電子設(shè)計競賽(水溫控制系統(tǒng)論文)

1、題目名稱：水溫控制系統(tǒng)（c題）摘要 為了完成水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計，本文介紹了基于stc89c52單片機的自動水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)過程。該系統(tǒng)具有實時顯示、溫度測量、溫度設(shè)定并能根據(jù)設(shè)定值對水的溫度進行調(diào)節(jié)和控溫的目的以及達到上限溫度的報警功能，控制算法是基于數(shù)字pid算法。關(guān)鍵字 pid, ssr固態(tài)繼電器，制冷片，ds18b20溫度傳感器一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一個水溫自動控制系統(tǒng)，控制對象為1l水，容器為搪瓷器皿（其他也可）。水溫可以在一定范圍內(nèi)設(shè)定，并能實現(xiàn)在1070量程范圍內(nèi)對每一點溫度的自動控制，以保持設(shè)定的溫度基本保持不變。二、基本要求（1）可鍵盤設(shè)定控制溫度值，并能用液晶顯示，顯

2、示最小區(qū)分度為0.1；（2）可以測量并顯示水的實際溫度。溫度測量誤差在0.5 內(nèi)；（3）水溫控制系統(tǒng)應(yīng)具有全量程（1070）內(nèi)的升溫、降溫功能（降溫可用半導(dǎo)體制冷片、升溫用800w以內(nèi)的電加熱器）；（4）在全量程內(nèi)任意設(shè)定一個溫度值（例如起始溫度+15內(nèi)），控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)該給定溫度的恒值自動控制?？刂频淖畲髣討B(tài)誤差4，靜態(tài)誤差1，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)的時間15min（最少兩個波動周期）。三、方案論證與比較1加熱系統(tǒng)比較方案一：采用直形加熱管。直形加熱管的加熱效率低，速度慢，且加熱不均勻，導(dǎo)致容器內(nèi)水溫的上下溫差較大，使溫度計測量的溫度誤差較大，影響實驗的準確性。方案二：采用螺旋加熱管?？蓪⒙菪訜峁?/p>

3、固定到容器內(nèi)部，通電加熱時能使水在容器內(nèi)形成對流，效率相對較高，加熱較均勻，使得測量誤差較小。故采用方案二。2制冷系統(tǒng)比較方案一：采用壓縮機制冷。它從吸氣管吸入低溫低壓的制冷劑氣體，通過電機運轉(zhuǎn)帶動活塞對其進行壓縮后，向排氣管排出高溫高壓的制冷劑氣體，為制冷循環(huán)提供動力，從而實現(xiàn)壓縮冷凝膨脹蒸發(fā)（吸熱）的制冷循環(huán)。其優(yōu)點是制冷效果好，但成本太高，體積龐大且難控制。方案二：采用制冷片、散熱片和風(fēng)扇進行制冷微調(diào)。制冷片分為兩面，一面吸熱，一面散熱，只是起到導(dǎo)熱作用，本身不會產(chǎn)生冷。其優(yōu)點是成本低，容易控制，缺點是制冷效果一般。方案三：采用外部傳導(dǎo)方式進行制冷粗調(diào)。利用冰（干冰）的融化（升華）吸熱，

4、使水的溫度快速的降下來。其優(yōu)點是效率高，制冷迅速，但不易控制。故采用方案二的制冷微調(diào)和方案三制冷粗調(diào)一起制冷。3加熱驅(qū)動電路方案一：可采用可控硅控制其導(dǎo)通腳來達到控制加熱電流大小的目的，但電路較復(fù)雜，穩(wěn)定性較差，成本也相對較高。方案二：采用pwm控制電磁式繼電器來達到控制加熱電流大小的目的，但由于磁場外泄，故對整體系統(tǒng)干擾較大，且響應(yīng)時間長，達不到理想的控制效果。方案三：采用pwm控制固態(tài)繼電器來達到控制加熱電流大小的目的，對整體系統(tǒng)基本無干擾，響應(yīng)時間小于30ms，可以滿足系統(tǒng)的需求。故采用方案三。4溫度傳感器的選擇方案一：用ntc型熱敏電阻采集溫度。但由于其需要借助a/d對電壓進行采集，耗

5、用資源較大，調(diào)試較復(fù)雜。方案二：采用熱電偶采集溫度，需要配備專門的芯片進行測溫，成本較高，調(diào)試較復(fù)雜。方案三：采用ds18b20溫度傳感器采集溫度，并用單總線與主機進行通信，占用資源較少，靈敏度較高，其分度值可達到0.0625，可以滿足系統(tǒng)需求。故采用方案三。5制冷電源的選擇方案一：采用大功率變壓器制作制冷電源，但轉(zhuǎn)換效率較低，且存在磁泄漏現(xiàn)象，輸出的電壓線性不穩(wěn)定。方案二：采用pwm開關(guān)電源。pwm開關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的（在導(dǎo)通是，電壓低，電流大；關(guān)斷時，電壓高，電流?。┹敵龉β蚀螅⑶倚矢?。能滿足系統(tǒng)的需求。故采

