水温自动控制系统设计方案.docx

《水温自动控制系统设计方案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水温自动控制系统设计方案.docx（30页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、水温自动控制系统设计摘要水温自动控制系统在工业和平常生活中应用广泛，在生产中发挥着重要作用。实现水温控制的措施诸多，如单片机控制、P1C控制等等。而其中用单片机控制实现的水温控制系统，具有可靠性高、价格低、简朴易实现等多种长处。单片机用于工业控制是近年来发展非常迅速的领域，目前许多自动化的生产车间里，都是靠单片机来实现的。温度是工业控制对象重要被控参数之一，在温度控制中，由于受到温度被控对象特性（如惯性大、滞后大、非线性等）的影响，使得控制性能很难提高，有些工艺过程其温度控制H勺好坏直接影响着产品的质量，因此设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。为了实现高精度的水温测量和控制，本文简介

2、了一种以Atme1企业的低功耗高性能CMOS8位单片机为关键，以P1D算法控制以和P1D参数整定相结合的措施来实现的水温控制系统，其硬件电路包括温度采集、温度控制、温度显示、键盘输入以和RS232接口等电路。该系统可实现对温度的测量，并能根据设定值对温度进行调整，实现控温的目的。关键词SAT89S52；温度控制；PnOO0；PIDDesignofTemperatureAutomaticContro1SystemABSTRACTThetemperatureisoneofthemain1ychargedparameterswhichareindustria1contro1targets.Itisd

3、ifficu1ttoenhancethecontro1performanceduetothecharacteristicsofthetemperaturechargedobject.Suchasinertia,hysteresisandnon-1inear,etcItstemperaturecontro1processwi11haveadirectimpactonthequa1ityoftheproductinsometechno1ogica1process.Thereforeitisabso1uteva1uab1etodesignaidea1temperaturecontro1system.

4、Inordertorea1izethehighaccuracysurveyandcontro1ofwatertemperature.SystematiccoreisAT89S52,whichisa1ow-power1oss,high-performance8-bitMCUofAtme1Company.ThesystemunifiesPIDcontro1a1gorithmandPIDparametertuningtocontro1thewatertemperature.Itshardwarecircuita1soinc1udestemperaturegathering,temperatureco

5、ntro1andtemperaturedisp1ay,keyboardinputandRS232interfaces.Thesystemcanrea1izetosurveythewatertemperature,anditcanadjustthetemperatureaccordingtothesettingva1ue.Keywords：AT89S52;temperaturecontro1;PT1OOO;PTD1引言错误!未定义书签。1.1 课题背景错误!未定义书签。1.2 国内外研究现实状况错误!未定义书签。1.3 研究措施错误!未定义书签。2系统方案错误!未定义书签。2.1 水温控制系统设

6、计任务和规定错误!未定义书签。2.2 水温控制系统错误!未定义书签。2.2.1方案选择错误!未定义书签错误!未定义书签错误!未定义书签错误!未定义书签错误!未定义书签。2. 2.2温度控制系统算法分析.3系统硬件设计3. 1总体设计框图和阐明3.2外部电路设计3.2.1温度采集电路错误!未定义书签。3.2.2温度控制电路错误!未定义书签。3.3单片机系统电路设计3.3.1A/D转换电路.3.3.2 串口通讯部分电路3.3.3 数码显示电路.4系统软件设计错误!未定义书签错误!未定义书签.错误!未定义书签.错误!未定义书签错误!未定义书签4.1 程序框架构造错误!未定义书签。4.2 程序流程图和

7、部分程序错误!未定义书签。4. 2.1主程序模块错误!未定义书签。4 .2.2系统初始化错误!未定义书签。5 .2.3按键程序错误!未定义书签。4. 2.4A/D采样数据处理错误!未定义书签。4. 2.5PID计算错误!未定义书签。4. 2.6继电器控制错误!未定义书签。5. 系统安装调试与测试错误!未定义书签。5.1 串口调试错误!未定义书签。5.2 继电器测试错误!未定义书签。5.3 温度采集与测试错误!未定义书签。6结论错误!未定义书签。参照文献错误!未定义书签。致谢错误!未定义书签。引言1.1 课题背景温度控制是无论是从工业生产过程中，还是在平常生活中都起着至关重要啊作用，过低的温度或

8、者过高的温度都会使水资源失去应用的作用，从而导致水资源的巨大挥霍。尤其是在目前全球水资源极度匮乏的状况下，我们就更应当掌握好对水温的控制，在环境恶劣或温度较高等场所下，为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，和减轻工人的劳动强度、节省能源，规定对加热炉炉温进行测示、显示、控制，使之到达工艺原则，以单片机为关键设计的水温控制系统，可以同步采集多种数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。1.2 国内外研窕现实状况目前，国外温度控制系统和仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面迅速发展。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍

9、然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处在20世纪80年代中后期水平。成熟产品重要以“点位”控制和常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，并且适应于较高控制场所的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十提成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。目前，我国在温度等控制仪表业与国外尚有着一定的差距。伴随嵌入式系统开发技术的迅速发展和其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化规定越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、合用范围大以和自身的指令系统等诸多优势，在各

10、个领域、各个行业都得到了广泛应用。1.3 研究措施本文重要简介单片机温度控制系统的设计过程，其中涉和系统构造设计、元器件的选用和控制算法的选择、程序的调试和系统参数的整定。以AT89S52为CPU,温度信号山Pt1OoO和电压放大电路提供。电压放大电路用超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度-电压信号进行放大，用单片机控制SSR固态继电器的通断时间以控制水温，系统控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在环境温度减少时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变，具有很好的迅速性与较小的超调。2系统方案2.1水温控制系统设计任务和规定该系统设计任务：设计一种水温自动控制系统，控制对象为1升净水

11、，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度减少时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。系统设计详细规定为：温度设定范围为4090；环境温度减少时温度控制的静态误差W1C：采用合适的控制措施，当设定温度突变（由提高到60C）时，减小系统的调整时间和超调量；用十进制数码管显示水的实际温度。2.2水温控制系统水温控制系统是一种过程控制系统，构成框图如图2T所示，由控制器、执行器、被控对象和反馈作用的测量变送构成。12-1控制系统框图除了以上的构成元件以外，还需要选择合适的算法以实现所规定的控制精度，如下我会对关键的元件以和电路确实定进行详细的分析。由于方案选用的好坏将直接影响

12、着整个系统实现效果的优劣。方案选择方案一：采用8031作为控制器，使用最为普遍的器件ADCO804作模数转换，控制上使用对电阻丝加电使其升温和开动风扇使其降温。此方案简易可行，件的价格廉价，但8031内部没有程序存储器，需要扩展，增长了电路小J复杂性。方案二：此方案采用89S52单片机实现，此单片机软件编程自由度大，可用编程实现多种控制算法和逻辑控制。控制电路部分采用SSR固态继电器控制电炉丝的通断此方案电路简朴并且可以满足题目中的各项规定的精度。将两个方案相比较后可得出一种结论，采用Atme1单片机来实现本题目，无论是从构造上，还是从工作量上均有很大的优势，因此我最终选择使用AT89S52作

13、为该控制系统的关键。根据水的温度变化慢，并且控制精度不易掌握小J特点，我们设计了以AT89S52单片机为检测控制中心的水箱温度自动控制系统，总体框图如图2-2所示。图2-2控制器设计总体框图温度控制采用改善的PID数字控制算法，数码显示采用3位1ED静态显示。该设计构造简朴，控制算法新奇，控制精度高,有较强的通用性。图2-3为整个水温控制系统的原理图，分别由测温电路，继电器控制电路，串口通讯电路，1ED显示电路等部分构成。图2-3水温控制电路原理图2.2.2温度控制系统算法分析系统算法控制采用工业上常用时位置型P1D数字控制，并且结合特定的系统加以算法的改善，形成了变速积分P1D一积分分离PI

14、D控制相结合的自动识别的控制算法。该措施不仅大大减小了超调量，且有效地克服了积分饱和的影响，使控制精度大为提高。长期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，研究了大批温度控制器，如性能成熟应用广泛的PID调整器、智能控制PID调整器、自适应控制等。此处重要对某些控制器特性进行分析以便选择适合的控制措施应用于改造。常用时控制算法有如卜几种：1 .经典的比例积分微分控制算法；2 .根据动态系统的优化理论得到的自适应控制和最优控制措施：3 .根据模糊集合理论得到模糊控制算法。自适应控制、最优控制措施以和模糊控制算法是建立在精确U勺数学模型基础上口勺，在实时过程控制中，由于控制对象的精确

15、数学模型难于建立，系统参数常常发生变化，运用控制理论进行综合分析要花很大代价。同步由于所得到的数学模型过于复杂难于实现。在实时控制系统中规定信号的控制信号的给出要和时，因此在目前的过程控制系统中较少采用自适应控制、最优控制措施和模糊控制算法。目前在过程控制中应用较多的还是P1控制算法、PD控制算法和P1D控制算法。水温控制系统的控制对象具有热储存能力大,惯性较大的特点，水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因此可以归于具有纯滞后的一阶惯性环节。对于大惯性系统的过渡过程控制，般可采用如下几种控制方案：1 .开关量控制这种措施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，因此控制过程十分简朴，也轻易实现：但由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因此轻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规定不高的状况卜.采用。如图2-4所示。图2-4开关量控制2 .比例控制（P控制）比例控制的输出与偏差成比例关系，当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡过程时间短，但过程终了存在余差；合用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、容许被控量在一定范围内变化的系统。如图2