水温控制系统范文.docx

水温控制系统

38
2020年4月19日
文档仅供参考
设计报告
1.设计原理
水温控制系统以ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机作为控制核心，采用开关控制和ＰＩＤ控制算法相结合，经过控制单位时间内加热时间所占的比例（即控制波形占空比）来控制水的加热速度，实现对１Ｌ水的全量程（１０℃――７０℃）内的升温、降温功能的自动控制。根据设计要求系统可划分为控制模块、温度测量模块、水温调节模块、键盘输入模块、显示电路模块等。系统原理图如图所示

ＳＴＣ８９Ｃ５２首先写命令给ＤＳ１８Ｂ２０开始转换数据，将转换后的温度数据送入８９Ｃ５２进行处理，处理后在液晶屏上实时显示。并将实际测量温度值与键盘设定值进行比较，根据比较结果进行温度调节，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，最终达到温度的稳定控制。其中，加热采用内置（水中）电加热器实现，热量直接与水传递，加热效果好，控温方便；降温采用半导体制冷片实现。其体积小，安装简单，易于控制，价格便宜，可短时间内重复启动，但其制冷速率不高，因此设计中配套散热风扇以达到快速降温的目的。
２．温度控制算法
实际温度控制系统，常采用开关控制或数字ＰＩＤ控制方式。开关控制的特点是能够使系统以最快的素的向平衡点靠近，但在实际应用却很容易造成系统在平衡点附近震荡，精度不高；而数字ＰＩＤ控制具有稳态误差小特点，实用性广泛的特点，但误差较大时，系统容易出现积分饱和，从而份致系统出现很大的超调量，甚至出现失控现象。因此，本设计将开关控制，放积分饱和、防参数突变积分饱和等方法溶入ＰＩＤ控制算法组成复式数字ＰＩＤ控制方法，集各种控制策略的优点，既改进了常规控制的动态过程又保持了常规控制的稳态特性。
2.1控制算法的确定
温度控制过程为:当水温温差大时，采用开关控制方式迅速减小温差，以缩短调节时间；当温差小于某一值后采用PID控制方式，以使系统快速稳定并保持系统无静态误差。在这种控制方法中， PID控制在较小温差时开始进入，这样可有效避免数字积分器的饱和。PID参数和被控制对象关系密切，要精确得到被控对象模型比较困难，为此，采用离线模糊整定的方法来确定PID参数，即给出一组PID参数的初值，测得相应的数据，按使这个量减小的方向调节PID参数，用整定后的参数控制该系统，并根据输出的调节时间、超调量及稳态误差，调节PID参数，如此重复，求得一组使系统性能最优的PID参数。复合PID控制系统方框图如图所示。

2.2PID控制算法
根据设计要求，系统对1L净水进行加热或降温处理，根据水的对象特性，会出现惯性温度误差问题，原因如下：
温度控制器采用发热丝对水进行加热。发热丝通电加热时，内部温度很高。当容器内水温升高至设定温度时，温度控制器发出信号停止加热。但这时发热丝的温度会高于设定温度，发热丝还将继续对对水进行加热，导致水的温度还会继续上升几度，然后才开始下降。当水温下降到设定温度的下限时，温度控制器又发出加热信号，开始加热，但发热丝要把温度传递到被加热器件需要一定的时间，导致水温会继续下降几度。因此，为了对水温实现精确控制，使温度测量误差在±0.5 ℃内，必须采用PID模糊控制算法,经过Pvar、Ivar、Dvar（比例、积分、微分）三方面的结合形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。
利用数值逼近方法，在采样时刻t=iT(T为采样周期，i为正整数)时，PID调节规律可经过下式近似计算。
则增量式PID算法的输出量为：

