2022年温室自动控制系统措施.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 电 子 系 统 设 计 方 案参赛题目：温室自动掌握系统队 长：朱 继 田队 员：杨 建 成陶 文 波报告完成日期： 2022-5-29 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 温室自动掌握系统摘要 :<300 字以内）温度是一种环境参数,温度自动掌握在工农业生产中具有特别重要的作用；半导体制冷器 TEC>是一种比较先进的制冷装置,由于其小型化、无噪声、无污染的特点,在各种温度掌握领域得到了广泛的应用,因此争论半导体制冷器温度的测量方法和设计敏捷精确的温度自动掌握系统具有重要的意义；文章介绍了一种温度自动掌握系统,该系统采纳 ATMEL 公司的高密度、非易失性储备技术生产,兼容标准 MCS-51 指令系统, AT89C52低电压、高性能 CMOS 8 位单片机和单线总线数字温度传感器DS18B20以及 TEC1-12706T125型半导体制冷器等元件；单片机通过温度传感器猎取当前温度,进而掌握半导 体制冷器工作；一、方案设计和论证 本系统由四大部分组成： 1、温度检测装置； 2、掌握系统； 3、执行机构；4、显示同步； 在其中 2 部分掌握系统中,由于ATMEL公司的 AT89C52单片机具有高密度、非易失性、低电压、高性能等优点,且满意本系统和电子设计大赛的两方面要求,因此采纳AT89C52作为微掌握器,该部分方案设计将在文章第三、四部分具体介绍；以下主要针对温度检测系统及执行机构两方面的内容进 行方案设计和论证；模块 1 温度检测装置方案设计对于温度的自动掌握系统而言,温度检测是整个系统设计的第一步；如何 挑选温度传感器是这块电路的关键,它是直接影响整个系统的性能与成效的关键因素之一；方案： 选用数字式温度传感器DS18B20 论证：数字温度传感器 DS18B20最大特点之一是采纳了单总线的数据传输,直接 输出数字信号；与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可依据实际要求通过简洁的编程实现912 位的数字值读数方式；因此便于单片机处理及掌握,节约硬件电路；该系统可以由数字温度计 DS18B20和AT89C52单片机直接构成的温度测量装置；不仅如此,DS18B20最小辨论率为0.0625 ,满意该题温度辨论率为 0.1 的要求,因此温度传感器选用DS18B20；模块 2 执行机构对于温度的自动掌握系统而言,温度执行机构是整个系统设计最核心的一步；温度执行机构的构建直接影响整个掌握模块的工作方式和效率；方案一 ：可控硅调功器电路方案二 ：采纳半导体制冷片 TEC1-12706T125- 1 - / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 论证可控硅调控器电路是利用双向可控硅管和加热丝串接在沟通 220V、50Hz回路；在给定周期 T 内,AT89C52只要转变可控硅管的接通时间便可转变加热丝功率,以达到调剂温度的目的；明显可控硅在给定周期 T 的 100%时间内接通时间的功率最大；明显,对功率的调剂从而调剂温度达不到制冷成效,即使是通过外加风扇来带走外部热量也达不到,故不用此方案；温度执行机构采纳半导体制冷片TEC1-12706T125；该制冷片是由半导体依据特别的结构组成的一种制冷装置,其基本原理是珀耳贴效应；为了满意 系统设计要求,缩短温度调剂时间,需要对制冷器的安装进行论证；一般情形 下,该制冷片的制热成效较好,这里不做争论,主要论证制冷片的制冷成效；方案 1：两片级联方式制冷 为了获得更大的制冷功率,该方案实行两片级联的方式进行制冷,即 将 一片制冷片的冷端与另一片制冷片的热端粘贴在一起,组成一个功率更大的制 冷片；安装时,将级联方式的冷端放置在密封盒内,将热端安装在密封盒外；方案 2：单片水冷方式制冷 为了使制冷器工作在最高效率的状态下,需要对其热端进行高效率散 热；该方案采纳水冷方式对单片制冷片的热端进行冷却,从而达到降低制冷片冷热 端温差的目的；查阅大量资料说明,降低制冷片冷热端的温差能够明显提高制 冷片的工作效率,从而获得较高的制冷功率,缩短温度调剂时间；方案 3：单片风冷方式制冷 为了加快制冷片的散热,外加风扇,通过风的流淌带走制冷片中的热 量,提高效率；安装时,风扇贴近安装在密封盒外的热端；论证：选用方案一将两片级联方式的制冷成效不明显,其缘由可能有以下几 方 