水溫控制系統(tǒng)(D題)報(bào)告

南京郵電大學(xué)第五屆電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告參賽題目：水溫控制系統(tǒng)題目編號(hào)：D參賽隊(duì)員：錢錦城李前洋殷樂參賽單位：南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院日期：二〇一〇年七月十三日摘要本文介紹了一種基于飛思卡爾〔Freescale〕HCS12系列單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)原理。本系統(tǒng)具有溫度實(shí)時(shí)顯示、溫度測(cè)量、溫度設(shè)定以及根據(jù)需要實(shí)時(shí)控溫的功能。本文重點(diǎn)介紹了，水溫控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)、控制思想以及測(cè)試過程。溫度控制局部采用脈寬調(diào)制PWM波驅(qū)動(dòng)加熱設(shè)備的通斷；控制局部采用經(jīng)典的增量式PID算法，控制精確和及時(shí)，誤差小。關(guān)鍵字：FreescaleHCS12水溫控制PID脈寬調(diào)制PWM設(shè)計(jì)報(bào)告目錄1.系統(tǒng)方案11．1比擬與選擇11．1．1題目要求11．1．2控制電路方案比擬11．1．3測(cè)溫方案的選擇11．1．4溫度控制方案21．2方案描述22.理論分析與計(jì)算22．1溫度控制方案描述22．2溫度標(biāo)定方法22．3溫度靜態(tài)誤差計(jì)算方法33.電路與程序設(shè)計(jì)33．1電路設(shè)計(jì)33．1．1溫度采集電路33．1．2顯示、鍵盤電路43．1．3加熱控制電路53．1．4升壓電路53．1．5單片機(jī)最小系統(tǒng)電路63．2程序設(shè)計(jì)63．2．1整體程序概述63．2．2溫度采集和計(jì)算程序83．2．3PID加熱控制84.測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果94．1測(cè)試方案及測(cè)試條件104．2測(cè)試結(jié)果完整性104．2．1測(cè)定傳感器溫度值標(biāo)定104．2．2測(cè)試溫度控制104．3測(cè)試結(jié)果分析135.總結(jié)13附錄：參考文獻(xiàn)131.系統(tǒng)方案1．1比擬與選擇1．1．1題目要求〔1〕、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)水溫自動(dòng)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)控制，以保持設(shè)定的溫度根本不變?！?〕、要求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℃。②自然環(huán)境溫度條件下溫度控制的靜態(tài)誤差≤1℃。③用十進(jìn)制數(shù)碼管或液晶屏顯示水的設(shè)定溫度值和實(shí)際溫度。④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℃。⑤當(dāng)設(shè)定溫度突變〔由40℃提高到60℃〕且環(huán)境溫度受干擾〔例如用電風(fēng)扇時(shí)吹時(shí)停〕時(shí)，減小系統(tǒng)的溫度控制的靜態(tài)誤差≤1℃。1．1．2控制電路方案比擬方案一：選配搭建適當(dāng)?shù)哪M檢測(cè)電路，再配合相應(yīng)的邏輯電路，組成相應(yīng)的采集數(shù)據(jù)分析電路，溫度顯示、溫度設(shè)定電路等，但相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)搭建比擬復(fù)雜，且利用率不高。方案二：采用單片機(jī)微控制器作為核心控制單元，同時(shí)控制溫度顯示、溫度設(shè)定、加熱和降溫電路。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，本錢較低，控制方便，可行性強(qiáng)。