继电器温度控制器设计

摘要在工农业生产和日常生活中，对温度的检测和控制有着非常重要的意义和实际应用。而计算机控制系统的应用发展，使得科学研究、工农业生产、工艺时间的效率大大的提高量、温度设定功能并能根据设定值对环境温度进行调节实现控温的目的，控制算法基于数字PID算实验结果表明，本系统能较好地控制水温，满足我们的要求。Abstract计算机控制技术课程设计论文第1页共18页 设备和芯片 12总体设计及方案论证： 1 3硬件设计 3 3.3键盘、显示电路 4行控制电路 5 4软件设计与实现 7软件流程图 7 6PID参数整定 127测试数据及结果分析 138结论 13 1计算机控制技术课程设计论文第1页共18页随着人们生活水平的提高，对生活环境的要求也越来越高，家用电器越来越趋向于自动控制控于智能控制，针对目前家庭的实际需要，自动水温控制系统比较方便实用，本文就通过51系列单片机来实现一种自动控制水温控制系统的设计。该系统能实时反映当前温度信息，通过液晶屏直观的显示给用户，用户可通过键盘自行设定温度，系统通过PID调节能使温度保持在预设定值。1课程设计概述1.1课程设计题目1.2设计要求：①用热敏元件设计测温电路；功率元件继电器进行交流电的功率调整；③通过键盘进行温度设置；④实际温度可以实时显示。1.3主要设备和芯片数字示波器普通万用表2总体设计及方案论证：2.1总体设计框图对题目进行深入的分析和思考，可将整个系统分为以下几个部分：测温电路、控制电路、功率2计算机控制技术课程设计论文第2页共18页测温电路控制电路功率电路加热装置水系统框图2.2方案论证方案一：采用运放等模拟电路搭建一个控制器，用模拟方式实现PID控制，对于纯粹的水温控制，这是足够的。但是附加显示、温度设定等功能，还要附加许多电路，稍显麻烦。同样，使用逻辑电路也可实现控制功能，但总体的电路设计和制作比较烦琐。可以很容易地实现控制和显示、键盘等功能，是一种可选的方案。但与单片机相比，价格较高，显方案三：采用单片机最小系统同时完成控制、显示、键盘等功能，电路设计和制作比较简单，成本也低，是一种非常好的方案。综上所述本设计采用方案三作为控制电路。方案一：采用热敏电阻作为测温元件。热敏电阻精度高，需要配合电桥使用，要实现精度测量方案二：半导体温度传感器作为测温元件，半导体温度传感器应用也很广泛，它的精度、可靠性都不错，价格也适中，使用比较简单，是一个较好的选择。综上所述本设计采用方案二作为测温电路。u计算机控制技术课程设计论文第计算机控制技术课程设计论文第3页共18页种控制方法能够较精确的实现设计要求，但是考虑到单片机的存储量，和实时性，不采取这种尚未法。方案二：采用经典PID控制算法和根据实验数据分区间控制的算法，对于温度系统来说，被控对象没有精确的数学模型。热得快加热使得水温具有有热惯性，而且检测的实时数据是检测点附近的实时温度并不能完全体现1升水的实际温度，所以经典PID控制算法不能满足设计要求，还必须根据实验数据进行调整。这种控制算法基本能够满足设计要求，且通用性较强。本设计采用方案二作为控制算法。3硬件设计AT9S51为核心部件，在51最小系统外围添加了温度检测、键盘输入、液晶显示部分以及继电器构成的执行部件。3.1最小系统部分128bytes的随机存取数据存储器(RAM)，32个外部双向输入/输出(I/O)口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗(WDT)电路，片内时钟振荡器。P计算机控制技术课程设计论文第计算机控制技术课程设计论文第4页共18页3.2温度采集电路DS18B20为单线数字温度传感器，支持“一线总线”接口，大大提高了系统的抗干扰性，应用电路采用温度传感器DS18B20，可直接输出数字量，单线器件和单片机的接口只需一根信号线，所以本设计的硬件电路十分简单，容易实现。能达到0.5ºC的固有分辨率，使用读取温度暂存寄存3.3键盘、显示电路ID或取消设置。件编程，可以实现比较美观和丰富的显示界面。