恒溫水箱畢業(yè)設(shè)計

一、緒論

（一）課題研究的背景

溫度是工業(yè)上常見的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品加工、機(jī)械制造等領(lǐng)域，恒溫控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。在一些溫控系統(tǒng)電路中，廣泛采用的是通過熱電偶、熱電阻或PN結(jié)測溫電路經(jīng)過相應(yīng)的信號調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換成A／D轉(zhuǎn)換器能接收的模擬量，再經(jīng)過采樣／保持電路進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，最終送入單片機(jī)及其相應(yīng)的外圍電路，完成監(jiān)控。但是由于傳統(tǒng)的信號調(diào)理電路實現(xiàn)復(fù)雜、易受干擾、不易控制且精度不高。本文介紹單片機(jī)通過數(shù)字溫度傳感器檢測外部溫度對水箱進(jìn)行恒溫控制的設(shè)計，通過控制繼電器的通斷，進(jìn)而控制電爐的加熱來實現(xiàn)恒溫控制。因此，本系統(tǒng)采用一種新型的可編程溫度傳感器（DS18B20），不需復(fù)雜的信號處理電路和A／D轉(zhuǎn)換電路就能直接與單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集和處理，實現(xiàn)方便、精度高，可根據(jù)不同需要用于各種場合。在日常生活中，也經(jīng)常用到電烤箱、微波爐、電熱水器、烘干箱等需要進(jìn)行溫度檢測與控制的家用電器。采用單片機(jī)實現(xiàn)溫度控制不僅具有控制方便、簡單、靈活等優(yōu)點，而且可以大幅度地提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，現(xiàn)以恒溫水箱控制系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行介紹。

（二）國內(nèi)外恒溫控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

隨著計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，恒溫控制己在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。在不同的領(lǐng)域內(nèi)，由于控制環(huán)境、目標(biāo)、成本等因素，需要針對具體情況來設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，以取得最佳的控制效果。其中，恒溫環(huán)境的自動化控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)運營中是一個重要研究。

1、國外恒溫控制的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國外恒溫控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化，自適應(yīng)參數(shù)的自整定等方面取得了很大的科技成果。在這方面以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表。

目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。雖然溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器及技術(shù)來講，其總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比，仍然有著較大的差距。

2、國內(nèi)恒溫控制的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

我國目前在恒溫控制技術(shù)這方面總體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時變的溫度系統(tǒng)控制。在適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表領(lǐng)域內(nèi)，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。因此，我國在恒溫控制等控制儀表行業(yè)與國外還有著一定的差距。

從過程量的檢測角度出發(fā)，溫度是最常見的過程變量之一，它是一個非常重要的過程變量，因為它直接影響燃燒、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結(jié)晶以及空氣流動等物理和化學(xué)過程。而恒溫控制技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運行慣性大、控制滯后等特點,它對控制調(diào)節(jié)器要求較高。其溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問題。盡管恒溫控制很重要，但是要控制好溫度常常會遇到意想不到的困難。

隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展及其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對電子產(chǎn)品的小型化和智能化要求越來越高，作為高新技術(shù)之一的單片機(jī)以其體積小、價格低、可靠性高、適用范圍大以及本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢，在各個領(lǐng)域、各個行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。

（三）設(shè)計任務(wù)

1、設(shè)計目的設(shè)計一個恒溫水箱自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，水箱內(nèi)的水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，以保持與設(shè)定的溫度基本不變。

利用單片機(jī)STC89C52RC實現(xiàn)水溫的智能控制，使水溫能夠在60℃左右實現(xiàn)恒定溫度調(diào)節(jié)，利用數(shù)字溫度傳感器讀出水溫，并在此基礎(chǔ)上將水溫調(diào)節(jié)到通過鍵盤設(shè)定的溫度，并通過LCD液晶顯示實現(xiàn)時實當(dāng)前溫度。

2、系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計一個恒溫水箱控制系統(tǒng)，主要包括主電路和控制電路。以下為該恒溫水箱控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)：

