品。虽然中间磕磕碰碰，但经过我们的思考与努力，还是按时完成了作品。 因此要感谢这些困难，在解决问题的过程中我们学到了更多。竞赛之前的我们一直死磕书本 有时会很枯燥，觉得学习是种负担。通过竞赛我们都对专业产生了兴趣，看到自己编写的程 序、焊接的电路成为作品，实现各种功能，打心底里高兴。虽然

28、作品还有许多不足，但我们 相信这些会不足成为我们今后学习的动力，不断鞭策我们更加努力的完善自我。不管这次竞赛的结果如何，我们都已收获了太多。她为我们在今后的学习生活打下了坚 实的基础，使我们能自信的走向工作岗位。附录1:系统硬件原理图附录2:软件程序清单主程序代码#include#include#include#include#includeshuiwenkongzhixitong_12864.h#includeshuiwenkongzhixitong_ds18b20.h#includeshuiwenkongzhixitong_x25045.h#includeshuiwenkongzhixit

29、ong_key.hsfr WDT_CONTR=0 xe1;/设置看门狗寄存器sbit output=P3A5; /PWM 输出sbit output2=P1A6; /PWM2 输出(制冷)struct PID unsigned int SetPoint; / 设定目标 Desired Value unsigned int Proportion; / 比例常数 Proportional Const unsigned int Integral; / 积分常数 Integral Const unsigned int Derivative; / 微分常数 Derivative Const unsign

30、ed int LastError; / Error-1unsigned int PrevError; / Error-2unsigned int SumError; / Sums of Errors;struct PID spid; / PID Control Structure unsigned int rout; / PID Response (Output)unsigned int rin; / PID Feedback (Input)unsigned int s;unsigned char high_time,low_time,count=0;/占 空比调节参数void watch_d

31、og();/看门狗void init();/初 始化函数void delay(uint);/若干 微秒延时函数void delay1(uint);/若干 毫秒延时函数void display_18b20();/温 度刷新函数void compare_temper();/温度比较处理子程序void PIDInit (struct PID *pp);/Initialize PID Structureunsigned int PIDCalc( struct PID *pp, unsigned int NextPoint );/PID 计算部分/*T0中断服务子程序，用于控制电平的翻转(PWM占空比调

32、制),40us*100=4ms周期*/ void timer0() interrupt 1 using 1 if(+count)=(high_time)output=1;else if (count=100)output=0;elsecount=0;TH0=0 x2f;TL0=0 xe0;/*count+;if(count=high_time)output=0; if(count=100) count=0; */*主函数*/*主函数*/void main()watch_dog();/R 畏狗 init();while(1)keyevent();/键盘检测compare_temper();/温度

33、比较处理子程序 void init()*看门狗*/*看门狗*/void watch_dog()void watch_dog()WDT_CONTR=0 x35;/*函数初始化*/*函数初始化*/中断初始化TMOD=0 x01;TH0=0 x2f;TL0=0 xe0;EA=1;ET0=1;TR0=1;/初始化占空比为50% high_time=50;low_time=50;/PID初始化PIDInit ( &spid ); / Initialize Structure spid.Proportion=30; / Set PID Coefficients spid.Integral=5;spid.D

34、erivative=0;spid.SetPoint =100; / Set PID Setpointinit_lcd();init_key();/*=Initialize PID Structure =*/void PIDInit (struct PID *pp)memset( pp,0,sizeof(struct PID);/*=PID计算部分 =*/unsigned int PIDCalc( struct PID *pp, unsigned int NextPoint )unsigned int dError,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/t 匕啊。+ pp-Integral * pp-SumError /积分项+ pp-Derivative * dError); / 微分项watch_dog();/R