水温自动控制系统.docx
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水温自动控制系统
水温自动控制系统
《电子技术综合设计》
设计报告
设计题目：
水温自动控制系统
组长姓名：
学号：
专业与班级：
工业自动化14-16班
姓名：
学号：
专业与班级：
工业自动化14-16班
姓名：
学号：
专业与班级：
工业自动化14-16班
时间：
2021～2021学年第
（1）学期
指导教师：
陈烨成绩：
评阅日期：
1.5V直流电供电模块
方案一：
直接用GP品牌的9v电池，然后接通过三端稳压芯片7805稳压成5伏直流电源提供给单片机系统使用，接两个5伏电源的滤波电容后输出。
方案二：
通过变压器，将220v的市电转换成9v左右的交流电，变压器输出端的9V电压经桥式整流并电容滤波。
要得到一个比较稳定的5v电压，在这里接一个三端稳压器的元件7805。
由于需要给继电器提供稳定的5V电压，而方案一中导致电池的过度损耗，无法稳定带动继电器持续工作，所以我们选用能够提供更加稳定5v电源的方案二。
2.测温模块
经查阅资料,IC式感温器在市场上应用比较广泛的有以下几种：
AD590：
电流输出型的测温组件,温度每升高1摄氏度，电流增加1μA，温度测量范围在-55℃～150℃之间。
其所采集到的数据需经A/D转换，才能得到实际的温度值。
DS18B20：
内含AD转换器，所以除了测量温度外，它还可以把温度值以数字的方式（9Bit）送出，因此线路连接十分简单，它无需其他外加电路，直接输出数字量，可直接与单片机通信，读取测温数据。
它能够达到0.5℃的固有分辨率，使用读取温度暂存寄存器的方法还能达到0.0625℃以上精度，温度测量范围在-55℃～125℃之间，应用方便。
SMARTEC感温组件:
这是一只3个管脚感温IC，温度测量范围在-45℃～13℃，误差可以保持在0.7℃以内。
max6225/6626：
最大测温范围也是-55～+125℃，带有串行总线接口，测量温度在可测范围内的的误差在4℃以内，较大，故舍弃该方案。
本设计选用DS18B20感温IC，这是因其性能参数符合设计要求，接口简单，内部集成了A/D转换，测温更简便，精度较高，反应速度快，且经过市场考察，该芯片易购买，使用方便。
下面是DS18B20感温IC的实物和接口图片
3.80C52单片机控制系统
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
4.键盘控制电路
方案一：
四键设定，一个十位控制键，一个个位控制键，一个位控制键，一个确认键，通过四键的配合设定为度，该方案接线和程序简单，但实际操作不太便捷。
方案二：
矩阵键盘设定，通过按键输入不同数字实现温度的设定，电路连接比较简单，程序较方案一复杂，但已经在学习过程中接触过矩阵键盘的编程技巧，有一定的可行性，且操作起来更加符合我们的日常习惯。
本次设计暂定采用矩阵键盘来作为温度设定电路的输入。
5.温度显示模块
方案一：
使用数码管显示，通过数码管显示被测温度和设定温度。
该方案程序简单，且已学习过其编程技巧，但硬件占用单片机I/O口较多，对于尽量节约端口，让线路简单来说不是好方法，而且显示也不够直观灵活，只能显示数字，。
方案二：
使用液晶屏1602显示。
1602可显示两行字符及数字，可以用来显示设定温度及测量温度，较之数码管显示更加清晰直观，虽然此前没有接触过相关知识，但该器件上手比较容易，可以在短期内学会其使用方法。
1602较之数码管更加符合本次设计要求，因此使用1602作为显示器件。
6.继电器控制模块
方案一：
采用普通的控制方法，即水温温度到达临界温度时，控制继电器开闭。
但由于水温变化快，且惯性大，不易控制精度。
方案二：
采用PWM控制加PID算法，通过采用PWM可以产生一个ＰＷＭ波形，而PWM波形的占空比是通过PID算法调节，这样就可以通过控制加热电路的开、断时间比来控制加热器功率进而控制温度的变化，从而使精度提高。
此方法中硬件上可以使用固态继电器或晶闸管控制加热器工作。
我们选择方案二。
