溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)措施

1、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案參賽題目：溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)隊(duì)長(zhǎng)：隊(duì)員:楊建成陶文波報(bào)告完成日期：2018-5-29- -/11溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)摘要:是一種比較先進(jìn)的制冷裝置，因?yàn)槠湫⌒突o(wú)噪聲、無(wú)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(cè)量方法和設(shè)計(jì)靈活精確的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)具有重要的意義。文章介紹了一種溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)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CMOS8位單片機(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(guò)溫度傳感器獲取當(dāng)前溫度

2、，進(jìn)而控制半導(dǎo)體制冷器工作。一、方案設(shè)計(jì)和論證本系統(tǒng)由四大部分組成：1、溫度檢測(cè)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(jì)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(jì)將在文章第三、四部分詳細(xì)介紹。以下主要針對(duì)溫度檢測(cè)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(jì)和論證。模塊1溫度檢測(cè)裝置方案設(shè)計(jì)對(duì)于溫度的自動(dòng)控制系統(tǒng)而言，溫度檢測(cè)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)的性能與效果的關(guān)鍵因素之一。方案：選

3、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(hào)。與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)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(jì)DS18B20和AT89C52單片機(jī)直接構(gòu)成的溫度測(cè)量裝置。不僅如此，DS18B20最小分辨率為0.0625C，滿足該題溫度分辨率為0.1C的要求，因此溫度傳感器選用DS18B20。模塊2執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)于溫度的自動(dòng)控制系統(tǒng)而言，溫度執(zhí)行機(jī)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)控制模

4、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(shí)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(shí)間內(nèi)接通時(shí)間的功率最大。顯然，對(duì)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(guò)外加風(fēng)扇來(lái)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(jì)要求，縮短溫度調(diào)

5、節(jié)時(shí)間，需要對(duì)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(jí)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(jí)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(gè)功率更大的制冷片。安裝時(shí)，將級(jí)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：?jiǎn)纹浞绞街评錇榱耸怪评淦鞴ぷ髟谧罡咝实臓顟B(tài)下，需要對(duì)其熱端進(jìn)行高效率散熱。該方案采用水冷方式對(duì)單片制冷片的熱端進(jìn)行冷卻，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

6、短溫度調(diào)節(jié)時(shí)間。方案3：?jiǎn)纹L(fēng)冷方式制冷為了加快制冷片的散熱，外加風(fēng)扇，通過(guò)風(fēng)的流動(dòng)帶走制冷片中的熱量，提高效率。安裝時(shí)，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(jí)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(jì)，影響制冷片正常工作，散熱裝置需要進(jìn)一步優(yōu)化。2、級(jí)聯(lián)方式功率不匹配，即兩片制冷片的功率不能設(shè)計(jì)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(jì)，影響制冷片工作，改進(jìn)方式：做大量實(shí)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(jì)，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

7、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(jiǎn)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(jì)該溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)由三大部分組成：1、溫度檢測(cè)裝置；2、控制系統(tǒng)3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其系統(tǒng)框圖如下：ALCD顯示溫度和時(shí)間圖1溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖其中，溫度檢測(cè)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(shí)，單片機(jī)首先讀取默認(rèn)設(shè)置溫度，該溫度可以通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行修改；單片機(jī)讀取DS1

8、8B20的數(shù)據(jù)檢測(cè)木盒內(nèi)溫度，并將檢測(cè)的溫度與設(shè)置溫度進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)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(dòng)電路中需要采用MOSFET管IRFP460A進(jìn)行PWM驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路采用繼電器進(jìn)行電流換向，并通過(guò)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NPN三極管SKT9013驅(qū)動(dòng)。如果溫度超出上下限值，系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)。系統(tǒng)的所有工作狀態(tài)都通過(guò)1602液晶屏LCD）顯示。三、主要單元電路原理及理論分析與計(jì)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(dòng)

9、電路：4、報(bào)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(jiǎn)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(pán)、LCD顯示等組成，這里不做詳細(xì)介紹，下面的軟件設(shè)計(jì)里面會(huì)有介紹。下面對(duì)驅(qū)動(dòng)電路和報(bào)警電路進(jìn)行分析，其原理圖如下所示：- -/11經(jīng)過(guò)NPN型三極管9013反向驅(qū)動(dòng)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(guò)NPN型三極管9013反向驅(qū)動(dòng)后，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)單刀雙擲的繼電器。兩個(gè)繼電器組成一個(gè)可控的雙刀雙擲開(kāi)關(guān)，從而達(dá)到交換電流方向的目的。在該部分用一個(gè)雙刀雙擲的繼

