精品文檔1課題來源及研究的目的和意義溫度是工業控制中的主要被控參數之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械石油等工業中，具有舉足輕重的作用。隨著國民經濟的發展，溫度控制系統不僅可以廣泛應用于工業、農業中，而且還和人們的日常生活息息相關，在工業中，電站鍋爐和供熱鍋爐大量存在，且大多數鍋爐處于能耗高、浪費大和環境污染等生產狀態，采用溫度控制系統就能提高熱效率和降低能耗、保護環境。在農業上，溫室大棚采用溫度控制系統，對于溫度的有效控制，不僅可以節省資源而且還可以保證農作物有良好的生長環境，可以有效提高農作物產量。在人們的日常生活中，人們也可以利用溫度控制系統去控制洗澡水的溫度等，以此來方便人們的生活。隨著電子技術的發展和人們生活質量的提高，特別是隨著大規模集成電路的產生，給人們的生活帶來了根本性的變化。現代社會中，隨著科學技術的進步，溫度檢測和控制迅速發展，溫度控制將更好的服務于社會。目前，單片機控制器用于從生活工具到工業應用的各個領域。國內外溫度控制系統也發展迅速，并在智能化、自適應、參數自整定等方面取得成果。目前社會上溫度控制大多采用智能調節器，國產調節器分辨率和精度較低，溫度控制效果不是很理想，但價格便宜，國外調節器分辨率和精度較高，價格較貴。日本、美國、德國、瑞典等技術領先，都生產出了一批商品化的、性能優異的溫度控制器及儀器儀表并在各行業廣泛應用。從市場角度看，如果我國的大中型企業將溫度控制系統引入生產，可以降低消耗，控制成本，從而提高生產效率。嵌入式溫度控制系統符合國家提出的“節能減排”的要求，符合國家經濟發展政策，具有十分廣闊的市場前景。現今，應用比較成熟的如電力脫硫設備中，主控制器在主蒸汽溫度控制系統中的應用，已經達到了世界前進水平。如今，在微電子行業中。溫度控制系統也越來越重要，如單晶爐、神經網絡系統的控制。因此。溫度控制系統經濟前景非常廣泛，我國的高新精尖行業研究其應用的意義更是更加重大。2 國內外研究現狀溫度控制系統在國內各行各業的應用雖然已經十分廣泛，但從生產的溫度控制器來講，總體發展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比有著較大差距。目前，我國在這方面總體技術水平處于20世紀80年代中后期水平，成熟產品主要以“點位”控制及常規的PID控制器為主。它只能適應一般溫度系統控制，難于控制滯后、復雜、時變溫度系統控制。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內技術還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數的自整定方面，國外已有較多的成熟產品。但由于國外技術保密及我國開發工作的滯后，還沒有開發出性能可靠的自整定軟件。控制參數大多靠人工經驗及現場調試確定。國外溫度控制系統發展迅速，并在智能化、自適應、參數自整定等方面取得成果。日本、美國、德國、瑞典等技術領先，都生產出了一批商品化的、性能優異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業廣泛應用。它們主要具有如下的特點：一是適應于大慣性、大滯后等復雜溫度控制系統的控制；二是能夠適應于受控系統數學模型難以建立的溫度控制系統的控制；三是能夠適應于受控系統過程復雜、參數時變的溫度控制系統的控制；四是溫度控制系統普遍采用自適應控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計算機技術，運用先進的算法，適應的范圍廣泛；五是溫控器普遍具有參數自整定功能。借助計算機軟件技術，溫控器具有對控制對象控制參數及特性進行自動整定的功能。有的還具有自學習功能，能夠根據歷史經驗及控制對象的變化情況，自動調整相關控制參數，以保證控制效果的最優化；六是具有控制精度高、抗干擾力強的特點。國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數字式、由集成化向智能化、網絡化的方向發展。傳統的溫度傳感器有熱電偶、鉑電阻熱敏電阻等，雖然它們有各自的優點，但是他們需要后續處理電路，而且由于自身的熱效應會影響測量精度，可靠性較差，與之相比本設計采用的DS18B20作為測溫傳感器它具有體積小，一線總線的數字傳輸方式，可直接向單片機傳輸數字信號，簡化了數據傳輸與處理過程，大大提高了系統的抗干擾性，適合于惡劣環境的現場溫度測量，在一10一+85。C范圍內，測量精度為05。C。3 PID控制算法原理3.1 PID控制系統簡介PID控制系統如圖31所示，D(s)完成PID控制規律，稱為PID控制器。