單片機(jī)課程設(shè)計(jì)-水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)報(bào)告第31頁共31頁摘要：PID控制是工控領(lǐng)域內(nèi)的一種重要控制方法，將PID算法應(yīng)用到以51單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中，能產(chǎn)生良好的控制效果。基于PID算法的水溫控制系統(tǒng)采用目前性價(jià)比較高的數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為檢測(cè)變送器，通過鍵盤向單片機(jī)輸入設(shè)置數(shù)碼管溫度，單片機(jī)將溫度偏差進(jìn)行PID運(yùn)算后，輸出PWM波。PWM波作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入從而來決定電爐工作電壓的大小,最終實(shí)現(xiàn)水溫的控制。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)基本滿足要求。關(guān)鍵詞：PID；51單片機(jī)；溫度傳感器DS18B20；PWM；鍵盤；顯示第

2、31頁共31頁目錄第1章系統(tǒng)方案41.1設(shè)計(jì)思想41.2方案論證41.3論證分析6第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)82.1硬件設(shè)計(jì)82.1.1電源電路82.1.2溫度檢測(cè)與變送環(huán)節(jié)82.1.3單片機(jī)最小系統(tǒng)92.1.4鍵盤電路112.1.5顯示電路112.1.6加熱驅(qū)動(dòng)模塊122.1.7報(bào)警電路132.2軟件設(shè)計(jì)133.2.1主函數(shù)132.2.3按鍵設(shè)定函數(shù)142.2.4溫度采集函數(shù)152.2.6PID運(yùn)算子函數(shù)152.2.7PWM產(chǎn)生函數(shù)172.3系統(tǒng)調(diào)試182.3.1人機(jī)界面調(diào)試183.3.2溫度顯示18第3章總結(jié)19附錄系統(tǒng)源程序20第31頁共31頁第1章系

3、統(tǒng)方案1.1設(shè)計(jì)思想溫度的期望值可用鍵盤設(shè)定，溫度傳感器檢測(cè)實(shí)際溫度，控制器根據(jù)實(shí)測(cè)值與期望值偏差通過相應(yīng)運(yùn)算，輸出相應(yīng)的控制參數(shù)給加熱驅(qū)動(dòng)模塊，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。加熱器加熱驅(qū)動(dòng)模塊水溫度傳感器測(cè)量當(dāng)前水溫鍵盤輸入給定溫度控制器根據(jù)偏差進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，輸出控制參數(shù)顯示控制器加熱器加熱驅(qū)動(dòng)模塊蜂鳴報(bào)警鍵盤電源溫度傳感器整體設(shè)計(jì)框圖1.2方案論證1、控制器根據(jù)設(shè)計(jì)要求，控制器主要用于對(duì)溫度測(cè)量信號(hào)的接收和處理、控制顯示電路對(duì)溫度值實(shí)時(shí)顯示、控制鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度值的設(shè)定、控制加熱驅(qū)動(dòng)模塊等。對(duì)控制器的選擇有以下兩種方案：第31頁共31頁方案一：采用FPGA

4、作為系統(tǒng)控制器。FPGA采用并行的IO口方式，運(yùn)算速度快，穩(wěn)定性高，可用EDA軟件仿真及調(diào)試，功能強(qiáng)大，易于拓展，適合做大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制核心。由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求不高，F(xiàn)PGA處理速度快的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)，且其成本較高，引腳較多，硬件電路布線復(fù)雜。方案二：采用STC90C516RD+作為系統(tǒng)控制器。單片機(jī)運(yùn)算功能強(qiáng)、軟件編程靈活、自由度大、可軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、技術(shù)成熟、成本也較低。本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求不高，單片機(jī)已能滿足設(shè)計(jì)需求?；谝陨戏治鰯M定采用方案二，由STC90C516RD+作為控制核心，

5、對(duì)溫度采集、實(shí)時(shí)顯示以及加熱裝置進(jìn)行控制。1、控制算法在水溫控制系統(tǒng)中，選擇一個(gè)好的算法是系統(tǒng)達(dá)到技術(shù)指標(biāo)的保證。對(duì)算法的選擇有以下兩種方案：方案一:數(shù)字PID控制算法。在連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng)中，PID控制應(yīng)用非常廣泛，其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，整合了比例控制、積分控制和微分控制3種基本控制規(guī)律。由于計(jì)算機(jī)程序的靈活性，數(shù)字PID控制比連續(xù)PID控制更優(yōu)越。方案二：分段非線性加積分分離PI算法。當(dāng)偏差較大時(shí)，控制量采用由實(shí)驗(yàn)總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)值；當(dāng)偏差較小時(shí)，切換為積分分離PI算法。該算法可較好地改善系統(tǒng)的非線性

6、及靜態(tài)特性，但PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過程不能令人滿意。方案三：模糊PID控制算法。該算法是在傳統(tǒng)PID控制算法上增加模糊控制，在確定、、的基礎(chǔ)上，增加模糊集、、，進(jìn)行模糊化，以自適應(yīng)不同的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)控制的精確性和魯棒性。由于對(duì)數(shù)字PID控制算法比較熟悉，且該算法參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)靈活，綜上所述，選擇方案一。2、溫度傳感器溫度信號(hào)為模擬信號(hào)，本設(shè)計(jì)要求對(duì)溫度進(jìn)行控制和顯示，所以要把模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量。溫度傳感器模塊有以下兩種方案：方案一：利用熱電阻傳感器作為感溫元件，熱電阻阻值隨溫度變化而變化，測(cè)量電阻值即可得到對(duì)應(yīng)的溫度值。電阻阻值的變化

7、經(jīng)變送器轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，再轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換器PCF8591，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)。該方案在系統(tǒng)測(cè)量的溫度范圍內(nèi)線性度良好。方案二：采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。該溫度傳感器無需其他外加電路，直接輸出數(shù)字量，可直接與單片機(jī)通信，讀取測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，電路簡單，能夠達(dá)到0.5度的固有分辨率，滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]到現(xiàn)有的資源的有限選擇以及熱敏電阻傳感器也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求且線性度好，綜上所訴，選擇方案一。3、加熱驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可使用電熱棒進(jìn)行加熱，控制加熱棒的功率即可控制加熱速度。由于加熱的功率較大，考慮到簡化電路的設(shè)計(jì)，我們直接采用220

8、V電源。對(duì)加熱驅(qū)動(dòng)模塊有以下兩種方案：第31頁共31頁方案一：采用可控硅作為開關(guān)器件控制電路。可控硅是一種半控器件，由交流過零檢測(cè)電路輸