水溫控制凌陽(yáng)單片機(jī)PID溫控詳細(xì)解答資料過(guò)程課件

電子競(jìng)賽之水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能及要求功能

設(shè)計(jì)制作一個(gè)水溫控制系統(tǒng)，控制對(duì)象為1升凈水，容器為搪瓷器皿，水溫可以在范圍內(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)定溫度基本不變。指標(biāo)要求環(huán)境溫度降低時(shí)（例如用電風(fēng)扇降溫）溫度控制的靜態(tài)誤差≤1℃。

溫度設(shè)定范圍為40～90℃，最小區(qū)分度為1℃，標(biāo)定溫度≤1℃。

用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示水的實(shí)際溫度。

發(fā)揮部分采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)設(shè)定溫度突變（由40℃提高60℃）時(shí)，減小系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。

溫度控制的靜態(tài)誤差≤0.2℃。

在設(shè)定溫度發(fā)生突變（由40℃提高到60℃）時(shí)，自動(dòng)打印水溫隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。

設(shè)計(jì)功能及要求摘要本系統(tǒng)采用凌陽(yáng)十六位單片機(jī)SPCE061A實(shí)現(xiàn)溫度控制，溫度信號(hào)由PT1000和電壓放大電路提供。通過(guò)PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)電爐溫度和水溫控制。同時(shí)，具有溫度數(shù)字語(yǔ)音播報(bào)和顯示。

（一）方案設(shè)計(jì)與論證測(cè)量部分

方案一：采用熱敏電阻，可滿(mǎn)足40攝氏度至90攝氏度測(cè)量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性都比較差，對(duì)于檢測(cè)小于1攝氏度的信號(hào)是不適用的。方案二：采用溫度傳感器鉑電阻Pt1000。Pt1000精度和重復(fù)性較好，且電路設(shè)計(jì)方便。

（一）方案設(shè)計(jì)與論證驅(qū)動(dòng)部分方案一：此方案采用89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，但是89C51需外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采樣。如果系統(tǒng)增加語(yǔ)音播放功能，還需外接語(yǔ)音芯片，對(duì)外圍電路來(lái)說(shuō)，比較復(fù)雜，且軟件實(shí)現(xiàn)也較麻煩。另外，51單片機(jī)需要用仿真器來(lái)實(shí)現(xiàn)軟硬件調(diào)試，較為繁瑣。

（二）系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路結(jié)構(gòu)繼電器部分電路繼電器簡(jiǎn)介常用的繼電器種類(lèi)固態(tài)繼電器；電磁繼電器繼電器重要的指標(biāo)數(shù)：

1)

觸點(diǎn)最大額定值――觸點(diǎn)能可靠通斷的最大電壓和電流值，它是一個(gè)與最大開(kāi)斷功率、最大通斷電壓和最大通斷電流相關(guān)的參數(shù)，此參數(shù)將在每種繼電器的詳細(xì)規(guī)范中以曲線(xiàn)的形式表示；測(cè)溫部分電路Pt1000部分電路溫度傳感器鉑電阻鉑電阻的物理化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定能用于工業(yè)測(cè)溫元件和作為溫度標(biāo)準(zhǔn)。

Rt=R0(1+At+Bt*t)Rt是溫度為t攝氏度時(shí)的電阻，R0是溫度為0攝氏度時(shí)的電阻；t為任意溫度；A,B為溫度系數(shù)。

Pt1000:0攝氏度時(shí)阻值是1K歐姆，100攝氏度阻值是1380歐姆。零點(diǎn)調(diào)節(jié)方法：外接固定阻值1K歐姆，調(diào)節(jié)電位器輸出電壓為穩(wěn)壓二極管電壓值。此處為1.2V.熱敏電阻（NTC,PTC,CTR)集成溫敏傳感器運(yùn)放介紹HT9274集成四個(gè)運(yùn)算放大器單電源供電工作電壓1.6V---5.5V低功耗每個(gè)放大器消耗電流<5uA與LM324/274（14pin）兼容運(yùn)放電路：采用差動(dòng)運(yùn)放。可以進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。定零點(diǎn)比較方便較準(zhǔn)確。LED數(shù)碼管介紹電路分析：此處使用的電阻起限流和穩(wěn)流作用。晶體管用來(lái)做電流開(kāi)關(guān)，總體來(lái)說(shuō)電阻和晶體管都是用來(lái)調(diào)整LED數(shù)碼管亮度的。另外考慮到軟件驅(qū)動(dòng)顯示的方便性，因此選擇的端口為IOB0至IOB9。