PID控制器是一種線性控制器，用輸出量y(t)和給定量r(I)之間的誤差的時間函數e(t)=r(t)-y(t)的比例、積分和微分的線性組合構成控制量u(t)，稱為比例(Proponional)、積分(Integrating)、微分(Differentiation)控制，簡稱PID控制。圖31PID控制組合了比例控制、積分控制和微分控制這3種基本控制規律。通過改變調節器參數來實現控制。其基本輸入輸出關系為：實際應用中可以根據受控對象的特性和控制的性能要求，靈活采用比例(P)控制器、比例+積分(PI)控制器、比例+積分+微分(PID)控制器3種不同控制組合。3.2 PID參數控制效果分析PID控制的3基本參數為Kp、Ki、Kd。，這3項參數的實際控制作用為：比例調節參數(Kp)按比例反映系統的偏差。增大Kp，系統的反應變靈敏、速度加快、穩態誤差減小，但振蕩次數也會加多、調節時間加長。在該反饋環中。該值主要影響速度。積分調節參數(Ki)消除系統靜態(穩態)誤差，提高系統的控制精度。積分調節會使系統的穩定性下降，動態響應變慢。超調加大。積分控制一般不單獨作用，而是與P或者PD結合作用。微分調節參數(Kd)反映系統偏差信號的變化率，可以預見偏差的變化趨勢，產生超前控制作用。因此，微分控制可以提高系統的動態跟蹤性能。減小超調量，但對噪聲干擾有放大作用。過強的微分調節會使系統劇烈震蕩，對抗干擾不利。常規的PID控制系統中減少超調和提高控制精度難以兩全其美。主要是積分作用有缺陷造成的。如果減少積分作用，靜差不易消除，有擾動時，消除誤差速度變慢；而加強積分作用時又難以避免超調，這也是常規PID控制中經常遇到的難題。所以在該系統中，對積分參數做了分段處理，已達到理想的效果。選擇制冷或制熱后。設定指定溫度值；將溫度采集的數據接收進來，與設定溫度值比較。將差值經過PID算法后計算出進行功率控制的占空比，從而調節溫度嘲。其中，PWM波由AVR單片機的定時器產生。在該模式下，寄存器用于控制PWM波頻率，其他任意一個寄存器控制占空比，控制靈活，相當方便。控制積分調節參數時，對其采取分段積分PID算法，控制系統超調量。4 主要研究內容本課題的研究內容是基于單片機的水溫控制系統的設計。主要是采用單片機實現對水箱溫度的顯示、控制和報警等功能。4.1設計要求：1.熟悉控制系統的原理和單片機的相關基礎知識；2.能夠連續測量水的溫度值，并能顯示水的實際溫度等；3.能夠設定水的溫度范圍；4.能夠實現水溫的自動控制； 5.采用單片機控制，通過按鍵能控制水溫的設定值。4.2設計思路：根據設計要求，該溫度控制系統可分為6個模塊（如圖1） 圖41溫度采集模塊：通過溫度傳感器來測量水溫，并將采集后的信號進行放大、A/D轉換傳送給主控模塊。主控模塊：接收溫度采集模塊傳來的信號，進行數據處理和邏輯判斷，把處理后的結果輸出給液晶顯示模塊、聲光提示模塊和加熱模塊。按鍵輸入模塊：通過掃描按鍵來控制系統的“啟動/停止”、“設定”、“加”、“減”等；聲光提示模塊：當水溫達到設定值或超出設定值時出現紅燈提示并聲音報警，在水箱加熱過程中，綠燈提示；液晶顯示模塊：顯示當前水溫和水溫設定值；加熱/制冷模塊：給水箱加熱/制冷；5 方案論證及選擇5.1主控模塊方案一：采用8031芯片，其內部沒有程序存儲器，需要進行外部擴展，這給電路增加了復雜度。方案二：采用 Freescale16MC9S12XS128單片機：雖然功能強大，運算速度快，資源豐富，但是價格昂貴，性價比較低。方案三：MEGA16AVR單片機：高可靠性、作用強、高速度、低功耗和低價位，內部資源豐富，一般都集成AD、DA模數器、PWM、豐富的中斷源等，完全可以實現對系統的控制。綜上采用方案三。5.2溫度采集模塊方案一：采用熱敏電阻，可滿足35-95的測量范圍，但熱敏電阻精度低、重復性和可靠性都比較差，對于檢測精度小于1的溫度信號是不適用的。方案二：采用鉑電阻溫度傳感器，雖然精度較高，但是調節復雜，如果調節不精確，影響精度。另外，使用鉑電阻溫度傳感器，需要進行放大和A/D轉換，增加了系統的復雜性。方案三：采用單線數字溫度傳感器DS18B20，可直接輸出數字量，單線器件和單片機的接口只需一根信號線，硬件電路十分簡單，容易實現。由于DS1820 正常使用的測溫分辨率為0.50C，故采取直接讀取DS1820 內部暫存寄存器的方法，是一個較好的選擇。綜上選擇方案三。5.3按鍵輸入模塊方案一：使用帶有觸屏功能的彩屏顯示鍵盤，雖然操作靈活，但是價格昂貴，性價比較低方案二：鍵盤選用常用的44掃描鍵盤，選擇了5個按鍵，分別用作“啟動”、“停止”、“設定值加”、“設定值減”、“確定”。