大作業(yè)智能儀器設(shè)計(jì)一個(gè)水溫控制系統(tǒng)剖析

1、 設(shè)計(jì)一個(gè)水溫控制系統(tǒng) 一：設(shè)計(jì)要求 一升水由1kW的電爐加熱，要求水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán) 境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變。 二：主要性能指標(biāo) 溫度設(shè)定范圍：4090C,最小區(qū)分度為 仁C； 控制精度：溫度控制的靜態(tài)誤差w 1C； 用十進(jìn)制數(shù)碼顯示實(shí)際水溫； 三：總體論證 水溫控制系統(tǒng)總體框圖 A/D采樣電路 89C52控制系統(tǒng) 功 開(kāi) 率 關(guān) 控 大 制 電 電 路 路 圖3-1 單片機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖 該水溫控制系統(tǒng)主要由AT89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)、前向通道（溫度采樣轉(zhuǎn)換 電路）、后向通道（溫度控制電路）、鍵盤(pán)顯示電路等四部分組成，其總體設(shè)計(jì) 框圖如

2、上圖所示。 控制方法選擇 水溫控制系統(tǒng)的控制對(duì)象具有熱儲(chǔ)存能力大，慣性也較大的特點(diǎn)，水在容 器內(nèi)的流動(dòng)或熱量傳遞都存在一定的阻力， 因而可以歸于具有純滯后的一階大慣 性環(huán)節(jié)； 比例積分加微分控制（PID控制） 微分的作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成比例，它對(duì)克服對(duì)象的容量 滯后有顯著的效果；在比例基礎(chǔ)上加入微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作 用，可以消除余差；PID控制適用于負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求 又很高的控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)是一種采樣控制，只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差計(jì)算控制 量，不能像模擬控制一樣連續(xù)輸出控制量， 不能連續(xù)控制，因此控制算法里必須 加入離散化處理后的積分環(huán)節(jié)和微

3、分環(huán)節(jié)。 刪觀艸傾刪創(chuàng)蘇軸刪K 刪騙細(xì)蒯 臧（th 則唧卜沖）（2-1） 31!叩業(yè)汕闔懈耽雪 酣枷I嘲鮒丸Mt）儲(chǔ)附關(guān)酬腳拗獻(xiàn)刪 本系統(tǒng)中，PID控制器的輸入時(shí)實(shí)測(cè)溫度和期望值的偏差，輸出是PWM波的脈 寬。由于溫度具有熱慣性的特點(diǎn)，以及避免出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，所以加入比例環(huán)節(jié)， 而且比例系數(shù)不能太大，同時(shí)為了配合時(shí)間，可以當(dāng)溫差大于10時(shí)不進(jìn)行PID 運(yùn)算，當(dāng)溫差進(jìn)入10度范圍內(nèi)時(shí)，開(kāi)啟定時(shí)器進(jìn)行 PID控制。 PID控制流程圖： 方案選擇 結(jié)合本例題設(shè)計(jì)任務(wù)與要求，由于水溫系統(tǒng)的傳遞函數(shù)事先 難以精確獲得，因而很難判斷哪一種控制方法能夠滿足系統(tǒng) 對(duì)控制品質(zhì)的要求； 但從以上對(duì)控制方法的分析來(lái)看

4、，PID控制方法最適合本例 采用： 一方面，由于可以采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程，無(wú)論哪一種控 制方法都不會(huì)增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對(duì)軟件作相應(yīng)改變 即可實(shí)現(xiàn)不同的控制方案； 另一方面，采用PID的控制方式可以最大限度地滿足系統(tǒng)對(duì) 諸如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求 系統(tǒng)組成 就控制器本身而言，控制電路可以采用經(jīng)典控制理論和常規(guī) 模擬控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，也可以采用以單片機(jī)為核心的智能電子 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水溫的自動(dòng)控制； 單片機(jī)的使用也為實(shí)現(xiàn)水溫的智能化控制以及提供完善的 人機(jī)界面及多機(jī)通訊接口提供了可能，而這些功能在常規(guī)數(shù) 字邏輯電路中往往是難以實(shí)現(xiàn)或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的； 所以本例將采用以單片機(jī)為核心的直接

5、數(shù)字控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 軟硬件功能劃分 在絕大多數(shù)單片機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)功能的軟、硬件劃分往往是 由系統(tǒng)對(duì)控制速度的要求決定的，在沒(méi)有速度限制的情況下 可以考慮以軟件換取硬件電路的簡(jiǎn)化，以求降低硬件成本。 為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件、降低硬件成本、提高系統(tǒng)靈活性和可靠 性，系統(tǒng)的軟、硬件功能可作如下劃分： PID運(yùn)算、輸入信號(hào)濾波及大部分控制過(guò)程都可由軟件來(lái)完 成； 硬件的主要功能是溫度信號(hào)的傳感、放大、A/D轉(zhuǎn)換及輸出 信號(hào)的功率放大； 人機(jī)通道功能由系統(tǒng)軟、硬件配合完成，以降低軟件設(shè)計(jì)的 復(fù)雜性及縮短系統(tǒng)的研制周期。 速度計(jì)算 Q=mC T=1000g x 1kcal/g?K x 1K=1000kca

6、l 又 W=P x t=4.186 x Q t=4.186 x Q/P= 4.186J/kcal x 1000kcal/1000W=4.186s 由此可見(jiàn)，對(duì)于指令執(zhí)行時(shí)間一般為幾個(gè)微秒的單片機(jī)系統(tǒng) 來(lái)說(shuō)，控制速度幾乎沒(méi)有任何限制。 單片機(jī)基本系統(tǒng) 單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心； 由于系統(tǒng)對(duì)控制速度、精度及功能要求都無(wú)特別之處，因此 可以選用目前廣泛使用的MCS -51系列單片機(jī)8051; 8051可以提供系統(tǒng)控制所需的I/O 口、中斷、定時(shí)及存放中 間結(jié)果的RAM電路； 前向通道 前向通道是信息采集的通道，主要包括傳感器、信號(hào)放大、 A/D轉(zhuǎn)換等電路； 由于水溫變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，因

