溫室自動控制系統(tǒng)設(shè)計方案

1、電子系統(tǒng)設(shè)計方案 參賽題目：溫室自動控制系統(tǒng) 隊 長：朱 繼 田 隊 員：楊 建 成 陶 文 波 報告完成日期：2011-5-29 溫室自動控制系統(tǒng)摘要:（300字以內(nèi)）溫度是一種環(huán)境參數(shù)，溫度自動控制在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有非常重要的作用。半導(dǎo)體制冷器(TEC)是一種比較先進(jìn)的制冷裝置，因?yàn)槠湫⌒突?、無噪聲、無污染的特點(diǎn)，在各種溫度控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，因此研究半導(dǎo)體制冷器溫度的測量方法和設(shè)計靈活精確的溫度自動控制系統(tǒng)具有重要的意義。 文章介紹了一種溫度自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，AT89C52低電壓、高性能CMOS 8位

2、單片機(jī)和單線總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20以及TEC1-12706T125型半導(dǎo)體制冷器等元件。單片機(jī)通過溫度傳感器獲取當(dāng)前溫度，進(jìn)而控制半導(dǎo)體制冷器工作。一、方案設(shè)計和論證本系統(tǒng)由四大部分組成：1、溫度檢測裝置；2、控制系統(tǒng)；3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)；4、顯示同步。在其中2部分控制系統(tǒng)中，由于ATMEL公司的AT89C52單片機(jī)具有高密度、非易失性、低電壓、高性能等優(yōu)點(diǎn)，且滿足本系統(tǒng)和電子設(shè)計大賽的兩方面要求，因此采用AT89C52作為微控制器，該部分方案設(shè)計將在文章第三、四部分詳細(xì)介紹。以下主要針對溫度檢測系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩方面的內(nèi)容進(jìn)行方案設(shè)計和論證。模塊1 溫度檢測裝置方案設(shè)計對于溫度的自動控制系

3、統(tǒng)而言，溫度檢測是整個系統(tǒng)設(shè)計的第一步。如何選擇溫度傳感器是這塊電路的關(guān)鍵，它是直接影響整個系統(tǒng)的性能與效果的關(guān)鍵因素之一。方案：選用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20 論證：數(shù)字溫度傳感器DS18B20最大特點(diǎn)之一是采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，直接輸出數(shù)字信號。與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。因此便于單片機(jī)處理及控制，節(jié)省硬件電路。該系統(tǒng)可以由數(shù)字溫度計DS18B20和AT89C52單片機(jī)直接構(gòu)成的溫度測量裝置。不僅如此，DS18B20最小分辨率為0.0625，滿足該題溫度分辨率為0.1的要求，因此溫度傳感器選用DS

4、18B20。模塊2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)對于溫度的自動控制系統(tǒng)而言，溫度執(zhí)行機(jī)構(gòu)是整個系統(tǒng)設(shè)計最核心的一步。溫度執(zhí)行機(jī)構(gòu)的構(gòu)建直接影響整個控制模塊的工作方式和效率。方案一：可控硅調(diào)功器電路方案二：采用半導(dǎo)體制冷片TEC1-12706T125 論證 可控硅調(diào)控器電路是利用雙向可控硅管和加熱絲串接在交流220V、50Hz回 路。在給定周期T內(nèi)，AT89C52只要改變可控硅管的接通時間便可改變加熱絲功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。顯然可控硅在給定周期T的100%時間內(nèi)接通時間的功率最大。顯然，對功率的調(diào)節(jié)從而調(diào)節(jié)溫度達(dá)不到制冷效果，即使是通過外加風(fēng)扇來帶走外部熱量也達(dá)不到，故不用此方案。溫度執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用半導(dǎo)體制冷片