綜合考慮，我們選用了較易實(shí)現(xiàn)的方案二。1．1．3測(cè)溫方案的選擇方案一：使用帶環(huán)套的PT100溫度傳感器用于溫度測(cè)量。該傳感器封裝性較好，，適宜對(duì)水溫的測(cè)量，且溫度測(cè)量范圍廣，靈敏度高。但相應(yīng)地有一定的本錢。方案二：使用具有一定測(cè)量精度的溫度傳感器AD590，測(cè)量范圍廣，靈敏度好，電路搭建方便，使用操作簡(jiǎn)單，可行性很強(qiáng)。另外，AD590的本錢適中，但需要做好防水的封裝。方案三：采用廣泛使用的DS18B20溫度傳感器。該傳感器具有一定的測(cè)量范圍，電路搭建和使用方便。但相對(duì)本設(shè)計(jì)測(cè)量范圍有一定偏差，另外，其精度也有限，還需要做好防水措施。綜合匯總方案，我們選擇了方案二。1．1．4溫度控制方案我們選用的是容易加熱的電熱式搪瓷電熱水杯，只要控制電熱水杯通斷時(shí)間長(zhǎng)短即可。另外，當(dāng)水溫高于設(shè)定值時(shí)，翻開電扇，對(duì)水進(jìn)行降溫。在開關(guān)控制模式選擇方面，考慮到要將單片機(jī)的弱電信號(hào)控制使用強(qiáng)點(diǎn)工作的電器開關(guān)，我們使用了繼電器，通過上下電平控制繼電器的通斷，從而控制電器的開關(guān)情況。此種方法控制方便，電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，有很強(qiáng)的可靠性。1．2方案描述通過對(duì)題目的分析與思考，整合以上幾種方案，整個(gè)系統(tǒng)可以由以下幾局部構(gòu)成：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、顯示電路、鍵盤電路、測(cè)溫電路、加熱控制電路等。各局部的組成結(jié)構(gòu)可以參考下列圖。單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)溫度測(cè)量加熱控制鍵盤輸入溫度顯示電熱水杯電扇圖12.理論分析與計(jì)算2．1溫度控制方案描述本方案對(duì)水溫的控制有著較高的要求，因此，水溫的控制是關(guān)鍵。首先是溫度采集的準(zhǔn)確性。我們采用溫度傳感器AD590產(chǎn)生的電流與熱力學(xué)溫度的正比關(guān)系，并通過單片機(jī)的AD模塊進(jìn)行精確采集，從而準(zhǔn)確地獲得當(dāng)前的溫度值。其次，根據(jù)要求，可以采用電熱水杯進(jìn)行加熱，控制電熱水杯的功率即可控制加熱速度。當(dāng)水溫過高時(shí)，一般不能對(duì)水進(jìn)行降溫控制，而只能關(guān)掉電熱水杯，讓其自然冷卻。在制作中，為了到達(dá)更好的控制效果，也可以放置一個(gè)小風(fēng)扇，當(dāng)加熱時(shí)開啟電熱水杯關(guān)閉風(fēng)扇，當(dāng)水溫超高時(shí)關(guān)閉電熱水杯開啟風(fēng)扇加速散熱。另外，我們還通過相應(yīng)的控制算法，大概地控制加熱功率的大小，從而準(zhǔn)確地對(duì)水溫進(jìn)行控制。2．2溫度標(biāo)定方法我們使用的是單片機(jī)的AD模塊將溫度產(chǎn)生的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)〔具體模擬電壓產(chǎn)生方法，將在電路與程序設(shè)計(jì)中表達(dá)〕。在溫度采集完成后，我們將采集的AD值存入AD_Value這個(gè)變量中。由于我們采用的AD轉(zhuǎn)換精度是12位，參考電壓時(shí)5V，經(jīng)過相應(yīng)的計(jì)算和熱力學(xué)溫度轉(zhuǎn)換，我們可以得到相應(yīng)的攝氏溫度，計(jì)算公式如下〔公式的推導(dǎo)過程，將在電路與程序設(shè)計(jì)中表達(dá)〕：當(dāng)前攝氏溫度t=(500×AD_Value÷4096﹣273)℃。2．3溫度靜態(tài)誤差計(jì)算方法由于電阻的阻值隨溫度有一定的變化，那么在返回給單片機(jī)的電壓與理論值那么存在一定的誤差，從而計(jì)算值與理論值產(chǎn)生了誤差。