繼電器溫度控制器設(shè)計(jì)

摘要在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，對(duì)溫度的檢測(cè)和控制有著非常重要的意義和實(shí)際應(yīng)用。而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展，使得科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工藝時(shí)間的效率大大的提高量、溫度設(shè)定功能并能根據(jù)設(shè)定值對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)控溫的目的，控制算法基于數(shù)字PID算實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)能較好地控制水溫，滿足我們的要求。Abstract計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文第1頁共18頁 設(shè)備和芯片 12總體設(shè)計(jì)及方案論證： 1 3硬件設(shè)計(jì) 3 3.3鍵盤、顯示電路 4行控制電路 5 4軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 7軟件流程圖 7 6PID參數(shù)整定 127測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析 138結(jié)論 13 1計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文第1頁共18頁隨著人們生活水平的提高，對(duì)生活環(huán)境的要求也越來越高，家用電器越來越趨向于自動(dòng)控制控于智能控制，針對(duì)目前家庭的實(shí)際需要，自動(dòng)水溫控制系統(tǒng)比較方便實(shí)用，本文就通過51系列單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)一種自動(dòng)控制水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)反映當(dāng)前溫度信息，通過液晶屏直觀的顯示給用戶，用戶可通過鍵盤自行設(shè)定溫度，系統(tǒng)通過PID調(diào)節(jié)能使溫度保持在預(yù)設(shè)定值。1課程設(shè)計(jì)概述1.1課程設(shè)計(jì)題目1.2設(shè)計(jì)要求：①用熱敏元件設(shè)計(jì)測(cè)溫電路；功率元件繼電器進(jìn)行交流電的功率調(diào)整；③通過鍵盤進(jìn)行溫度設(shè)置；④實(shí)際溫度可以實(shí)時(shí)顯示。1.3主要設(shè)備和芯片數(shù)字示波器普通萬用表2總體設(shè)計(jì)及方案論證：2.1總體設(shè)計(jì)框圖對(duì)題目進(jìn)行深入的分析和思考，可將整個(gè)系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分：測(cè)溫電路、控制電路、功率2計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文第2頁共18頁測(cè)溫電路控制電路功率電路加熱裝置水系統(tǒng)框圖2.2方案論證方案一：采用運(yùn)放等模擬電路搭建一個(gè)控制器，用模擬方式實(shí)現(xiàn)PID控制，對(duì)于純粹的水溫控制，這是足夠的。但是附加顯示、溫度設(shè)定等功能，還要附加許多電路，稍顯麻煩。同樣，使用邏輯電路也可實(shí)現(xiàn)控制功能，但總體的電路設(shè)計(jì)和制作比較煩瑣。可以很容易地實(shí)現(xiàn)控制和顯示、鍵盤等功能，是一種可選的方案。但與單片機(jī)相比，價(jià)格較高，顯方案三：采用單片機(jī)最小系統(tǒng)同時(shí)完成控制、顯示、鍵盤等功能，電路設(shè)計(jì)和制作比較簡(jiǎn)單，成本也低，是一種非常好的方案。綜上所述本設(shè)計(jì)采用方案三作為控制電路。方案一：采用熱敏電阻作為測(cè)溫元件。熱敏電阻精度高，需要配合電橋使用，要實(shí)現(xiàn)精度測(cè)量方案二：半導(dǎo)體溫度傳感器作為測(cè)溫元件，半導(dǎo)體溫度傳感器應(yīng)用也很廣泛，它的精度、可靠性都不錯(cuò)，價(jià)格也適中，使用比較簡(jiǎn)單，是一個(gè)較好的選擇。綜上所述本設(shè)計(jì)采用方案二作為測(cè)溫電路。u計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文第計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文第3頁共18頁種控制方法能夠較精確的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，但是考慮到單片機(jī)的存儲(chǔ)量，和實(shí)時(shí)性，不采取這種尚未法。