智能化水温控制系统

水温控制系统

摘要

现如今,人们的生活越来越强调智能化以及低碳化,无论是智能化还是低碳化,生活在人们都希望自己的电器越来越智能,即能按照人们的意愿,低功耗的实现功能。水温控制作为人们生活以及工业的重要组成部分,能否实现智能化以及低功耗化十分重要。水温控制系统以STC89C51作为核心的温度控制系统,将DS18B20作为温度感应器,可直接反馈数字量的温度信息并可以调节精度;
以继电器以及螺旋加热管作为加热模块;
以发光二级管以及蜂鸣器作为声光告警装置;
以数码管作为温度显示模块。程序上利用PID调节算法,多次调节其中参数,使得温度控制更加精确。该系统具有简单、成本低、质量安全可靠的特点。相信无论是在生活还是生产中都会有不错的应用前景。

关键词 智能化 温度控制 STC89C51 DS18B20 PID调节算法

一.任务以及要求

设计并制作一个水温自动控制系统,水温可以在一定范围内由人工设定,可以实现自动报警功能。

1.基本内容如下: 

(1)温度设定范围为:40~90℃,最小区分度为 1℃,标定温度≤1℃。 

(2)环境温度降低时温度控制的静态误差≤1℃。 

(3)用10进制数码管显示水的实际温度。 

2.发挥要求:

(1)温度控制范围扩大,最小区分度减小。

(2)温度控制的静态误差≤0.2℃。

 (3)特色与创新。

二.方案设计及其论证

水温的控制,必须先精确地获取温度,所以温度传感器的选择就非常重要。通常,温度所测量的是模拟量,模拟量的转换涉及到A/D的转换。温度传感器把温度传送给处理器核心,处理器核心经过分析,判断是否满足处理的条件,进行相关的处理。可实现的动作包括以下几项:达到设定温度,进行声光报警;
温度低,进行加热处理。其中温度的设定就要利用到键盘。声光报警就需要用到发光二级管以及蜂鸣器。经以上分析,可以将温度控制系统分为以下几个模块:

1.温度传感器

温度传感器应具有精度足够高、处理速度足够快、体积小等特点。采用DS18B20温度传感器。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO-92小体积封装形式;
温度测量范围为-55℃~+125℃,可编程为9位~12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出远端引入。此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。 更重要的是采用该温度传感器后不用采用A/D转换。节省了大量的工作量。

2.键盘显示

按键主要涉及到温度的调节以及模式的转换。显示部分主要涉及到水温的实时显示,以及功能模式的显示。按任务功能需求采用独立键盘,并且利用MCU对键盘进行扫描。这种方案既能很好的控制键盘及显示,又为MCU大大的减少了程序的复杂性,而且具有体积小,简单易做的特点。显示部分按照任务要求采用4位数码管设计,来显示水温以及工作模式等。也具有简单、可靠的特点。

3.CPU核心

CPU主要控制水温以及其他模块的协调工作。是该水温控制系统的核心。根据对方案的分析,采用简单易用的STC89C52单片机,其内部有4KB单元的程序存储器,不需外部扩展程序存储器,而且它的I/O口也足够本次设计的要求。具有简单方便、成本低以及可靠的特点。

经以上分析,只要合理设计电路以及正确编写程序,以上几个模块在MCU以及程序的调节下能协调工作,共同完成水温的控制,从而达到任务要求。

三.理论分析与计算

各个模块要在MCU的调节下合理有序的工作,那么系统必须采用合理高效的控制系统。这就要涉及到过程控制,过程控制指对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。过程控制可分为:模拟控制系统、微机过程控制系统以及数字控制系统DDC。模拟控制系统中被控量的值由传感器或变送器来检测,这个值与给定值进行比较,得到偏差,模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化,以使偏差趋近于零,其输出通过执行器作用于过程。微机过程控制系统以微型计算机作为控制器。控制规律的实现,是通过软件来完成的。改变控制规律,只要改变相应的程序即可。