①下面給出一個(gè)式子，是關(guān)于返回給單片機(jī)的電壓值V0(V)與傳感器采集到的攝氏溫度t(℃)之間的關(guān)系：V0(V)=R(Ω)×(273+t)(K)×1(μA)，其中R為電阻阻值〔為10KΩ〕。當(dāng)V0產(chǎn)生1V的電壓值變化，那么相應(yīng)的攝氏溫度計(jì)算值變化100℃②下面計(jì)算由于電阻阻值產(chǎn)生的誤差〔粗略計(jì)算〕。我們?cè)跍y(cè)量過程中，一般的溫度變化能夠引起電阻幾十至幾百歐的阻值變化，那么設(shè)阻值變化的量△R=10-2KΩ，在室溫(27℃)下，電壓值變化量有△V0(V)=△R×(273+27)(K)×1(μA)≈0.003V故有室溫下，阻值的變化量會(huì)至少引起溫度計(jì)算值的0.3℃3.電路與程序設(shè)計(jì)3．1電路設(shè)計(jì)3．1．1溫度采集電路前面已經(jīng)表達(dá)過，我們采用的是AD590溫度傳感器，其外形及相應(yīng)的管腳定義如下圖。圖2AD590溫度傳感器是一種已經(jīng)IC化的溫度感測(cè)器，它會(huì)將溫度轉(zhuǎn)換為電流。AD590測(cè)量時(shí)動(dòng)態(tài)誤差小，動(dòng)態(tài)電阻阻值高，相應(yīng)速度很快，測(cè)溫范圍是－55℃～＋150℃。在工作時(shí),AD590等效于一個(gè)高阻抗的恒流源。其工作電壓為+4V～＋30V，在測(cè)溫范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)于熱力學(xué)溫度T每變化1K，就輸出1μA的電流，且其輸出電流I(μA)與熱力學(xué)溫度T(K)嚴(yán)格成正比，即有公式：I/T=1.000μA/K針對(duì)這一特性，而且其搭建的電路簡(jiǎn)單，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下的溫度采樣電路。＋＋－R=10KVcc=12V＋－VoutLM358AD590Io圖3我們將AD590置于工作電壓范圍內(nèi)之后，將其輸出的電流量Io通過電阻轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓量Vout。另外，我們用運(yùn)算放大器LM358構(gòu)成一個(gè)電壓跟隨器，使得輸出電壓Vout穩(wěn)定，最后Vout送至單片機(jī)的AD采集口。針對(duì)2.2中提到的模擬電壓產(chǎn)生方法，對(duì)應(yīng)的模擬電壓Vout與攝氏溫度t的關(guān)系式為：Vout(V)=R(Ω)×(273+t)(K)×1(μA)，其中R為電阻阻值〔為10KΩ〕。3．1．2顯示、鍵盤電路我們的顯示模塊采用的是LCD1602液晶屏，配合單片機(jī)的相應(yīng)程序，通過數(shù)據(jù)口，向1602中寫入命令和數(shù)據(jù)。如下是1602液晶屏的典型電路。圖4鍵盤電路采用5個(gè)按鍵組成獨(dú)立式鍵盤〔如圖5〕，在單片機(jī)程序中掃描按鍵電平情況，判斷按鈕通斷情況。＋5V＋5VK1K2K3K4K5圖53．1．3加熱控制電路對(duì)加熱設(shè)備和冷卻設(shè)備的通斷控制，我們使用的是簡(jiǎn)單易行的繼電器控制電路，通過三極管將單片機(jī)通斷信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)繼電器工作，控制220V市電的通斷，從而使電器設(shè)備正常工作。圖63．1．4升壓電路由于我們?cè)O(shè)計(jì)的工作電路，傳感器AD590的工作電壓為12V，而電源供電是5V，因此我們做了一個(gè)升壓電路，穩(wěn)定電壓為12V。圖73．1．5單片機(jī)最小系統(tǒng)電路我們使用的是Freescale公司的S12系列單片機(jī)，為此我們是用了如下的單片機(jī)最小系統(tǒng)電路。圖83．2程序設(shè)計(jì)3．2．1整體程序概述我們的整個(gè)程序共分為這樣幾個(gè)模塊：液晶顯示程序、鍵盤掃描程序、溫度采集和計(jì)算程序、加熱控制程序等。