5、TEC1-12706T125。該制冷片是由半導(dǎo)體按照特殊的結(jié)構(gòu)組成的一種制冷裝置，其基本原理是珀耳貼效應(yīng)。為了滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，縮短溫度調(diào)節(jié)時間，需要對制冷器的安裝進(jìn)行論證。一般情況下，該制冷片的制熱效果較好，這里不做討論，主要論證制冷片的制冷效果。方案1：兩片級聯(lián)方式制冷為了獲得更大的制冷功率，該方案采取兩片級聯(lián)的方式進(jìn)行制冷，即將一片制冷片的冷端與另一片制冷片的熱端粘貼在一起，組成一個功率更大的制冷片。安裝時，將級聯(lián)方式的冷端放置在密封盒內(nèi)，將熱端安裝在密封盒外。方案2：單片水冷方式制冷為了使制冷器工作在最高效率的狀態(tài)下，需要對其熱端進(jìn)行高效率散熱。該方案采用水冷方式對單片制冷片的熱端進(jìn)行

6、冷卻，從而達(dá)到降低制冷片冷熱端溫差的目的。查閱大量資料表明，降低制冷片冷熱端的溫差能夠明顯提高制冷片的工作效率，從而獲得較高的制冷功率，縮短溫度調(diào)節(jié)時間。方案3：單片風(fēng)冷方式制冷為了加快制冷片的散熱，外加風(fēng)扇，通過風(fēng)的流動帶走制冷片中的熱量，提高效率。安裝時，風(fēng)扇貼近安裝在密封盒外的熱端。論證：選用方案一將兩片級聯(lián)方式的制冷效果不明顯，其原因可能有以下幾方面：1、 系統(tǒng)熱端散熱較慢導(dǎo)致熱量累計，影響制冷片正常工作，散熱裝置需要進(jìn)一步優(yōu)化。2、 級聯(lián)方式功率不匹配，即兩片制冷片的功率不能設(shè)計成完全一致，其中一片的制冷量不能完全吸收另一片的導(dǎo)出熱量，導(dǎo)致熱量累計，影響制冷片工作，改進(jìn)方式：做大量試

7、驗(yàn)，給制冷片提供不同工作電壓，使其工作在正常工作狀態(tài)。3、 系統(tǒng)冷端散熱慢導(dǎo)致熱量累計，影響制冷片正常工作，散熱裝置需要進(jìn)一步優(yōu)化。方案二提到的水冷的確可以提高制冷的效率，但是水冷的外圍循環(huán)系統(tǒng)將大大限制了使用環(huán)境，加大了系統(tǒng)的成本，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易操作。由于實(shí)驗(yàn)的條件限制，比較而言，方案三，外圍設(shè)備簡單，操作容易，可用范圍廣。因此，選擇方案三。二、系統(tǒng)總體設(shè)計該溫度自動控制系統(tǒng)由三大部分組成： 1、溫度檢測裝置；2、控制系統(tǒng)；3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其系統(tǒng)框圖如下：密封泡沫盒LCD顯示溫度和時間AT89C52單片機(jī)DS18B20溫度傳感器TEC112705半導(dǎo)體制冷器報警系統(tǒng)鍵盤驅(qū)動電路圖1 溫度自

8、動控制系統(tǒng)框圖其中，溫度檢測裝置采用單總線DS18B20數(shù)字溫度傳感器；控制系統(tǒng)是AT89C52單片機(jī)；溫度控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是TEC1-12706T125型半導(dǎo)體制冷器。系統(tǒng)工作時，單片機(jī)首先讀取默認(rèn)設(shè)置溫度，該溫度可以通過鍵盤進(jìn)行修改；單片機(jī)讀取DS18B20的數(shù)據(jù)檢測木盒內(nèi)溫度，并將檢測的溫度與設(shè)置溫度進(jìn)行對比，通過模糊控制PID算法，從而控制制冷器的工作狀態(tài)；在執(zhí)行部分的驅(qū)動電路中需要采用 MOSFET管IRFP460A進(jìn)行PWM驅(qū)動控制模塊。為了能使半導(dǎo)體制冷器工作在制熱和制冷兩種狀態(tài)，還需要在驅(qū)動電路采用繼電器進(jìn)行電流換向，并通過它進(jìn)行電氣隔離，繼電器再接通制冷片進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。繼電器用

