智能化水温控制系統

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水温控制系統

摘要

現如今，人們的生活越來越強調智能化以及低碳化，無論是智能化還是低碳化，生活在人們都希望自己的電器越來越智能，即能按照人們的意願，低功耗的實現功能。水温控制作為人們生活以及工業的重要組成部分，能否實現智能化以及低功耗化十分重要。水温控制系統以STC89C51作為核心的温度控制系統，將DS18B20作為温度感應器，可直接反饋數字量的温度信息並可以調節精度；以繼電器以及螺旋加熱管作為加熱模塊；以發光二級管以及蜂鳴器作為聲光告警裝置；以數碼管作為温度顯示模塊。程序上利用PID調節算法，多次調節其中參數，使得温度控制更加精確。該系統具有簡單、成本低、質量安全可靠的特點。相信無論是在生活還是生產中都會有不錯的應用前景。

關鍵詞 智能化 温度控制 STC89C51 DS18B20 PID調節算法

一．任務以及要求

設計並製作一個水温自動控制系統，水温可以在一定範圍內由人工設定，可以實現自動報警功能。

1.基本內容如下： 

（1）温度設定範圍為：40～90℃，最小區分度為 1℃，標定温度≤1℃。 

（2）環境温度降低時温度控制的靜態誤差≤1℃。 

（3）用10進制數碼管顯示水的實際温度。 

2.發揮要求：

（1）温度控制範圍擴大，最小區分度減小。

（2）温度控制的靜態誤差≤0.2℃。

 （3）特色與創新。

二．方案設計及其論證

水温的控制，必須先精確地獲取温度，所以温度傳感器的選擇就非常重要。通常，温度所測量的是模擬量，模擬量的轉換涉及到A/D的轉換。温度傳感器把温度傳送給處理器核心，處理器核心經過分析，判斷是否滿足處理的條件，進行相關的處理。可實現的動作包括以下幾項：達到設定温度，進行聲光報警；温度低，進行加熱處理。其中温度的設定就要利用到鍵盤。聲光報警就需要用到發光二級管以及蜂鳴器。經以上分析，可以將温度控制系統分為以下幾個模塊：

1.温度傳感器

温度傳感器應具有精度足夠高、處理速度足夠快、體積小等特點。採用DS18B20温度傳感器。DS18B20是DALLAS公司生產的一線式數字温度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；温度測量範圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉換精度，測温分辨率可達0.0625℃，被測温度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出遠端引入。此器件具有體積小、質量輕、線形度好、性能穩定等優點其各方面特性都滿足此係統的設計要求。 更重要的是採用該温度傳感器後不用採用A/D轉換。節省了大量的工作量。

2.鍵盤顯示

按鍵主要涉及到温度的調節以及模式的轉換。顯示部分主要涉及到水温的實時顯示，以及功能模式的顯示。按任務功能需求採用獨立鍵盤，並且利用MCU對鍵盤進行掃描。這種方案既能很好的控制鍵盤及顯示，又為MCU大大的減少了程序的複雜性，而且具有體積小，簡單易做的特點。顯示部分按照任務要求採用4位數碼管設計，來顯示水温以及工作模式等。也具有簡單、可靠的特點。

核心

CPU主要控制水温以及其他模塊的協調工作。是該水温控制系統的核心。根據對方案的分析，採用簡單易用的STC89C52單片機，其內部有4KB單元的程序存儲器，不需外部擴展程序存儲器，而且它的I/O口也足夠本次設計的要求。具有簡單方便、成本低以及可靠的特點。

經以上分析，只要合理設計電路以及正確編寫程序，以上幾個模塊在MCU以及程序的調節下能協調工作，共同完成水温的控制，從而達到任務要求。

三．理論分析與計算

各個模塊要在MCU的調節下合理有序的工作，那麼系統必須採用合理高效的控制系統。這就要涉及到過程控制，過程控制指對生產過程的某一或某些物理參數進行的自動控制。過程控制可分為：模擬控制系統、微機過程控制系統以及數字控制系統DDC。模擬控制系統中被控量的值由傳感器或變送器來檢測，這個值與給定值進行比較，得到偏差，模擬調節器依一定控制規律使操作變量變化，以使偏差趨近於零，其輸出通過執行器作用於過程。微機過程控制系統以微型計算機作為控制器。控制規律的實現，是通過軟件來完成的。改變控制規律，只要改變相應的程序即可。