方案二：采用經(jīng)典PID控制算法和根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分區(qū)間控制的算法，對(duì)于溫度系統(tǒng)來說，被控對(duì)象沒有精確的數(shù)學(xué)模型。熱得快加熱使得水溫具有有熱慣性，而且檢測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是檢測(cè)點(diǎn)附近的實(shí)時(shí)溫度并不能完全體現(xiàn)1升水的實(shí)際溫度，所以經(jīng)典PID控制算法不能滿足設(shè)計(jì)要求，還必須根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。這種控制算法基本能夠滿足設(shè)計(jì)要求，且通用性較強(qiáng)。本設(shè)計(jì)采用方案二作為控制算法。3硬件設(shè)計(jì)AT9S51為核心部件，在51最小系統(tǒng)外圍添加了溫度檢測(cè)、鍵盤輸入、液晶顯示部分以及繼電器構(gòu)成的執(zhí)行部件。3.1最小系統(tǒng)部分128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗(WDT)電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。P計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文第計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文第4頁共18頁3.2溫度采集電路DS18B20為單線數(shù)字溫度傳感器，支持“一線總線”接口，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，應(yīng)用電路采用溫度傳感器DS18B20，可直接輸出數(shù)字量，單線器件和單片機(jī)的接口只需一根信號(hào)線，所以本設(shè)計(jì)的硬件電路十分簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。能達(dá)到0.5oC的固有分辨率，使用讀取溫度暫存寄存3.3鍵盤、顯示電路ID或取消設(shè)置。件編程，可以實(shí)現(xiàn)比較美觀和豐富的顯示界面。模塊連接電路圖如圖4所示。計(jì)論文第5頁共18頁計(jì)論文3.4繼電器執(zhí)行控制電路通過給I/O端口高低電位來控制繼電器的通斷，繼而控制熱得快加熱的占空比(平均功率)，以達(dá)到控制水溫的目的。電路設(shè)計(jì)如下PN5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文第6頁共18頁在電感，這時(shí)NPN已經(jīng)截止，所以會(huì)在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓。此電壓的極性為上負(fù)下正，正端接在NPN的集電極上，當(dāng)感應(yīng)電壓與Vcc之和大于NPN三極管的集電極反向電壓時(shí)，NPN可能損壞，加入二極管，繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，上位機(jī)和下位機(jī)的主從工作方式為工業(yè)控制以及自動(dòng)統(tǒng)所采用。RS據(jù)和控制任務(wù)，同時(shí)也將數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)，由PC機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)經(jīng)行處理或顯示。條引線：TXD發(fā)送數(shù)據(jù)、RXD接收數(shù)據(jù)、GND信號(hào)地。因此在通信距離較短時(shí)可采用零MODEM串行通信，需要電平轉(zhuǎn)換芯片，這里采用MAX232芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該部分電路作為拓展應(yīng)用，電路如圖6所示。綜上所述，本著簡(jiǎn)單、實(shí)用的原則，最后選用了一個(gè)比較典型的硬件方案：測(cè)溫電本路選用7計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文第7頁共18頁4軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1軟件流程圖對(duì)范圍、溫度值的設(shè)定，執(zhí)行、顯示實(shí)時(shí)溫度。