其中，不同的程序模塊置于不同的位置；液晶顯示程序和鍵盤掃描程序置于主函數(shù)的大循環(huán)中。溫度采集和計(jì)算程序、加熱控制程序置于定時(shí)中斷函數(shù)中。這樣，程序的實(shí)時(shí)性和效率就得到了提高。圖7是主函數(shù)的流程圖：開始開始各個(gè)模塊初始化顯示初始界面和溫度是否有按鍵輸入按鍵掃描設(shè)定溫度值是否確認(rèn)是否是否圖9開始讀取AD值并計(jì)算當(dāng)前水溫值開始讀取AD值并計(jì)算當(dāng)前水溫值是否記錄了50組數(shù)據(jù)求取50組數(shù)據(jù)平均值作為當(dāng)前水溫值調(diào)用PID進(jìn)行加熱控制圖103．2．2溫度采集和計(jì)算程序在前面的溫度采集電路中我們已經(jīng)介紹了將溫度傳感器AD590轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓量Vout的方法。隨后我們將電壓值Vout輸入到S12單片機(jī)的AD通道，通過單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換功能，將模擬電壓量數(shù)字化，方便之后的水溫計(jì)算。在對(duì)單片機(jī)AD模塊的初始化中，我們?cè)O(shè)定的12位轉(zhuǎn)換精度，參考電壓為5V，初始化程序如下：voidATD_Init(void){ATD0CTL1=0x7F;//12位轉(zhuǎn)換精度ATD0CTL2=0x40;//翻開CCF快速清零位，關(guān)閉外部觸發(fā)輸入，關(guān)閉中斷ATD0CTL3=0xF8;//數(shù)據(jù)左對(duì)齊，non-fifo，轉(zhuǎn)換序列長(zhǎng)度為15ATD0CTL4=0x83;//采樣時(shí)間為12個(gè)ATD時(shí)鐘周期，ATDCLK=8MB/8=1MHzATD0CTL5=0x30;//連續(xù)進(jìn)行ATD轉(zhuǎn)換序列，多通道采樣，從0通道開始ATD0DIEN=0x00;//禁止數(shù)字輸入}隨后，我們將采集回來的AD值存放入變量AD_Value中，由于我們采用的是12位轉(zhuǎn)換精度，參考電壓為5V，因此，所得出的Vout=AD_Value／4096×5(V)。另外，參考之前所述，電壓Vout與攝氏溫度t之間的關(guān)系式〔其中R為電阻阻值，為10KΩ〕Vout(V)=R(Ω)×(273+t)(K)×1(μA)，那么可以得到計(jì)算攝氏溫度的式子：t=(500×AD_Value÷4096﹣273)℃。但是由于每次采集到的AD值不是很穩(wěn)定，數(shù)值波動(dòng)比擬大，故未來減小誤差，我們將連續(xù)采集50次計(jì)算得到的水溫值求平均，作為最終的水溫值，這樣可以減小誤差。3．2．3PID加熱控制首先，冷卻裝置的通斷比擬簡(jiǎn)單。當(dāng)水未處于加熱狀態(tài)下，由于環(huán)境溫度的作用，水還是會(huì)自然冷卻散溫。因此，我們只要設(shè)定當(dāng)前水溫高出設(shè)定值的溫度差，由單片機(jī)送出開啟信號(hào)，開啟電扇冷卻即可。其次，設(shè)置電熱水壺通斷方式。為了控制電熱水壺所獲得的電壓有效值，只需控制一個(gè)市電周期內(nèi)的通斷比例即可。因此，在繼電器的根底上，我們讓單片機(jī)產(chǎn)生50HZ的PWM波，送至繼電器的控制端，控制電熱水壺的通斷比例，即到達(dá)控制其加熱功率的目的。為了精確控制加熱時(shí)單片機(jī)所需產(chǎn)生的PWM波的占空比，我們引入了自動(dòng)控制領(lǐng)域常用的PID算法，特別是對(duì)于本系統(tǒng)帶有反響信息的閉環(huán)控制，是很好的控制方式。圖9給出的是PID控制方式的系統(tǒng)模擬圖。圖11PID控制器目的是調(diào)節(jié)輸出，是為了保證偏差值(e值)為零，使系統(tǒng)到達(dá)一個(gè)預(yù)期穩(wěn)定狀態(tài)。由于PID控制對(duì)于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)和離散時(shí)間系統(tǒng)有不同的控制方法，本系統(tǒng)采用的是離散系統(tǒng)的增量式PID算法?？