水温控制系统

1水温控制系统摘要该水温控制系统以K60单片机为中心控制核心，主要包括温度传感模块，单片机编程模块，显示模块，独立按键控制模块等部分组成。温度信号由温度传感器DS18B20采集，。水温控制采用PID算法结合固态继电器来控制输出信号的占空比来调节加热器的加热功率来进行温度的调节，并且加入独立按键模块，通过独立按键的按键输入扩展系统的功能，增加系统的灵活性。显示部分由“人机交互界面”的OLED彩屏显示，增加可读性。该系统具备较高的测量精度和控制灵活度，能够很好的完成设计要求。关键字：K60单片机，DS18B20，水温控制，固态继电器，PID21、方案论证和比较1.1总体系统方案的论证方案一：这一个方案采用的是模拟控制方法(方案框图如图1所示)，选用模拟电路，利用电位器设定固定值，再通过热传感器来采集温度信息转化成信号与给定的温度值用比较器进行比较后，再决定是否加热。改方案的优点是电路较为简单，容易实现，但是其缺点是：测量精度不高，并且不能实现复杂的控制算法，而且不容易实现对系统的控制和温度的显示，其人机交互性差。图1模拟控制方案框图方案二：该方案采用的是以单片机为控制核心，利用温度传感器采集温度信息（方案框图如图2所示）。并且可以通过单片机的可编程性实现复杂的控制算法以及多样化的功能，例如可以实现显示、键盘设定等功能，大大的提高了人机交互性以及系统的智能化性。所以经过与第一种方案比较后，决定采用第二种方案。3图2单片机控制方案框图1.2单片机型号的论证与比较（1）STC89C51单片机其性价比高，功能多，抗干扰能力强，兼容性好，但其缺点：其他高级应用功能例如A/D模块需要通过外部硬件电路进行扩展，增加了软件和硬件的负担。（2）K60单片机实基于ARM体系的单片机，其功能强大，资源丰富，与51单片机相比其优势在于：1、本身内部配置了许多寄存器，内容和作用比51单片机高出很多级别。2、其单片机功耗低、成本低，并且配置灵活丰富。3、是现在各大电子竞赛的热门单片机型号。故此选择了K60单片机。1.3温度传感器的论证与比较(1)热敏电阻采用热敏电阻与基准电阻构成电桥电路。热敏电阻的测量范围一般为-10～+300℃。利用热敏电阻制作的电子温度计的精度可以达到0.1℃，感温时间小于10s。尽管热敏电阻稳定性和精度高。但由于热敏电阻是非线性元件会带来一定的系统误差，并且还需要AD转换模块来转换信号，而这会增加软件和硬件的复杂度。（2）DS18B20热传感器DS18B20是一种智能型温度传感器，其温度测量范围为：－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。它具有精度高，线性度好，且由于本身自带AD转换模块，所以4可以直接将其直接连接到单片机上，省去AD转化电路模块，其电路设计简单，因此采用DS18B20温度传感器。1.4温度控制系统算法的论证与比较（1）开关量控制，这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态，开通或关断，因此其控制过程十分简单，容易实现，但是由于输出控制量只有两种状态，使得被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因此容易引起反馈回路振荡，控制精度不高，这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。（2)PID控制，PID控制是一种比例积分加微分的控制方法，其微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果，在比例基础上加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差；PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求很高的控制系统。结合本次的设计任务与要求，分析论证后决定采用PID控制算法，因为PID的控制方式可以最大限度的满足系统对控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。1.5键盘模块的论证与比较（1）独立式键盘:独立式键盘是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线的按键的工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态。独立式键盘电路配置灵活，软件结构简单，但是每个按键必须占用一根I/O口线，在按键较多时，I/O口线浪费较大。故在按键数量不多时，常采用这种按键电路。（2）行列式键盘:行列式键盘又叫矩阵式键盘。用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。例如用2*2的行列结构可构成4个键的键盘，4*4的行列结构可构成16个键的键盘。因此，在按键数量较多时，可以节省I/O口线。结合本次设计任务与要求，由于该水温系统只需要基本的开关以及升温功能，独立式键盘可以满足本系统的要求，所以决定采用独立式键盘。2、理论分析与计算2.1DS18B20温度传感器测量在正常情况下，DS1820的测温分辨率为0.5℃，这样的分辨率对于温度测量精度略显不足。在对DS1820测温原理进行仔细分析的基础上，可以采取读取DS1820内部暂存寄5存器，再进行数据处理的方法，这样可以将DS1820的测温分辨率由0.5℃提高到0.1℃甚至更高。