模块连接电路图如图4所示。计论文第5页共18页计论文3.4继电器执行控制电路通过给I/O端口高低电位来控制继电器的通断，继而控制热得快加热的占空比(平均功率)，以达到控制水温的目的。电路设计如下PN5计算机控制技术课程设计论文计算机控制技术课程设计论文第6页共18页在电感，这时NPN已经截止，所以会在线圈的两端产生较高的感应电压。此电压的极性为上负下正，正端接在NPN的集电极上，当感应电压与Vcc之和大于NPN三极管的集电极反向电压时，NPN可能损坏，加入二极管，继电器线圈产生的感应随着计算机技术的快速发展和广泛应用，上位机和下位机的主从工作方式为工业控制以及自动统所采用。RS据和控制任务，同时也将数据传送给PC机，由PC机对这些数据经行处理或显示。条引线：TXD发送数据、RXD接收数据、GND信号地。因此在通信距离较短时可采用零MODEM串行通信，需要电平转换芯片，这里采用MAX232芯片进行转换。该部分电路作为拓展应用，电路如图6所示。综上所述，本着简单、实用的原则，最后选用了一个比较典型的硬件方案：测温电本路选用7计算机控制技术课程设计论文第7页共18页4软件设计与实现4.1软件流程图对范围、温度值的设定，执行、显示实时温度。控制算法流程计算机控制技术课程设计论文第计算机控制技术课程设计论文第8页共18页计算机控制技术课程设计论文第计算机控制技术课程设计论文第9页共18页PID计算机控制技术课程设计论文第10页共18页开始启动开始用程序默认1倍PID控制量能否一次性达到设定值？YNY进入控温量自校正环节温度低于恒温值？Y启动10倍PID控制量加热温度上升？Y保存好此温度上升点和控制量作为以后上升控制量N温度下降？Y启动10倍PID控制量加热Y温度上升？Y达到设定值？Y进入控温量自校正环节NN启动1倍PID控制量加热启动1倍PID控制量加热N达到设定值？Y温度下降？保存好此温度下降温度值比上次温度上升点低？Y比上次温度上升点低？把此温度上升点和控制量作为以后上升控制量N是否高于设定值0.2度？Y在原上升点控制量减去超调部分量值保存此值至校正控制量单元等待温度下降到恒温值再次上升量自校正子程序K=KDK=KD4.2控制算法PID实现必须用数值毕竟的方法，当采样周期相当短时，用求和代替积分，用后向差分代替微分，使模pIDPTK=K为积分系数；IpTITIPT本设计中，控制参量为热得快的加热时间5系统调试首先对硬件初步检查：检查原理图与PCB图是否一致；原理图与器件的引脚是否一致；用万用表检查是否有虚焊，引脚短路现象。确定无误再进行各模块调试，软件的调试和硬件调试配合进行。5.1最小系统部分调试给整个系统上电，指示灯LED点亮，说明整个系统供电正常；用万用表测量AT89S51的各个供电管脚也正常，能正常复位。再给单片机写入各个模块的调试程序，调试程序包括按键处理、液晶显示部分。5.2串口与上位机通信部分调试通过串口给单片机下载简单的检测程序，若能下载，则表示通信部分正常工作。5.3继电器部分调试首先进行初步检测：系统上电后，用杜邦线将继电器输入端口接入5V高电平，再断开，再接入5V高电平，如此往复，听到继电器发出滴答声。电路基本正常。NPN分可以正常工作。5.4测温部分调试调入18B20测温及显示程序，观看液晶显示部分能否实时显示正确温度，一般就直接测室温的温度，看其是否准确即可。后来把包好的18B20放到水中测温的时候，由于包得不够好，导致几个都无法测正确的温度。所以测温传感器放到水中前务必包好。6PID参数整定①比例系数太大，致使在为达到设定温度前加温比例过高；②微分系数过小，致使对对象反应不敏感；①比例系数过小，加温比例不够②积分系数过小，对恒温偏差补偿不足；3、基本上能够在控制目标上，但上下偏差偏大，经常波动；①微分系数过小，对即时变化反应不够快，反映措施不力；②积分系数过大，使微分反应被淹没钝化；③设定的基本定时周期过短，加热没有来得及传到测温点；4、受工作环境影响较大，在稍有变化时就会引起温度的波动：①微分系数过小，对即时变化反应不够快，不能及时反映；②设定的基本时周期过长，不能及时得到修到；PID则是要小得多，所以数字调节器的参数整定，完全可以按照模拟调节器的各种参数整定方法进行分析和综合。