9、NPN三極管SKT9013驅(qū)動。如果溫度超出上下限值，系統(tǒng)將會報警，同時系統(tǒng)自動停機(jī)。系統(tǒng)的所有工作狀態(tài)都通過1602液晶屏（LCD）顯示。三、主要單元電路原理及理論分析與計算該系統(tǒng)硬件電路主要由四部分組成：1、傳感器電路；2、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路；3、驅(qū)動電路：4、報警電路。其中第一部分傳感器電路只包含單總線DS18B20數(shù)字溫度傳感器，因此連接非常簡單。第二部分單片機(jī)最小系統(tǒng)電路由單片機(jī)和電源、鍵盤、LCD顯示等組成，這里不做詳細(xì)介紹，下面的軟件設(shè)計里面會有介紹。下面對驅(qū)動電路和報警電路進(jìn)行分析，其原理圖如下所示： 驅(qū)動電路由兩個單片機(jī)管腳控制，分別是P3.5腳和P3.6腳。其中，P3.5經(jīng)

10、過NPN型三極管9013反向驅(qū)動后，控制MOSFET管IRFP460A的截止和導(dǎo)通；P3.5上的PWM脈沖控制MOSFET管，從而達(dá)到控制制冷片電流的目的。P3.6經(jīng)過NPN型三極管9013反向驅(qū)動后，驅(qū)動兩個單刀雙擲的繼電器。兩個繼電器組成一個可控的雙刀雙擲開關(guān)，從而達(dá)到交換電流方向的目的。在該部分用一個雙刀雙擲的繼電器比較好，由于實(shí)驗(yàn)室材料缺乏的原因，所以這里用兩個單刀雙擲的繼電器代替。 報警電路是有一個單片機(jī)管腳控制，為P3.7腳。P3.7管腳通過NPN型三極管9013反向驅(qū)動后，控制蜂鳴器的截止和導(dǎo)通。 四、算法與軟件設(shè)計 1.系統(tǒng)的控制算法 PID控制是指比例、積分、微分控制，實(shí)現(xiàn)P

11、ID控制的裝置稱為PID調(diào)節(jié)器。傳遞函數(shù)為：式中：K為其它環(huán)節(jié)總增益；為比例系數(shù)；為積分系數(shù)；為微分系數(shù)；。比例控制可快速、及時、按比例調(diào)節(jié)偏差，提高控制靈敏度。但是有靜差，控制精度低。積分控制能消除偏差，提高精度、改善穩(wěn)態(tài)性能，但是容易引起震蕩，造成超調(diào)。微分控制是一種朝前控制，能調(diào)節(jié)系統(tǒng)速度、減小超調(diào)量、提高穩(wěn)定性，但是其時間常數(shù)過大會引入干擾、系統(tǒng)沖擊大，過小則調(diào)節(jié)周期長、效果不顯著。比例、積分、微分控制相互配合，合理選擇PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)，即比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)，可迅速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)的消除偏差，達(dá)到良好的控制效果。采用增量式算法位置式輸出PID算法： 式中：，為設(shè)定值與i

12、次實(shí)測值的偏差；T為采樣周期，為積分時間,為微分時間。上式為PID控制軟件的編程依據(jù)。參數(shù)的選取是在參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上用實(shí)驗(yàn)法確定，本系統(tǒng)中取，這些參數(shù)在運(yùn)行時刻適當(dāng)調(diào)整，以獲得滿意的效果。2、軟件設(shè)計 主程序包括初始化、按鍵設(shè)置及控制模塊和顯示模塊的調(diào)用。溫度信號的采集、控制算法以及溫度顯示和時間等功能的實(shí)現(xiàn)由各子程序完成。軟件的主要流程是：利用DS18B20測量到的溫度值與設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，根據(jù)得到的偏差和偏差的變化率計算控制量，輸出PWM信號控制MOSFI管驅(qū)動制冷片。啟動、停止以及給定值通過鍵盤利用外部中斷產(chǎn)生，有按鍵輸入時則調(diào)用中斷服務(wù)程序。開始初始化顯示數(shù)據(jù)報警設(shè)定溫度是否在工

