计算机毕业设计论文 - 基于单片机的淋浴水温控制系统的设计

基于单片机的淋浴水温控制系统的设计

摘要:本论文对实际情况进行数学建模,并根据分析和实验的结果设计了控制系统。利用工业控制的8031单片机搭建控制系统,系统的前向通道未用了成本低、休积小、线性电流传感器，为提高精度，传感器设计了T型滤波器以增加杭干扰能力，单片机应用未用PID葬法的撞制方式担制双向可控硅的导通、关断，调整功率，使之切断或接通加热器，从而控制水温稳定在预设定值上。系统后向通道采用干扰小、器件运行可靠的过零触发方式，省去了传统的D/A接口电路，简化了硬件设备。在软件设计中，为提高精度我们采用了数字滤波方案以减少干扰信号的比重。根据温控的单回路PID数字调节器的硬件设计，完成实时浏重(传感采样)、实时决策((PID控制运算)和实时控制(调功)三部分功能，为防止超调量过大，对PID算法进行了适当改进，用单片机产生PWM波对电机进行控制,调节冷热水管的流量,最终达到控制输出水温的目的。

目录

引言 1

1.设计任务 2

1.1基本要求 3

1.2发挥部分 3

2方案论证 3

2.1方案一 3

2.2方案二 4

2.3方案三 4

3方案设计 5

3.1系统工作原理 5

3.2主要电路设计 6

3.3软件设计 9

4性能指标测试: 11

5结论 12

系统误差分析 12

参考文献 13

引言

随着自动化技术的进一步发展,现在很多家庭都希望能享受智能化服务的家居环境;人们生活无非衣食住行,对于居住,如果有智能化淋浴设施,更能为生活增色不少,智能化淋浴设施中关键的两项技术为:温度控制与流量控制,其中人们对于温度控制是希望在自己设定数值以后变化不大,仅仅在设定数值周围波动;而流量则直接按需要进行调节。

1.设计任务

设计制作一个淋浴水温控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。

淋浴水温调节系统由温度传感装置、控制系统、显示装置、冷水流控制装置、热水流控制装置、总流量控制装置构成,如图2-1所示。其中流量与温度有一定的关系,系统利用温度传感器测量水的温度,并将其结果传递到控制系统,将温度显示出来,并与所设置的温度进行对比,根据对比所得到的结果来控制冷热水的流量。

图2-1　水温调节系统组成框图

水温调节系统目标是控制出水管的温度和流量。对于流量的控制,是通过手动调节来实现的;而对于温度的控制,则是先通过控制面板手动调定好温度的数值,再通过闭环控制其真实水温围绕设定水温小范围波动。

1.1基本要求

(1) 温度设定范围为400C^J900C，最小区分度为1 "C，标定温差<10C<

（2）环境温度降低时(例如用电风扇降温)温度控制的静态误差<10Co

(3) 用十进制数码显示水的实际温度。

1.2发挥部分

(1) 采用适当的控制方法，当设定温度突变(由40℃提高到60 0C)时，减小系统的调节时间和超调量。

(2) 温度控制的静态误差<20℃

(3) 在设定温度发生突变(由40℃提高到60℃)时，自动打印水温随时间变化的曲线。

2方案论证

根据水温控制系统题目的要求，在初步论证时我们设计出三种方案:

2.1方案一

图2-2

图2-2所示，此方案采用电压比较法，将由传感器检测到的物理量经过变换器变换成电压量然后送入比较电路，与基准电压进行比较，然后控制继电器关断来进行电炉的加热。

同时将变换后的信号放大，送A/D积分变换显示出当前温度。

2.2方案二

图2-3

图2-3所示，本方案由传感器采样放大的信号，进行A/D变换和非线性校正后，将输出的数字量与存储器中前次采样进行比较，然后根据比较结果控制电炉工作以及当前温度显示。

2.3方案三

此方案采用单片机对系统进行智能化控制，不仅具有功能强、体积小、价格低的优点，而且可编程、智能化温度控制技术的广泛采用使得系统灵活性大大增加。

如图2-4所示，此方案控制部分采用8031单片机，输入部分采用半导体集成传感器，变换后信号经A/D采样送入CPU进行数字滤波，然后对信号进行非线性校正，并充分利用控制运算(PID )得出的控制量去控制双向可控硅的导通与关断，来切断或接通加热电源，调整电工功率，从而控制水温稳定在设定值上。

通过三种方案的比较分析，若采用前两种方案，利用常规化仪表加接触器(继电器)的断续控制方法，要达到题目给定的精度要求，从输入采样到输出控制的各种误差产生因素较多，精度难以达到要求。而采用单片机就可充分发挥其优点，将误差减小到最小，还可以方便地实现实时控制，而且在实验过程中，根据实验数据进行误差补偿和软件校正.其优点是传统电路无法比拟的。所以我们选定单片机实现电炉温度控制的单回路PID数字调节的第三种方案。

