溫室控制系統(tǒng)設(shè)計方案

10/15設(shè)電信學院電子系統(tǒng)設(shè)計大賽設(shè)計方案班 級：***********設(shè)計題目：溫室掌握系統(tǒng)參賽成員：******************名目\l“_TOC_250021“1、課題相關(guān)要求 3\l“_TOC_250020“設(shè)計任務(wù) 3\l“_TOC_250019“功能要求和技術(shù)指標 3\l“_TOC_250018“發(fā)揮局部 3\l“_TOC_250017“2、方案論證 3\l“_TOC_250016“自動掌握系統(tǒng)方案論證 3\l“_TOC_250015“掌握器的選擇 4\l“_TOC_250014“執(zhí)行器的選擇 4\l“_TOC_250013“測量變送器的選擇 5\l“_TOC_250012“人機交互〔關(guān)心掌握〕方案論證 5\l“_TOC_250011“顯示電路的設(shè)計 5\l“_TOC_250010“鍵盤輸入電路的設(shè)計 6\l“_TOC_250009“掌握電路電路的設(shè)計 7\l“_TOC_250008“傳感器檢測電路的設(shè)計 8\l“_TOC_250007“3、掌握算法設(shè)計 8\l“_TOC_250006“PID掌握理論 8\l“_TOC_250005“數(shù)字PID掌握算法 9\l“_TOC_250004“數(shù)字PID掌握算法選定 11\l“_TOC_250003“自動掌握方式 12\l“_TOC_250002“4、系統(tǒng)硬件設(shè)計 13\l“_TOC_250001“5、系統(tǒng)軟件設(shè)計 14\l“_TOC_250000“6、方案特色 151、課題相關(guān)要求設(shè)計任務(wù)設(shè)計一套能夠自動檢測和掌握環(huán)境溫度的裝置，該裝置能夠?qū)Νh(huán)境溫度進展設(shè)置，環(huán)境溫度變化實現(xiàn)自動調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度根本不變。功能要求和技術(shù)指標(1)溫度檢測：10°C----80°C0.1°C溫度范圍可任意設(shè)定：20°C 60°C冷卻和加熱掌握：溫度靜態(tài)誤差<=1°C(4)顯示被測量的值發(fā)揮局部冷卻和加熱的有效掌握：當設(shè)定溫度突變時，減小調(diào)整時間。2、方案論證自動掌握系統(tǒng)方案論證溫室掌握系統(tǒng)是一個過程掌握系統(tǒng)，在設(shè)計的過程中，必需明確它的組成局部。過程掌握系統(tǒng)的組成局部有：掌握器、執(zhí)行器、被控對象和測量變送單元，其框圖如圖1所示。設(shè)定值設(shè)定值偏差掌握器執(zhí)行器操縱變量被控對象被控參數(shù)測量值測量變送器1過程掌握組成框圖由圖可知，在這個系統(tǒng)的設(shè)計中，主要設(shè)計如圖幾個局部。除此之外，依據(jù)題目要求，還要選取適宜的掌握算法來到達系統(tǒng)參數(shù)的要求。對于執(zhí)行器件、測量變送元件將響著整個系統(tǒng)實現(xiàn)效果的優(yōu)劣，所以這是一項不容怱視的工作。掌握器的選擇89C51用編程實現(xiàn)各種掌握算法和規(guī)律掌握，下載便利，不需要專用的編程器，可以通過串口4/PWM4〔32〕I/O供使用，I/O執(zhí)行器的選擇方案一：選擇電熱絲為執(zhí)行器，通過掌握電熱絲兩端的電壓來掌握，電熱絲的溫度不均勻。方案二：選擇電扇為執(zhí)行器，通過掌握電扇兩端的電壓來掌握電扇的轉(zhuǎn)速，當溫室降低溫室中的溫度；當溫室溫度較低時，降低電扇的轉(zhuǎn)速，削減冷空氣的鼓入量，從而將溫室溫度提高。此方案的優(yōu)點是掌握的溫室內(nèi)的溫度比較均勻，掌握靈敏；缺點是不能到達很高的溫度。方案三：選擇兩個執(zhí)行器，分別為電熱絲和電扇，當溫室溫度上升時先通過增大冷當環(huán)境溫度降低時，先通過削減冷空氣的鼓入量來升溫，假設(shè)不能到達掌握要求，在上升比較高的溫度，而且掌握靈敏，溫室溫度掌握能比較均勻。比較以上三個方案，我們選擇方案三來實現(xiàn)我們的掌握要求，方案已在以上論證。測量變送器的選擇方案一：承受熱電阻作為傳感器，把熱電阻放入溫室中，當溫室的溫度變化時，熱帶來很大的誤差，并且熱電阻接入電路中也會由于電流的熱效應(yīng)從而給測量帶來干擾。方案二：承受數(shù)字式的溫度傳感器18B20作為測量變送器，18B20封裝小，安裝便利，精度高，抗干擾力量強，并且承受單總線構(gòu)造，和單片機的連接格外便利，只需I/O就可以檢測到溫室的溫度，內(nèi)部集成了64ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置存放器，可以直接讀取器內(nèi)部存放器的數(shù)值從而A/D采樣的轉(zhuǎn)換。比較以上兩個方案，我們選擇方案二來實現(xiàn)我們的掌握要求，方案已在以上論證。人機交互〔關(guān)心掌握〕方案論證2。顯示電路顯示電路鍵盤輸入電路單片機電熱絲和風扇溫度傳感器圖2 掌握系統(tǒng)模塊圖顯示電路的設(shè)計方案一：承受數(shù)碼管作為顯示器，數(shù)碼管能夠清楚的顯示數(shù)字，不能顯示字符，要6個數(shù)碼管，假設(shè)之間與單片機的I/O連接，14個I/O，占用的較多的I/O口，硬件電路圖設(shè)計繁瑣，并且耗電量大。11I/O就可以輕松的掌握，且電路設(shè)計簡潔，編程便利，顯示清楚牢靠，耗電量小。16023所示。圖3 1602顯示電路設(shè)計比較以上兩個方案，我們選擇方案二來實現(xiàn)我們的掌握要求。鍵盤輸入電路的設(shè)計0——9(10個數(shù)字)4*4的矩陣鍵盤，來實現(xiàn)對設(shè)定值的輸入。4*44所示。圖4 4*4的矩陣鍵盤掌握電路電路的設(shè)計220V供電，而電機需要直流電，且所要求的電流較大，應(yīng)選擇ULN2023為電機的驅(qū)動芯片，為電機供給較大的電流，而電熱絲則通過連續(xù)掌握繼電器的通斷〔PWM脈寬調(diào)制技術(shù)〕來掌握它兩端的電壓，從5所示。圖5 電機和電熱絲驅(qū)動電路圖傳感器檢測電路的設(shè)計618B20溫度檢測電路本方案承受的是18B20618B20溫度檢測電路3、掌握算法設(shè)計PIDPID在溫度掌握中已使用數(shù)十年，是一種成熟的技術(shù)，它具有構(gòu)造簡潔、易于理解和實現(xiàn)，且一些高級掌握都是以PID為根底改進的。在工業(yè)過程掌握中90%以上的掌握系統(tǒng)回路具有PIDPID80%57PIDwy7PIDe(t)w(t)y(t) 〔3-1〕并將其比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成掌握量。其動態(tài)方程為：u(t)K