（1）預(yù)置時顯示設(shè)定溫度，達(dá)到定溫度時顯示實時溫度，精確到0.5℃。

（2）恒溫箱溫度可預(yù)置，在誤差范圍內(nèi)恒溫控制，溫度控制誤差≤±1℃。

（3）恒溫水箱由1KW加熱棒加熱。

（4）升降溫度可以通過鍵盤控制，其10以內(nèi)要求控制時間小于5分鐘

（5）啟動后有運行指示，溫度低于預(yù)置溫度5℃時進(jìn)行220V全加熱。

（6）有較強(qiáng)的抗干擾性能，對升降溫過程的線性沒有要求。

（7）具有斷電保存功能及相應(yīng)的保護(hù)功能。

3、系統(tǒng)功能

（1）可以對溫度進(jìn)行自由設(shè)定，但必須在0～100℃內(nèi)，設(shè)定時可以實時顯示出設(shè)定的溫度值。

（2）加熱由1臺1KW電爐來實現(xiàn)，如果溫度不在60℃時，根據(jù)設(shè)定的溫度值與實際檢測的溫度值之差來采取不同的加熱方式。

（3）能夠保持實時顯示水溫，顯示位數(shù)4位，分別為百位、十位、個位和小數(shù)位（但由于規(guī)定不超過90度，所以百位也就沒有實現(xiàn)，默認(rèn)的百位是不顯示的。）。

二、恒溫水箱控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

（一）系統(tǒng)方案選擇與論證

1、一位式的模擬控制方案

此方案是傳統(tǒng)的一位式模擬控制方案，選用模擬電路，用電位器設(shè)定給定值，反饋的溫度值和設(shè)定值比較后，決定加熱或不加熱。其特點是電路簡單，易于實現(xiàn)，但是系統(tǒng)所地結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動作頻繁，系統(tǒng)靜差大，不穩(wěn)定，受

環(huán)境影響大，不能實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，難以用數(shù)碼管顯示或者LCD液晶顯示，難以用鍵盤設(shè)定，其方案一框圖如圖2-1-1所示。

比

較

器

溫度預(yù)置

信

號

放大

繼

電

器

加熱裝置

數(shù)

據(jù)

采

集

信號放大

圖2-1-1

一位式模擬控制方案框圖

2、二位式的模擬控制方案

此方案采用單片機(jī)系統(tǒng)來實現(xiàn)。單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。單片機(jī)系統(tǒng)通過溫度傳感器（ADC590）對水箱內(nèi)水溫進(jìn)行檢測，得到模擬的溫度信號，在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后，則可用數(shù)碼管來顯示或者用LCD液晶顯示水溫的實際值，還能用鍵盤輸入設(shè)定值，也可實現(xiàn)打印功能。本方案還可選用51單片機(jī)（內(nèi)部含有4KB的EEPROM），不需要外擴(kuò)展存儲器可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)較為簡單。但是它是一種傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律，控制方案的修改也比較麻煩，其方案二框圖如圖2-1-2所示。

數(shù)

據(jù)

采

集

信號放大

溫度預(yù)置

上限比較

下限比較

信號處理

繼電器

加熱裝置

圖2-1-2

二位式模擬控制方案框圖

3、PID算法控制方案

此方案采用單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對溫度控制，它可達(dá)到核心的控制作用，并且可方便實現(xiàn)液晶顯示、鍵盤設(shè)定及利用PID算法來控制PWM波形的產(chǎn)生，進(jìn)而控制電爐的加熱來實現(xiàn)恒溫控制，其所測結(jié)果精度也大大的得到了提高，在利用PID算法來控制PWM波形的產(chǎn)生，是有效的控制數(shù)字脈沖的輸出寬度，使繼電器得到有效和有序的邏輯控制，不會使繼電器產(chǎn)生誤動作。

再加上單片機(jī)的軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。它可以通過用數(shù)字溫度傳感器采集到的實際水溫溫度直接進(jìn)行LCD液晶顯示，還能用鍵盤輸入設(shè)定值，并且內(nèi)部含有4KB的EEPROM,不需要外擴(kuò)展存儲器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單，其方案三框圖如圖2-1-3所示。

鍵盤設(shè)定

數(shù)據(jù)采集

單片機(jī)