一、电路设计
1.电源电路
整个系统需要使用5V直流电和220V交流电。
电源电路采用变压器与稳压模块，将工频电压降为5V直流电，为系统供电。
首先用变压器模块20V交流电降为9V交流电，接入整流电桥，变为直流电输出，再使用三端稳压芯片7805稳压为5V。
L7805输出端要联上电解电容，滤除交流电干扰，防止损坏单片机系统。
LM7805最大可以输出1A的电流，内部有限流式短路保护，短时间内，例如几秒钟的时间，输出端对地（2脚）短路并不会使7805烧坏。
2.温度传感器
DS18B20温度传感器只有三根外引线：
单线数据传输总线端口DQ，外供电源线VDD，共用地线GND。
外部供电方式（VDD接+5V，且数据传输总线接4.7k的上拉电阻，其接口电路如下图（外接电源工作方式）所示。
3.单片机最小系统
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:
单片机、晶振电路、复位电路
4.按键、显示电路
这部分实际上是一个单片机最小系统的基本电路，键盘选用矩阵键盘可满足要求，通过按键输入不同数字实现温度的设定。
在显示方面选用常用的1602液晶显示模块。
通过相应的程序，可以实现温度的实时显示，电路连接也比较简单，只需连接数据总线，和三根控制线即可实现数据控制，实现显示功能。
1602显示电路
5.继电器温控
单片机驱动继电器的通断，从而比较容易的实现对小功率电热棒的加热。
本系统利用继电器的吸合与否来实现水温的自动化控制。
本次设计采用型号为JRC-21F的继电器。
其特点有：
（1）.超小型,低功耗;
（2）.触点型式:
1H,1Z（1A.AC）; （3）.触点负载:
2A,120VAC;
（4）.外型尺寸:
15.7X10.4X11.4
如图是驱动较大功率继电器的接口，当p1.1（连接单片机的输出口）输出低电平时，Q1导通，继电器吸合；当p1.1输出高电平时，Q1截止，继电器断开。
由于继电器吸合时电流比较大，所以在单片机与继电器之间增加了光电耦合器件作为隔离电路。
R3是光电耦合输出管的限流电阻，R4是驱动管Q1基极泄放电阻。
整体硬件电路见附录
二、程序设计
程序结构包括：
主程序、传感器测温程序、lcd1602显示程序、键盘扫描程序、PID计算程序、PWM波形发生程序。
主程序流程图如下所示：
传感器测温程序流程图：
lcd1602显示程序流程图：
键盘扫描程序流程图：
温度比较与PID计算程序流程图：
PWM波形发生程序（定时器中断）流程图：
三、测试方案
1.静态测试：
室温状态下，分别用温度计与18B20传感器检测水温，观察两者是否有误差。
2.动态测试：
用继电器控制“热得快”对1升水加热，用键盘设定需加热温度值，观察、记录1602显示屏上实时水温值的变化过程和每次改变温度设定值后PID调节的超调量。
多次调试并和修改PID参数来完善该系统。
检验水温的稳定值是否满足设计目标的要求。
四、系统调试
1.加热水量与加热器的功率确定
加热器水量与功率应当构成匹配，加热水量过多或功率过小会导致加热时间过长，而加热水量过少或功率过大会使超调增大，不利于控制。
我们选择1L的容器作为测试对象，预计将20摄氏度的水加热到100摄氏度需要5分钟。
经过计算这样的加热器功率至少为1120w，因此选择1000w的加热管。
满足1L的容器很多，但是广口的盆水位较低，不利于加热管的安放。
经过努力，找到了合适的容器（实物见附件），恰能使得加热棒处于最为合适的水位深度。
2.上下层温差的优化和电动机电源的选择
电动机本不在设计的范围里面，但是随着系统调试的进行，发现容器中的的水很难实现热均匀。
容器中上下层温差过大，导致温度传感器所测数据极不准确，滞后过大，非常不利于控制。
所以又添加一个直流减速电机带动桨叶加速冷热水对流，从而让容器里面的水受热均匀，方便测温模块对系统水温的实时监测。
这一额外的电动机没有在事先考虑的器件电气匹配范围内，所以当它与加热模块一同共用5v的直流电源时，已超出了整流模块所能提供的最大电流，于是又添加了一个电源给电动机供电。
3.PID程序的修改调试