式中，ei、ei-1、ei-2分别为第n次、n-1次和n-2次的偏差值，Kp、Ti、Td分别为比例系数、积分系数和微分系数，T为采样周期。
单片机每隔固定时间 T将现场温度与用户设定目标温度的差值带入增量式PID算法公式，由公式输出量决定PWM方波的占空比，后续加热电路根据此PWM方波的占空比决定加热功率。现场温度与目标温度的偏差大则占空比大，加热电路加热功率增大，使温度的实测值与设定值的偏差迅速减少；反之，二者的偏差小则占空比减小，加热电路加热功率减少，直至目标值与实测值相等，达到自动控制的目的。
2.3PID参数的确定
PID参数的选择是设计成败的关键，它决定了温度控制的准确度。由于温度系统是一个具有较大滞后性的系统，因此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，由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，它经过模拟或闭环运行，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重复凑试，直到调节质量满意为止。凑试程序一般是先比例后积分，最后加入微分。凑试法整定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。重复改变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。逐步重复的试凑，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，以下几个结论比较实用：
1）比例系数Kp是PID调节中最关键的一个参数，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）积分时间常数Ti主要起消除静差的作用，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，再增大Ki。
3）微分时间常数Td是加速过程的有力调节，在加速过渡过程，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，经过重复的试验做后得到最终的P,I,D的参数为Kp=30,Ki=5,Kd=0.
3.硬件电路设计
水温控制系统的硬件电路主要包括：主控电路、温度采集电路、温控电路和显示电路等，下面依次对各部分进行设计。
3.1主控电路
主控电路采用STC89C52单片机作为系统控制器，结合数字PID算法完成对温度测量信号的接收、处理，控制加热器和制冷片，使水温控制达到设计要求。主控电路包括STC89C52最小系统和键盘电路两部分，STC89C52最小系统在上一章中已介绍，这里不再赘述。本设计键盘采用RF-X1开发板上的6个独立按键中的4个，各按键经上拉电阻分别接到单片机的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5口上，起到确认、选择、上调和下调的作用，每按上调或下调键一次，设定温度值加1或减1。电路图如图所示。

3.2温度采集电路
本系统采用DS18B20单总线可编程温度传感器来实现温度的采集和转换，温度以9～12位数字量读出，能够直接与单片机进行连接，无需外部器件和电源，大大简化了电路的复杂度。DS18B20应用广泛，测温范围为-55～+125oC，温度数字量转换快，性能能够满足题目的设计要求。DS18B20的测温电路如图所示。

3.3温度控制电路
温度控制电路采用加热器和制冷片对1L水实现加热和降温，具体电路如图12-5所示。当实测温度高于设定温度时，单片机P0.2脚输出低电平，光耦管导通输出高电平，进入LM393管脚比较整形，滤除高次谐波，输出高电平，进入Q3和Q4组成的推挽电路，Q3导通Q4截止，输出低电平，晶闸管导通，驱动制冷片降温。当实测温度低于设定温度时，P0.3脚输出低电平，驱动加热器对水温进行加热，工作原理与降温驱动相同。

3.4显示电路
显示电路采用LCD12864液晶模块显示系统的设定温度和实测温度。LCD12864液晶共有20个引脚，管脚名称及功能如表12-1所示。本系统选用单片机P1口作为数据输出端与LCD12864的数据端（DB0～DB7）相连，进行水温数据传输；P20接串并行模式方式位RS；P21接并行的读写方式位R/W；P22接并行使能端口E；P23接并/串行接口选择位PSB；P24接复位端口RST。具体电路图如图所示。

4.软件设计
系统的软件设计应用C语言，采用模块化对单片机进行编程实现各项功能。主要包括：PID控制程序、按键子程序、温度采集子程序、温度比较子程序和液晶显示程序。
4.1主程序设计
系统上电初始化后，首先进行按键扫描，若有按键按下，则读取按键值，更新设定温度。将实测温度与设定温度进行比较，若实测温度与设定温度差值大于2ºC，则对水进行全速加热或降温；若实测温度与设定温度差值小于2ºC，则调用PID子程序，对水温进行微调，达到设计要求。系统主程序流程图如图所示.