STC89C52RC

電源電路

LCD液晶顯示

繼電器

加熱裝置

圖2-1-3

方案三基于單片機(jī)控制的方框圖

數(shù)字PID調(diào)整

復(fù)位電路

光指示電路

由于方案一和方案二是傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律，控制方案的修改比較麻煩，而方案三是采用單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，利用PID控制原理和PWM技術(shù)實現(xiàn)對水箱內(nèi)水溫控制?；谶@樣的控制原理和PWM技術(shù)的優(yōu)越性，在對溫度控制的系統(tǒng)中，它可達(dá)到采用其他控制系統(tǒng)所達(dá)不到的控制效果，并且可方便實

現(xiàn)LCD液晶實時顯示、鍵盤設(shè)定、直接可以驅(qū)動繼電器，其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度是非常高的，故經(jīng)過對三種方案的比較論證，本設(shè)計采用方案三，利用單片機(jī)按增量式的PID控制算法對采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到控制量，利用增量式的PID控制算法來控制PWM波形的產(chǎn)生進(jìn)行控制繼電器，從而控制加熱棒的進(jìn)行加熱，實現(xiàn)對水箱內(nèi)水溫的恒溫控制。

（二）恒溫水箱控制系統(tǒng)工作原理

根據(jù)恒溫水箱控制系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)和要求，確定了系統(tǒng)總體方案之后，現(xiàn)對該方案的具體原理進(jìn)行詳細(xì)介紹，它是采用閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制的，其具體控制圖如圖2-2-1所示。

單片機(jī)

STC89C52RC

電源

鍵盤輸入

驅(qū)動電路

LCD液晶顯示

繼電器控制電路

加熱捧

水箱

溫度傳感器DS18B20

圖2-2-1

恒溫控制原理圖

本系統(tǒng)是采用閉環(huán)負(fù)反饋的控制方式進(jìn)行控制的，它通過數(shù)字溫度傳感器檢測水箱內(nèi)的水溫溫度，把采集到的數(shù)據(jù)直接送到單片機(jī)進(jìn)行處理，由于數(shù)字式溫度傳感器能在極短時間內(nèi)把采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這樣被它處理的數(shù)據(jù)直接送到數(shù)字PID模塊進(jìn)行調(diào)整和控制PWM波形的產(chǎn)生。然后，把檢測到的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)不同的差值去控制控制繼電器的通斷，以采取不同的加熱方式進(jìn)行加熱升溫。另外，還設(shè)置了溫度實時顯示的裝置，可以同時顯示預(yù)先設(shè)定的溫度值和實際檢測到的溫度值。

三、恒溫水箱控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）CPU主控模塊設(shè)計

1、STC89C52RC單片機(jī)簡介

STC89C52RC是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。STC89C52RC是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的STC89C52RC是一種高效微控制器，STC89C52RC單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。

2、晶振電路與復(fù)位電路的設(shè)計

單片機(jī)內(nèi)部帶有時鐘電路，只需要在片外通過XTAL1、XTAL2引腳接入定時控制單元（晶體振蕩和電容），即可構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。復(fù)位電路采用按鍵電平復(fù)位，它通過復(fù)位端經(jīng)電阻與+5V電源實現(xiàn)，只要能保證復(fù)位信號高電平持續(xù)時間大于2個機(jī)器周期就可實現(xiàn)復(fù)位，其電路如圖3-1-1所示。

圖3-1-1

晶振電路和復(fù)位電路圖

裝圖

（二）主電源電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用雙電源輸出，分別是+5V、+12V輸出。+5V是系統(tǒng)供電電源，12V是繼電器工作供電電源。本裝置的直流穩(wěn)壓電源采用通常的橋式全波整流、電容濾波、三端固定輸出的集成穩(wěn)壓器件進(jìn)行設(shè)計，并且所有的集成穩(wěn)壓芯片均裝有充分裕量的散熱片。系統(tǒng)的供電電源電路如圖3-2-1所示。

圖3-2-1

主電源電路

（三）溫度采集模塊設(shè)計

1、DS18B20的特點

（1）單線接口方式，與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)雙向通訊。

（2）在使用中不需要任何外圍元件。

（3）可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0～+5.5

V。

（4）測溫范圍：-55

～+125℃。固有測溫分辨率為0.5℃。

（5）通過編程可實現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀數(shù)方式。

（6）用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值。

（7）支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可并聯(lián)在惟一的三線上，多點測溫。

（8）負(fù)壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱燒毀，不能正常工作。

2、DS18B20與單片機(jī)的接口電路

DS18B20的引腳圖及單片機(jī)的接口電路如圖3-3-1所示。

圖3-3-1

DS18B20電路

（四）繼電器模塊及工作指示模塊設(shè)計

1、繼電器模塊

繼電器是一種電控制器件。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動關(guān)系。通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器電路如圖3-4-1所示。