当实际水温与目标值差距过大时，加热器只需满功率工作（或完全停止工作）即可满足要求。
此时采用PID控制意义不大，且PID控制范围很大，参数很难整定，而微分环节也容易受到干扰导致加热器无法满功率运行。
因此，在满足控制精度的前提下，可将PID控制的范围缩小到设定温度的±1℃之内。
范围缩小后，PID参数容易调整，控制效果明显增强。
经过调试后PID参数分别为Proportion=10，Integral=8，Derivative=6。
4.PWM波周期的调试
PWM波的周期越短，控制的精度越高。
但PWM波形的输出需要单片机中断程序进行控制，中断频率过高会干扰单片机中主程序的运行。
测温模块18B50对时间的要求非常严格，因此测温模块读取数据期间会与中断程序冲突。
若18B20读数期间允许中断中断会导致其温度输出出现大量错误；若不允许中断会导致PWM波周期频繁变化。
经过调试，将PWM波周期设为5s。
五、数据测试与处理
1.静态温度的测试
室温状态下，分别用温度计与18B20传感器检测水温，得到结果分别为。
温度计显示17.5℃，18B20传感器显示温度17.9℃，在误差允许的范围内，满足要求。
2.动态温度的测试：
令测温系统工作，对1.5L净水加热，设定温度分别为50℃，60℃,80℃，每10s记录一次显示屏幕上的数据，绘制其温度变化曲线，并计算温度控制的超调量，稳态误差。
温度数据及曲线如下：
（1）目标温度50度：
时间（10s）
0
1
2
3
4
5
6
7
温度（℃）
30
30
30.1
30.5
31.1
32
32.7
33.5
时间（10s）
8
9
10
11
12
15
17
18
温度（℃）
34.5
35.3
36.1
37.1
38.1
40.6
42.3
43.2
时间（10s）
19
20
21
23
24
25
26
27
温度（℃）
44.1
45
45.8
47.6
48.4
49.1
49.7
50.8
时间（10s）
28
29
30
31
32
33
34
35
温度（℃）
51.2
51.6
51.8
51.8
51.8
51.8
51.8
51.7
时间（10s）
36
39
40
43
46
51
54
57
温度（℃）
51.6
51.3
51.1
50.8
50.6
50.5
50.3
50.1
时间（10s）
60
63
64
66
68
69
70
72
温度（℃）
50
49.8
49.9
50.1
50.5
50.7
50.7
50.7
时间（10s）
75
78
81
84
87
88
90
91
温度（℃）
50.5
50.4
50.2
50.1
49.9
49.8
50
50
时间（10s）
92
温度（℃）
50
超调量为3.6%
（2）目标温度60度：
时间（10s）
0
1
2
3
4
5
6
7
温度（℃）
50
50.5
51.1
51.8
52.6
53.5
54.1
55
时间（10s）
8
9
10
11
12
13
14
15
温度（℃）
55.8
56.6
57.5
58.3
58.9
59.8
60.3
61.2
时间（10s）
16
17
18
19
20
21
24
27
温度（℃）
61.5
61.6
61.6
61.6
61.5
61.4
61.1
60.8
时间（10s）
30
32
33
34
36
37
40
41
温度（℃）
60.4
60.2
60.1
60
59.8
60
60.2
60.3
时间（10s）
42
45
47
48
50
52
53
54
温度（℃）
60.3
60.2
60
60
59.8
59.9
60.1
60.3
时间（10s）
56
57
温度（℃）
60.4
60.3
超调量为2.5%
（3）目标温度80度：
时间（10s）
0
1
2
3
4
5
6
7
温度（℃）
60
60.8
61.4
62.1
62.8
63.7
64.5
65.3
时间（10s）
8
9
10
11
12
13
15
16.5
温度（℃）
66.1
66.8
67.6
68.3
69.1
70.3
71.3
72.4
时间（10s）
18
19