數(shù)碼管簡(jiǎn)單介紹：用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管有很多方法，按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)（掃描）顯示，按譯碼方式可分硬件譯碼和軟件譯碼之分。靜態(tài)顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，使用的硬件較多；動(dòng)態(tài)顯示需要CPU時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的CPU時(shí)間多。這兩種顯示方式各有利弊；靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，動(dòng)態(tài)顯示雖然有閃爍感，占用的CPU時(shí)間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線(xiàn)路板空間。

LED數(shù)碼管介紹基本電路連接按鍵部分電路功放芯片介紹SPY0030簡(jiǎn)介

工作電壓2.4V---6V

最高輸出功率達(dá)到850mW

串口通訊部分電路

溫度設(shè)置狀態(tài)在溫度設(shè)置狀態(tài)下，加熱爐停止工作，LED隨按鍵次數(shù)而變化顯示。按確認(rèn)鍵后，進(jìn)入溫度設(shè)置確定狀態(tài)。

（三）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)PID算法介紹直接計(jì)算法就是當(dāng)前需要的控制量公式：Pout=Kp*e(t)+Ki*∑e(t)+Kd(e(t)–e(t-1));增量計(jì)算法就是得到的結(jié)果是增量，也就是說(shuō)在上一次的控制量的基礎(chǔ)上需要增加的控制量。公式：Pout(t-1)=Kp*(e(t)–e(t-1)+Kie(t)+Kd(e(t)–2*e(t-1)+e(t-2));

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)溫度過(guò)程的采樣周期一般為5—20s，考慮到1kW電爐對(duì)1L水的加溫可能較快，采樣周期暫定為5s，在根據(jù)實(shí)際情況作調(diào)整。基本偏差:e(t)表示當(dāng)前測(cè)量值與設(shè)定目標(biāo)之差，設(shè)定目標(biāo)是被減數(shù)，結(jié)果可以是正或負(fù)，正數(shù)表示還沒(méi)有達(dá)到，負(fù)數(shù)表示已經(jīng)超過(guò)了設(shè)定值。這是面向比例項(xiàng)用的變動(dòng)數(shù)據(jù)。累計(jì)偏差：∑e(t)=e(t)+e(t-1)+e(t-2)+…….+e(1),這是我們每一次測(cè)量到的偏差值的總和，這是代數(shù)和，考慮到正負(fù)符號(hào)的運(yùn)算，這是面向積分項(xiàng)用的變動(dòng)數(shù)據(jù)?；酒畹南鄬?duì)偏差：e(t)–e(t-1)，用本次的基本偏差減去上一次的基本偏差，用于考察當(dāng)前控制的對(duì)象的趨勢(shì)，作為快速反應(yīng)的重要依據(jù)，這是面向微分項(xiàng)的一個(gè)變動(dòng)數(shù)據(jù)。

PID算法介紹比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

PID算法介紹主程序流程圖程序流程圖中斷程序流程圖（四）測(cè)試方法與結(jié)果1.

測(cè)試環(huán)境環(huán)境溫度28攝氏度測(cè)試儀器:數(shù)字萬(wàn)用表；溫度計(jì)0---100攝氏度；打印機(jī)；秒表2．測(cè)試方法使系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，采用溫度計(jì)同時(shí)測(cè)量水溫變化情況，得出系統(tǒng)溫差指標(biāo)。3．測(cè)試結(jié)果設(shè)定溫度由40攝氏度到60攝氏度標(biāo)定溫差<=0.4攝氏度調(diào)節(jié)時(shí)間350秒靜態(tài)誤差<=0.2攝氏度最大超調(diào)量0.5攝氏度4.測(cè)試結(jié)果分析如果加入模糊控制會(huì)使調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，增強(qiáng)PID控制的效果。（五）總結(jié)由于SPCE061A的時(shí)鐘最高可達(dá)49M，32個(gè)I/O口，而且具有一定的語(yǔ)音處理功能等，這些都為我們實(shí)現(xiàn)電路提供了非常便利的條件。同時(shí)也因?yàn)殚_(kāi)發(fā)環(huán)境友好，易用，方便