控制算法流程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文第計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文第8頁共18頁計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文第計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文第9頁共18頁P(yáng)ID計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文第10頁共18頁開始啟動(dòng)開始用程序默認(rèn)1倍PID控制量能否一次性達(dá)到設(shè)定值？YNY進(jìn)入控溫量自校正環(huán)節(jié)溫度低于恒溫值？Y啟動(dòng)10倍PID控制量加熱溫度上升？Y保存好此溫度上升點(diǎn)和控制量作為以后上升控制量N溫度下降？Y啟動(dòng)10倍PID控制量加熱Y溫度上升？Y達(dá)到設(shè)定值？Y進(jìn)入控溫量自校正環(huán)節(jié)NN啟動(dòng)1倍PID控制量加熱啟動(dòng)1倍PID控制量加熱N達(dá)到設(shè)定值？Y溫度下降？保存好此溫度下降溫度值比上次溫度上升點(diǎn)低？Y比上次溫度上升點(diǎn)低？把此溫度上升點(diǎn)和控制量作為以后上升控制量N是否高于設(shè)定值0.2度？Y在原上升點(diǎn)控制量減去超調(diào)部分量值保存此值至校正控制量單元等待溫度下降到恒溫值再次上升量自校正子程序K=KDK=KD4.2控制算法PID實(shí)現(xiàn)必須用數(shù)值畢竟的方法，當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分，用后向差分代替微分，使模pIDPTK=K為積分系數(shù)；IpTITIPT本設(shè)計(jì)中，控制參量為熱得快的加熱時(shí)間5系統(tǒng)調(diào)試首先對(duì)硬件初步檢查：檢查原理圖與PCB圖是否一致；原理圖與器件的引腳是否一致；用萬用表檢查是否有虛焊，引腳短路現(xiàn)象。確定無誤再進(jìn)行各模塊調(diào)試，軟件的調(diào)試和硬件調(diào)試配合進(jìn)行。5.1最小系統(tǒng)部分調(diào)試給整個(gè)系統(tǒng)上電，指示燈LED點(diǎn)亮，說明整個(gè)系統(tǒng)供電正常；用萬用表測(cè)量AT89S51的各個(gè)供電管腳也正常，能正常復(fù)位。再給單片機(jī)寫入各個(gè)模塊的調(diào)試程序，調(diào)試程序包括按鍵處理、液晶顯示部分。5.2串口與上位機(jī)通信部分調(diào)試通過串口給單片機(jī)下載簡(jiǎn)單的檢測(cè)程序，若能下載，則表示通信部分正常工作。5.3繼電器部分調(diào)試首先進(jìn)行初步檢測(cè)：系統(tǒng)上電后，用杜邦線將繼電器輸入端口接入5V高電平，再斷開，再接入5V高電平，如此往復(fù)，聽到繼電器發(fā)出滴答聲。電路基本正常。NPN分可以正常工作。5.4測(cè)溫部分調(diào)試調(diào)入18B20測(cè)溫及顯示程序，觀看液晶顯示部分能否實(shí)時(shí)顯示正確溫度，一般就直接測(cè)室溫的溫度，看其是否準(zhǔn)確即可。后來把包好的18B20放到水中測(cè)溫的時(shí)候，由于包得不夠好，導(dǎo)致幾個(gè)都無法測(cè)正確的溫度。所以測(cè)溫傳感器放到水中前務(wù)必包好。6PID參數(shù)整定①比例系數(shù)太大，致使在為達(dá)到設(shè)定溫度前加溫比例過高；②微分系數(shù)過小，致使對(duì)對(duì)象反應(yīng)不敏感；①比例系數(shù)過小，加溫比例不夠②積分系數(shù)過小，對(duì)恒溫偏差補(bǔ)償不足；3、基本上能夠在控制目標(biāo)上，但上下偏差偏大，經(jīng)常波動(dòng)；①微分系數(shù)過小，對(duì)即時(shí)變化反應(yīng)不夠快，反映措施不力；②積分系數(shù)過大，使微分反應(yīng)被淹沒鈍化；③設(shè)定的基本定時(shí)周期過短，加熱沒有來得及傳到測(cè)溫點(diǎn)；4、受工作環(huán)境影響較大，在稍有變化時(shí)就會(huì)引起溫度的波動(dòng)：①微分系數(shù)過小，對(duì)即時(shí)變化反應(yīng)不夠快，不能及時(shí)反映；②設(shè)定的基本時(shí)周期過長(zhǎng)，不能及時(shí)得到修到；PID則是要小得多，所以數(shù)字調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定，完全可以按照模擬調(diào)節(jié)器的各種參數(shù)整定方法進(jìn)行分析和綜合。但是，數(shù)由香農(nóng)采樣定理可知，當(dāng)采樣頻率的上限為Fs>2Fmax時(shí)，系統(tǒng)可真實(shí)地恢復(fù)到原來的連續(xù)信號(hào)。從理論上講，采樣頻率越高，失真越小，但是從控制器本身而言，大都是依靠偏差信號(hào)E(k)對(duì)于本次的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說，影響其重要的因素就是滯后了。到圖書館查書得知：采的快的距離不一樣，滯后的時(shí)間也不一樣。