水溫控制系統(tǒng)

摘要

現(xiàn)如今，人們的生活越來(lái)越強(qiáng)調(diào)智能化以及低碳化，無(wú)論是智能化還是低碳化，生活在人們都希望自己的電器越來(lái)越智能，即能按照人們的意愿，低功耗的實(shí)現(xiàn)功能。水溫控制作為人們生活以及工業(yè)的重要組成部分，能否實(shí)現(xiàn)智能化以及低功耗化十分重要。水溫控制系統(tǒng)以STC89C51作為核心的溫度控制系統(tǒng)，將DS18B20作為溫度感應(yīng)器，可直接反饋數(shù)字量的溫度信息并可以調(diào)節(jié)精度；以繼電器以及螺旋加熱管作為加熱模塊；以發(fā)光二級(jí)管以及蜂鳴器作為聲光告警裝置；以數(shù)碼管作為溫度顯示模塊。程序上利用PID調(diào)節(jié)算法，多次調(diào)節(jié)其中參數(shù)，使得溫度控制更加精確。該系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單、成本低、質(zhì)量安全可靠的特點(diǎn)。相信無(wú)論是在生活還是生產(chǎn)中都會(huì)有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 智能化 溫度控制 STC89C51 DS18B20 PID調(diào)節(jié)算法

一．任務(wù)以及要求

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能。

1.基本內(nèi)容如下：

（1）溫度設(shè)定范圍為：40～90℃，最小區(qū)分度為1℃，標(biāo)定溫度≤1℃。

（2）環(huán)境溫度降低時(shí)溫度控制的靜態(tài)誤差≤1℃。

（3）用10進(jìn)制數(shù)碼管顯示水的實(shí)際溫度。

2.發(fā)揮要求：

（1）溫度控制范圍擴(kuò)大，最小區(qū)分度減小。

（2）溫度控制的靜態(tài)誤差≤0.2℃。

（3）特色與創(chuàng)新。

二．方案設(shè)計(jì)及其論證

水溫的控制，必須先精確地獲取溫度，所以溫度傳感器的選擇就非常重要。通常，溫度所測(cè)量的是模擬量，模擬量的轉(zhuǎn)換涉及到A/D的轉(zhuǎn)換。溫度傳感器把溫度傳送給處理器核心，處理器核心經(jīng)過(guò)分析，判斷是否滿足處理的條件，進(jìn)行相關(guān)的處理�？蓪�(shí)現(xiàn)的動(dòng)作包括以下幾項(xiàng)：達(dá)到設(shè)定溫度，進(jìn)行聲光報(bào)警；溫度低，進(jìn)行加熱處理。其中溫度的設(shè)定就要利用到鍵盤(pán)。聲光報(bào)警就需要用到發(fā)光二級(jí)管以及蜂鳴器。經(jīng)以上分析，可以將溫度控制系統(tǒng)分為以下幾個(gè)模塊：

1.溫度傳感器

溫度傳感器應(yīng)具有精度足夠高、處理速度足夠快、體積小等特點(diǎn)。采用DS18B20溫度傳感器。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出遠(yuǎn)端引入。此器件具有體積小、質(zhì)量輕、線形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。更重要的是采用該溫度傳感器后不用采用A/D轉(zhuǎn)換。節(jié)省了大量的工作量。

2.鍵盤(pán)顯示

按鍵主要涉及到溫度的調(diào)節(jié)以及模式的轉(zhuǎn)換。顯示部分主要涉及到水溫的實(shí)時(shí)顯示，以及功能模式的顯示。按任務(wù)功能需求采用獨(dú)立鍵盤(pán)，并且利用MCU對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描。這種方案既能很好的控制鍵盤(pán)及顯示，又為MCU大大的減少了程序的復(fù)雜性，而且具有體積小，簡(jiǎn)單易做的特點(diǎn)。顯示部分按照任務(wù)要求采用4位數(shù)碼管設(shè)計(jì)，來(lái)顯示水溫以及工作模式等。也具有簡(jiǎn)單、可靠的特點(diǎn)。

