智能化水温控制系统

水温控制系统

摘要

现如今，人们的生活越来越强调智能化以及低碳化，无论是智能化还是低碳化，生活在人们都希望自己的电器越来越智能，即能按照人们的意愿，低功耗的实现功能。水温控制作为人们生活以及工业的重要组成部分，能否实现智能化以及低功耗化十分重要。水温控制系统以STC89C51作为核心的温度控制系统，将DS18B20作为温度感应器，可直接反馈数字量的温度信息并可以调节精度；
以继电器以及螺旋加热管作为加热模块；
以发光二级管以及蜂鸣器作为声光告警装置；
以数码管作为温度显示模块。程序上利用PID调节算法，多次调节其中参数，使得温度控制更加精确。该系统具有简单、成本低、质量安全可靠的特点。相信无论是在生活还是生产中都会有不错的应用前景。

关键词 智能化 温度控制 STC89C51 DS18B20 PID调节算法

一．任务以及要求

设计并制作一个水温自动控制系统，水温可以在一定范围内由人工设定，可以实现自动报警功能。

1.基本内容如下： 

（1）温度设定范围为：40～90℃，最小区分度为 1℃，标定温度≤1℃。 

（2）环境温度降低时温度控制的静态误差≤1℃。 

（3）用10进制数码管显示水的实际温度。 

2.发挥要求：

（1）温度控制范围扩大，最小区分度减小。

（2）温度控制的静态误差≤0.2℃。

 （3）特色与创新。

二．方案设计及其论证

水温的控制，必须先精确地获取温度，所以温度传感器的选择就非常重要。通常，温度所测量的是模拟量，模拟量的转换涉及到A/D的转换。温度传感器把温度传送给处理器核心，处理器核心经过分析，判断是否满足处理的条件，进行相关的处理。可实现的动作包括以下几项：达到设定温度，进行声光报警；
温度低，进行加热处理。其中温度的设定就要利用到键盘。声光报警就需要用到发光二级管以及蜂鸣器。经以上分析，可以将温度控制系统分为以下几个模块：

1.温度传感器

温度传感器应具有精度足够高、处理速度足够快、体积小等特点。采用DS18B20温度传感器。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；
温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出远端引入。此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。 更重要的是采用该温度传感器后不用采用A/D转换。节省了大量的工作量。

2.键盘显示

按键主要涉及到温度的调节以及模式的转换。显示部分主要涉及到水温的实时显示，以及功能模式的显示。按任务功能需求采用独立键盘，并且利用MCU对键盘进行扫描。这种方案既能很好的控制键盘及显示，又为MCU大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，简单易做的特点。显示部分按照任务要求采用4位数码管设计，来显示水温以及工作模式等。也具有简单、可靠的特点。

3.CPU核心

CPU主要控制水温以及其他模块的协调工作。是该水温控制系统的核心。根据对方案的分析，采用简单易用的STC89C52单片机，其内部有4KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器，而且它的I/O口也足够本次设计的要求。具有简单方便、成本低以及可靠的特点。

经以上分析，只要合理设计电路以及正确编写程序，以上几个模块在MCU以及程序的调节下能协调工作，共同完成水温的控制，从而达到任务要求。

三．理论分析与计算

各个模块要在MCU的调节下合理有序的工作，那么系统必须采用合理高效的控制系统。这就要涉及到过程控制，过程控制指对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。过程控制可分为：模拟控制系统、微机过程控制系统以及数字控制系统DDC。模拟控制系统中被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。微机过程控制系统以微型计算机作为控制器。控制规律的实现，是通过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程序即可。

现如今在生产以及实践中运用最多的是DDC(Direct Digital Congtrol)系统：

               图3-1   DDC系统构成框图

DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律(算法)进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求。由于计算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制。

其中控制规律即为PID调节，本系统中为软件实现。涉及到的理论计算如下：

1.模拟PID控制规律的离散化

  表一.模拟PID控制规律的数字化公式

2.数字PID控制器的差分方程

式中                  为比例项

                  为积分项

           为微分项

四．系统设计方案

1.工作模式

本着智能化以及按照题目要求，将系统设计有以下两个个工作模式：A.测定水温以及显示水温；
B.设定水温并保温；
其中A为默认工作状态，即开机工作状态，工作内容为实时测量水温并在数码管上显示。B为设定温度并保温。由用户设定一定的温度，系统自动工作，加热到设定温度后声光报警，声光报警装置可独立开关，如果不切断电源或切换模式，系统将自动竟然保温模式。其中温度的设定有键盘控制。不管在那种工作模式，一旦复位键按下，将回到默认工作模式。在B工作模式下并且显示实际水温时，按下加键可以显示用户设定温度。根据以上的分析总结如下：