面：1、系统热端散热较慢导致热量累计,影响制冷片正常工作,散热装置 需 要进一步优化；2、级联方式功率不匹配,即两片制冷片的功率不能设计成完全一样,其 中一片的制冷量不能完全吸取另一片的导出热量,导致热量累计,影响制冷片 工作,改进方式：做大量试验,给制冷片供应不同工作电压,使其工作在正常 工作状态；要3、系统冷端散热慢导致热量累计,影响制冷片正常工作,散热装置需进一步优化；方案二提到的水冷的确可以提高制冷的效率,但是水冷的外围循环系 统- 2 - / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 将大大限制了使用环境,加大了系统的成本,而且结构复杂,不易操作；由于试验的条件限制,比较而言,方案三,外围设备简洁,操作简洁,可用范畴广；因此,挑选方案三；二、系统总体设计该温度自动掌握系统由三大部分组成：3、执行机构；其系统框图如下： 1 、温度检测装置； 2、掌握系统；密封泡沫盒驱动电路AT89C52 LCD 显示温度和时间DS18B20 温度传感器报警系统TEC112705 单片机键盘半导体制冷器图 1 温度自动掌握系统框图其中,温度检测装置采纳单总线 AT89C52单片机；温度掌握的执行机构是DS18B20数字温度传感器；掌握系统是 TEC1-12706T125型半导体制冷器；系统工作时,单片机第一读取默认设置温度,该温度可以通过键盘进行修 改；单片机读取 DS18B20的数据检测木盒内温度,并将检测的温度与设置温度进行对比,通过模糊掌握PID 算法,从而掌握制冷器的工作状态；在执行部分的驱动电路中需要采纳 MOSFET管 IRFP460A进行 PWM驱动掌握模块；为了能使 半导体制冷器工作在制热和制冷两种状态,仍需要在驱动电路采纳继电器进行 电流换向,并通过它进行电气隔离,继电器再接通制冷片进行温度调剂；继电 器用 NPN三极管 SKT9013驱动；假如温度超出上下限值,系统将会报警,同时系统自动停机；系统的全部工作状态都通过 三、主要单元电路原理及理论分析与运算 该系统硬件电路主要由四部分组成：1602 液晶屏 <LCD）显示；1、传感器电路； 2、单片机最小系统电路； 3、驱动电路： 4、报警电路；其中第一部分传感器电路只包含单总线 DS18B20数字温度传感器,因此连接特别简洁；其次部分单片机最小系统电路由单片机和电源、键盘、LCD 显示等组成,这里不做具体介绍,下面的软件设计里面会有介绍；下面对驱动电路和报警电路进行分析,其原理图如下所示：- 3 - / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 驱动电路由两个单片机管脚掌握,分别是 P3.5 脚和 P3.6 脚；其中, P3.5 经过 NPN型三极管 9013 反向驱动后,掌握 MOSFET管 IRFP460A的截止和导通；P3.5 上的 PWM脉冲掌握 MOSFET管,从而达到掌握制冷片电流的目的；P3.6 经过 NPN型三极管 9013 反向驱动后,驱动两个单刀双掷的继电器；两个继电器组成一个可控的双刀双掷开关,从而达到交换电流方向的目的；在 该部分用一个双刀双掷的继电器比较好,由于试验室材料缺乏的缘由,所以这 里用两个单刀双掷的继电器代替；报警电路是有一个单片机管脚 掌握,为 P3.7 脚； P3.7 管脚通过 NPN型三极管 9013 反向驱动后,掌握蜂鸣器的截止和导通；四、算法与软件设计 1.系统的掌握算法PID 掌握的装置称为PID 调剂 PID掌握是指比例、积分、微分掌握,实现器；传递函数为：式中： K 为其它环节总增益；为比例系数；为积分系数；为微分系数；比例掌握可快速、准时、按比例调剂偏差,提高掌握灵敏度；但是有静差,掌握精度低；积分掌握能排除偏差,提高精度、改善稳态性能,但是简洁引起震荡,造成超调；微分掌握是一种朝前掌握,能调剂系统速度、减小超调量、- 4 - / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 提高稳固性,但是其时间常数过大会引入干扰、系统冲击大,过小就调剂周期长、成效不显著；比例、积分、微分掌握相互协作,合理挑选 PID 调剂器的参数,即比例系数、积分时间常数 和微分时间常数,可快速、精确、平稳的排除偏差,达到良好的掌握成效；采纳增量式算法位置式输出 PID 算法：式中：,为设定值与 i 次实测值的偏差；T 为采样周期,为积分时间 , 为微分时间；上式为 PID 掌握软件的编程依据；参数的选取是在参考体会数据的基础上用试验法确定,本系统中取,这些参数在运行时刻适当调整,以获得中意的成效；2、软件设计主程序包括初始化、按键设置及掌握模块和显示模块的调用；温度信号的采集、掌握算法以及温度显示和时间等功能的实现由各子程序完成；软件的主要流程是：利用 DS18B20测量到的温度值与设定的温度进行比较,依据得到的偏差和偏差的变化率运算掌握量,输出 PWM信号掌握 MOSFI管驱动制冷片；启动、停止以及给定值通过键盘利用外部中断产生,有按键输入时就调用中断服务程序；开头初始化显示数据报警否设定温度是否在开 始工作范畴内？