6、用方案二。6容器的選擇方案一：方形搪瓷杯。外型美觀，但容器壁較厚，不易加工且成本較高。方案二：塑料飯盒。容器壁薄，傳導(dǎo)效果差，但保溫效果良好，易加工，但不耐高溫，易燒焦。方案三：不銹鋼杯。容器壁薄，導(dǎo)熱效果良好，保溫效果差，易加工，耐高溫，取材方便，成本低。7主控芯片的選擇方案一：采用凌陽公司的16位單片機。它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動能力強、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單具有語音處理、運算速度快等優(yōu)點，但考慮到我們小組對這個方案采用的微處理器并不熟悉，使用起來并不是很方便，這對于硬件電路的設(shè)計和軟件編程增加了難度。方案二：采用stc89c52單片機作為主控芯片。stc89c52是一個超低功

7、耗，高性能的51內(nèi)核的cmos 8位單片機，片內(nèi)含8kb空間的可反復(fù)擦寫1000次的flash只讀存儲器，具有512bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），32個io口，兩個16位可編程定時計數(shù)器。且該系列的51單片機支持串口下載和串口調(diào)試。所以我們選擇了方案二。8軟件算法的選擇方案一：采用模糊控制算法。但由于我們的知識層面有限，對這種算法并不熟悉，所以排除了此方案。方案二：采用經(jīng)典pid控制算法和根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分區(qū)間控制的算法，對于溫度系統(tǒng)來說，被控對象沒有精確的數(shù)學(xué)模型。用螺旋加熱器加熱使得水溫具有熱慣性，采用補氧設(shè)備往水里加入空氣，使水的上下溫差變得非常小，故檢測的實時數(shù)據(jù)基本能完全體現(xiàn)

8、1l水的實際溫度，所以經(jīng)典pid控制算法中的p能滿足設(shè)計要求，但必須根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行調(diào)整。故選擇方案二。四、硬件的設(shè)計對題目進行分析之后，將整個系統(tǒng)分為溫度采集電路、加熱功率控制電路、制冷控制電路和鍵盤顯示電路四個部分，其系統(tǒng)框圖如下：1溫度采集電路采用單總線數(shù)字溫度傳感器ds18b20，可直接輸出數(shù)字量，單總線器件和單片機的接口只需一根信號線，所以本設(shè)計的硬件電路簡單，節(jié)省單片機資源，容易實現(xiàn)。能達到0.0625的固有分辨率，使用讀取溫度暫存寄存器數(shù)據(jù)處理后能達到0.1的精度。用3個ds18b20測量相同深度不同位置，反應(yīng)出同一水平內(nèi)不同點的溫度，減小誤差。ds18b20連接電路圖如下圖所示

9、。2加熱功率控制電路此部分用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對被控對象實施控制，此處被控對象為加熱管，采用對加在加熱管兩端的電壓進行通斷的方法進行控制，以實現(xiàn)對水加熱功率的調(diào)整，從而達到對水溫控制的目的。對加熱管通斷的控制采用ssr固態(tài)繼電器，ssr是半導(dǎo)體繼電器，所以較小的驅(qū)動功率即可使ssr工作。它的使用非常簡單，且響應(yīng)時間短，對系統(tǒng)干擾小。只要在控制臺端加上一個ttl、cmos電平或光耦，即可實現(xiàn)對繼電器的開關(guān)。其電路圖如下所示。3制冷控制電路制冷元件采用半導(dǎo)體制冷片，以風(fēng)扇作為散熱手段，進行小幅度制冷，采用物質(zhì)吸熱原理進行大幅度制冷?？刂撇糠植捎霉怦羁刂齐姶爬^電器中斷，從而控制制冷片的工作，同時用光

10、耦控制l298n，使電機有規(guī)律的進行正反轉(zhuǎn)，從而達到外部制冷設(shè)備的升降，達到快速降低水溫的目的。4鍵盤、顯示電路這部分實際上是一個單片機最小系統(tǒng)的基本電路，可選用最常用的51系列單片機，足夠滿足系統(tǒng)的要求。鍵盤選用七位獨立按鍵。本著簡單實用的原則，選擇了7個按鍵，分別用作溫度設(shè)定、方向選擇、確定和圖形顯示按鍵。在顯示方面，選用了常用的ms12864r液晶顯示模塊。通過相應(yīng)的軟件編程，可以實現(xiàn)比較美觀和豐富的顯示界面。模塊連接電路圖如下圖所示。s1ups2sets3lefts4oks5rights6wavs7downp1.1p1.2p1.3p1.4p1.7p1.5p1.65電路最終方案溫度采集電