e(t)1p Ti

e(t)dtTd

de(t)dt

〔3-2〕其中K ---為調(diào)整器的比例放大系數(shù)pT---為積分時間常數(shù)iT---為微分時間常數(shù)dPID(3—2)式中的積分和微分項不能直接使用，需要進展離散化處理。現(xiàn)令T為采樣周期，以kT

代表連續(xù)時間t

，以累加求和近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，做如下的近似變換：tkTte(t)T0

e(jT)T

e(j)

〔3—3〕〔3—4〕de(t)dt

j0 j0e(kT)e[(k1)T]T

e(k)e(k1)T

〔3—5〕其中，Tek)kek1)k1)次采kk0,1,2,...。將上面的〔3—4〕式和〔3—5〕式代入(3—2)式，則可以得到PID調(diào)整器的離散化表達式為:u(k)K

e(k)Tp Ti

k

Te(j) T

[e(k)e(k1)] (3—6)TPID算式，因而使被控過程(3—6)式稱為PID的位置式掌握算法。假設(shè)在(3—6)式中，令：K Ti T

〔積分系數(shù)〕iTK d

〔微分系數(shù)〕則 u(k) K

d TkK

( j

K[ () ( k1)] (3—7)p i dj0(3—7)式即為離散化的位置式PID掌握算法的編程表達式?？梢钥闯?，每次輸出與過去的全部狀態(tài)都有關(guān)，要想計算u(k)ek)和ek1)e(j)相加，計算簡單，鋪張內(nèi)存。下面，推導(dǎo)計算較為簡潔的遞推算式。為此，對(3—7)式作如下的變動：k1)次采樣時有：u(k1)K

e(k1)T

k

e(j)Td

[e(k1)e(k2)] (3—8)p T Tij0使(3—6)式兩邊對應(yīng)減去(3—8)式，得式，得：u(k)u(k1)K

[e(k)e(k1)]T

e(k)Td

[e(k)2e(k1)e(k2)]p T Ti整理后得u(k)u(k1)K

[e(k)e(k1)]T

e(k)Td

[e(k)2e(k1)e(k2)]u(k1)(K

pTTd

)e(k)(K

Ti2Td

T)e(k1)Td

e(k2)p T T p T Tiu(k1)a0

e(k)a1

e(k1)a

e(k2) (3—9)2其中：

a (K TTd0 p T Ti

K K )p i da (K 2T )(K 2K )a T Kd d1 p T p d 2 T d(3—9)式就是PID假設(shè)令uk)uk)uk1))則0 1 u(k)ae(k)ae(k1)ae(k2) 0 1 a0

