单片机水温自动控制系统设计说明_(2).doc
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1、本科生毕业论文(设计)题目 单片机水温自动控制系统设计 姓名 王国亮 学号 2008145044 院系 电气信息与自动化学院 专业 自动化 指导教师 闫绍敏 职称 讲师 2012 年 5月 15日曲阜师大学教务处制目 录摘要2关键词2Abstract2Keyword2引言2第1章 系统设计方案与要求31.1 系统要求31.2 系统组成31.3 单片机选择31.4 温度控制31.5 系统方案选择4第2章 PID控制算法52.1 PID控制的发展52.2 PID控制理论52.3 PID控制算法6第3章 系统硬件设计83.1 系统模块关系83.2 主要单元电路的设计93.2.1温度采集部分设计93.
2、2.2加热控制部分103.2.3 报警电路部分123.2.4 显示部分设计123.2.5 按键部分设计133.3 系统总电路图设计13第4章 软件设计部分134.1主程序方案设计134.2 DS18B20温度处理方案154.3 按键处理方案154.4 报警处理方案16致17参考文献17附录程序17单片机水温自动控制系统设计自动化专业学生 王国亮 指导教师 闫绍敏摘要:水温控制在工业与日常生活中应用广泛,分类较多,不同水温控制系统的控制方法也不尽相同,本设计基于单片机控制的水温自动控制系统,介绍了系统在硬件和软件方面的设计思想,以AT89C52单片机为核心,采用了温度传感器DS18B20,以PI
3、D算法控制以与PID参数整定相结合的控制方法来实现的水温的自动控制系统,通过形成微型监控系统,使水温变化情况可以进行动态的显示,并能在一定的围由人工设定。关键词: AT89C52 DS18B20温度传感器 PID算法Single-chip microcomputer temperature automatic control system designStudent majoring in automationGuoliang WangTutor Shaomin YanAbstract:The water temperature control applies widely used in t
4、he industry and the daily life,there are lots of classifications, so the control methods are different, this design the water temperature autocontrol system which controls based on the monolithic integrated circuit, introduced the system in the hardware and the software aspects design concept, take
5、the AT89C52 monolithic integrated circuit as the core, has used temperature sensor DS18B20, the water temperature autocontrol system which by the PID algorithm control as well as the PID parameter installation, unifies the control method which realizes. By making the constitution miniature superviso
6、ry system, enables the water temperature change situation to be possible to carry on the dynamic demonstration, and can by establish artificially in certain scope.Keyword: AT89C52 ;DS18B20 temperature sensor ;PID algorithm引言:本系统的设计可以用于水温控制系统和电饭煲等各种电器电路中。它以单片机AT89C52为核心,通过数码管显示温度,使用温度转换芯片DS18B20实时采集温
7、度并通过数码管显示,并提供各种运行指示灯用来指示系统现在所处状态,如:温度设置、加热、停止加热等,整个系统通过四个按键来设置加热温度和控制运行模式。传统的温度采集电路相当复杂,需要经过温度采集、信号放大、滤波、AD转换等一系列工作才能得到温度的数字量,并且这种方式不仅电路复杂,元器件个数多,而且线性度和准确度都不理想,抗干扰能力弱。现在常用的温度传感器芯片不但功率消耗低、准确率高,而且比传统的温度传感器有更好的线性表现,最重要的一点是使用起来方便。自动控制系统总的发展趋势是高性能、数字化、集成化、智能化和网络化。智能温度控制系统的设计是为了满足市场对成本低、性能稳定、可远程监测、控制现场温度的
