1、水溫控制系統(tǒng)(B題)摘要在能源日益緊張的今天，電熱水器，飲水機(jī)和電飯煲之類的家用電器在保溫時(shí)，由于其簡單的溫控系統(tǒng)，利用溫敏電阻來實(shí)現(xiàn)溫控，因而會(huì)造成很大的能源浪費(fèi)。但是利用AT89C51單片機(jī)為核心，配合溫度傳感器，信號(hào)處理電路,顯示電路，輸出控制電路，故障報(bào)警電路等組成的控制系統(tǒng)卻能解決這個(gè)問題。單片機(jī)可將溫度傳感器檢測到的水溫模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并顯示于1602顯示器上。該系統(tǒng)具有靈活性強(qiáng)，易于操作，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)有更廣闊的開發(fā)前景。水溫控制系統(tǒng)概述能源問題已經(jīng)是當(dāng)前最為熱門的話題，離開能源的日子，世界將失去一切顏人，人們將寸步難行，我們知道雖然電能是可再生能源，但是在今天還是有很

2、多的電能是依靠火力，核電等一系列不可再生的自然資源所產(chǎn)生，一旦這些自然資源耗盡，我們將面臨電能資源的巨大的缺口，因而本設(shè)計(jì)從開源節(jié)流的角度出發(fā)，節(jié)省電能，保護(hù)環(huán)境。一、設(shè)計(jì)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)定的溫度基本不變。二、要求1、基本要求(1)溫度設(shè)定范圍為：4090C,最小區(qū)分度為1C,標(biāo)定溫度&VCo(2)環(huán)境溫度降低時(shí)溫度控制的靜態(tài)誤差&rco(3)能顯示水的實(shí)際溫度。2、發(fā)揮部分（1）采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ǎ?dāng)設(shè)定溫度突變（由40提高到60）時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。

3、（2）溫度控制的靜態(tài)誤差00.2Co（3）在設(shè)定溫度發(fā)生突變時(shí)，自動(dòng)打印水溫隨時(shí)間變化的曲線。（4）其他。一系統(tǒng)方案選擇1.1 溫度傳感器的選取目前市場上溫度傳感器較多，主要有以下幾種方案：方案一：選用鉑電阻溫度傳感器。此類溫度傳感器線性度、穩(wěn)定性等方面性能都很好,但其成本較高。方案二：采用熱敏電阻。選用此類元器件有價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，但由于熱敏電阻的非線性特性會(huì)影響系統(tǒng)的精度。方案三：采用DS18B20溫度傳感器。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO92小體積封裝形式；溫度測量范圍為55c+125C,可編程為9位12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0.062

4、5C,被測溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出遠(yuǎn)端引入。此器件具有體積小、質(zhì)量輕、線形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。比較以上三種方案，方案三具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此選用方案三。1.2 溫度顯示模塊方案一：采用8個(gè)LED八段數(shù)碼管分別顯示溫度的十位、個(gè)位和小數(shù)位。數(shù)碼管具有低能耗，低損耗、壽命長、耐老化、對(duì)外界環(huán)境要求低。但LED八度數(shù)碼管引腳排列不規(guī)則，動(dòng)態(tài)顯示時(shí)要加驅(qū)動(dòng)電路，硬件電路復(fù)雜。方案二：采用帶有字庫的12864液晶顯示屏。12864液晶顯示屏具有低功耗，輕薄短小無輻射危險(xiǎn)，平面顯示及影像穩(wěn)定、不閃爍、可視面積大、畫面效果好、抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)12864帶有

5、字庫，編程容易，且具有多種功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、睡眠模式、增加可讀性、降低功耗。由于要顯示只有設(shè)定和測量的兩個(gè)溫度值，8位數(shù)碼管足夠使用，所以選擇方案一。1.3 控制電路部分方案一：采用8031芯片，其內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器，需要進(jìn)行外部擴(kuò)展，這給電路增加了復(fù)雜度。方案二：采用2051芯片，其內(nèi)部有2KB單元的程序存儲(chǔ)器，不需外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。但由于系統(tǒng)用到較多的I/O口，因此此芯片資源不夠用。方案三：采用AT89C51單片機(jī)，其內(nèi)部有4KB單元的程序存儲(chǔ)器，不需外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，而且它的I/O口也足夠本次設(shè)計(jì)的要求。比較這三種方案，綜合考慮單片機(jī)的各部分資源，因此此次設(shè)計(jì)選用方案二。1.