13、作范圍內(nèi)？開 始 否采樣實(shí)際溫度 是采集溫度是否在工作范圍內(nèi)？否計算E和EC 采集溫度跟設(shè)定溫度作比較控制輸出 是控制算法報警 不一致結(jié) 束 一致 停機(jī)？ 否 控制算法流程圖 是 停機(jī)狀態(tài) 主程序流程圖 五、系統(tǒng)測試及分析1、測試環(huán)境 模擬測試：用Proteus軟件進(jìn)行部分模塊的模擬 測試地點(diǎn)：主教6012、測試儀器 1、帶溫度測試的數(shù)字萬用表一塊2、輸出12V，10A開關(guān)電源3、測試方法 在電路設(shè)計安裝完成，軟件調(diào)試完成后對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行總體調(diào)試，測試工作包括三部分：a、在室溫情況下，分別在5，10，15，20，25，30，35時，記錄系統(tǒng)顯示溫度與帶溫度測量裝置的萬用表顯示溫度。b、在室溫情

14、況下，設(shè)定系統(tǒng)溫度為5，對系統(tǒng)進(jìn)行降溫，并每分鐘記錄系統(tǒng)當(dāng)前溫度。c、測試溫度控制精度，將設(shè)定溫度分別調(diào)整到10，15，20，25，30，35，記錄系統(tǒng)溫度偏移值，并記錄溫度每提高5所經(jīng)過的時間。 4、測試數(shù)據(jù)a、對比萬用電表系統(tǒng)溫度測量誤差表。表a：溫度檢測測試表溫度計測量值（度）傳感器測量值（度）測量誤差3530252015105b、降溫測試數(shù)據(jù)記錄表表b：溫度控制測試表設(shè)定值（度）達(dá)到設(shè)定值后的最大值達(dá)到設(shè)定值后的最小值備注3560秒內(nèi)3060秒內(nèi)2560秒內(nèi)2060秒內(nèi)1560秒內(nèi)1060秒內(nèi)560秒內(nèi)c、溫度控制測試記錄表5、進(jìn)行結(jié)果及誤差分析六、 總結(jié)經(jīng)過團(tuán)隊幾天的努力，設(shè)計了自動

15、溫度控制裝置，測量精度和測量范圍在理論上基本達(dá)到了設(shè)計要求，在電路設(shè)計制作過程中較深入的了解了溫度自動控制原理和控制方法。了解了ATMEL公司器件AT89C52單片機(jī)的使用方法。學(xué)習(xí)了單線總線的18B20的使用方法。同時也深入學(xué)習(xí)了半導(dǎo)體制冷片TEC1-12706T125的使用方法。了解了制冷技術(shù)的新方法。在學(xué)習(xí)設(shè)計的過程中，發(fā)現(xiàn)主要有以下幾個難點(diǎn)：1、18B20的時序非常嚴(yán)格，一旦時序紊亂將不會有任何結(jié)果。2、 半導(dǎo)體制冷片的效果固然是好，但是功率大，如何在實(shí)際中平衡還要進(jìn) 一步探索。3、 PID控制算法的理解與運(yùn)用，如何使用好驅(qū)動電路。在報警系統(tǒng)的意義探討時，各有看法，最終敲定于提示“設(shè)置無效”和“超出工作范圍”。在進(jìn)行設(shè)計的過程中，我們綜合成本，環(huán)境等因素選擇簡單，易操作的方案，系統(tǒng)的性能還有提升空間，理論只是思想的建立，如何讓它成為現(xiàn)實(shí)，還有更大一步需要去努力。參考文獻(xiàn)： 1、鹽城工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）