但是，数由香农采样定理可知，当采样频率的上限为Fs>2Fmax时，系统可真实地恢复到原来的连续信号。从理论上讲，采样频率越高，失真越小，但是从控制器本身而言，大都是依靠偏差信号E(k)对于本次的温度控制系统的设计来说，影响其重要的因素就是滞后了。到图书馆查书得知：采的快的距离不一样，滞后的时间也不一样。所以我们设计了可以设定采样周期的程序，这样随时都可以调节其采样周期的长短，以达到比较好的控制效果。在温度控制中，我们不仅要看它的超调量，还要看它掉下来的时候的那个波。为了能够使散热快点，所以我们设定的温度都比较高。这样调参数的时候可以省不少的时间，控制的效果也比较明放在热得快的附近，传导热量也是比较快的。如果控制效果不好的话，我们可以修改采样周期，再7测试数据及结果分析量结果：如下表所示。设设定温度(ºC)超调温度(ºC)0.5无变化范围(ºC)39.8~40.559.3~61.069.0~70.889.0~89.5DS18B20的精度比较高，这里采取了读取温度寄存器办法，测温精度能够达到0.2ºC，可以达到比在控温指标中，影响系统性能的因素非常多。最关键的是加热系统本身的物理性质及控制算法。由于传感器必须加上防水设施，因此温度传感器难免会有迟滞，热得快本身的延迟，水对流传热等因素也会造成测温的延时，这些都会直接影响系统的控制性能。控制算法方面，需反复试验比较，出较好的PID系数。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。整个系统综合有如下几个1、通过DS18B20集成温度传感器减少了A/D转换电路，简化了电路结构。8结论通过这次的程设计，使我对计算机控制有了更深刻理解，对实际经验的不足导致在设计过程中出现了不少的问题。调试过程中得到了老师的耐心指导，在此表示衷心感谢。同时，也感受到了团队协作的重要性!谢辞在这次计算机控制课设的设计的过程中，得到了指导老师与同学的很多帮助。非常感谢我的老师耐心地给我分析不懂的问题，给我提出的宝贵的意见。也感谢给予我帮助，并协助我调试系统的同学们。没有你们，这个继电器水温控制系统不会这么顺利地实现。最后，谨向百忙之中抽出宝贵时间审阅论文的老师表示由衷的谢意!参考文献录//微分常数DerivativeConst//上次偏差//本次偏差//偏差和//偏差差，微分/***************************************!!!!!!!!!!!标准PID算法!!!!!!!!!!!!!!***************************************/{oldtnowt//保存上次温度值i//比例项//积分项//微分项}/***************************************!!!!!!!!!!!!变速积分PID算法!!!!!!!!!!!!!***************************************/{oldtnowt//保存上次温度值----对应pid_i随偏差的减小而增大------////比例项//积分项//微分项}/***************************************!!!!!!!!!!!开关控制+PID算法!!!!!!!!!!!!!***************************************/{if(now_e<=30)//偏差<=3度时才采用PID算法{//积分项求和//微分项求差//保存上次温度值//保存上次偏差值//比例项//积分项//微分项}}/***************************************T0中断服务子程序，用于控制热得快加热的***************************************/{{}}/*******************