3.CPU核心

CPU主要控制水溫以及其他模塊的協(xié)調(diào)工作。是該水溫控制系統(tǒng)的核心。根據(jù)對(duì)方案的分析，采用簡(jiǎn)單易用的STC89C52單片機(jī)，其內(nèi)部有4KB單元的程序存儲(chǔ)器，不需外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，而且它的I/O口也足夠本次設(shè)計(jì)的要求。具有簡(jiǎn)單方便、成本低以及可靠的特點(diǎn)。

經(jīng)以上分析，只要合理設(shè)計(jì)電路以及正確編寫(xiě)程序，以上幾個(gè)模塊在MCU以及程序的調(diào)節(jié)下能協(xié)調(diào)工作，共同完成水溫的控制，從而達(dá)到任務(wù)要求。

三．理論分析與計(jì)算

各個(gè)模塊要在MCU的調(diào)節(jié)下合理有序的工作，那么系統(tǒng)必須采用合理高效的控制系統(tǒng)。這就要涉及到過(guò)程控制，過(guò)程控制指對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制。過(guò)程控制可分為：模擬控制系統(tǒng)、微機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)以及數(shù)字控制系統(tǒng)DDC。模擬控制系統(tǒng)中被控量的值由傳感器或變送器來(lái)檢測(cè)，這個(gè)值與給定值進(jìn)行比較，得到偏差，模擬調(diào)節(jié)器依一定控制規(guī)律使操作變量變化，以使偏差趨近于零，其輸出通過(guò)執(zhí)行器作用于過(guò)程。微機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)以微型計(jì)算機(jī)作為控制器�？刂埔�(guī)律的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)軟件來(lái)完成的。改變控制規(guī)律，只要改變相應(yīng)的程序即可。

現(xiàn)如今在生產(chǎn)以及實(shí)踐中運(yùn)用最多的是DDC(DirectDigitalCongtrol)系統(tǒng)：

圖3-1DDC系統(tǒng)構(gòu)成框圖

DDC(DirectDigitalCongtrol)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)用于過(guò)程控制的最典型的一種系統(tǒng)。微型計(jì)算機(jī)通過(guò)過(guò)程輸入通道對(duì)一個(gè)或多個(gè)物理量進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)確定的控制規(guī)律(算法)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)輸出通道直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使各被控量達(dá)到預(yù)定的要求。由于計(jì)算機(jī)的決策直接作用于過(guò)程，故稱為直接數(shù)字控制。

其中控制規(guī)律即為PID調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)中為軟件實(shí)現(xiàn)。涉及到的理論計(jì)算如下：

1.模擬PID控制規(guī)律的離散化

表一.模擬PID控制規(guī)律的數(shù)字化公式

模擬形式

離散化形式

2.數(shù)字PID控制器的差分方程

式中 為比例項(xiàng)

為積分項(xiàng)

為微分項(xiàng)

四．系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.工作模式

本著智能化以及按照題目要求，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)有以下兩個(gè)個(gè)工作模式：A.測(cè)定水溫以及顯示水溫；B.設(shè)定水溫并保溫；其中A為默認(rèn)工作狀態(tài)，即開(kāi)機(jī)工作狀態(tài)，工作內(nèi)容為實(shí)時(shí)測(cè)量水溫并在數(shù)碼管上顯示。B為設(shè)定溫度并保溫。由用戶設(shè)定一定的溫度，系統(tǒng)自動(dòng)工作，加熱到設(shè)定溫度后聲光報(bào)警，聲光報(bào)警裝置可獨(dú)立開(kāi)關(guān)，如果不切斷電源或切換模式，系統(tǒng)將自動(dòng)竟然保溫模式。其中溫度的設(shè)定有鍵盤(pán)控制。不管在那種工作模式，一旦復(fù)位鍵按下，將回到默認(rèn)工作模式。在B工作模式下并且顯示實(shí)際水溫時(shí)，按下加鍵可以顯示用戶設(shè)定溫度。根據(jù)以上的分析總結(jié)如下：