2.电路设计

根据以上的分析，可以将整个系统分为以下几个部分：单片机最小系统，测温电路，功率电路，交流过零检测电路，显示电路，系统框图如下：

（1）89C52最小系统

最小系统采用将C52MCU以及独立键盘、数码管集成在一块板上的工作方式。 其中P0口接数码管。其他包括复位电路、独立键盘、晶振电路。其电路如下图5-1所示： 

图5-1 最小系统

（2）18B20测温电路

测温电路是使用DS18b20数字式温度传感器，它无需其他的外加电路，直接输出数字量，可直接与单片机通信，读取测温数据，电路十分简单。它能够达到0.5℃的固有分辨率，使用读取温度的暂存寄存器的方法还能达到0.2℃以上的精度。DS18B20温度传感器只有三根外引线：单线数据传输总线端口DQ ，外供电源线VDD，共用地线GND。外部供电方式(VDD接+5V，且数据传输总线接4.7k的上拉电阻，其接口电路如图5-2所示：

图5-2 控制电路

（3）功率电路

功率电路主要是继电器模块，包括三极管以及电阻组成控制部分，与MCU进行通信。PNP管的导通控制着继电器的常闭触点的接通与否。继电器常闭触点连接着外部加热电路。其中继电器的电感部分连接着二极管，起着引流保护PNP管的作用。其电路如下图6-1：

图6-1 功率电路

（4）声光报警电路

声光报警电路采用蜂鸣器以及二极管串联的形式，通过PNP三极管控制电路通断。利用P3.7来与MCU通信。如下图6-2：

图6-2 声光报警电路

（5）红外接收装置

该部分为创新部分，采用红外接收装置来接受红外遥控器的信号，这样就可以通过无线方式进行信息的传递。通过遥控器可以设定温度，切换工作模式等。工作原理为红外遥控器产生红外信号，红外接收头接收到红外信号后，其内部电路把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平，而不论红外发射器和接收器的距离远近。交流信号进入带通滤波器，带通滤波器可以通过30khz到60khz的负载波，通过解调电路和积分电路进入比较器，比较器输出高低电平，还原出发射端的信号波形。最终将数字信号传输到MCU，MCU做出相应的反应。其电路如下图7-1：

图7-1 红外接收装置

五．软件设计说明

（1）总流程

本系统是采用查询方式来显示和控制温度的。其中加入了红外以及键盘等的其他控制器件语句。总流程图如下图7-2：

图 7-2 总流程图

（2）工作时序

工作时序由初始化模块、测温、显示等模块组成。具体工作时序如下图8-1：

图 8-1 工作时序

（3）主要程序

1.主函数如下：

#include 

#include 

unsigned char choice;

unsigned char key_down;

#include"DS18B20.H"

#include"PID.H"

#include"XIANSHI.H"

#include"KEYSCAN.H"

#include"INFRARED.H"

void main()

{

 unsigned int tmp;

 unsigned char counter=0;

 P2 |= 0x07;   //初始化按键

 PIDBEGIN();    //初始化PID

 init_infrared(); //初始化红外

 ReadTemperature(); //预读一次温度

 hello(); //显示HELLO，屏蔽85°C

 while(1)//检测红外线

{  

if(IrOK==1&&Im[0]==0x00) 

   proc_infrared();

   if(counter-- == 0)

{

tmp = ReadTemperature(); 

counter = 20;

}

key_scan();//扫描键盘

proc_key();//刷新显示缓存

if(choice==0)

update_disbuf(tmp);

else

update_disbuf(set_tmpbuf);

if(pid_on)

compare_temper(); 

else

{

high_time=0;

low_time=100;

}   

} 

}

2. PID算法温度控制程序

#ifndef _PID_H__

#define _PID_H__

#include 

#include 

#include 

struct PID { 

unsigned int SetPoint; // 设定目标 Desired Value 

unsigned int Proportion; // 比例常数 Proportional Const 

unsigned int Integral; // 积分常数 Integral Const 

unsigned int Derivative; // 微分常数 Derivative Const 

unsigned int LastError; // Error[-1] 

unsigned int PrevError; // Error[-2] 

unsigned int SumError; // Sums of Errors 

} 

struct PID spid; // PID Control Structure 

unsigned int rout; // PID Response (Output) 

unsigned int rin; // PID Feedback (Input) 

sbit output=P3^4; 

unsigned char high_time,low_time,count=0;//占空比调节参数 

unsigned char set_temper=33; 

void PIDInit (struct PID *pp) 

{ 

memset ( pp,0,sizeof(struct PID)); 

} 

unsigned int PIDCalc( struct PID *pp, unsigned int NextPoint ) 

{ 

unsigned int dError,Error; 

Error = pp->SetPoint - NextPoint; // 偏差 

pp->SumError += Error; // 积分 

dError = pp->LastError - pp->PrevError; // 当前微分 

pp->PrevError = pp->LastError; 

pp->LastError = Error; 

return (pp->Proportion * Error//比例 

+ pp->Integral * pp->SumError //积分项 

+ pp->Derivative * dError); // 微分项 

} 

/*********************************************************** 

温度比较处理子程序 

***********************************************************/ 

compare_temper() 

{ 

unsigned char i; //EA=0;

if(set_temper>temper) 

{ 

if(set_temper-temper>2) 

{ 

high_time=100; 

low_time=0; 

} 

else 

{ 

for(i=0;i<10;i++) 