否是采样实际温度采集温度是否在运算 E 和 EC 工作范畴内？是报不一样 采集温度跟设掌握掌握输出算法定温度作比较警一样否结 束停机？- 5 - / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 掌握算法流程图是停机状态主程序流程图五、系统测试及分析1、测试环境模拟测试 ：用 Proteus 软件进行部分模块的模拟测试地点：主教 601 2、测试仪器 1 、带温度测试的数字万用表一块2、输出 12V,10A开关电源 3、测试方法在电路设计安装完成,软件调试完成后对设计结果进行总体调试,测试工作包括三部分：a、在室温情形下,分别在 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35时,记录系统显示温度与带温度测量装置的万用表显示温度；b、在室温情形下,设定系统温度为5,对系统进行降温,并每分钟记录系统当前温度；c、测试温度掌握精度,将设定温度分别调整到 10, 15, 20,25, 30, 35,记录系统温度偏移值,并记录温度每提高 5所经过的时 间；4、测试数据 a、对比万用电表系统温度测量误差表；表 a：温度检测测试表温度计测量值 <度）传感器测量值 <度）测量误差35 30 25 20 15 10 5 b、降温测试数据记录表表 b：温度掌握测试表设定达到 设定值 后 的最达到设定值后的最小备注值<大值值度）35 60 秒内- 6 - / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 30 25 20 15 10 560 秒内 60 秒内 60 秒内 60 秒内 60 秒内 60 秒内c、温度掌握测试记录表5、进行结果及误差分析六、 总结经过团队几天的努力,设计了自动温度掌握装置,测量精度和测量范畴在理论上基本达到了设计要求,在电路设计制作过程中较深化的明白了温度自动掌握原理和掌握方法；明白了 ATMEL公司器件 AT89C52单片机的使用方法；学习了单线总线的 18B20 的使用方法；同时也深化学习了半导体制冷片 TEC1-12706T125的使用方法；明白了制冷技术的新方法；在学习设计的过程中,发觉主要有以下几个难点：1、18B20的时序特别严格,一旦时序紊乱将不会有任何结果；2、半导体制冷片的成效当然是好,但是功率大,如何在实际中平稳仍要进一步探究；3、PID 掌握算法的懂得与运用,如何使用好驱动电路；在报警系统的意义探讨时,各有看法,最终敲定于提示“ 设置无效” 和“ 超出工作范畴” ；在进行设计的过程中,我们综合成本,环境等因素挑选简洁,易操作的方案,系统的性能仍有提升空间,理论只是思想的建立,如何让它成为现实,仍有更大一步需要去努力；参考文献： 1 、盐城工学院学报 <自然科学版） 2006 年第 19 卷 第 4 期 2 、肖 衡,陈春俊 - PID 温度掌握装置的电路设计- 西安交通高校机械工程学院 3 、徐爱钧单片机原理有用教程- 电子工业出版社 4 、杨三青 - 过程掌握 - 华中科技高校出版社 5 、基于 51 单片机的温度测量系统- 中文核心期刊微运算机信息<嵌入式与 SOC）2007 年第 23 卷第 1-2 期 6 、高加林、郭微波一种高效率 TEC温度掌握器的设计 - 集成电路通信2007 年 3 月第 25 卷第一期由于篇幅有限,具体资料见电子文档- 7 - / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - - 8 - / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - Proteus 仿 真 图- 9 - / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 模拟加热显示模拟制冷显示- 10 - / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 11 页