，a，a1

同(3—9)式中一樣。a0

，a，a1

都可以事先求出，所以，實際掌握時只須獲得ek)、ek1)e(k2)三個有限的偏差值就可以求出掌握增量。由于其掌握輸出對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的位置的增量，故(3—10)式通常被稱為PID掌握的增量式算式。p可見溫度PID調(diào)整器有三個可設(shè)定參數(shù)，即比例放大系數(shù)K 、積分時間常數(shù)K、微piKd

。因此，通過整定調(diào)整三大參數(shù)即可掌握系統(tǒng)運行狀況。PID掌握器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)即時成比例地反映掌握系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，掌握器馬上產(chǎn)生掌握作用，以削減偏差；積分環(huán)節(jié)主要用于消退靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間Ti

越大，積分作用越弱，反之則越強；微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并且能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，削減調(diào)整時間。在實際使用中,在滿足生產(chǎn)過程需要的前提下,應(yīng)盡量選擇簡潔的調(diào)整器,這樣,既節(jié)約投資,又便于維護.常規(guī)PID般工業(yè)掌握的要求，其優(yōu)點是原理簡潔、使用便利、適應(yīng)性廣。承受PID掌握，掌握效果的PID當,都能取得較好的掌握效果。數(shù)字PID掌握算法選定位置式PID掌握算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，算式中要用到過去偏差的累加值 e(j)，簡潔產(chǎn)生較大的累計誤差。而增量式PID掌握算法中只須計算增量，算式0 1 中不需要累加，掌握增量確實定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，當存在計算誤差或者精PIDuk)aek)aek1)aek2)0 1 寫掌握算法。自動掌握方式為了實現(xiàn)溫度的自動掌握，必需要組成肯定的系統(tǒng)構(gòu)造。如圖8，該掌握系統(tǒng)是把輸出量檢測出來，經(jīng)過物理量的轉(zhuǎn)換，再反響到輸入端去與給定量進展比較〔綜合〕，并利用掌握器形成的掌握信號通過執(zhí)行機構(gòu)對掌握對象進展掌握，抑制內(nèi)部或外部擾動對輸出量的影響，減小輸出量的誤差，到達掌握目的。在此掌握系統(tǒng)中單片機就相當于常規(guī)掌握系統(tǒng)中的運算器掌握器，它對過程變量的實測值和設(shè)定位之間的誤差信號進展運算然后給出掌握信息。單片機的運算規(guī)章稱為掌握法則或掌握算法。設(shè)定值設(shè)定值偏差掌握器執(zhí)行器被控對象被控參數(shù)測量值測量變送器8自動掌握框圖常用的掌握算法有以下幾種①經(jīng)典的比例積分微分掌握算法。②依據(jù)動態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化理論得到的自適應(yīng)掌握和最優(yōu)掌握方法。③依據(jù)模糊集合理論得到模糊掌握算法。自適應(yīng)掌握、最優(yōu)掌握方法以及模糊掌握算法是建立在準確的數(shù)學模型根底上的，在實時過程掌握中，由于掌握對象的準確數(shù)學模型難于建立，系統(tǒng)參數(shù)常常發(fā)生變化，PIPD掌握算法和PID4、系統(tǒng)硬件設(shè)計9現(xiàn)場溫度現(xiàn)場溫度溫控設(shè)施PWM溫度傳感器單片機顯示驅(qū)動鍵盤1602顯示器9硬件總體構(gòu)造框圖9，系統(tǒng)以單片機為核心，通過單片機實現(xiàn)PID掌握算法和PWM術(shù)來掌握溫控設(shè)施〔電熱絲和電風扇〕對現(xiàn)場溫度的影響，同時將計算所得的溫度值送顯示器顯示，另外，通過鍵盤實現(xiàn)給定溫度值的輸入，便利了人機交互10圖10： 硬件仿真電路圖其中包括鍵盤輸入電路、單片機掌握電路、溫度傳感器測量電路、1602顯示電路、直流電機和電熱絲的驅(qū)動電路。5、系統(tǒng)軟件設(shè)計值，并且送到1