因为该水温系统设计温度范围为40～90℃，所以在进行单片机编程时，进行PID计算时采用无符号数，数据用双字节保存，高字节作为整数，低字节作为小数。最后的算出的温度数据还要转换为10位数据，送到D/A转换器进行处理，其中高7位为整数，低3位为小数。而双字节结果则通过串行通信方式发送到上位机。2.2PID控制算法2.2.1PID控制理论PID控制系统如图3所示，D(s)完成PID控制规律，称为PID控制器。PID控制器是一种线性控制器，用输出量y(t)和给定量r(I)之间的误差的时间函数e(t)=r(t)-y(t)的比例、积分和微分的线性组合构成控制量u(t)，称为比例(Proponional)、积分(Integrating)、微分(Differentiation)控制，简称PID控制。图3PID控制系统框架图PID控制组合了比例控制、积分控制和微分控制这3种基本控制规律。通过改变调节器参数来实现控制。其基本输入输出关系为(式1)所示：u(t)=𝐾𝑃[𝑒(𝑡)+1𝑇1∫𝑒(𝑡)𝑑𝑡+𝑇𝐷𝑑𝑒(𝑡)𝑑𝑡]𝑡0（式1）式（1）中u（t）为控制器的输出；e(t)为偏差，既设定值与反馈值之差；Kp为控制器的放大系数，既比例增益；T1位控制器的积分常数；TD为控制器的微分时间常数。PID算法的原理既调节Kp，T1，TD三个参数使系统达到稳定。6由于计算机控制是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，式（1）中的积分和微分项不能直接使用，因此在设计中采用了增量型PID算法，需要进行离散化处理。现令T为采样周期，以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以累加求和近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，做如下的近似变换：t=kT(式2)∫𝑒(𝑡)𝑑𝑡≈𝑇∑𝑒(𝑖𝑇)𝑘𝑖=0𝑡0=𝑇∑𝑒(𝑖)𝑘𝑖=0（式3）实验表明，在水温控制系统中，由于加热器的热惯性，温度会有一定的超调。如果采用单纯的PID算法控制始终会具有较大的超调，因此在输出控制上我们采用固态继电器的通短来调节信号占空比，这样调节加热棒的加热功率，从而达到精确控制水温的目的。3、电路硬件设计3.1DS18B20温度传感器DS18B20温度传感器（图4所示）为正温度系数热电阻传感器，其主要技术参数如下：（1）电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。（2）测温范围：－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。（3）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。（4）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。图4DS18B20温度传感器引脚图以DS12B20温度传感器为核心，以STM32F103为控制核心所制作的温度检测模块其电路结构简单，易于实现，且测量精度高。7DS18B20有两种供电方式，数据总线供电方式和外部供电方式，采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但会牺牲测量速度，而外部供电方式虽然需要多接一根导线，但其测量速度较快，故我采用了外部供电方式与单片机进行连线，其连接图如图5所示。而单片机对温度的读取将通过软件编程来实现。图5温度传感器与单片机连接电路3.2温度控制电路输出控制部分采用控制固态继电器的通断：（1）、固态继电器内部采用光耦合方式，可实现弱电部分与强电部分的完全隔离。（2）、固态继电器的反应时间较短。考虑到加热器件的热惯性，使用固态继电器来调节输出信号占空比的方式（即PWM方式）来控制输出功率，固态继电器的驱动电路如图6所示）。图6温度控制电路83.3键盘模块该独立键盘一共有4个独立按键。设置几个按键用来设定系统的开始、暂停、升温以及降温，其电路图如图7所示：图7独立键盘电路3.4OLED液晶显示有机发光二极管又称为有机电激光显示(OrganicLight-EmittingDiode，OLED)。OLED显示技术具有自发光的特性，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光，而且OLED显示屏幕可视角度大，并且能够节省电能。其连接电路如图8所示图8OLED显示屏连接电路94、软件设计4.1整体系统框架该水温控制整体系统的软件框架如图9所示：图9系统软件框架图4.2软件程序框架图4.2.1主程序模块用K60单片机编程，我使用了野火的库函数，因此在编写程序时，不同的软件模块是以库函数的形式调用，其主程序流程图如图10所示：图10主程序软件框架图105、测试数据及结果分析（1）给定温度与实测温度的数据对比如表1所示设定温度（℃）实测温度（℃）绝对误差（℃）相对误差（％）130℃29.8℃0.20.7％250℃49.7℃0.3℃0.6％380℃79.6℃0.4℃0.5％根据表1的结果以及附录的实际效果图，可以得到该水温控制系统绝对误差在0.4以内，且温度范围在40℃-90℃之内，并且用风扇降温时，其产生的误差能够控制1℃以内，该水温系统符合题目的各项要求。6、附录附一：整体系统实物图11附二：设定温度60℃效果图附三：打印水温变化（30℃-50℃）曲线效果图