圖3-4-2

工作指示電路

圖3-4-1

繼電器電路

2、工作指示模塊

本系統(tǒng)設(shè)計四路恒溫水箱控制系統(tǒng)，可一路或多路同時使用，為了更明顯知道工作狀態(tài)，設(shè)計了工作指示燈。設(shè)計電路如圖3-4-2所示。

（五）鍵盤掃描模塊設(shè)計

圖3-5-1

鍵盤功能分布

鍵盤模塊設(shè)計了4*4鍵盤，使用了9個按鍵，K1是設(shè)置，K2是左移，K3右移，K4是上移，K5是下移，K6是加1，K7是減1，K8是確認(rèn)，K9是開/關(guān)。鍵盤功能分布如圖3-5-1所示，硬件設(shè)計電路如圖3-5-2所示。

設(shè)置

開/關(guān)

確認(rèn)

+

圖3-5-2

4*4鍵盤電路

四、恒溫水箱控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

（一）工作流程

此次設(shè)計的恒溫水箱主要用于醫(yī)療衛(wèi)生、科研、大專院校、實驗室等領(lǐng)域，它可用于蒸餾、干燥、濃縮及恒溫加熱化學(xué)藥品、生物制品檢查血漬和生物實驗恒溫培養(yǎng)進(jìn)行消毒之用。因此，系統(tǒng)默認(rèn)預(yù)定溫度為60℃，設(shè)置這個溫度值既可以起到殺菌消毒的作用又可以有效減少能源的消耗。

當(dāng)上電復(fù)位后電阻絲先處于停止加熱狀態(tài)，但也可以直接啟動運行。運行過程中，系統(tǒng)不斷檢測當(dāng)前溫度，并送往顯示器顯示，達(dá)到預(yù)定值后停止加熱；當(dāng)溫度下降到下限（比預(yù)定值低5℃）時再啟動加熱。這樣不斷地重復(fù)上述過程，使溫度保持在預(yù)定溫度范圍之內(nèi)。運行過程中也可以隨時改變設(shè)定溫度，溫度設(shè)定好后隨即生效，系統(tǒng)按新的設(shè)定溫度運行。

（二）建立數(shù)學(xué)模型

控制算法即控制器的操作方式，是控制器對過程變量的實測值與設(shè)定值之間的誤差信號的響應(yīng)。溫度控制在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運行慣性大、控制滯后等特點,它對控制調(diào)節(jié)器要求較高。溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問題。因此長期以來國內(nèi)外科技工作者對溫度控制器進(jìn)行了廣泛深入的研究，產(chǎn)生了大批溫度控制器，如性能成熟應(yīng)用廣泛的PID調(diào)節(jié)器、智能控制PID調(diào)節(jié)器、自適應(yīng)控制等。此處主要對一些控制器特性進(jìn)行分析以便選擇適合的控制方法應(yīng)用于改造。再加上PID控制具有原理簡單，易于實現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象──“一階滯后＋純滯后”與“二階滯后＋純滯后”的控制對象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。其調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活（PI、PD、…）。它的控制框圖如圖4-2-1所示。

圖4-2-1

PID控制框圖

（三）程序模塊

1、主程序

主程序完成系統(tǒng)的初始化，調(diào)用溫度模塊程序,對其預(yù)置值及其合法性進(jìn)行檢查，預(yù)置溫度的顯示,調(diào)用鍵盤掃描模塊等。若正常執(zhí)行完三個子程序，則返回初始化進(jìn)入到其它的狀態(tài)，主程序的流程圖見圖4.-3-1所示。

開

中

斷

調(diào)用溫度傳感器數(shù)據(jù)采集子程序

調(diào)用鍵盤掃描處理子程序

調(diào)用顯示子程序

關(guān)

中

斷

開

始

初

始

化

圖4-3-1

主程序流程圖

2、溫度傳感器驅(qū)動子程序

根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，單片機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每次讀寫之前都要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后再發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求單片機(jī)將數(shù)據(jù)線下拉500us，然后釋放，DS18B20收到信號后等待16～60us左右，再發(fā)出60～240us的存在低脈沖，CPU收到此信號表示復(fù)位成功。