现如今在生产以及实践中运用最多的是DDC(Direct Digital Congtrol)系统:

               图3-1   DDC系统构成框图

DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测,并根据确定的控制规律(算法)进行计算,通过输出通道直接去控制执行机构,使各被控量达到预定的要求。由于计算机的决策直接作用于过程,故称为直接数字控制。

其中控制规律即为PID调节,本系统中为软件实现。涉及到的理论计算如下:

1.模拟PID控制规律的离散化

  表一.模拟PID控制规律的数字化公式

模拟形式

离散化形式

2.数字PID控制器的差分方程

式中                  为比例项

                  为积分项

           为微分项

四.系统设计方案

1.工作模式

本着智能化以及按照题目要求,将系统设计有以下两个个工作模式:A.测定水温以及显示水温;
B.设定水温并保温;
其中A为默认工作状态,即开机工作状态,工作内容为实时测量水温并在数码管上显示。B为设定温度并保温。由用户设定一定的温度,系统自动工作,加热到设定温度后声光报警,声光报警装置可独立开关,如果不切断电源或切换模式,系统将自动竟然保温模式。其中温度的设定有键盘控制。不管在那种工作模式,一旦复位键按下,将回到默认工作模式。在B工作模式下并且显示实际水温时,按下加键可以显示用户设定温度。根据以上的分析总结如下:

2.电路设计

根据以上的分析,可以将整个系统分为以下几个部分:单片机最小系统,测温电路,功率电路,交流过零检测电路,显示电路,系统框图如下

(1)89C52最小系统

最小系统采用将C52MCU以及独立键盘、数码管集成在一块板上的工作方式。 其中P0口接数码管。其他包括复位电路、独立键盘、晶振电路。其电路如下图5-1所示: 

图5-1 最小系统

(2)18B20测温电路

测温电路是使用DS18b20数字式温度传感器,它无需其他的外加电路,直接输出数字量,可直接与单片机通信,读取测温数据,电路十分简单。它能够达到0.5℃的固有分辨率,使用读取温度的暂存寄存器的方法还能达到0.2℃以上的精度。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,其接口电路如图5-2所示:

图5-2 控制电路

(3)功率电路

功率电路主要是继电器模块,包括三极管以及电阻组成控制部分,与MCU进行通信。PNP管的导通控制着继电器的常闭触点的接通与否。继电器常闭触点连接着外部加热电路。其中继电器的电感部分连接着二极管,起着引流保护PNP管的作用。其电路如下图6-1:

图6-1 功率电路

(4)声光报警电路

声光报警电路采用蜂鸣器以及二极管串联的形式,通过PNP三极管控制电路通断。利用P3.7来与MCU通信。如下图6-2:

图6-2 声光报警电路

(5)红外接收装置

该部分为创新部分,采用红外接收装置来接受红外遥控器的信号,这样就可以通过无线方式进行信息的传递。通过遥控器可以设定温度,切换工作模式等。工作原理为红外遥控器产生红外信号,红外接收头接收到红外信号后,其内部电路把信号送到放大器和限幅器,限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平,而不论红外发射器和接收器的距离远近。交流信号进入带通滤波器,带通滤波器可以通过30khz到60khz的负载波,通过解调电路和积分电路进入比较器,比较器输出高低电平,还原出发射端的信号波形。最终将数字信号传输到MCU,MCU做出相应的反应。其电路如下图7-1:

图7-1 红外接收装置

五.软件设计说明

(1)总流程

本系统是采用查询方式来显示和控制温度的。其中加入了红外以及键盘等的其他控制器件语句。总流程图如下图7-2:

图 7-2 总流程图

(2)工作时序

工作时序由初始化模块、测温、显示等模块组成。具体工作时序如下图8-1:

图 8-1 工作时序

(3)主要程序

1.主函数如下:

#include 

#include 

unsigned char choice;

unsigned char key_down;

#include"DS18B20.H"

#include"PID.H"

#include"XIANSHI.H"

