电热杯恒温控制系统设计

计算机控制系统课程设计 计算机课程设计（电热杯的恒温控制）计算机课程设计（电热杯的恒温控制） 前言前言 1.11.1 温度控制系统的背景温度控制系统的背景 温度是工业上常见的被控参数之一， 恒温控制系统被广泛应用于 加热炉，热处理炉，反应炉等。在一些温控系统电路中广泛采用的是 通过热电偶，热电阻或PN 结测温电路经过相应的信号调理电路，转 换成 A/D 转换器能接收的模拟量，再经过采样保持电路进行 A/D ， 最终送入单片机及其相应的外围电路， 完成监控。但是由于传统的信 号调理电路实现复杂，易受干扰，不易控制且精度不高。本次设计的 单片机控制系统采用温度传感器（DS18B20 ）检测外部温度对水温进 行恒温控制，精度保持在0、1 摄氏度，范围保持在0、2 摄氏度，不 需要复杂的信号调理电路和 A/D 转换电路就能直接与单片机完成数 据采集和处理，实现方便、高精度、适应性强的控制。也经常用到电 烤箱、微波炉、电热水器、烘干箱等需要进行温度控制与检测控制的 家用电器。采用单片机实现温度控制不仅具有温度控制方便、简单、 灵活等优点，而且可以大幅提高被控温度的技术指标， 从而大大提高 了产品的质量。 陕西科技大学-自动化 104-王运动1 计算机控制系统课程设计 2.2. 总体设计方案总体设计方案 2.12.1 系统的总体框图系统的总体框图 温 度 测 量 模 块 51 单片机最小 系统（添加复位 电路） 键盘模块 温 度 输 出 模 块 LCD1602 显示模块 串 口 通 信 PC 机 陕西科技大学-自动化 104-王运动2 计算机控制系统课程设计 2.22.2 总电路图总电路图 3.3. 硬件电路设计硬件电路设计 3.1 温度测量与控制模块温度测量与控制模块 U5 DS18 B2 0P00 G N D I / O V C C P01 VCC VCC R1 4.7K P14 P02 1 2 3 P033 陕西科技大学-自动化 104-王运动 计算机控制系统课程设计 温度测量模块采用的是 ASLLAS半导体公司的 DS18B20 温度传感 器。该传感器与传统的热敏电阻相比，他能直接读出被测温度。这一 部分主要完成对温度的采集和转换工作，有 DS18B20 数字温度传感 器与其单片机接口部分组成。 数字温度传感器把采集到的温度通过数 据引脚传送到单片机的 I/O，该模块由温度传感器，双向可控硅，光 耦组成 。温度传感器负责温度的采集传送，由单片机程序判断处理 后通过 P 22 、0 口的高低电平变换控制经过光耦的隔离传输控制可控 硅 BAT06 的开关，可控硅导通则电热杯接通 220V 电源进行加热。 3.23.2键盘模块键盘模块 键盘模块设置有六个按键，接上拉电阻，分别由程序定义为控制目标 温度的十位个位与十分位的加减 1. 3.33.3 串口通信串口通信 单片机与 PC 机进行通信方便程序的烧制，尽管单片机有串行通信功 能，但单片机提供的信号电平和 RS232 的标准不一样，因此要通过 MAX232这种类似的芯片进行电平转换。MAX232是一种双组驱动 器/ 接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单 5V 电源供电 EIA/TIA-232-E电平。 3.43.4 液晶显示模块液晶显示模块 1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字 符液晶模块（显示字符和数字） 。 陕西科技大学-自动化 104-王运动4 计算机控制系统课程设计 市面上字符液晶大多数是基于 HD44780 液晶芯片的， 控制原理是 完全相同的，因此基于 HD44780 写的控制程序可以很方便地应用于 市面上大部分的字符型液晶。1602 采用标准的16脚接口，其中：第1 脚：VSS为电源地第2脚：VCC接5V 电源正极第3脚：V0 为液晶显 示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高 （对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K 的电位 器调整对比度） 。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄 存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电 平(1) 时进行读操作，低电平(0) 时进行写操作。第6脚：E(或 EN) 端为 使能(enable) 端, 高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。第 7～ 14脚：D0 ～D7 为8位双向数据端。第15～16脚：空脚或背灯电15背 光正极，16脚背光负极。 4 4PIDPID 控制控制 4.14.1 PIDPID 基本公式基本公式 在实际应用中，可以根据受控对象的特性和控制的性能要求， 灵 活地采用不同的控制组合，构成 比例(P)控制器 比例+积分(PI) 控制器 陕西科技大学-自动化 104-王运动5 计算机控制系统课程设计 比例+积分+微分(PID)控制器 式中 或 式中 4.24.2控制系统中的应用控制系统中的应用 在单回路控制系统中，由于扰动作用使被控参数偏离给定值， 从 而产生偏差。 自动控制系统的调节单元将来自变送器的测量值与给定 值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分(PID)运算，并输出统 一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、 也为及其他工艺参数的自动控制。 比例作用 P 只与偏差成正比；积分作用 I是偏差对时间的积累； 微分作用 D 是偏差的变化率； 4.34.3 PIDPID 的独立介绍的独立介绍 比例比例(P)(P)控制控制 比例控制能迅速反应误差， 从而减少稳态误差。除了系统控制输 入为 0 和系统过程值等于期望值这两种情况， 比例控制都能给出稳态 误差。当期望值有一个变化时，系统过程值将产生一个稳态误差。但 陕西科技大学-自动化 104-王运动6 计算机控制系统课程设计 是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统 的不稳定。 图 2 比例(P)控制阶跃响应 积分积分(I)(I) 控制控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关 系。 为了减小稳态误差，在控制器中加入积分项，积分项对误差取决 于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即使误差很 小，积分项也会随着时间的增加而加大， 它推动控制器的输出增大使 稳态误差进一步减少，直到等于零。 积分(I) 和比例(P)通常一起使用，称为比例+积分(PI) 控制器，可 以使系统在进入稳态后无稳态误差。如果单独用积分(I) 的话，由于积 陕西科技大学-自动化 104-王运动7 计算机控制系统课程设计 分输出随时间积累而逐渐增大， 故调节动作缓慢，这样会造成调节不 及时，使系统稳定裕度下降。 图 3 积分(I) 控制和比例积分(PI) 控制阶跃相应 微分微分(D)(D)控制控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的 变化率）成正比关系。 由于自动控制系统有较大的惯性组件（环节）或有滞后（delay） 组件， 在调节过程中可能出现过冲甚至振荡。 解决办法是引入微分(D) 控制，即在误差很大的时候，抑制误差的作用也很大；在误差接近零 陕西科技大学-自动化 104-王运动8 计算机控制系统课程设计 时，抑制误差的作用也应该是零。 图 4 微分 (D)控制和