在顯示方面，選用了常用的12864液晶顯示模塊。通過相應的軟件編程，可以實現顯示。綜上選擇方案二。5.4溫度顯示模塊方案一：采用數碼管顯示，雖然數碼管價格低廉，但是顯示內容單一，外圍驅動電路較復雜。方案二：使用1602液晶顯示屏顯示。液晶顯示屏（LCD）具有輕薄短小、低耗電、畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強等特點，可以顯示設定溫度和當前溫度。綜上選擇方案二。5.5加熱模塊水溫控制模塊用來控制加熱器件的導通與關閉，從而達到控制加熱時間，控制水溫的目的采用SSR固態繼電器驅動電路控制。繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。5.6聲光提示模塊當水溫達到設定值或超出設定值時出現紅燈提示并聲音報警，在水箱加熱過程中，綠燈提示。6 主要模塊元器件的簡介6.1 AVR單片機ATMEL公司的AVR是8位單片機中第一個真正的RISC結構的單片機。它采用了大型快速存取寄存器組、快速的單周期指令系統以及單級流水線等先進技術，使得AVR單片機具有高達1MIPSMHz的高速運行處理能力。 AVR采用流水線技術，在前一條指令執行的時候，就取出現行的指令，然后以一個周期執行指令。大大提高了CPU的運行速度。而在其它的CISC以及類似的RISC結構的單片機中，外部振蕩器的時鐘被分頻降低到傳統的內部指令執行周期，這種分頻最大達12倍（8051）。131條機器指令，且大多數指令的執行時間為單個系統時鐘周期； 32個8位通用工作寄存器； 工作在16MHz時具有16MIPS的性能；配備只需要2個時鐘周期的硬件乘法器；16K字節在線可編程（ISP）Flash程序存儲器采用Boot Load技術支持IAP功能；1K字節的片內SRAM數據存儲器，可實現3級鎖定的程序加密； 512個字節片內在線可編程EEPROM數據存儲器（壽命10萬次）；可通過JTAG口對片內的Flash、EEPROM、配置熔絲位和鎖定加密位實施下載編程；1個可編程的增強型全雙工的，支持同步/異步通信的串行接口USART；1個可工作于主機/從機模式的SPI串行接口（支持ISP程序下載）；片內模擬比較器； 內含可編程的，具有獨立片內振蕩器的看門狗定時器WDT；2個帶有分別獨立、可設置預分頻器的8位定時器/計數器；1個帶有可設置預分頻器、具有比較、捕捉功能的16位定時器/計數器； 片內含獨立振蕩器的實時時鐘RTC；4路PWM通道；8路10位ADC；面向字節的兩線接口TWI（兼容I2C硬件接口）；片內含上電復位電路以及可編程的掉電檢測復位電路BOD；片內含有1M/2M/4M/8M，經過標定的、可校正的RC振蕩器，可作為系統時鐘使用；多達21個各種類型的內外部中斷源； 有6種休眠模式支持省電方式工作。6.2 1602液晶1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。1602LCD是指顯示的內容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數字）。市面上字符液晶大多數是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應用于市面上大部分的字符型液晶。6.3 DS18B20DS18B20數字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據應用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農業大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。獨特的一線接口，只需要一條口線通信 多點能力，簡化了分布式溫度傳感應用，無需外部元件，可用數據總線供電，電壓范圍為3.0 V至5.5 V，無需備用電源，測量溫度范圍為-55 C至+125 。華氏相當于是-67 F到257華氏度 -10 C至+85 C范圍內精度為0.5 C。溫度傳感器可編程的分辨率為912位，溫度轉換為12位數字格式最大值為750毫秒。7 畢業設計(論文)工作進度安排第一學期：8周開始查閱文獻資料、翻譯外文資料、制定總體方案并對方案進行論證，完成開題報告。第二學期：第12周：完成總體方案設計，畢業實習及開題答辯；第34 周：完成各單元模塊設計方案并建立模型；第511周：進行各個模塊的軟件編程及整體電路的調試； 第1214周：匯總數據，撰寫論文，作答辯準備。參考文獻1李全利.單片機原理與應用M.清華大學出版社，2006.2.2胡漢才.單片機原