水温控制系统毕业设计.doc-资料库

xiaohao310-3093716-4744300845390935876.doc.pdf-第1页.png

第1页 / 共24页

xiaohao310-3093716-4744300845390935876.doc.pdf-第2页.png

第2页 / 共24页

xiaohao310-3093716-4744300845390935876.doc.pdf-第3页.png

第3页 / 共24页

xiaohao310-3093716-4744300845390935876.doc.pdf-第4页.png

第4页 / 共24页

xiaohao310-3093716-4744300845390935876.doc.pdf-第5页.png

第5页 / 共24页

xiaohao310-3093716-4744300845390935876.doc.pdf-第6页.png

第6页 / 共24页

xiaohao310-3093716-4744300845390935876.doc.pdf-第7页.png

第7页 / 共24页

xiaohao310-3093716-4744300845390935876.doc.pdf-第8页.png

第8页 / 共24页

水温控制系统摘要：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 10℃—70℃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 DS18B20 - 1 -

水温控制系统 1 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℃；（2）可以测量并显示水的实际温度。温度测量误差在±0.5 ℃内；（3）水温控制系统应具有全量程（10℃—70℃）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±15℃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≤±4℃，静态误差≤±1℃，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±20℃）时，控制的最大动态误差≤±2℃，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≤±0.2℃（在最小稳态时间内）；（3）在设定温度发生突变（温度变化±20℃）时，用液晶屏显示水温随时间变化的实时曲线（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 Input 测温部分键盘输入 Output 显示电路控温设备控制部分 - 2 -

水温控制系统 1.2.1 各模块方案的选择及论证（１）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。（2）加热装置根据题目要求，控制的最大动态误差≤±4℃，静态误差≤±1℃，系统达到稳态的时间 ≤15min。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 220V 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（3）制冷装置根据题目要求，水温控制系统应具有全量程（10℃—70℃）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≤±2℃，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，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 10℃—70℃，半导体制冷片基本可满足要求，固拟定方案二。（4）功率控制模块 - 3 -

水温控制系统方案一：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 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。（5）温度采集模块题目要求温度静态误差小于等于 0.2℃，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 具有较高精度和重复性，良好的非线性保证 ±0.1℃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 DS18B20。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 9～12 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 - 4 -

水温控制系统根据以上分析，结合器件和设备等因素，确定如下方案： 1. 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。 2. 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。 3. 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。 4. 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。 DS18B2 0 键显示主控加热驱动制冷驱电阻丝制冷片容器图 1.2.3 系统基本框图系统的基本框图如图 1.2.3 所示。CPU（AT 89C52）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，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。 - 5 -

水温控制系统 R e N Y 改进的 PID 控制输出控制量 C e>key 开关控制测量装置图 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。图 2.1.1 统硬件模块关系图 2.2.2 温度控制部分 - 6 -

水温控制系统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 管开始工作对水降温。 2.2.3 键盘、显示、控制器部分图 2.2.2 加热和制冷驱动电路本设计中采用 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、图 2.2.3 键盘、显示、控制器部分原理图 - 7 -

水温控制系统 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 主程序流程开始初始化从 E2PROM 中调用各参数值是否有新参数键入 N Y 读按键值并更新各参数显示当前温度值判断温控方式温度值小于下限值 N 温度值大于上限值 N 调用 PID 子程序 - 8 - 上传 PC 机 Y Y 继续加热停止加热开始制冷

资料库

水温控制系统毕业设计.doc

相关推荐

课程资源

热门标签

最新资料