{  get_temper(); 

rin = s; // Read Input 

rout = PIDCalc ( &spid,rin ); // Perform PID Interation } 

if (high_time<=100) 

high_time=(unsigned char)(rout/1600); 

else 

high_time=100; 

low_time= (100-high_time); 

} } 

else if(set_temper<=temper) 

{ 

if(temper-set_temper>0) 

{ 

high_time=0; 

low_time=100; 

} 

else 

{ 

for(i=0;i<10;i++) 

{ get_temper(); 

rin = s; // Read Input 

rout = PIDCalc ( &spid,rin ); // Perform PID Interation } 

if (high_time<100) 

high_time=(unsigned char)(rout/20000); 

else 

high_time=0; 

low_time= (100-high_time);

//EA=1; 

} } } 

/***************************************************** 

T0中断服务子程序，用于控制电平的翻转 ,40us*100=4ms周期 

******************************************************/ 

void serve_T0() interrupt 1 using 1 

{  

if(++count<=(high_time)) 

output=1; 

else if(count<=100) 

{ 

output=0; 

} 

else 

count=0; 

TH0=0x2f; 

TL0=0xe0; 

}

void PIDBEGIN() 

{ 

TMOD=0x01; 

TH0=0x2f; 

TL0=0x40; 

EA=1; 

ET0=1; 

TR0=1; 

high_time=50; 

low_time=50; 

PIDInit ( &spid ); // Initialize Structure 

spid.Proportion = 10; // Set PID Coefficients 

spid.Integral = 8; 

spid.Derivative =6; 

spid.SetPoint = 100; // Set PID Setpoint 

} 

#endif

3.DS18B20子程序

 #ifndef __DS18B20_H__

#define __DS18B20_H__

sbit DQ = P3^5;   //定义通信端口 

unsigned int s;

unsigned char temper;

//晶振22MHz  

void delay_18B20(unsigned int i)

{

  while(i--);

}

//初始化函数

Init_DS18B20(void) 

{

 unsigned char x=0;

 DQ = 1;          //DQ复位

 delay_18B20(4);  //稍做延时

 DQ = 0;          //单片机将DQ拉低

 delay_18B20(100); //精确延时 大于 480us

 DQ = 1;          //拉高总线

 delay_18B20(40);  

}

//读一个字节  

ReadOneChar(void)

{

unsigned char i=0;

unsigned char dat = 0;

for (i=8;i>0;i--)

 {

  DQ = 0; // 给脉冲信号

  dat>>=1;

  DQ = 1; // 给脉冲信号

  if(DQ)

  dat|=0x80;

  delay_18B20(10);

 }

  return(dat);

}  

WriteOneChar(unsigned char dat)//写一个字节

{

 unsigned char i=0;

 for (i=8; i>0; i--)

 {

  DQ = 0;

  DQ = dat&0x01;

  delay_18B20(10);

  DQ = 1;

  dat>>=1;

 }

}

ReadTemperature(void)//读取温度

{

unsigned char a=0;

unsigned char b=0;

unsigned int t=0;

//EA = 0;  

Init_DS18B20();

WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作

WriteOneChar(0xBE); //读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） 前两个就是温度

a=ReadOneChar();

b=ReadOneChar();

Init_DS18B20();//启动下一次温度转换

WriteOneChar(0xCC); // 跳过读序号列号的操作

WriteOneChar(0x44); // 启动温度转换

 t=(b*256+a)*25;

 b=(b<<4)&0x7f;

 s=(unsigned int)(a&0x1f); 

     s=(s*100)/16;

 a=a>>4;

 temper=a|b;

 return(t>>2);

}

#endif

六．测试方法与数据

测量方式：接上系统的加热装置，装入25.06摄氏度室温的水，通过键盘或者红外遥控器设定控温温度。记录调节时间、超调温度、稳态温度波动幅度等。

测量条件：环境温度26.5℃（附：加热电炉功率600W）。

测量结果：如表二所示。在此仅以数值的方式给出测量结果。调节时间按温度进入设定温度±0.5℃范围时计算。

表二 测量结果数据

六．测试结果分析

由测试结果和上表数据得出：

（1）温度设定范围为30～95℃（在40~90范围内），最小区分度达到0. 01℃（小于1℃）以上，标定温度值也符合设计要求。 

（2）由于采用了PID控制，在环境温度降低时温度控制的静态误差小于0.5℃（精度高于设计要求）。 

（3）用数码管来显示水的实际温度和设定温度值，显示很稳定。 

（4 ）采用了PID控制，当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，经过多次调试知道，当P=10；
I=8；
D=6时系统具有最小的调节时间和超调量。 

（5）当温度稳定时，温度控制的静态误差≤0.5℃。

（6）创新部分为添加了红外遥控装置。可代替键盘部分功能，且能更方便的调节温度等。

（7）经过多次测试和改进，该系统各方面参数都达到和超过设计参数，完成了既定目标。

参考文献：

[1] 李桢、赵宏权，《PID调节概念及基本原理》[J]，《科技信息（科学教研）》，07，29期

[2]郭天祥，《51单片机C语言教程》[M]，北京：电子工业出版社，2009