#include"KEYSCAN.H"

#include"INFRARED.H"

void main()

{

 unsigned int tmp;

 unsigned char counter=0;

 P2 |= 0x07;   //初始化按键

 PIDBEGIN();    //初始化PID

 init_infrared(); //初始化红外

 ReadTemperature(); //预读一次温度

 hello(); //显示HELLO,屏蔽85°C

 while(1)//检测红外线

{  

if(IrOK==1&&Im[0]==0x00) 

   proc_infrared();

   if(counter-- == 0)

{

tmp = ReadTemperature(); 

counter = 20;

}

key_scan();//扫描键盘

proc_key();//刷新显示缓存

if(choice==0)

update_disbuf(tmp);

else

update_disbuf(set_tmpbuf);

if(pid_on)

compare_temper(); 

else

{

high_time=0;

low_time=100;

}   

}

2. PID算法温度控制程序

#ifndef _PID_H__

#define _PID_H__

#include 

#include 

#include 

struct PID { 

unsigned int SetPoint; // 设定目标 Desired Value 

unsigned int Proportion; // 比例常数 Proportional Const 

unsigned int Integral; // 积分常数 Integral Const 

unsigned int Derivative; // 微分常数 Derivative Const 

unsigned int LastError; // Error[-1] 

unsigned int PrevError; // Error[-2] 

unsigned int SumError; // Sums of Errors 

struct PID spid; // PID Control Structure 

unsigned int rout; // PID Response (Output) 

unsigned int rin; // PID Feedback (Input) 

sbit output=P3^4; 

unsigned char high_time,low_time,count=0;//占空比调节参数 

unsigned char set_temper=33; 

void PIDInit (struct PID *pp) 

memset ( pp,0,sizeof(struct PID)); 

unsigned int PIDCalc( struct PID *pp, unsigned int NextPoint ) 

unsigned int dError,Error; 

Error = pp->SetPoint - NextPoint; // 偏差 

pp->SumError += Error; // 积分 

dError = pp->LastError - pp->PrevError; // 当前微分 

pp->PrevError = pp->LastError; 

pp->LastError = Error; 

return (pp->Proportion * Error//比例 

+ pp->Integral * pp->SumError //积分项 

+ pp->Derivative * dError); // 微分项 

/*********************************************************** 

温度比较处理子程序 

***********************************************************/ 

compare_temper() 

unsigned char i; //EA=0;

if(set_temper>temper) 

if(set_temper-temper>2) 

high_time=100; 

low_time=0; 

else 

for(i=0;i<10;i++) 

{  get_temper(); 

rin = s; // Read Input 

rout = PIDCalc ( &spid,rin ); // Perform PID Interation } 

if (high_time<=100) 

high_time=(unsigned char)(rout/1600); 

else 

high_time=100; 

low_time= (100-high_time); 

} } 

else if(set_temper<=temper) 

if(temper-set_temper>0) 

high_time=0; 

low_time=100; 

else 

for(i=0;i<10;i++) 

{ get_temper(); 

rin = s; // Read Input 

rout = PIDCalc ( &spid,rin ); // Perform PID Interation } 

if (high_time<100) 

high_time=(unsigned char)(rout/20000); 

else 

high_time=0; 

low_time= (100-high_time);

//EA=1; 

} } } 

/***************************************************** 

T0中断服务子程序,用于控制电平的翻转 ,40us*100=4ms周期 

******************************************************/ 

void serve_T0() interrupt 1 using 1 

{  

if(++count<=(high_time)) 

output=1; 

else if(count<=100) 

output=0; 

else 

count=0; 

TH0=0x2f; 

TL0=0xe0; 

}

void PIDBEGIN() 

TMOD=0x01; 

TH0=0x2f; 

TL0=0x40; 

EA=1; 

ET0=1; 

TR0=1; 

high_time=50; 

low_time=50; 