所以我們?cè)O(shè)計(jì)了可以設(shè)定采樣周期的程序，這樣隨時(shí)都可以調(diào)節(jié)其采樣周期的長(zhǎng)短，以達(dá)到比較好的控制效果。在溫度控制中，我們不僅要看它的超調(diào)量，還要看它掉下來的時(shí)候的那個(gè)波。為了能夠使散熱快點(diǎn)，所以我們?cè)O(shè)定的溫度都比較高。這樣調(diào)參數(shù)的時(shí)候可以省不少的時(shí)間，控制的效果也比較明放在熱得快的附近，傳導(dǎo)熱量也是比較快的。如果控制效果不好的話，我們可以修改采樣周期，再7測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析量結(jié)果：如下表所示。設(shè)設(shè)定溫度(oC)超調(diào)溫度(oC)0.5無變化范圍(oC)39.8~40.559.3~61.069.0~70.889.0~89.5DS18B20的精度比較高，這里采取了讀取溫度寄存器辦法，測(cè)溫精度能夠達(dá)到0.2oC，可以達(dá)到比在控溫指標(biāo)中，影響系統(tǒng)性能的因素非常多。最關(guān)鍵的是加熱系統(tǒng)本身的物理性質(zhì)及控制算法。由于傳感器必須加上防水設(shè)施，因此溫度傳感器難免會(huì)有遲滯，熱得快本身的延遲，水對(duì)流傳熱等因素也會(huì)造成測(cè)溫的延時(shí)，這些都會(huì)直接影響系統(tǒng)的控制性能。控制算法方面，需反復(fù)試驗(yàn)比較，出較好的PID系數(shù)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是提高靜態(tài)控溫精度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。整個(gè)系統(tǒng)綜合有如下幾個(gè)1、通過DS18B20集成溫度傳感器減少了A/D轉(zhuǎn)換電路，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。8結(jié)論通過這次的程設(shè)計(jì)，使我對(duì)計(jì)算機(jī)控制有了更深刻理解，對(duì)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的不足導(dǎo)致在設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)了不少的問題。調(diào)試過程中得到了老師的耐心指導(dǎo)，在此表示衷心感謝。同時(shí)，也感受到了團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性!謝辭在這次計(jì)算機(jī)控制課設(shè)的設(shè)計(jì)的過程中，得到了指導(dǎo)老師與同學(xué)的很多幫助。非常感謝我的老師耐心地給我分析不懂的問題，給我提出的寶貴的意見。也感謝給予我?guī)椭?，并協(xié)助我調(diào)試系統(tǒng)的同學(xué)們。沒有你們，這個(gè)繼電器水溫控制系統(tǒng)不會(huì)這么順利地實(shí)現(xiàn)。最后，謹(jǐn)向百忙之中抽出寶貴時(shí)間審閱論文的老師表示由衷的謝意!參考文獻(xiàn)錄//微分常數(shù)DerivativeConst//上次偏差//本次偏差//偏差和//偏差差，微分/***************************************!!!!!!!!!!!標(biāo)準(zhǔn)PID算法!!!!!!!!!!!!!!***************************************/{oldtnowt//保存上次溫度值i//比例項(xiàng)//積分項(xiàng)//微分項(xiàng)}/***************************************!!!!!!!!!!!!變速積分PID算法!!!!!!!!!!!!!***************************************/{oldtnowt//保存上次溫度值----對(duì)應(yīng)pid_i隨偏差的減小而增大------////比例項(xiàng)//積分項(xiàng)//微分項(xiàng)}/***************************************!!!!!!!!!!!開關(guān)控制+PID算法!!!!!!!!!!!!!***************************************/{if(now_e<=30)//偏差<=3度時(shí)才采用PID算法{//積分項(xiàng)求和//微分項(xiàng)求差//保存上次溫度值//保存上次偏差值//比例項(xiàng)//積分項(xiàng)//微分項(xiàng)}}/***************************************T0中斷服務(wù)子程序，用于控制熱得快加熱的***************************************/{{}}/*******************