課程設(shè)計(jì)（論文）-基于單片機(jī)的淋浴水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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1、基于單片機(jī)的淋浴水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要:本論文對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,并根據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)。利用工業(yè)控制的8031單片機(jī)搭建控制系統(tǒng),系統(tǒng)的前向通道未用了成本低、休積小、線性電流傳感器，為提高精度，傳感器設(shè)計(jì)了T型濾波器以增加杭干擾能力，單片機(jī)應(yīng)用未用PID葬法的撞制方式擔(dān)制雙向可控硅的導(dǎo)通、關(guān)斷，調(diào)整功率，使之切斷或接通加熱器，從而控制水溫穩(wěn)定在預(yù)設(shè)定值上。系統(tǒng)后向通道采用干擾小、器件運(yùn)行可靠的過(guò)零觸發(fā)方式，省去了傳統(tǒng)的D/A接口電路，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)備。在軟件設(shè)計(jì)中，為提高精度我們采用了數(shù)字濾波方案以減少干擾信號(hào)的比重。根據(jù)溫控的單回路P

2、ID數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件設(shè)計(jì)，完成實(shí)時(shí)瀏重(傳感采樣)、實(shí)時(shí)決策((PID控制運(yùn)算)和實(shí)時(shí)控制(調(diào)功)三部分功能，為防止超調(diào)量過(guò)大，對(duì)PID算法進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制,調(diào)節(jié)冷熱水管的流量,最終達(dá)到控制輸出水溫的目的。目錄引言11.設(shè)計(jì)任務(wù)21.1基本要求31.2發(fā)揮部分32方案論證32.1方案一32.2方案二42.3方案三43方案設(shè)計(jì)53.1系統(tǒng)工作原理53.2主要電路設(shè)計(jì)63.3軟件設(shè)計(jì)94性能指標(biāo)測(cè)試:115結(jié)論12系統(tǒng)誤差分析12參考文獻(xiàn)13引言隨著自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,現(xiàn)在很多家庭都希望能享受智能化服務(wù)的家居環(huán)境;人們生

3、活無(wú)非衣食住行,對(duì)于居住,如果有智能化淋浴設(shè)施,更能為生活增色不少,智能化淋浴設(shè)施中關(guān)鍵的兩項(xiàng)技術(shù)為:溫度控制與流量控制,其中人們對(duì)于溫度控制是希望在自己設(shè)定數(shù)值以后變化不大,僅僅在設(shè)定數(shù)值周?chē)▌?dòng);而流量則直接按需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。1.設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)制作一個(gè)淋浴水溫控制系統(tǒng)，控制對(duì)象為1升凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變。淋浴水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)由溫度傳感裝置、控制系統(tǒng)、顯示裝置、冷水流控制裝置、熱水流控制裝置、總流量控制裝置構(gòu)成,如圖2-1所示。其中流量與溫度有一定的關(guān)系,系統(tǒng)利用溫度傳

4、感器測(cè)量水的溫度,并將其結(jié)果傳遞到控制系統(tǒng),將溫度顯示出來(lái),并與所設(shè)置的溫度進(jìn)行對(duì)比,根據(jù)對(duì)比所得到的結(jié)果來(lái)控制冷熱水的流量。圖2-1　水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成框圖水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)目標(biāo)是控制出水管的溫度和流量。對(duì)于流量的控制,是通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的;而對(duì)于溫度的控制,則是先通過(guò)控制面板手動(dòng)調(diào)定好溫度的數(shù)值,再通過(guò)閉環(huán)控制其真實(shí)水溫圍繞設(shè)定水溫小范圍波動(dòng)。1.1基本要求(1)溫度設(shè)定范圍為400C^J900C，最小區(qū)分度為1"C，標(biāo)定溫差<10C<（2）環(huán)境溫度降低時(shí)(例如用電風(fēng)扇降溫)溫度控制的靜態(tài)誤差<10Co(3)用十進(jìn)制數(shù)碼顯示水的實(shí)際溫度。1.2發(fā)揮部分(1

5、)采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)設(shè)定溫度突變(由40℃提高到600C)時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。(2)溫度控制的靜態(tài)誤差<20℃(3)在設(shè)定溫度發(fā)生突變(由40℃提高到60℃)時(shí)，自動(dòng)打印水溫隨時(shí)間變化的曲線。2方案論證根據(jù)水溫控制系統(tǒng)題目的要求，在初步論證時(shí)我們?cè)O(shè)計(jì)出三種方案:2.1方案一圖2-2圖2-2所示，此方案采用電壓比較法，將由傳感器檢測(cè)到的物理量經(jīng)過(guò)變換器變換成電壓量然后送入比較電路，與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，然后控制繼電器關(guān)斷來(lái)進(jìn)行電爐的加熱。同時(shí)將變換后的信號(hào)放大，送A/D積分變換顯示出當(dāng)前溫度。2.2方案二圖2-3圖2-3所示，本方案由傳感器采

6、樣放大的信號(hào)，進(jìn)行A/D變換和非線性校正后，將輸出的數(shù)字量與存儲(chǔ)器中前次采樣進(jìn)行比較，然后根據(jù)比較結(jié)果控制電爐工作以及當(dāng)前溫度顯示。2.3方案三此方案采用單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行智能化控制，不僅具有功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，而且可編程、智能化溫度控制技術(shù)的廣泛采用使得系統(tǒng)靈活性大大增加。如圖2-4所示，此方案控制部分采用8031單片機(jī)，輸入部分采用半導(dǎo)體集成傳感器，變換后信號(hào)經(jīng)A/D采樣送入CPU進(jìn)行數(shù)字濾波，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行非線性校正，并充分利用控制運(yùn)算(PID)得出的控制量去控制雙向可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷，來(lái)切斷或接通加熱電源，調(diào)整電工功率，從而控制水溫穩(wěn)定在

7、設(shè)定值上。通過(guò)三種方案的比較分析，若采用前兩種方案，利用常規(guī)化儀表加接觸器(繼電器)的斷續(xù)控制方法，要達(dá)到題目給定的精度要求，從輸入采樣到輸出控制的各種誤差產(chǎn)生因素較多，精度難以達(dá)到要求。而采用單片機(jī)就可充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，將誤差減小到最小，還可以方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，而且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償和軟件校正.其優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)電路無(wú)法比擬的。所以我們選定單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電爐溫度控制的單回路PID數(shù)字調(diào)節(jié)的第三種方案。圖2-43方案設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)工作原理圖3-1由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電爐溫度控制的單回路PID數(shù)字調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理如圖3-1所示。圖3-1中，傳感器AD5

8、90將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，通過(guò)放大器變成電壓信號(hào)，然后送入A/D變換器，輸出