10、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(gè)單刀雙擲的繼電器代替。報(bào)警電路是有一個(gè)單片機(jī)管腳控制，為P3.7腳。P3.7管腳通過(guò)NPN型三極管9013反向驅(qū)動(dòng)后，控制蜂鳴器的截止和導(dǎo)通。四、算法與軟件設(shè)計(jì)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)PID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；口為比例系數(shù)；L為積分系數(shù)；LI為微分系數(shù)；I；rI。比例控制可快速、及時(shí)、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)

11、定性，但是其時(shí)間常數(shù)過(guò)大會(huì)引入干擾、系統(tǒng)沖擊大，過(guò)小則調(diào)節(jié)周期長(zhǎng)、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)口、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)匚，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：I，I，I為設(shè)定值與i次實(shí)測(cè)值的偏差；T為采樣周期，上為積分時(shí)間，勺為微分時(shí)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(shí)刻適當(dāng)調(diào)整，以獲得滿意的效果。2、軟件設(shè)計(jì)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(hào)的采集、控制算法以及溫度顯示和時(shí)間等

12、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(cè)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(jì)算控制量，輸出PWM信號(hào)控制MOSFI管驅(qū)動(dòng)制冷片。啟動(dòng)、停止以及給定值通過(guò)鍵盤(pán)利用外部中斷產(chǎn)生，有按鍵輸入時(shí)則調(diào)用中斷服務(wù)程序。停機(jī)?否- -/11控制算法流程圖F是停機(jī)狀態(tài)主程序流程圖五、系統(tǒng)測(cè)試及分析1、測(cè)試環(huán)境模擬測(cè)試：用Proteus軟件進(jìn)行部分模塊的模擬測(cè)試地點(diǎn)：主教6012、測(cè)試儀器1、帶溫度測(cè)試的數(shù)字萬(wàn)用表一塊2、輸出12V,10A開(kāi)關(guān)電源3、測(cè)試方法在電路設(shè)計(jì)安裝完成,軟件調(diào)試完成后對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行總體調(diào)試,測(cè)試工作包括三部分：a、在室溫情況下，分別在

13、5C,10C,15C,20C,25C,30C,35C時(shí),記錄系統(tǒng)顯示溫度與帶溫度測(cè)量裝置的萬(wàn)用表顯示溫度。b、在室溫情況下，設(shè)定系統(tǒng)溫度為5C,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行降溫，并每分鐘記錄系統(tǒng)當(dāng)前溫度。c、測(cè)試溫度控制精度，將設(shè)定溫度分別調(diào)整到10C,15C,20C,25C,30C,35C，記錄系統(tǒng)溫度偏移值，并記錄溫度每提高5C所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。4、測(cè)試數(shù)據(jù)a、對(duì)比萬(wàn)用電表系統(tǒng)溫度測(cè)量誤差表。表a：溫度檢測(cè)測(cè)試表溫度計(jì)測(cè)量值度）傳感器測(cè)量值度）測(cè)量誤差3530252015105b、降溫測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表表b：溫度控制測(cè)試表定v設(shè)值1gt)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

14、內(nèi)2060秒內(nèi)1560秒內(nèi)1060秒內(nèi)560秒內(nèi)C、溫度控制測(cè)試記錄表5、進(jìn)行結(jié)果及誤差分析六、總結(jié)經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)幾天的努力，設(shè)計(jì)了自動(dòng)溫度控制裝置，測(cè)量精度和測(cè)量范圍在理論上基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，在電路設(shè)計(jì)制作過(guò)程中較深入的了解了溫度自動(dòng)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(shí)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(jì)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)主要有以下幾個(gè)難點(diǎn)：1、18B20的時(shí)序非常嚴(yán)格，一旦時(shí)序紊亂將不會(huì)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

15、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(dòng)電路。在報(bào)警系統(tǒng)的意義探討時(shí)，各有看法，最終敲定于提示“設(shè)置無(wú)效”和“超出工作范圍”。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們綜合成本，環(huán)境等因素選擇簡(jiǎn)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(bào)自然科學(xué)版)2006年第19卷第4期2、肖衡，陳春俊-PID溫度控制裝置的電路設(shè)計(jì)-西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院3、徐愛(ài)鈞單片機(jī)原理實(shí)用教程-電子工業(yè)出版社4、楊三青-過(guò)程控制-華中科技大學(xué)出版社5、基于51單片機(jī)的溫度測(cè)量系統(tǒng)-中文核心期刊微計(jì)算機(jī)信息嵌入式與SOC)2007年第23卷第1-2期6、高加林、郭微波一種高效率TEC溫度控制器的設(shè)計(jì)-集成電路通信2007年3月第25卷第一期由于篇幅有限，詳細(xì)資料見(jiàn)電子文檔-8-/11- -/11cn廠unum、ckr_燦感盛并LaMSH和久-5甬rili磔3労魅剛塹狒勇報(bào)IOSM