21
22
23
24
25
26
温度（℃）
73.5
74.3
75.6
76.4
77
77.7
78.4
78.9
时间（10s）
27
28
29
30
31
32
33
34
温度（℃）
79.5
80.1
80.3
80.5
80.5
80.3
80.2
80.1
时间（10s）
35
36
37
38.5
39
40
41
42
温度（℃）
79.8
79.6
79.4
79.3
79.3
79.3
79.4
79.4
时间（10s）
43
44
45
46
47
48
49
50
温度（℃）
79.5
79.6
79.7
79.8
79.9
80
80
79.9
时间（10s）
51
52
53
54
55
56
57
58
温度（℃）
79.7
79.6
79.6
79.6
79.7
79.7
79.8
80
时间（10s）
59
60
61
62
63
温度（℃）
80.1
80
80
80
80
超调量为0.6%
由以上温度曲线可以看出，水温能够保持在设定温度上下，控制过程中超调量<4%,且稳态时的误差在为±0.3℃，满足系统设计要求。
六、设计总结
通过本次应用系统设计，在很大程度上提高了我们的独立思考、分析判断以及动手实践能力，也对系统设计过程以及设计过程中应注意的问题有了初步的认识，加深了我们对所学知识的理解。
出于对自身知识及可获取的学习资源的考虑，我组本次电子综合设计的选题最终定为水温自动控制系统的设计，该题目为往年电设题目，参考资料较易获取且基本未超出我们现掌握的知识水平。
在参考了书本及网络上的设计思想之后，我们确定了该系统的设计方案初稿，并讨论了设计方案的可行性。
讨论确定出实验所需器材以及组员的分工,由一名组员进行程序的编写，另外两名组员进行硬件电路的焊接及调试。
经过几次检查、调试以及修改之后，基本实现了本次设计的部分预期目标：
可通过LCD显示屏显示温度目标值与实时温度，可以通过键盘调整目标温度的数值等功能。
在系统调试过程中，遇到一些问题：
1.由于一开始没有估计好器件占用的空间，所购万用板太小，无法满足实验要求，之后又换用了一个较大的万用板。
在最小系统焊接完成后，由于没有搞清楚按键的内部接线，使单片机一直处于复位状态，无法正常工作，后用万用表排查出该错误。
2.在加热控制器件的选择上花费了较多精力，开始的设计方案是用光电耦合器配合双向晶闸管利用PWM波控制加热功率来实现温度的稳定，但在硬件实验时发现控制导通无法实现，且电压、电流余量有限，不能满足设计要求。
便换用了固态继电器配合三极管来实现功率控制。
3.在完成基本功能后，发现由于水温分布不均匀，温度传感器无法及时检测到水温变化以改变加热功率，减小超调量，又在原系统中增加了电机搅拌器以使水温分布均匀。
4.在PID参数整定中，发现初始的PID算法过于简单，造成被控变量误差与稳定性均较差。
普通的位置PID算法很难满足水温控制系统的要求。
查阅资料后，缩小了PID控制的范围，在满足控制精度的前提下，温控范围缩小到设定温度的±1℃之内。
范围缩小后，PID参数容易调整，控制效果明显增强。
这些问题的解决帮助我们融合所学的知识，极大提高了我们动手能力。
通过对本设计的反思总结，加深了对机械，单片机，自动控制等多方面知识的理解，也激发了我们对电子设计的极大兴趣，这对我们以后的学习生活有着十分重要的作用。
七、参考文献
1.刘海成.《AVR单片机原理及测控工程应用》.北京航空航天大学出版社
2.周润景刘晓霞.《单片机实用系统设计与仿真经典实例》.电子工业出版社
3.谢维成杨加国.《单片机原理与应用及C51程序设计》.清华大学出版社
4.大学生电子设计竞赛组委会.《第五届全国电子设计竞赛获奖作品选编》.北京理工大学出版社
5.黄志伟《全国大学生电子设计竞赛系统设计》。
北京航空航天出版社
6.51黑电子论坛
八、附录
1.电路原理图
2.程序
#include
#include
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitDQ=P2^7;//定义端口
sbitRS=P2^5;