2.電路設(shè)計(jì)

根據(jù)以上的分析，可以將整個(gè)系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)，測(cè)溫電路，功率電路，交流過(guò)零檢測(cè)電路，顯示電路，系統(tǒng)框圖如下：

（1）89C52最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)采用將C52MCU以及獨(dú)立鍵盤(pán)、數(shù)碼管集成在一塊板上的工作方式。其中P0口接數(shù)碼管。其他包括復(fù)位電路、獨(dú)立鍵盤(pán)、晶振電路。其電路如下圖5-1所示：

圖5-1最小系統(tǒng)

（2）18B20測(cè)溫電路

測(cè)溫電路是使用DS18b20數(shù)字式溫度傳感器，它無(wú)需其他的外加電路，直接輸出數(shù)字量，可直接與單片機(jī)通信，讀取測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，電路十分簡(jiǎn)單。它能夠達(dá)到0.5℃的固有分辨率，使用讀取溫度的暫存寄存器的方法還能達(dá)到0.2℃以上的精度。DS18B20溫度傳感器只有三根外引線：?jiǎn)尉�數(shù)據(jù)傳輸總線端口DQ，外供電源線VDD，共用地線GND。外部供電方式(VDD接+5V，且數(shù)據(jù)傳輸總線接4.7k的上拉電阻，其接口電路如圖5-2所示：

圖5-2控制電路

（3）功率電路

功率電路主要是繼電器模塊，包括三極管以及電阻組成控制部分，與MCU進(jìn)行通信。PNP管的導(dǎo)通控制著繼電器的常閉觸點(diǎn)的接通與否。繼電器常閉觸點(diǎn)連接著外部加熱電路。其中繼電器的電感部分連接著二極管，起著引流保護(hù)PNP管的作用。其電路如下圖6-1：

圖6-1功率電路

（4）聲光報(bào)警電路

聲光報(bào)警電路采用蜂鳴器以及二極管串聯(lián)的形式，通過(guò)PNP三極管控制電路通斷。利用P3.7來(lái)與MCU通信。如下圖6-2：

圖6-2聲光報(bào)警電路

（5）紅外接收裝置

該部分為創(chuàng)新部分，采用紅外接收裝置來(lái)接受紅外遙控器的信號(hào)，這樣就可以通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行信息的傳遞。通過(guò)遙控器可以設(shè)定溫度，切換工作模式等。工作原理為紅外遙控器產(chǎn)生紅外信號(hào)，紅外接收頭接收到紅外信號(hào)后，其內(nèi)部電路把信號(hào)送到放大器和限幅器，限幅器把脈沖幅度控制在一定的水平，而不論紅外發(fā)射器和接收器的距離遠(yuǎn)近。交流信號(hào)進(jìn)入帶通濾波器，帶通濾波器可以通過(guò)30khz到60khz的負(fù)載波，通過(guò)解調(diào)電路和積分電路進(jìn)入比較器，比較器輸出高低電平，還原出發(fā)射端的信號(hào)波形。最終將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)組CU，MCU做出相應(yīng)的反應(yīng)。其電路如下圖7-1：

圖7-1紅外接收裝置

五．軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明

（1）總流程

本系統(tǒng)是采用查詢方式來(lái)顯示和控制溫度的。其中加入了紅外以及鍵盤(pán)等的其他控制器件語(yǔ)句。總流程圖如下圖7-2：

圖7-2總流程圖

（2）工作時(shí)序

工作時(shí)序由初始化模塊、測(cè)溫、顯示等模塊組成。具體工作時(shí)序如下圖8-1：

圖8-1工作時(shí)序

（3）主要程序

1.主函數(shù)如下：

#include

#include

unsignedcharchoice;

unsignedcharkey_dom.hmlawpc.com]，北京：電子工業(yè)出版社，2009

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