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DDCDirect Digital Congtrol系统：
图3-1 DDC系统构成框图
DDCDirect 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******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
while1//检测红外线
{
ifIrOK==1&&Im[0]==0x00
proc_infrared;
ifcounter-- == 0
{
tmp = ReadTemperature;
counter = 20;
}
key_scan;//扫描键盘
proc_key;//刷新显示缓存
ifchoice==0
update_disbuftmp;
else
update_disbufset_tmpbuf;
ifpid_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
{
memsetpp,0,sizeofstruct 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;
ifset_temper>temper
{
ifset_temper-temper>2
{
high_time=100;
low_time=0;
}
else
{
fori=0;i<10;i++
{get_temper;
rin = s; // Read Input
rout = PIDCalc&spid,rin ; // Perform PID Interation }
if high_time<=100
high_time=unsigned charrout/1600;
else
high_time=100;
low_time= 100-high_time;
} }
else ifset_temper<=temper
{
iftemper-set_temper>0
{
high_time=0;
low_time=100;
}
else
{
fori=0;i<10;i++
{ get_temper;
rin = s; // Read Input
rout = PIDCalc&spid,rin ; // Perform PID Interation }
if high_time<100
high_time=unsigned charrout/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 ifcount<=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_18B20unsigned int i
{
whilei--;
}
//初始化函数
Init_DS18B20void
{
unsigned char x=0;
DQ = 1;//DQ复位
delay_18B204;//稍做延时
DQ = 0;//单片机将DQ拉低
delay_18B20100; //精确延时 大于 480us
DQ = 1;//拉高总线
delay_18B2040;
}
//读一个字节
ReadOneCharvoid
{
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
ifDQ
dat|=0x80;
delay_18B2010;
}
returndat;
}
WriteOneCharunsigned char dat//写一个字节
{
unsigned char i=0;
for i=8; i>0; i--
{
DQ = 0;
DQ = dat&0x01;
delay_18B2010;
DQ = 1;
dat>>=1;
}
}
ReadTemperaturevoid//读取温度
{
unsigned char a=0;
unsigned char b=0;
unsigned int t=0;
//EA = 0;
Init_DS18B20;
WriteOneChar0xCC; //跳过读序号列号的操作
WriteOneChar0xBE; //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
WriteOneChar0xCC; // 跳过读序号列号的操作
WriteOneChar0x44; // 启动温度转换
t=b*256+a*25;
b=b<<4&0x7f;
s=unsigned inta&0x1f;
s=s*100/16;
a=a>>4;
temper=a|b;
returnt>>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