8、需求而做的课题,具有较为广阔的市场前景。第1章 系统设计方案与要求1.1系统要求 (1)可按键设定控制温度值,并用数码管显示,分辨率为0.1; (2)可以测量并显示水的实际温度。温度测量误差在0.5; (3)水温控制系统应具有全量程(1070)的升温、降温。 (4)在全量程任意设定一个温度值(例如起始温度+15),控制系统可以实现该给定温度的恒值自动控制。 (5)温度控制的静态误差0.2(在最小稳态时间)。1.2系统组成随着计算机与超大规模集成电路的迅速发展,以现代控制理论和计算机为基础,采用数字控制、显示、配额后执行器与控制阀构成的计算机控制系统,在过程控制过程中得到越来越广泛的应用。由于本
9、例是一个典型的检测、控制型应用系统,它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。因此,应以单片机为核心组成一个专用计算机控制系统,以满足检测、控制应用类型的功能要求。另外,单片机的使用也为实现水温的自动化控制以与提供完善的人机交互界面与多机通讯接口提供了可能,而这些功能在常规数字逻辑道路中往往是难以实现或无法实现的。所以,本例采用以单片机为核心的直接数字控制系统(DDC)。1.3 单片机选择AT89C52单片机是最常用的单片机,是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器。AT89C52与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容,而且能使
10、系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能,功能强、灵活性高而且价格低廉。AT89C52可构成真正的单片机最小应用系统,缩小系统体积,增加系统的可靠性,降低了系统成本。只要程序长度小于4K,四个I/O口全部提供给用户。系统运行中需要存放的中间变量较少,不必再扩充外部RAM。1.4 温度控制方案一:用热敏电阻:通过电阻的变化来获得电压的变化,起价格虽然便宜但是精度不是很高。对于一个精度要求高的系统不宜采用。方案二:用DS18B20:通过DS18B20温度传感器采集温度,价格较高精度高。(一)DS18B20芯片特点DS18B20是DALLAS半导体公司生产的,是一种单总线温度传感器,属于新一代适配
11、微处理器的智能温度传感器,有两种封装形式分别为3脚PR-35封装和16脚SSOP封装。本文采用的是3脚PR-35封装,其具有以下特点:(1)采用了单总线技术,传感器直接以二进制输出被测温度,可通过串行口线,也可与单片机通过I/O口连接;(2)测量温度围为:-55+125,测量精度高达+0.5;(3)含寄生电源,在两线方式下可通过数据线提供寄生电源,而不需要再单独供电(4)转换时间在分辨率为12位(即0.0625)时最大为750ms;(5)用户可分别对每个器件设定温度上下限;(6)DS18B20在使用时不需要任何外围元件,全部传感元件与转换电路集成在形如一只三极管的集成电路;(7)电源极性接反时
12、,芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作;(8)每个DSl8B20器件对应一个唯一的64位长的序号,该序号值存放ROM中,可通过序号匹配实现多点测温。如图1所示,DQ是数据线,用于和CPU连接传送串行数据,不需要外部件,不需要备份电源、可用数据线供电;GND是地线;Voo是3055V电源。由于DSl8820具有寄生电源的特性,所以在实际应用中,Vno常接地。图 1 DS18B20外形与引脚1.5 系统方案选择方案1:此方案是采用传统的二位模拟控制方法,选用模拟电路,用电位器设定给定值,采用上下限比较电路将反馈的温度值与给定的温度值比较后,决定加热或者不加热。由于采用模拟控制方式,系统受环境的影响
13、大,不能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高,而且不能用液晶显示和键盘设定,如图2。数据采集信号放大温度预置比较器信号放大控制开关 图2 模拟控制框图方案2:采用单片机AT89C52为核心。使用温度传感器DS18B20采集温度变化信号,通过单片机处理后去控制温度,使其达到稳定。使用单片机具有编程灵活,控制简单的优点,使系统能简单的实现温度的控制与显示,并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点,如图3,因此选择方案2。电源单片机AT89C52数码管显示继电器温度传感器DS18B20报警按键指示灯 图3 单片机控制框图第2 章 PID控制算法2.1 PID控制的发展PID控制
14、是最早发展起来的控制策略之一,现今使用的PID控制器产生并发展于1915-1940年期间。尽管自1940年以来,许多先进的控制方法不断推出,但由于PID控制方法具有结构简单、鲁棒性好、可靠性高、参数易于整定,P、I、D控制规律各自成独立环节,可根据工业过程进行组合,而且其应用时期较长,控制工程师们已经积累了大量的PID控制器参数的调节经验。因此,PID控制器在工业控制中仍然得到广泛应用。据统计,有90%以上的工业控制器采用PID控制器。PID控制器的发展经历了液动式、气动式、电动式几个阶段,目前正由模拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向发展。2.2 PID控制理论PID控制器是一种线性控制器