本系統(tǒng)對DS18B20進(jìn)行的操作主要包括兩個子過程：

（1）讀取DS18B20的序列號。主機(jī)首先發(fā)一復(fù)位脈沖，等收到返回的存在脈沖后，發(fā)出搜索器件的序列號命令，讀取DS18B20的序列號；

（2）啟動DS18B20作溫度轉(zhuǎn)換并讀取溫度值。主機(jī)在收到返回的存在脈沖后，發(fā)出跳過器件的序列號命令，跟著發(fā)出溫度

轉(zhuǎn)換命令，再次復(fù)位并收到返回的存在脈沖后，發(fā)送DS18B20的序列號，讀出數(shù)據(jù)，程序流程如圖4-3-2所示。

發(fā)送讀暫存器命令讀取溫度值

讀取48位ID號

啟動溫度轉(zhuǎn)換

開

始

返

回

初

始

化

圖4-3-2

溫度傳感器驅(qū)動子程序流程圖

3、鍵盤掃描處理程序

鍵盤模塊的處理是通過對按鍵進(jìn)行操作的。具體流程圖4-3-3所示。

按鍵掃描

開始

有相關(guān)功能按鍵按下？

設(shè)置相關(guān)標(biāo)志位

返回主程序

否

是

圖4-3-3鍵盤掃描處理流程圖

4、溫度檢測與控制子程序

讀取18B20的實時數(shù)據(jù)與設(shè)定值的比較，開始進(jìn)行加熱，在加熱的過程中需要進(jìn)行每2秒一次的跟蹤檢測，并把檢測到的實時數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行不同方式的加熱，其具體流程如圖4-3-4所示。

調(diào)用按鍵設(shè)定溫度值并進(jìn)行開始加熱

檢測實際溫度與設(shè)定溫度相等否？

全加熱

Y

PID調(diào)整加熱

N

每隔2秒檢測1次

相差5℃否？

N

Y

圖4-3-4

溫度檢測與控制流程圖

讀18B20,調(diào)顯示子程序

初始化

開始

五、系統(tǒng)調(diào)試

（一）硬件調(diào)試

1、系統(tǒng)測試環(huán)境

（1）環(huán)境溫度28攝氏度；

（2）測試儀器:

數(shù)字萬用表；

（3）數(shù)字溫度計0-100℃；

2、測試方法

（1）在水箱中存放2L凈水，放置1KW的加熱棒，打開控制電源，系統(tǒng)工程進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)。

（2）用溫度計標(biāo)定測溫系統(tǒng)，分別使水溫穩(wěn)定在40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃，觀察系統(tǒng)測量溫度值與實際溫度值，校準(zhǔn)系統(tǒng)使測量誤差在1℃以內(nèi)。

（3）動態(tài)測試：設(shè)定溫度為60℃，系統(tǒng)由低溫開始進(jìn)入升溫狀態(tài)。開始記錄數(shù)據(jù)，觀察超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間和穩(wěn)態(tài)誤差；系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，用電風(fēng)扇吹涼，觀察系統(tǒng)的抗擾能力。設(shè)定溫度為90℃系統(tǒng)由低溫開始進(jìn)入升溫狀態(tài)。開始記錄數(shù)據(jù)，觀察超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間和穩(wěn)態(tài)誤差；系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，用電風(fēng)扇吹涼，觀察系統(tǒng)的抗擾動能力。

（4）檢驗系統(tǒng)的顯示、恒溫控制、設(shè)定等功能。

3、繼電器測試

（1）測觸點電阻

用萬能表的電阻檔，測量常閉觸點與動點電阻，其阻值應(yīng)為“0”；而常開觸點與動點的阻值就為無窮大。由此可以區(qū)別出那個是常閉觸點，那個是常開觸點。

（2）測線圈電阻

可用萬能表R×10Ω檔測量繼電器線圈的阻值，從而判斷該線圈是否存在著開路現(xiàn)象。

（3）測量吸合電壓和吸合電流

找來可調(diào)穩(wěn)壓電源和電流表，給繼電器輸入一組電壓，且在供電回路中串入電流表進(jìn)行監(jiān)測。慢慢調(diào)高電源電壓，當(dāng)繼電器一閉合導(dǎo)通時，立即記下該吸合電壓和吸合電流。為求準(zhǔn)確，可以試多幾次而求平均值。

