水温控制系统设计.doc

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1、水温控制系统的设计报告第31页共31页摘要：PID控制是工控领域内的一种重要控制方法，将PID算法应用到以51单片机为核心的控制系统中，能产生良好的控制效果。基于PID算法的水温控制系统采用目前性价比较高的数字温度传感器DS18B20作为检测变送器，通过键盘向单片机输入设置数码管温度，单片机将温度偏差进行PID运算后，输出PWM波。PWM波作为执行机构的输入从而来决定电炉工作电压的大小,最终实现水温的控制。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。经实验测试，该系统基本满足要求。关键词：PID；51单片机；温度传感器DS18B20；PWM；键

2、盘；显示第31页共31页目录第1章系统方案41.1设计思想41.2方案论证41.3论证分析6第2章系统设计82.1硬件设计82.1.1电源电路82.1.2温度检测与变送环节82.1.3单片机最小系统92.1.4键盘电路112.1.5显示电路112.1.6加热驱动模块122.1.7报警电路132.2软件设计133.2.1主函数132.2.3按键设定函数142.2.4温度采集函数152.2.6PID运算子函数152.2.7PWM产生函数172.3系统调试182.3.1人机界面调试183.3.2温度显示18第3章总结19附录系统源程序20第3

3、1页共31页第1章系统方案1.1设计思想温度的期望值可用键盘设定，温度传感器检测实际温度，控制器根据实测值与期望值偏差通过相应运算，输出相应的控制参数给加热驱动模块，从而实现闭环控制。加热器加热驱动模块水温度传感器测量当前水温键盘输入给定温度控制器根据偏差进行相应运算，输出控制参数显示控制器加热器加热驱动模块蜂鸣报警键盘电源温度传感器整体设计框图1.2方案论证1、控制器根据设计要求，控制器主要用于对温度测量信号的接收和处理、控制显示电路对温度值实时显示、控制键盘实现对温度值的设定、控制加热驱动模块等。对控制器的选择有以下两种方案：第31

4、页共31页方案一：采用FPGA作为系统控制器。FPGA采用并行的IO口方式，运算速度快，稳定性高，可用EDA软件仿真及调试，功能强大，易于拓展，适合做大规模实时系统控制核心。由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA处理速度快的优势得不到充分体现，且其成本较高，引脚较多，硬件电路布线复杂。方案二：采用STC90C516RD+作为系统控制器。单片机运算功能强、软件编程灵活、自由度大、可软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、技术成熟、成本也较低。本设计对数据处理的速度要求不高，单片机已能满足设计需求。基于以上分析拟定采用方案二，

5、由STC90C516RD+作为控制核心，对温度采集、实时显示以及加热装置进行控制。1、控制算法在水温控制系统中，选择一个好的算法是系统达到技术指标的保证。对算法的选择有以下两种方案：方案一:数字PID控制算法。在连续时间控制系统中，PID控制应用非常广泛，其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，整合了比例控制、积分控制和微分控制3种基本控制规律。由于计算机程序的灵活性，数字PID控制比连续PID控制更优越。方案二：分段非线性加积分分离PI算法。当偏差较大时，控制量采用由实验总结出的经验值；当偏差较小时，切换

6、为积分分离PI算法。该算法可较好地改善系统的非线性及静态特性，但PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意。方案三：模糊PID控制算法。该算法是在传统PID控制算法上增加模糊控制，在确定、、的基础上，增加模糊集、、，进行模糊化，以自适应不同的环境，实现控制的精确性和鲁棒性。由于对数字PID控制算法比较熟悉，且该算法参数整定方便，结构灵活，综上所述，选择方案一。2、温度传感器温度信号为模拟信号，本设计要求对温度进行控制和显示，所以要把模拟量转为数字量。温度传感器模块有以下两种方案：方案一：利用热电阻传感器作为感温元件，热电阻阻值随温

7、度变化而变化，测量电阻值即可得到对应的温度值。电阻阻值的变化经变送器转化为电流信号，再转化为电压信号送到A/D转换器PCF8591，将模拟信号转为数字信号。该方案在系统测量的温度范围内线性度良好。方案二：采用数字温度传感器DS18B20。该温度传感器无需其他外加电路，直接输出数字量，可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单，能够达到0.5度的固有分辨率，满足设计要求。考虑到现有的资源的有限选择以及热敏电阻传感器也能达到设计要求且线性度好，综上所诉，选择方案一。3、加热驱动模块根据设计要求，可使用电热棒进行加热，控制加热棒的功率即可控制

8、加热速度。由于加热的功率较大，考虑到简化电路的设计，我们直接采用220V电源。对加热驱动模块有以下两种方案：第31页共31页方案一：采用可控硅作为开关器件控制电路。可控硅是一种半控器件，由交流过零检测电路输