水温控制系统设计.doc

水温控制系统的设计报告

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;键盘；显示
目录
第１章　系统方案ﻩ４
1．1 设计思想ﻩ4
１．2 方案论证ﻩ４
论证分析 ６
第2章 系统设计ﻩ8
2．１　硬件设计ﻩ8
2． 电源电路ﻩ8
2．1．2 温度检测与变送环节 8

１1
1１
２．　加热驱动模块 12
1３
2．２　软件设计 13
　主函数ﻩ13
2． 按键设定函数ﻩ14
．4　温度采集函数ﻩ１５
PＩD运算子函数ﻩ1５
．7 ＰWM产生函数 17
系统调试ﻩ18
．1 人机界面调试ﻩ1８
3． 温度显示ﻩ１8
第　３ 章 总 结 １9
附录 系统源程序 20
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
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:
方案一:采用FPGA作为系统控制器。FPGA采用并行的I\O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,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。
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。
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