PIDInit ( &spid ); // Initialize Structure 

spid.Proportion = 10; // Set PID Coefficients 

spid.Integral = 8; 

spid.Derivative =6; 

spid.SetPoint = 100; // Set PID Setpoint 

#endif

3.DS18B20子程序

 #ifndef __DS18B20_H__

#define __DS18B20_H__

sbit DQ = P3^5;   //定义通信端口 

unsigned int s;

unsigned char temper;

//晶振22MHz  

void delay_18B20(unsigned int i)

{

  while(i--);

}

//初始化函数

Init_DS18B20(void) 

{

 unsigned char x=0;

 DQ = 1;          //DQ复位

 delay_18B20(4);  //稍做延时

 DQ = 0;          //单片机将DQ拉低

 delay_18B20(100); //精确延时 大于 480us

 DQ = 1;          //拉高总线

 delay_18B20(40);  

}

//读一个字节  

ReadOneChar(void)

{

unsigned char i=0;

unsigned char dat = 0;

for (i=8;i>0;i--)

 {

  DQ = 0; // 给脉冲信号

  dat>>=1;

  DQ = 1; // 给脉冲信号

  if(DQ)

  dat|=0x80;

  delay_18B20(10);

 }

  return(dat);

}  

WriteOneChar(unsigned char dat)//写一个字节

{

 unsigned char i=0;

 for (i=8; i>0; i--)

 {

  DQ = 0;

  DQ = dat&0x01;

  delay_18B20(10);

  DQ = 1;

  dat>>=1;

 }

}

ReadTemperature(void)//读取温度

{

unsigned char a=0;

unsigned char b=0;

unsigned int t=0;

//EA = 0;  

Init_DS18B20();

WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作

WriteOneChar(0xBE); //读取温度寄存器等(共可读9个寄存器) 前两个就是温度

a=ReadOneChar();

b=ReadOneChar();

Init_DS18B20();//启动下一次温度转换

WriteOneChar(0xCC); // 跳过读序号列号的操作

WriteOneChar(0x44); // 启动温度转换

 t=(b*256+a)*25;

 b=(b<<4)&0x7f;

 s=(unsigned int)(a&0x1f); 

     s=(s*100)/16;

 a=a>>4;

 temper=a|b;

 return(t>>2);

}

#endif

六.测试方法与数据

测量方式:接上系统的加热装置,装入25.06摄氏度室温的水,通过键盘或者红外遥控器设定控温温度。记录调节时间、超调温度、稳态温度波动幅度等。

测量条件:环境温度26.5℃(附:加热电炉功率600W)。

测量结果:如表二所示。在此仅以数值的方式给出测量结果。调节时间按温度进入设定温度±0.5℃范围时计算。

表二 测量结果数据

设定温度/℃

35

45

65

75

调节时间/min

1.15

1.12

1.58

1.06

超调温度/℃

35.06

45.12

64.87

74.87

稳态误差/℃

0.06

0.12

0.13

0.13

六.测试结果分析

由测试结果和上表数据得出:

(1)温度设定范围为30~95℃(在40~90范围内),最小区分度达到0. 01℃(小于1℃)以上,标定温度值也符合设计要求。 

(2)由于采用了PID控制,在环境温度降低时温度控制的静态误差小于0.5℃(精度高于设计要求)。 

(3)用数码管来显示水的实际温度和设定温度值,显示很稳定。 

(4 )采用了PID控制,当设定温度突变(由40℃提高到60℃)时,经过多次调试知道,当P=10;
I=8;
D=6时系统具有最小的调节时间和超调量。 

(5)当温度稳定时,温度控制的静态误差≤0.5℃。

(6)创新部分为添加了红外遥控装置。可代替键盘部分功能,且能更方便的调节温度等。

(7)经过多次测试和改进,该系统各方面参数都达到和超过设计参数,完成了既定目标。

参考文献:

[1] 李桢、赵宏权,《PID调节概念及基本原理》[J],《科技信息(科学教研)》,07,29期

[2]郭天祥,《51单片机C语言教程》[M],北京:电子工业出版社,2009