图2-4

3方案设计

3.1系统工作原理

图3-1

由单片机实现电炉温度控制的单回路PID数字调节系统的工作原理如图3-1所示。图3-1中，传感器AD590将温度信号转换成电流信号，通过放大器变成电压信号，然后送入A/D变换器，输出BCD码选入8031CPU，运算控制器根据接收数据进行处理，同时将数据保存，以便与下一次采样值进行比较，通过软件对所测电压进行数字非线性校正，同时由显示器进行实时显示。根据系统程序控制，进行PIB运算以及输出控制，最终由CPU给出控制加热回路的“有效过零脉冲”个数来控制可控硅的通断，达到调功的目的。

该系统被测参数是水的温度，由单片机经过控制运算(PID)得出的控制量去控制双向可控制硅的导通和关断，以便切断或接通加热电源，调整电工功率，从而控制水温稳定在设定值上。本系统采用过零触发方式，干扰小、器件运行可靠，同时省去了传统的B!A变换器件，简化了硬件设备。

(1) 调功原理

系统采用带光电隔离的过零触发型双向可控硅}C-SSR。由803?控制加在双向可控硅的过零脉冲信号的数目，从而控制可控硅导通的次数，达到调功的目的。

(2) 过零检测电路

LMI311电压比较器输入信号取自交流电全波整流后，输出峰值小于1}的100Hz的过零负脉冲波形，并向3031.申请100次中断，以实现每秒100次中断控制周期。

(3) 控制执行电路

由程序控制P3.4每秒内输出高电平时问长短，控制触发A C,-SSR的过零脉冲数目。

3.2主要电路设计

(1} 803I单片机基本系统

数字PID调节控制核心采用8031单片机与EPROM,RAM，地址锁存74L S373，译码74LS138组成基本系统。

(2) 前向通道设计

前向通道是整个电路设计的关键。它完成信号采集、放大、A/D转换几大功能。电路如图3-2所示。

图3-2

测温传感的选择是设计时首要考虑的问题，根据题目要求，需要进行常温区的温度测量。为了减少干扰，我们选用了半导体集成温度传感器，并在其两侧加RC滤波器抗干扰。AD590是一种恒流源形式的温度传感器，其校准精度达士0. 50C,测温范围-55℃至+150℃完全满足题自要求。按图中设计若采用屏蔽线作信号线，则其传输距离可以提高许多。

AD590输出量是电流，其输出通过1acSx电阻获得1mV/K的，为将绝对温度转换成摄氏温度，在输入端加一273.2mW的偏压，使测量回路在。℃时输出为OV。选择放大倍数为0时，温度每变化10C输出电压就变化1OrrzV，其输出电压经A/D变换提供给CPU当前温度所对应的检测电压值，其范围大于200mV小于2V，故将I}IC14433基准源定为2V，由LM1403分压得到。

(3) 后向通道电路设计

为了能够使水温稳定在设定值上，我们采用电沪的调功方法，电路如图3-3所示。

图3-3

调功原理是依据每秒钟可控硅导通的次数来使其处于时开时断，达到功率调整的目的。利用带光电隔离的过零型双向可控硅AC - SSR，为使其实现过零控制，就要实现工频电压的过零检测，并给出脉冲信号，由单片机控制双向可控硅过零脉冲信号数目。这部分是利用软件控制输出方波的占空比，使P3.脚输出有效电平的时间不同，从而加在可控硅触发端的脉冲个数不同，保证了调整精度。采用这祥的设计省去了传统电路中的D/A变换器，使硬件大为简洁、可靠。在制作过程中，为了减少系统干扰，还设计了隔离电源进行脉冲过零检测.

(4) 键盘显示模块设计

在设计键盘/显示接口时，使用了8279专用控制器，它能实现对键盘的自动扫描、去抖，显示自动刷新。8279与主机通信采用中断方式，这样处理后，减少了硬件工作量，软件编程也大为简化。四位数码显示可显示从00. 0`C到”. 9 0C的实测温度，键盘由译码电路选通2X8，实际工作中只使用了12个键码.10位数字预置键和两位功能键。

(5) 电源设计

根据电路需要设计了士15V,上5V两组电源，变压器双组18V输出经过整流桥全波整流后进行滤波，最后由三端稳压集成块完成稳压，输出稳定的直流电压供各电路正常工作，其中四个二极管是保护二极管。

3.3软件设计

在软件设计中，我们采用了数字滤波方案，以便减少干扰在有用信号中的比重，提高信号真实性。这种滤波方法不需要增加硬件设备，也不存在阻抗匹配间题，可以多个通道共用，不但可以节约投资，还可提高可靠性、稳定性，对频率很低的信号实现滤波，参数易修改，灵活性大。

(1)控制程序组成

主控模块(图3-4):负责初始化各个器件，等待键盘中断事件的发生，并作相应的处理。主控模块流程图。

图3-4

键盘中断处理模块(图3-5):读取键码，并置入键码寄存器中。

定时器。中断处理模块(图3-6):主管向P3.;口发生控制可控硅的选通脉冲信号，间接控制可控硅。定时器0中断处理模块流程:

图3-6

定时器1中断处理模块:完成采样、数字滤波、计算PID控制值，并将当前温度进行显示，同时设置脉冲数值。

(2)温度控制程序设计

温度控制程序的设计我们考虑了如下问题:

①键盘扫描、键码识别和温度显示;

②温度采样、数字滤波;

③数据处理时把所有数据定点纯小数补码形式转换，然后把8位温度采样值Umin ，Umax都变成16位参加运算，运算结果取8位有效值;

④PID计算温度标度转换。

温度控制的算法:

我们采用常用的数字PID算法，其调节是根据实际测量值与设定值的偏差值，按比例一积分一微分的函数关系进行运算，用一个数字量的运算结果控制输出。模拟PID调节的理想运算式用微分方程表示为:

为使PID调节在计算机上实现，将其离散化，由描述离散系统的差分方程来代替：

改为增量式算法公式：

这时，位置式公式可写成如下形式：

根据键盘输入的设定参数T,P,I,D，通过现场运行调试、整定，得到符合该系统的各参数值。为克服积分饱和，根据试题发挥部分需要，为防止超调量过大，我们对PID控制算法做了适当改进，采用了积分分离法，在偏差e;较大时，取消积分作用;当偏差ei较小时，才将积分作用投入。

即，当ei>B时，用PD控制

当ei时，用PID控制

4性能指标测试:

1.测试条件 环境温度为23 C

2.测试仪器 MY-68数字万用表

SS一7804双通道示波器

DA一16晶体管毫伏表

JM一222数字温度计

3.测量方法

(1) 测温度:

将温度计与传感器同时浸入搪瓷杯的水中，对电炉进行全功率加热，测试水温温度。单位(℃)

(2) 恒温设定及调整:

用键盘设定一固定温度值，对1升水进行加热，恒温。单位(℃)

(3) 静态误差测试

用键盘设定一固定温度值，对1升水加热，恒温，同时用电风煽降低周围环境温度，测试静态误差。单位(℃)

4.整机指标

(1)前向通道部分

传感器测温范围:一55℃^'55℃

数据采集周期: 10次/秒

采集精度:三位半A/D转换(相当于11位二进制数)

(2)后向通道部分

功率控制:最大电流6A

(3)键盘显示部分

温度设定:35℃ ~99℃

显示范围:0℃~99. 9℃

5结论

(1)该集成传动系统的优点是结构紧凑,制造工艺简便。

(2)与有杆活塞式液压缸相比,采用无杆活塞缸使得相关部位由动密封转变为静密封,流体泄漏容易控制。

(3)斜面-钢球-斜面-钢球三级增力机构的增力效果,显著高于同类的一级及二级增力机构[1~2],设计夹具时应优先选用。

(4)斜面-钢球-斜面-钢球三级增力机构的力传递效率相对较低。但由于理论增力系数很大,故仍能得到相对较大的实际增力系数。

系统误差分析

从整个电路原理框图来看，系统的主要误差来源于以下几个方面:

1. A/D变换器MC14433的量化误差。指标为(士1LSB)

满度误差为:

2.由于系统前向通道设计中，须加入一些必要的T型滤波网络，虽然采用对称网络，抑制传输中间的干扰，提高了系统误差与精度，但也给电路中引入一些非线性因素，使得温度传感器的线性度受到影响，从而引入了新的误差。

3.在PID控制算法中，我们采用的是理想PID数字控制器，虽然其算法较实际PID更为简单，更易实现，但其控制品质较差，原因在于其微分作用仅局限于第一个采样周期有一个大幅度输出，一般执行机构无法在较短采样周期内跟踪较大的微分作用输出，须综合考虑多方面因素。

4.由于实验所用测量工具(如温度计)本身精度以及所带来的视觉误差，加上温度变化惯性较大，动态测量时准确控制测量精度略有难度。

参考文献

1钟康民，宋强，郭培全 钢球增力液压夹具[J]制造技术与机床, 1999 (11): 47~48

2芮丰 新颖的滚珠式力放大机构[J]机械设计,1992 (3): 49~50

3林文焕，陈本通 机床夹具设计[M]北京:国防工业出版社, 1987

4 赵亮,侯国锐.单片机C语言编程与实例[M].北京:人民邮电出版社,2003.307-311.

5 金伟正.单线数字温度传感器的原理与应用[J].电子技术应用,2000,(6):66-68.

6 金春林,邱慧芳,张皆喜.AVR系列单片机C语言编程与应用实例[M].北京:清华大学出版社,2003.277-282.

7 孙道忠,王卫星,许利霞,等.鱼塘含氧量自动监控系统[J].农机化研究,2005,(4):128-131.

8 丁易新.OCMJ图形液晶显示器与AVR单片机的接口设计[J].电子工程师,2005,31(4):48-50.

9 肖恩忠.基于AT89C52的电阻炉智能温度控制系统[J].农机化研究,2005,(3):238-239.

10 朱余清,吴伟斌,洪添胜,等.基于虚拟仪器技术的发动机测功系统[J].广西大学学报(自然科学版),2004,19(4):310-314.

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/9b83319bb8f67c1cfad6b8de.html