11、路采用ds18b20加熱功率控制電路采用ssr固態(tài)繼電器制冷控制電路采用半導(dǎo)體制冷片和外部物質(zhì)吸熱原理控制電路采用單片機最小系統(tǒng)的基本電路鍵盤選用七位獨立按鍵顯示電路采用ms12864r液晶顯示模塊五、軟件的設(shè)計1軟件設(shè)計流程圖本設(shè)計為了實現(xiàn)對1l水的溫度的測量控制并用液晶顯示，并能實現(xiàn)在1070量程范圍內(nèi)對每一點溫度的自動控制，以保持設(shè)定的溫度基本保持不變。使待測水溫的靜態(tài)誤差在1范圍以內(nèi)。溫度設(shè)定范圍為1070,最小區(qū)分度為0.1，標定溫差0.2。同時當水溫達到設(shè)定值時在環(huán)境溫度降低時溫度控制的靜態(tài)誤差1。主程序流程圖如下圖所示，實現(xiàn)對范圍溫度值的設(shè)定，執(zhí)行、顯示實時溫度。并顯示溫度隨時間

12、變化的曲線。2軟件具體設(shè)計方案通過pwm算法，對加熱管的功率進行控制，減小水的溫度慣性。將全量程的水溫分為兩檔。當高溫檔降溫時，只采用制冷片制冷，當?shù)蜏貦n降溫時，采用冰塊和制冷片共同制冷。顯示波形時，可根據(jù)溫度范圍自動切換量程，當實際值和設(shè)定值相差2.5范圍以外時，顯示分度值為1的波形。當相差2.5范圍以內(nèi)時，顯示分度值為0.1的波形。六、數(shù)據(jù)測量與分析1儀器設(shè)備與測試方法儀器設(shè)備：pc機（benq），數(shù)字萬用表(dt9205m），精密溫度計（沈陽儀器廠，量程是0-100，分度值是1/5），示波器(yb4320f,江蘇綠揚電子儀器廠，）1 動態(tài)溫度測量測量方式：將數(shù)據(jù)線接入控制儀，將容器中裝入

13、1l室溫的水，設(shè)定控溫溫度。記錄調(diào)節(jié)時間、超調(diào)溫度、穩(wěn)態(tài)溫度波動幅度等。測量儀器：精密溫度計（沈陽儀器廠，量程是0-100，分度值是1/5），ds18b20，秒表，自制精密溫度控制儀。測量結(jié)果：如下表所示設(shè)定溫度（）404550556065超調(diào)溫度(）40.245.450.455.360.265.2變化范圍（）39.840.244.945.449.850.454.855.359.760.264.865.2根據(jù)測量結(jié)果，控制的最大動態(tài)誤差2，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)的時間8min。2 靜態(tài)溫度測量測量方式：斷開電源，往容器里加入1l一定溫度的水，連接好裝置。保持環(huán)境溫度和其測量條件不變，接通電源，任意設(shè)置幾

14、組目標溫度，利用精密溫度計測量水溫，與液晶顯示的水溫進行比較。測量儀器：精密溫度計（沈陽儀器廠，量程是0-100，分度值是1/5），ds18b20，秒表，自制精密溫度控制儀。測量結(jié)果：如下表所示 目標溫度 30時間t(min)012345678測量溫度（）3030.130.229.830.230.129.930.129.9誤差（）00.10.20.20.20.10.10.10.1 目標溫度 50時間t(min)012345678測量溫度（）5050.150.350.149.949.649.850.250.1誤差（）00.10.30.10.10.40.20.20.1誤差分析：溫度計和ds18b2

15、0反應(yīng)的靈敏度不同，且測量的是不同位置的水溫。此誤差均在1以內(nèi)，且沒有規(guī)律性，所以不再軟件補償溫度值。系統(tǒng)測量的靜態(tài)誤差1，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)的時間為6min,要遠遠小于題目要求的15min。ms12864r顯示的波形曲線圖如下：2測試結(jié)果分析由以上測量可見，系統(tǒng)性能基本上達到了所要求的指標。靜態(tài)測溫的精度主要由ds18b20決定。ds18b20的精度比較高，這里采取了讀取溫度寄存器辦法，測溫精度能夠達到0.1c，比較符合系統(tǒng)要求。在控溫指標中，影響系統(tǒng)性能的因素非常多。最關(guān)鍵的是加熱系統(tǒng)本身的物理性質(zhì)及控制算法。由于傳感器必須加上防水設(shè)施，因此溫度傳感器難免會有遲滯，螺旋加熱器本身的延遲，水對流傳熱等因素也會造成測溫的延時，這些都會直接影響系統(tǒng)的控制性能?？刂扑惴ǚ矫妫璺磸?fù)試驗比較，在上升時間和超調(diào)量之間作權(quán)衡，選出較好的pid系數(shù)。七、結(jié)論整個系統(tǒng)的設(shè)計思想是提高靜態(tài)控溫精度，減小調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。整個系統(tǒng)綜合有如下幾個特點：1 通過ds18b20集成溫度傳感器減少了a/d轉(zhuǎn)換電路，簡化了電路結(jié)構(gòu)。2 采用ssr固態(tài)繼電器，簡化了功率控制電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3在電路設(shè)計中充分考慮了系統(tǒng)的可靠性和安全性。通過精心調(diào)試達到基本功能指標，動態(tài)性能也達到較好的要求。八、參考