水温控制系统[运用学习].doc

设计报告1.设计原理 水温控制系统以单片机作为控制核心，采用开关控制和控制算法相结合，通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，实现对水的全量程（）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首先写命令给开始转换数据，将转换后的温度数据送入进行处理，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，可短时间内反复启动，但其制冷速率不高，所以设计中配套散热风扇以达到快速降温的目的。温度控制算法实际温度控制系统，常采用开关控制或数字控制方式。开关控制的特点是可以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控制算法组成复式数字控制方法，集各种控制策略的优点，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。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，如此反复，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。所以，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,通过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调节规律可通过下式近似计算。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，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，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，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=0.3.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912位数字量读出，可以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，性能可以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（DB0DB7）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2C，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2C，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，可以用求和代替积分，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(tableshi);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(tablege);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(tablexs);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(tableshi);write_com(0x94);break;case 2:ge-;if(ge=-1)ge=9;b=ge; write_com(0x95); write_date(tablege);write_com(0x95);break;case 3:xs-;if(xs=-1)xs=9;c=xs; write_com(0x96);write_date(.);write_date(tablexs);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 480usDS18B20 = 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可以精确到0.0625度，所以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，并且温差在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); elsehigh_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); elsehigh_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 (dateListLength>=0x20) /若到达字串尾则退出if (X <= 0x0F) /X坐标应小于0xF write_date(dateListLength); ListLength+; X+; delay1(2);/*/35技术l类别