（4）測量釋放電壓和釋放電流

也是像上述那樣連接測試，當(dāng)繼電器發(fā)生吸合后，再逐漸降低供電電壓，當(dāng)繼電器一進(jìn)入斷開狀態(tài)時，記下此時的電壓和電流，亦可嘗試多幾次而取得平均的釋放電壓和釋放電流。一般情況下，繼電器的釋放電壓約在吸合電壓的10～50％，如果釋放電壓太?。ㄐ∮?/10的吸合電壓），則不能正常使用了，這樣會對電路的穩(wěn)定性造成威脅，工作不可靠。

（二）軟硬調(diào)試

通過對系統(tǒng)的硬件、軟件調(diào)試，基本上達(dá)到了該控制系統(tǒng)原設(shè)定的要求，數(shù)字溫度傳感器讀溫度并進(jìn)行LCD液晶5110顯示。能夠在10分鐘之內(nèi)通過控制繼電器的通斷進(jìn)行加熱達(dá)到預(yù)定溫度值。當(dāng)溫度差大于5℃時，通過PID調(diào)整控制數(shù)字脈沖的寬度使繼電器產(chǎn)生有效的動作，進(jìn)行220V交流電加熱以達(dá)到預(yù)定溫度，如果溫度差小于5℃時，則進(jìn)行PID調(diào)整加熱達(dá)到原預(yù)定溫度。實驗數(shù)字如表5-1-1所示、如表5-1-2所示。

表5-1-1實驗數(shù)字

水量/L

設(shè)置溫度/℃

實際溫度/℃

誤差/℃

使用時間/S

30.4

0.4

40.5

0.5

126

50.4

0.4

188

60.3

0.3

255

70.4

0.4

337

80.2

0.2

386

90.5

0.5

445

表5-1-2實驗數(shù)字

水量/L

設(shè)置溫度/℃

實際溫度/℃

誤差/℃

使用時間/S

30.5

0.5

40.4

0.4

148

50.4

0.4

207

60.5

0.5

273

70.3

0.3

346

80.3

0.3

405

90.4

0.4

473

總結(jié)

本次設(shè)計的新型PID調(diào)節(jié)恒溫水箱，是基于單片機(jī)為控制中心的恒溫系統(tǒng)，利用溫度傳感變送器，將采樣到的溫度信號輸入到單片機(jī)中，再由單片機(jī)作為核心控制器，根據(jù)測量溫度與設(shè)定溫度的差值和增量式的PID算法生成控制信號，控制繼電器的通電與斷電。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、所用芯片少、控制精度高、響應(yīng)速度快，體積小，成本低。系統(tǒng)在硬件上采用以單片機(jī)為中心的結(jié)構(gòu)，充分利用單片機(jī)片上及擴(kuò)展的硬件資源，在滿足技術(shù)要求的前提下最大限度地減小硬件系統(tǒng)的體積，并具備一定的擴(kuò)展升級能力。在鍵盤、顯示電路上都采用了串行方式，從而減小了單片機(jī)口線的使用，也使使用口線小的單片機(jī)成為可能，減小了成本開支。主電源電路采用流行的開關(guān)穩(wěn)壓電源，經(jīng)濟(jì)實惠，性能穩(wěn)定。

在軟件上，本系統(tǒng)實現(xiàn)了傳感器自動識別、故障自動診斷、PID控制參數(shù)自整定以及自動調(diào)整等高級功能，極大地方便了用戶使用，為了全面達(dá)到技術(shù)要求，設(shè)計過程中對軟硬件作了大量優(yōu)化設(shè)計。實際應(yīng)用表明，經(jīng)過標(biāo)定的新型PID恒溫控制器的控溫準(zhǔn)確性、重復(fù)性以及可靠性均達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)。并且在此次設(shè)計中基于PID算法的溫度控制系統(tǒng)采用了經(jīng)典的增量式PID算法，從某個角度上說這種算法優(yōu)于傳統(tǒng)的控制算法，具有更穩(wěn)定、控制精度更高等優(yōu)點，而在控制量的輸出上采用了數(shù)字式的PWM變換，免去了D/A轉(zhuǎn)換器，減小了成本，且簡單易行。在程序的編寫過程中特別注意了人機(jī)的交互性及各種功能的實現(xiàn)，如鍵盤控制管理程序和增量式PID運算程序都是經(jīng)過深思熟慮而精心設(shè)計，使系統(tǒng)的操作界面更容易讓人理解，同時使用鍵盤輸入控制溫度，雖然一定程度上增加了程序的復(fù)雜性，但同時也使系統(tǒng)的溫度更容易設(shè)定。另外，加了EPROM使系統(tǒng)能夠在掉電重啟動后繼續(xù)完成加熱。