現如今在生產以及實踐中運用最多的是DDC(Direct Digital Congtrol)系統：

               圖3-1   DDC系統構成框圖

DDC(Direct Digital Congtrol)系統是計算機用於過程控制的最典型的一種系統。微型計算機通過過程輸入通道對一個或多個物理量進行檢測，並根據確定的控制規律(算法)進行計算，通過輸出通道直接去控制執行機構，使各被控量達到預定的要求。由於計算機的決策直接作用於過程，故稱為直接數字控制。

其中控制規律即為PID調節，本系統中為軟件實現。涉及到的理論計算如下：

1.模擬PID控制規律的離散化

  表一.模擬PID控制規律的數字化公式

2.數字PID控制器的差分方程

式中                  為比例項

                  為積分項

           為微分項

四．系統設計方案

1.工作模式

本着智能化以及按照題目要求，將系統設計有以下兩個個工作模式：A.測定水温以及顯示水温；B.設定水温並保温；其中A為默認工作狀態，即開機工作狀態，工作內容為實時測量水温並在數碼管上顯示。B為設定温度並保温。由用户設定一定的温度，系統自動工作，加熱到設定温度後聲光報警，聲光報警裝置可獨立開關，如果不切斷電源或切換模式，系統將自動竟然保温模式。其中温度的設定有鍵盤控制。不管在那種工作模式，一旦復位鍵按下，將回到默認工作模式。在B工作模式下並且顯示實際水温時，按下加鍵可以顯示用户設定温度。根據以上的分析總結如下：

2.電路設計

根據以上的分析，可以將整個系統分為以下幾個部分：單片機最小系統，測温電路，功率電路，交流過零檢測電路，顯示電路，系統框圖如下：

（1）89C52最小系統

最小系統採用將C52MCU以及獨立鍵盤、數碼管集成在一塊板上的工作方式。 其中P0口接數碼管。其他包括復位電路、獨立鍵盤、晶振電路。其電路如下圖5-1所示： 

圖5-1 最小系統

（2）18B20測温電路

測温電路是使用DS18b20數字式温度傳感器，它無需其他的外加電路，直接輸出數字量，可直接與單片機通信，讀取測温數據，電路十分簡單。它能夠達到0.5℃的固有分辨率，使用讀取温度的暫存寄存器的方法還能達到0.2℃以上的精度。DS18B20温度傳感器只有三根外引線：單線數據傳輸總線端口DQ ，外供電源線VDD，共用地線GND。外部供電方式(VDD接+5V，且數據傳輸總線接4.7k的上拉電阻，其接口電路如圖5-2所示：

圖5-2 控制電路

（3）功率電路

功率電路主要是繼電器模塊，包括三極管以及電阻組成控制部分，與MCU進行通信。PNP管的導通控制着繼電器的常閉觸點的接通與否。繼電器常閉觸點連接着外部加熱電路。其中繼電器的電感部分連接着二極管，起着引流保護PNP管的作用。其電路如下圖6-1：

圖6-1 功率電路

（4）聲光報警電路

聲光報警電路採用蜂鳴器以及二極管串聯的形式，通過PNP三極管控制電路通斷。利用P3.7來與MCU通信。如下圖6-2：

圖6-2 聲光報警電路

（5）紅外接收裝置

該部分為創新部分，採用紅外接收裝置來接受紅外遙控器的信號，這樣就可以通過無線方式進行信息的傳遞。通過遙控器可以設定温度，切換工作模式等。工作原理為紅外遙控器產生紅外信號，紅外接收頭接收到紅外信號後，其內部電路把信號送到放大器和限幅器，限幅器把脈衝幅度控制在一定的水平，而不論紅外發射器和接收器的距離遠近。交流信號進入帶通濾波器，帶通濾波器可以通過30khz到60khz的負載波，通過解調電路和積分電路進入比較器，比較器輸出高低電平，還原出發射端的信號波形。最終將數字信號傳輸到MCU，MCU做出相應的反應。其電路如下圖7-1：

圖7-1 紅外接收裝置

五．軟件設計説明

（1）總流程

本系統是採用查詢方式來顯示和控制温度的。其中加入了紅外以及鍵盤等的其他控制器件語句。總流程圖如下圖7-2：

圖 7-2 總流程圖

（2）工作時序

工作時序由初始化模塊、測温、顯示等模塊組成。具體工作時序如下圖8-1：

圖 8-1 工作時序

（3）主要程序

1.主函數如下：

#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;   //初始化按鍵

 PIDBEGIN();    //初始化PID

 init_infrared(); //初始化紅外

 ReadTemperature(); //預讀一次温度

 hello(); //顯示HELLO，屏蔽85°C

 while(1)//檢測紅外線

{  

if(IrOK==1&&Im[0]==0x00) 

   proc_infrared();

   if(counter-- == 0)