15、,它根据给定值厂r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t): (2.1)将偏差的比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Derivative)通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制,因此称为PID控制。PID控制系统原理如图4所示。其控制规律: (2.2)或者写成传递函数的形式为: (2.3) 式中: :比例系数:积分时间常数:微分时间常数比例微分积分被控对象y(t)r(t) e(t) _+图4 PID 控制系统原理图PID控制器各校正环节的作用如下:1)比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差;2)积分环
16、节主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数,越大,积分作用越弱,反之则越强;3)微分环节能够反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并且能在偏差信号值变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。2.3 PID控制算法由于计算机控制是一种采样控制系统,它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此,(2.2)式中的积分和微分项不能直接使用,需要进行离散化处理。现令为采样周期,以一系列的采样时刻点代表连续时间,以累加求和近似代替积分,以一阶后向差分近似代替微分,做如下的近似变换: (2.4)(2.5) (2.6)其中,为采样周期,为系
17、统第次采样时刻的偏差值,e()为系统第()次采样时刻的偏差值,为采样序号,=0,1,2,。将上面的(2.5)式和(2.6)式代入(2.2)式,则可以得到离散的PID表达式:(2.7)如果采样周期足够小,该算式可以很好的逼近模拟PID算式,因而使被控过程与连续控制过程十分接近。通常把式(2.7)称为PID的位置式控制算法。若在(2.7)式中,令:(称为积分系数)(称为微分系数)则 (2.8)式(2.8)即为离散化的位置式PID控制算法的编程表达式。可以看出,每次输出与过去的所有状态都有关,要想计算,不仅涉与和,且须将历次相加,计算复杂,浪费存。下面,推导计算较为简单的递推算式。为此,对(2.8)
18、式作如下的变动:考虑到第次采样时有 (2.9)使(2.8)式两边对应减去(2.9)式,得整理后得 (2.10)其中,(2.10)式就是PID位置式得递推形式。如果令 则 式中的、同(2.10)式中的一样。在计算机控制中,、都可以事先求出,实际控制时只须获得、三个有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制输出对应执行机构的位置的增量,故(2.11)式通常被称为PID控制的增量式算式。增量式PID控制算法与位置式控制算法比较,有如下的一些优点: 1)位置式算法每次输出与整个过去状态有关,算式中要用到过去偏差的累加值,容易产生较大的累计误差。而增量式中只须计算增量,算式中不需 要累加,控制增量的确定
19、仅与最近几次偏差采样值有关,当存在计算误差或者精度不足时,对控制量的影响小,容易通过加权处理获得较好的控制效果;2)由于计算机只输出控制增量,所以误动作影响小,而且必要时可以用逻辑判断的方法去掉,对系统安全运行有利;3)容易实现手动一自动无扰动切换。入口输入并采样r(k),y(k)计算偏差e(k)=r(k) y(k)计算存以备输出参数序号调整 e(k-1) e(k-2) e(k) e(k-1)返回图 5 增量式PID控制算法程序流程图鉴于以上优点,本系统的控制算法即采用增量式的PID控制算法。第3章 系统硬件设计3.1 系统模块关系本系统通过循环查询执行,按键扫描也是用循环查询执行,由于本系统
20、对实时性要求不是很高,所以没有用中断方式来处理。各模块关系图如图6所示。3.2主要单元电路的设计3.2.1温度采集部分设计本系统采用半导体温度传感器作为敏感元件。传感器我们采用了DS18B20单总线可编程温度传感器,来实现对温度的采集和转换,直接输出数字量,可以直接和单片机进行通讯,大大简化了电路的复杂度。DS18B20应用广泛,性能可以满足题目的设计要求。DS18B20的测温电路如图7所示。测量结果直接输出数字温度信号,以“一线总线”串行传送给 CPU,同时可传送 CRC 校验码,具有极强的抗干扰纠错能力 ,该部分的温度采集电路流程如图6所示:单片机初始话模块执行器模块按键检测(是否有电平转
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