當(dāng)然,系統(tǒng)同時也存在幾處缺點，在選擇增量式PID算法時用了速度相對較慢的單片機(jī)，而沒有采用速度更快的工控機(jī)，一定程度上降低了采樣頻率。采用了STC89C52RC，一方面系統(tǒng)更緊湊但同時系統(tǒng)的可擴(kuò)展性有所降低。另外采用了經(jīng)典的增量式PID控制算法，雖然算法簡單，但如果采用更先進(jìn)的算法，如模糊PID，則控制精度會更高。

致

謝

經(jīng)過幾個月的畢業(yè)設(shè)計終于可以畫上一個句號了，但是現(xiàn)在回想起來做畢業(yè)設(shè)計的整個過程，頗有心得，其中有苦也有甜，不過樂趣盡在其中。通過自己動手實現(xiàn)了恒溫水箱的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計，其功能基本符合設(shè)計要求。雖然已經(jīng)完成了此次畢業(yè)設(shè)計，但是我要感謝在整個畢業(yè)設(shè)計過程中幫助過我的老師，同學(xué)。

首先我要衷心地感謝我的指導(dǎo)老師朱浩亮，他治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識淵博，品德高尚，平易近人，在我學(xué)習(xí)與設(shè)計期間不僅傳授我做學(xué)問的正確態(tài)度，還傳授我做人的準(zhǔn)則，這些都將使我終生受益。無論是在理論學(xué)習(xí)階段，還是在論文的選題、資料查詢、開題、研究和撰寫的每一個環(huán)節(jié)，我無不得到她的悉心指導(dǎo)和幫助，在她的幫助下我的畢業(yè)設(shè)計進(jìn)展順利。我想借此機(jī)會向朱浩亮老師和其他幫助過我的老師表示衷心的感謝，同時也向這三年來幫助過、關(guān)心過我的老師、同學(xué)們表示衷心感謝！

回顧畢業(yè)設(shè)計期間的日日夜夜，自己為有機(jī)會擺脫生活的煩惱與浮躁，靜心鉆研，潛心研究，并取得初步研究成果而感到欣慰。欣慰之余，我要向關(guān)心和支持我學(xué)習(xí)的所有領(lǐng)導(dǎo)、同學(xué)和朋友們表示真摯的謝意！感謝他們對我的關(guān)心和支持！同窗之誼和手足之情，我將終生難忘。師生之情，血濃于水的感情將陪伴我度過一生，這將是我前進(jìn)、成長的階梯。

今天的努力必定換來明天的豐收，在未來的學(xué)習(xí)和研究過程中，我將以更加豐厚的成果來答謝曾經(jīng)關(guān)心、幫助和支持過我的所有領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)和朋友。

再一次向所有幫助過我的人們表示最誠摯的謝意，謝謝你們！

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附錄A(系統(tǒng)總路圖、PCB圖)

圖A-1

電源模塊和繼電器模塊電路圖

圖A-2

電源模塊和繼電器模塊PCB圖

圖A-3

鍵盤模塊電路圖

圖A-4

鍵盤模塊PCB圖

圖A-5

主控制模塊和液晶顯示模塊電路圖片

圖A-6

主控制模塊和液晶顯示模塊PCB圖

附錄B(實物圖)

圖B-1

鍵盤模塊實物圖

圖B-2

PCU模塊和LCD液晶顯示模塊實物圖

圖B-3

恒溫水箱系統(tǒng)實物圖

圖B-4

恒溫水箱系統(tǒng)工作界面1

圖B-5

恒溫水箱系統(tǒng)工作界面2