附录：
PID控制程序
PID控制就是按设定值与测量值之间偏差的比例、偏差的积累和偏差变化的趋势进行控制。它根据采样时刻的偏差值计算输出控制量的增量，调节控制信号的导通时间来控制加热电路和冷却电路的工作。当采样周期相当短时，能够用求和代替积分，用差商代替微分。
PID控制子程序如下：
/******************************PID算法**********************************/
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//比例
+ pp->Integral * pp->SumError //积分项
+ pp->Derivative * dError); // 微分项
}
/************************************************************************/
按键子程序
本系统采用四个按键，完成温度的设定。当选择键K1每按下一次，K1num加1，根据K1num值选择对温度值的百位（预留）、十位、个位进行数值调节。每按一次按键K2，对应位数值加1，每按一次按键K1，对应位数值减1，并将设定温度值写到液晶显示器的相应位置。
按键子程序如下：
/*************************按键子程序***********************************/
void sheding()
{
if(k1==0)
{
delay1(10);
if(k1==0) //按键K1按下
while(!k1);//按键K1抬起
write_com(0x0f);write_com(0x94);
k1num++;
switch(k1num)
{
case 1: write_com(0x0f);write_com(0x94);//液晶显示位置，十位
break;
case 2: write_com(0x95);//液晶显示位置，个位
break;
case 3: write_com(0x96);//液晶显示位置，小数位
break;
case 4: k1num=0;write_com(0x0c);//清零
break;
}
}
if(k1num!=0)//返回
{
//温度值加处理：
if(k2==0) //按键K2按下
{
delay1(10);
if(k2==0)
{
while(!k2);
switch(k1num)
{
case 1: shi++;if(shi==10)shi=0;a=shi;//十位加1，到10清零
write_com(0x94);write_date(table[shi]);write_com(0x94);
break;
case 2: ge++;if(ge==10)ge=0;b=ge;//个位加1，到10清零
write_com(0x95);;write_date(table[ge]);write_com(0x95);
break;
case 3: xs++;if(xs==10)xs=0;c=xs;//小数位加1，到10清零
write_com(0x96);write_date('.');write_date(table[xs]);write_com(0x96);//在液晶对应位置画点
break;
}
}
}
//温度值减处理：
if(k3==0)
{
delay1(10);
if(k3==0)
{
while(!k3);
switch(k1num)
{
case 1: shi--;if(shi==-1)shi=9;a=shi;
write_com(0x94);write_date(table[shi]);write_com(0x94);
break;
case 2: ge--;if(ge==-1)ge=9;b=ge;
write_com(0x95); write_date(table[ge]);write_com(0x95);
break;
case 3: xs--;if(xs==-1)xs=9;c=xs;
write_com(0x96);write_date('.');write_date(table[xs]);write_com(0x96);
break;
}
}
}
}
}
/***************************************************************************/
DS18B20温度采集子程序
系统采用DS18B20对1L水的温度进行采集。首先根据DS18B20的工作时序对其进行初始化，并对DS18B20内部寄存器读写操作进行定义。系统工作时，单片机读取DS18B20内部寄存器的二进制数值，将其转化为十进制的真实温度值。
DS18B20温度采集子程序如下：
/******************* DS18B20温度采集子程序************************/
void init_DS18B20()//初始化
{
uchar x=0;
DS18B20 = 1; //DQ复位
delay(8); //稍做延时
DS18B20 = 0; //单片机将DQ拉低
delay(80); //精确延时 大于 480us
DS18B20 = 1; //拉高总线
delay(14);
x=DS18B20; //稍做延时后 如果x=0则初始化成功 x=1则初始化失败
delay(20);
}
uchar read_onechar()//读一个字节
{
uchar i=0;
uchar date = 0;
for (i=8;i>0;i--)
{
DS18B20 = 0;
date>>=1; //寄存器右移
DS18B20 = 1;
if(DS18B20)
date|=0x80;
delay(4);
}
return(date);
}
void write_onechar(uchar date)//写一个字节
{
uchar i=0;

for (i=8; i>0; i--)
{
DS18B20 = 0;
DS18B20 = date&0x01;
delay(5);
DS18B20 = 1;
date>>=1;
}
}
uint read_temp()//读取温度
{ uchar a=0;
uchar b=0;
uint t=0;
float tt=0;
init_DS18B20();
write_onechar(0xcc); // 跳过读序号列号的操作
write_onechar(0x44); // 启动温度转换
init_DS18B20();
write_onechar(0xcc); //跳过读序号列号的操作
write_onechar(0xbe); //读取温度寄存器
a=read_onechar(); //连续读两个字节数据 //读低8位
b=read_onechar(); //读高8位
t=b;
t<<=8;
t=t|a; //两字节合成一个整型变量。
tt=t*0.0625; //得到真实十进制温度值，因为DS18B20能够精确到0.0625度，因此读回数据的最低位代表的是0.0625度
//temper12=tt*10;
t= tt*10+0.5; //放大10倍，这样做的目的将小数点后第一位也转换为可显示数字，同时进行一个四舍五入操作。
return(t);
}
void manage_DS18B20()
{
uint num;
num=read_temp();
shi=num/100;
delay(5);
ge=num%100/10;
delay(5);
xs=num%10;
delay(5);
temper=shi*10+ge+0.1*xs;}
/**************************************************************************/
温度比较子程序
系统将DS18B20采集到的实际测量温度值与键盘设定值进行比较，根据比较结果对水温进行调节。若设置温度大于实际温度，而且温差在2度以上，则驱动加热器对水温进行全速加热；当温差在0.8到2度之间时，则停止加热，开始降温；当温差小于0.8度时，则启用PID计算，控制温差逐渐趋近设定值，最终达到稳态。若设置温度小于实际温度，系统驱动制冷片开始全速降温。当实际温度下降到低于设定温度时，则马上开启PID计算，控制温差逐渐趋近设定值，最终达到稳态。
/************************温度比较处理子程序****************************/
void compare_temper()
{
unsigned char i;
if(set_temper>temper) //是否设置的温度大于实际温度
{
if(set_temper-temper>2) //设置的温度比实际的温度是否是大于2度
{
high_time=100; //如果是，则全速加热
low_time=0;
}
else //如果是在0.8到2度范围，则开始降温
{
if(set_temper-temper>0.8)
{
high_time=0;
low_time=100;
}
else //如果温差小于0.8度，运行PID计算
{
for(i=0;i<10;i++)
{
s=read_temp();
rin = s; // Read Input
rout = PIDCalc ( &spid,rin ); // Perform PID Interation
}
if (high_time<=100)
{
high_time=(unsigned char)(rout/1000);
}
else
{
high_time=100;
low_time= (100-high_time);
}
}
}