sbitRW=P2^4;
sbitEN=P2^3;
sbitoutput=P2^0;
sbitP0_0=P0^0;
sbitP0_1=P0^1;
sbitP0_2=P0^2;
sbitP0_3=P0^3;
ucharflag;//flag为温度值的正负号标志单元
ucharc[2];//18b20的直接输出量
uintcc,cc2;//变量cc为18b20输出量的直接计算值，cc2为放大100倍温度值
floatcc1;//cc1为温度值
ucharbuff1[10]={"Settemp:
"};//1602屏显示
ucharbuff2[10]={"Curtemp:
"};//1602屏显示
ucharset_c[2]={'5','0'};//用于温度设置及1602屏显示
ucharbuff3[6]={"+00.0"};//1602屏显示
uchartemper,set_temper=50;//temper用于PID的测量值（整数），set_temper用于PID参考值
uints;//PID的测量值（小数）
structPID{
unsignedintSetPoint;//设定目标
unsignedintProportion;//比例常数
unsignedintIntegral;//积分常数
unsignedintDerivative;//微分常数
unsignedintLastError;//Error[-1]
unsignedintPrevError;//Error[-2]
unsignedintSumError;//SumsofErrors
};
structPIDspid;//创建PID结构
uintrout;//PIDOutput
uintrin;//PIDInput
unsignedcharhigh_time,low_time,count=0;//占空比调节参数
voiddelay（uintuseconds）//延时程序
{
for（;useconds>0;useconds--）;
}
ucharow_reset（void）//复位（18B20）
{
ucharpresence;
DQ=0;//DQ低电平
delay（50）;//480ms
DQ=1;//DQ高电平
delay（3）;//等待
presence=DQ;//presence信号
delay（25）;
return（presence）;//0允许,1禁止
}
ucharread_byte（void）//从单总线上读取一个字节（18B20）
{
uchari;
ucharvalue=0;
for（i=8;i>0;i--）
{
value>>=1;
DQ=0;
DQ=1;
delay
（1）;
if（DQ）value|=0x80;
delay（6）;
}
return（value）;
}
voidwrite_byte（ucharval）//向单总线上写一个字节（18B20）
{
uchari;
for（i=8;i>0;i--）//一次写一位
{
DQ=0;
DQ=val&0x01;
delay（5）;
DQ=1;
val=val/2;
}
delay（5）;
}
voidRead_Temperature（void）//读取温度（18B20）
{
ow_reset（）;
write_byte（0xCC）;//跳过ROM
write_byte（0xBE）;//读
c[1]=read_byte（）;//低字节
c[0]=read_byte（）;//高字节
ow_reset（）;
write_byte（0xCC）;
write_byte（0x44）;//再次开始
cc=c[0]*256.0+c[1];//18b20输出量的直接计算值
if（c[0]>0xf8）{flag=1;cc=~cc+1;}elseflag=0;
cc1=cc*0.0625;//计算出温度值
cc2=cc1*100;//温度值放大100倍，放在整型变量中便于取数字
c[0]=（c[0]<<4）&0x7f;
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