刂乒饺缦拢菏街?，為比例系數(shù)；=為積分系數(shù)；輸入的控制量偏差e(k)是當(dāng)前水溫與設(shè)定溫度的差值，被控對(duì)象是電熱水杯的加熱功率。由于本系統(tǒng)的水溫控制有一定的滯后性，為了提高水溫的加熱速度，我們采用了反響較快的Bang_Bang控制，當(dāng)反響速度大于期望值較大時(shí)，那么直接將PWM給定最大值，當(dāng)反響速度小于期望值較大時(shí)，那么將PWM給定最小值。此種控制方式反響很快，當(dāng)然，為了減小超調(diào)量，需要嚴(yán)格地控制參數(shù)。4.測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4．1測(cè)試方案及測(cè)試條件為了考察所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的性能，我們做了不少的測(cè)試，我們的方案是使用家用水銀溫度計(jì)作為比照，對(duì)不同的溫度設(shè)定值和溫度差，考察系統(tǒng)的加熱性能和測(cè)定值的準(zhǔn)確性。測(cè)試條件：室溫27℃，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。4．2測(cè)試結(jié)果完整性4．2．1測(cè)定傳感器溫度值標(biāo)定使用家用水銀溫度計(jì)測(cè)試AD590測(cè)定溫度的準(zhǔn)確度水銀溫度計(jì)49.949.048.144.843.140.2AD590返回504948454340誤差分析：由于液晶顯示的是AD590測(cè)到溫度的整數(shù)值，存在一定的小數(shù)位誤差，同時(shí)家用水銀溫度計(jì)的誤差存在。綜合考慮測(cè)量的誤差在合理范圍之內(nèi)。4．2．2測(cè)試溫度控制小溫度控制：時(shí)間單位：s，溫度單位：℃設(shè)定溫度：53真實(shí)溫度：50測(cè)試時(shí)間5分鐘時(shí)間044125161213230300溫度53525150515051圖像：設(shè)定溫度：50真實(shí)溫度：53測(cè)試時(shí)間5分鐘時(shí)間044546295108125135163溫度505152535453545354時(shí)間165243245251273300溫度535454545353圖像：〔2〕10度左右的控制：時(shí)間單位：s，溫度單位：℃設(shè)定溫度：50真實(shí)溫度：32測(cè)試時(shí)間10分鐘時(shí)間0344254677780100107溫度323334353637383940時(shí)間117129140148160174183193203溫度414243444546474849時(shí)間214236297342370389400447450溫度505150515051505150圖像設(shè)定溫度：40真實(shí)溫度：50測(cè)試時(shí)間15分鐘時(shí)間03775117163206278332395溫度504948474645444342時(shí)間473543615657733772900溫度41404140414040圖像：〔3〕大幅度升降溫〔30-40〕：時(shí)間單位：s，溫度單位：℃設(shè)定溫度：80真實(shí)溫度：50測(cè)試時(shí)間10分鐘時(shí)間04094147200257328453455溫度505560657075807980時(shí)間464483565587600溫度7980798080圖像：設(shè)定溫度：50真實(shí)溫度：80測(cè)試時(shí)間20分鐘時(shí)間01091812944315938141053溫度8075706560555051時(shí)間1059106810701200溫度50515051圖像：總體分析：控制系統(tǒng)能快速反映，快速加熱和散熱，到達(dá)預(yù)設(shè)溫度，同時(shí)保溫性能也不錯(cuò)，誤差小于一度。4．3測(cè)試結(jié)果分析傳感器的穩(wěn)定性優(yōu)良，分辨率