{

tmp = ReadTemperature(); 

counter = 20;

}

key_scan();//掃描鍵盤

proc_key();//刷新顯示緩存

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; // 設定目標 Desired Value 

unsigned int Proportion; // 比例常數 Proportional Const 

unsigned int Integral; // 積分常數 Integral Const 

unsigned int Derivative; // 微分常數 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;//佔空比調節參數 

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; // 積分 

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

pp->PrevError = pp->LastError; 

pp->LastError = Error; 

return (pp->Proportion * Error//比例 

+ pp->Integral * pp->SumError //積分項 

+ pp->Derivative * dError); // 微分項 

} 

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

温度比較處理子程序 

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

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中斷服務子程序，用於控制電平的翻轉 ,40us*100=4ms週期 

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

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 

ortion = 10; // Set PID Coefficients 

gral = 8; 

vative =6; 

oint = 100; // Set PID Setpoint 

} 

#endif

18B20子程序

 #ifndef __DS18B20_H__

#define __DS18B20_H__

sbit DQ = P3^5;   //定義通信端口 

unsigned int s;

unsigned char temper;

//晶振22MHz  

void delay_18B20(unsigned int i)

{

  while(i--);

}

//初始化函數

Init_DS18B20(void) 

{

 unsigned char x=0;

 DQ = 1;          //DQ復位

 delay_18B20(4);  //稍做延時

 DQ = 0;          //單片機將DQ拉低

 delay_18B20(100); //精確延時 大於 480us

 DQ = 1;          //拉高總線

 delay_18B20(40);  

}

//讀一個字節  

ReadOneChar(void)

{

unsigned char i=0;

unsigned char dat = 0;

for (i=8;i>0;i--)

 {

  DQ = 0; // 給脈衝信號

  dat>>=1;

  DQ = 1; // 給脈衝信號

  if(DQ)

  dat|=0x80;

  delay_18B20(10);

 }

  return(dat);

}  

WriteOneChar(unsigned char dat)//寫一個字節

{

 unsigned char i=0;

 for (i=8; i>0; i--)

 {

  DQ = 0;

  DQ = dat&0x01;

  delay_18B20(10);

  DQ = 1;

  dat>>=1;

 }

}

ReadTemperature(void)//讀取温度

{

unsigned char a=0;

unsigned char b=0;

unsigned int t=0;

//EA = 0;  

Init_DS18B20();

WriteOneChar(0xCC); //跳過讀序號列號的操作

WriteOneChar(0xBE); //讀取温度寄存器等（共可讀9個寄存器） 前兩個就是温度

a=ReadOneChar();

b=ReadOneChar();

Init_DS18B20();//啟動下一次温度轉換

WriteOneChar(0xCC); // 跳過讀序號列號的操作

WriteOneChar(0x44); // 啟動温度轉換

 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．測試方法與數據

測量方式：接上系統的加熱裝置，裝入25.06攝氏度室温的水，通過鍵盤或者紅外遙控器設定控温温度。記錄調節時間、超調温度、穩態温度波動幅度等。

測量條件：環境温度26.5℃（附：加熱電爐功率600W）。

測量結果：如表二所示。在此僅以數值的方式給出測量結果。調節時間按温度進入設定温度±0.5℃範圍時計算。

表二 測量結果數據

六．測試結果分析

由測試結果和上表數據得出：

（1）温度設定範圍為30～95℃（在40~90範圍內），最小區分度達到0. 01℃（小於1℃）以上，標定温度值也符合設計要求。 

（2）由於採用了PID控制，在環境温度降低時温度控制的靜態誤差小於0.5℃（精度高於設計要求）。 

（3）用數碼管來顯示水的實際温度和設定温度值，顯示很穩定。 

（4 ）採用了PID控制，當設定温度突變（由40℃提高到60℃）時，經過多次調試知道，當P=10；I=8；D=6時系統具有最小的調節時間和超調量。 

（5）當温度穩定時，温度控制的靜態誤差≤0.5℃。

（6）創新部分為添加了紅外遙控裝置。可代替鍵盤部分功能，且能更方便的調節温度等。

（7）經過多次測試和改進，該系統各方面參數都達到和超過設計參數，完成了既定目標。

參考文獻：

[1] 李楨、趙宏權，《PID調節概念及基本原理》[J]，《科技信息（科學教研）》，07，29期

[2]郭天祥，《51單片機C語言教程》[M]，北京：電子工業出版社，2009