7、此前向通道中沒(méi)有 使用采樣保持電路； 信號(hào)的濾波可由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件、降低硬件成本。 后向通道 后向通道是實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)輸出的通道； 單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的控制信號(hào)經(jīng)功率放大電路放大控制電爐 的輸入功率，以實(shí)現(xiàn)控制水溫的目的。 人機(jī)對(duì)話通道 人機(jī)對(duì)話通道主要由鍵盤(pán)、LED顯示組成; 為了滿足功能要求，鍵盤(pán)可由 10個(gè)數(shù)字鍵及6個(gè)功能鍵組 成（確認(rèn)、取消、設(shè)定溫度、修改 PID參數(shù)、運(yùn)行、打?。?LED顯示由雙3位數(shù)碼管組成， 度，顯示范圍為 0.099.9C； 單元電路設(shè)計(jì) 分別顯示給定溫度和實(shí)測(cè)溫 單片機(jī)基本系統(tǒng) RJBT PJOIOZD PM J. TNT， PJ 2 DMTQ H DMT1

8、 P 3 4 TO P-5 T1 P3. XTAL1 Pl 1 o 丄2 L X L ppp 前向通道 一階慣性濾波即RC低通濾波 PO.2 PL.4 P 1. 5ZMOSIPO. 4 P 1. N,UfiOFO- 5 P1.7/SCKPO.臨 por EA X PP ALE PEbJ r6v-i3-21 o 亍i r-i CLt-INWR KI 二 kJ 一 呂 - 6 V HTAI2 電爐 7 AD59O ZYYV ov TlSOpF IND INI 曲 兇5 曲 ALE OE 22(fV AD詔1 ADC0809 74LS373 傳感器選擇 溫度傳感器的種類(lèi)較多。熱電偶的靈敏度較低；熱敏

9、電阻由 于非線性而影響其精度；鉑電阻溫度傳感器由于成本高，在 一般小系統(tǒng)中很少使用； AD590是美國(guó)Analog Devices公司生產(chǎn)的二端式集成溫度一 電流傳感器，具有體積小、重量輕、線性度好、性能穩(wěn)定等 一系列優(yōu)點(diǎn)； 它的測(cè)溫范圍為一50+ 150 C,滿刻度范圍誤差為土 03C, 當(dāng)電源電壓在 510V之間，穩(wěn)定度為 1%時(shí)，誤差只有土 0.01 C，完全適用于本例對(duì)水溫測(cè)量的要求； AD590是溫度一電流傳感器， 對(duì)于提高系統(tǒng)抗干擾能力也有 很大幫助，因此本例選用 AD590作為溫度傳感器。 信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大 AD581提供10V標(biāo)準(zhǔn)電壓，它與運(yùn)算放大器 0P-07和電阻 R1、VR

10、1 , R2、VR2組成信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大電路，將3595 C 溫度轉(zhuǎn)換為05V的電壓信號(hào)； 查手冊(cè)可知 AD590在35C和95C時(shí)輸出電流分別為308.2 卩A和368.2卩A，因此R1、VR1 , R2、VR2阻值可按下式 汁算： R1+VR1=10V/308.2 卩 A=32.4k Q ,取 R1=30k Q , VR1=5k Q ; R2+VR2=5V/(368.2 - 308.2)卩 A=83.3k Q，取 R2=81k Q , VR2=5k Q。 后向通道 為了實(shí)現(xiàn)水溫的PID控制，功率放大電路的輸出不能是一個(gè) 簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量，輸入電爐的加熱功率必須連續(xù)可調(diào)； 改變輸入電爐的電壓平均值

11、就可改變電爐的輸入功率，而較 簡(jiǎn)單的調(diào)壓方法有相位控制調(diào)壓和通斷控制調(diào)壓法； 采用通斷控制調(diào)壓法不僅使輸出通道省去了D/A轉(zhuǎn)換器和 可控硅移相觸發(fā)電路，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件，而且可控硅工 作在過(guò)零觸發(fā)狀態(tài)，提高了設(shè)備的功率因數(shù)，也減輕了對(duì)電 網(wǎng)的干擾。 ILE CE WRi WR2 XFER 圖94 DAC0832原理框圖 +5V +5V D0-D7 D0-D7 Vrf.I 0832 Rfh CS XFER I SUTI WRI T WR2 SUT2 ILE VCC DGND + I2V 1()K n/iucx nm- 12V o 10K 人機(jī)對(duì)話面板鍵盤(pán)與顯示 否 設(shè)定水涓縣示砸 確定 清常

12、取消 輸出 圖5 1-1選盤(pán)顯示程序流程 0固p 給定溫度(C) 0B 實(shí)測(cè)溫度廠C 0 2 4 6 8 設(shè)定 溫度; 1 3 5 7 9 II 取消 確認(rèn) 用8155擴(kuò)展接鍵盤(pán)顯示電路 8155簡(jiǎn)介 Ji J4_ 1$ 2E IT ADO AD1 AD2 AIB A 1)4 AD5 AD6 AD? ITO Wk im ALE TIMEROLT UTMERIN KT 州從帕pajpapamaPBPHPBPB咖PBPBpti世吃匹吃屹用 21 22 瓦 24 25 26 2* 29 11 疋 33 21 37 KD Wk UMER Oil q ) rAOjffVA? AD0jADf a 匸二 PBOjrB7 ALE RE5EF IlMER Ih 2