}
else if(set_temper<=temper) //是否设置的温度小于实际温度
{
if(set_temper-temper<0)
{
high_time=0;
low_time=100; //全速降温
}
else //实际温度大于设定温度，马上开启PID计算
{
for(i=0;i<10;i++)
{
s=read_temp();
rin = s; // Read Input
rout = PIDCalc ( &spid,rin ); // Perform PID Interation
}
if (high_time<100)
{
high_time=(unsigned char)(rout/10000);
}
else
{
high_time=0;
low_time= (100-high_time);
}
}

}
}
/*************************************************************************/
液晶显示程序
液晶显示器用于显示水温的实际温度和设定温度。首先对LCD12864进行初始化，并读取控制器当前状态，判断是否准备好（空闲）。然后向液晶模块写入指令代码，进行显示准备，将要水温以十六进制代码的形式送入液晶显示缓冲区，最后利用读显示数据指令控制液晶模块在相应位置显示水温数据。
液晶显示程序如下：
/***************************LCD12864初始化*******************************/
void init_lcd()
{
//lcd_psb=1;
write_com(0x34);//扩充指令集
delay1(2);
write_com(0x30);//基本指令集
delay1(2);
write_com(0x02);//显示归位
delay1(2);
write_com(0x01);//清屏显示
delay1(2);
write_com(0x0c);//显示状态开关
delay1(2);
write_com(0x06);//显示光标移动设置
delay1(2);
}
/**********************************写数据*********************************/
void write_date(uchar date)
{
read_busy();
lcd_rs=1;
delay(5);
lcd_rw=0;
delay(5);
lcd_date=date;
lcd_en=0;
delay(5);
lcd_en=1;
delay(5);
lcd_en=0;
delay(5);
}
/***********************************写指令*******************************/
void write_com(uchar com)
{
read_busy();
lcd_rs=0;
delay(5);
lcd_rw=0;
delay(5);
lcd_date=com;
lcd_en=0;
delay(5);
lcd_en=1;
delay(5);
lcd_en=0;
delay(5);
}
/****************************判断忙闲状态*******************************/
uchar read_busy()
{
lcd_date=0xff;
lcd_rs=0;
delay(5);
lcd_rw=1;
delay(5);
lcd_en=1;
delay(5);
while(lcd_date&busy);
lcd_en=0;
delay(5);
return(lcd_date);
}
/***********************清除液晶GDRAM中的随机数据*********************/
void clear_GDRAM()
{
uchar i,j,k;

write_com(0x34); //打开扩展指令集
i = 0x80;
for(j = 0;j < 32;j++)
{
write_com(i++);
write_com(0x80);
for(k = 0;k < 16;k++)
{
write_date(0x00);
}
}
i = 0x80;
for(j = 0;j < 32;j++)
{
write_com(i++);
write_com(0x88);
for(k = 0;k < 16;k++)
{
write_date(0x00);
}
}
write_com(0x30); //回到基本指令集
}
/******************在指定位置显示一串字符（X--列；Y--行）*******************/
void display_listchar(uchar X, uchar Y, uchar code *date)
{
uchar ListLength,X2;
ListLength = 0;
X2=X;
if(Y<1)
Y=1;
if(Y>4)
Y=4;
X &= 0x0F; //限制X不能大于16，Y在1-4之内
switch(Y)
{
case 1:X2|=0X80;break; //根据行数来选择相应地址
case 2:X2|=0X90;break;
case 3:X2|=0X88;break;
case 4:X2|=0X98;break;
}
write_com(X2); //发送地址码
while (date[ListLength]>=0x20) //若到达字串尾则退出
{
if (X <= 0x0F) //X坐标应小于0xF
{
write_date(date[ListLength]);
ListLength++;
X++;
delay1(2);
}
}
}
/***************************************************************************/