6、4 PID過程控制部分：過程控制的基本概念過程控制一一對(duì)生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制。1、 模擬控制系統(tǒng)模擬調(diào)節(jié)器圖5-1-1基本模擬反饋控制回路被控量的值由傳感器或變送器來檢測，這個(gè)值與給定值進(jìn)行比較，得到偏差，模擬調(diào)節(jié)器依一定控制規(guī)律使操作變量變化，以使偏差趨近于零，其輸出通過執(zhí)行器作用于過程。控制規(guī)律用對(duì)應(yīng)的模擬硬件來實(shí)現(xiàn)，控制規(guī)律的修改需要更換模擬硬件。2、 微機(jī)過程控制系統(tǒng)微型訂算機(jī)圖5-1-2微機(jī)過程控制系統(tǒng)基本框圖執(zhí)行器過程D/A被控變量 以微型計(jì)算機(jī)作為控制器。控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)，是通過軟件來完成的。改變控制規(guī)律，只要改變相應(yīng)的程序即可。3、 數(shù)字控制系統(tǒng)DDC示印錄

7、警顯打記報(bào)微型計(jì)算機(jī)工業(yè)對(duì)象圖5-1-3DDC系統(tǒng)構(gòu)成框圖DDC(DirectDigitalCongtrol)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)用于過程控制的最典型的一種系統(tǒng)。微型計(jì)算機(jī)通過過程輸入通道對(duì)一個(gè)或多個(gè)物理量進(jìn)行檢測，并根據(jù)確定的控制規(guī)律(算法)進(jìn)行計(jì)算，通過輸出通道直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使各被控量達(dá)到預(yù)定的要求。由于計(jì)算機(jī)的決策直接作用于過程，故稱為直接數(shù)字控制。DDC系統(tǒng)也是計(jì)算機(jī)在工業(yè)應(yīng)用中最普遍的一種形式模擬PID控制系統(tǒng)組成微分比例圖514模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量

8、，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。1 、PID調(diào)節(jié)器的微分方程u(t)=Kpe(t)1-；e(t)dtTd啰Ti0dt式中&t)=Mt)-c(t)2 、PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)D(S)=U(S)=Kp11TdSE(S)_TiSPID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用1、比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t),偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。2、積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI,TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。3、微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系

9、統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。數(shù)字PID控制器一、模擬PID控制規(guī)律的離散化模擬形式離散化形式e(t)=r(t)-c(t)e(n)=r(n)一c(n)de(t)dTe(n)-e(n-1)Tt(e(t)dtnnZe(i)T=TZe(i)i=0i=0、數(shù)字PID控制器的差分方程u(n)=KpJe(n)+工Ze(i)+TDb(n)e(n1)|十u0TitT=UP(n)Ui(n)Ud(n)uo式中Up(n)=KPe(n)稱為比例項(xiàng)稱為積分項(xiàng)T/Ui(n)-Kpe(i)Tii=0UD（n）=KpTDe（n）-e（n-1）】稱為微分項(xiàng)T2總體方案原理的理論分析2.1 系統(tǒng)模塊分為：DS18B20模塊，數(shù)碼管

10、顯示模塊，繼電器模塊，獨(dú)立鍵盤輸入模塊和聲光報(bào)警模塊，DS18B20可以被編程，所以箭頭是雙向的，CPU(89c51)首先寫入命令給DS18B20,然后DS18B20開始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后通89C51來處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果就顯示到數(shù)碼管上。2.2 系統(tǒng)模塊總關(guān)系圖3電路與程序設(shè)計(jì)1.蜂鳴器模塊L2DSUB：|vcc10KP37SPEAKER2.數(shù)碼管顯示模塊下圖是數(shù)碼管顯示模塊的圖日日日日P號(hào)U50灑U34-U-I二U引。工12R34L52.C6plOuFSCL7SDA8i910P3111RIP321210KP331314C215vcc卜T30孝C3P3616巴訐普18下KTFIzPIQV

11、CCPl.1(ADO)PO.0Pl.2(AD1)POJPl3(AD2JP02Pl.4(AD3)P0.3PI.5(AD4)P0r4PIi(AD5)PO5Pl.7(AD6)P0.6RST(AD7JP0.7P30(RXDEA/VPPP3.jTXD)ALE/PROGP3J(lMp)PSENP33flNT1)(A15)P2.7P3.4(TO)(Al4)P2.6P3.5CT)fAl3P23P3用(Al2)P2+4P，7很D)(Al1)P23XTAL2(Al0)P2.2XTAL1GNDAS2.0UIIVCC40139A3HF日36E35D34dp33C32755-lvcc2928P27HIP2525P232

12、3五-P2I213.89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊如下，P0口接10K的上拉電阻以便與顯示模塊通訊。4.鍵盤和Cl.卜U1博二A(1L:REALX31阜耳釗23u門口1u2-L_陽TB回3JL13_*!L節(jié)R1Plf_6fflK理LZ_TBDS18B20模塊MALI，口枷口:EL2RFTPjTALE蒜P1,AT2P11H2EDSIKB2-|vccR1310KP37DS18B20模塊對(duì)水溫進(jìn)行采樣，并與單片機(jī)通RVCC5測試方案與測試結(jié)果5.1 測試方案如下：用繼電器模塊來控制300W“熱得快”來對(duì)1升水進(jìn)行加熱，用獨(dú)立按鍵設(shè)定需加熱溫度值，觀察數(shù)碼管所顯示的穩(wěn)定時(shí)的水溫值和環(huán)境溫度降低時(shí)溫度控制的靜態(tài)誤差。多次調(diào)試并和設(shè)定PID參數(shù)來完善該系統(tǒng)。5.2 測試結(jié)果如下：經(jīng)過多次測試，得到如下數(shù)據(jù)設(shè)定溫度十404550556065實(shí)際溫度/