水温控制系统设计与总结报告

水温控制系统设计与总结报告内容摘要：

的静触点，称为 “ 常开触点 ” ；处于接通状态的静触点称为 “ 常闭触点 ”。 电磁继电器 的原理图如图。 8 图 电磁继电器 方案二：采用可控硅元件控制。 可控硅是 P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个 PN结，分析原理时，可以把它看作由一个 PNP管和一个 NPN管所组成，其等效 图解 如图。 当阳极 A 加上正向电压时， BG1 和 BG2 管均处于放大状态。 此时，如果从控制极 G输入一个正向触发信号， BG2便有基流 ib2流过，经 BG2放大，其集电极电流 ic2=β 2ib2。 因为 BG2的集电极直接与 BG1 的基极相连，所以 ib1=ic2。 此时，电流 ic2 再经 BG1 放大，于是 BG1的集电极电流ic1=β 1ib1=β 1β 2ib2。 这个电流又流回到 BG2的基极，表成正反馈，使 ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。 由于 BG1和 BG2所构成的正反馈作用，所以一 旦可控硅导通后，即使控制极 G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。 由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化， 此条件见表 所示。 图 可控硅等效图解 表 可控硅导通和关断条件 状态 条件 说明 从关断到导通 阳极电位 高于是阴极电位 控制极有足够的正向电压和电流 两者缺一不可 维持导通 阳极电位高于阴极电位 阳极电流大于维持电流 两者缺一不可 从导通到关断 阳极电位低于阴极电位 阳极电流小于维持电流 任一条件即可 在上述两种方案中， 继电器的寿命比不上可控硅 ,但是可控硅的过压过流能力远逊 于 继电器 ,作为工控产品 ,可靠性应该不单单考虑元件的理想寿命 ,还应该考虑元气件的抗干扰 ,过压过流能 9 力 以及电路的简洁 ,简单。 在这些方面继电器都要比可控硅有优势。 且继电器 寿命也不会很短 ,继电器的一般寿命 (JZC22F)在 一百万 次以上 ,也就是可以使用十年以上。 综上所述，选择方案一，利用继电器控制加热器件的导通与关闭即达到水温的控制目的。 2．单元电路设计 水温测量电路的设计 温度传感器置于水中，将感应到的温度信号转换成微弱 的模拟信号，模拟信号通过运算放大电路的放大就可以输入到 AD转换电路中进行 AD 转换。 具体测量电路如图。 运算放大电路采用正相放大 接法，由图可知放大倍率即运放增益 A0 为： 10 20701RRA R 式中 R10=R20=2K， R7=1K ,得到 A0=5。 由于 LM35的灵敏度为 10mV/℃ ,故其输出的最大模拟电压为 1V，经运放放大后最大输出电压为 5V，满足 AD转换 输入电压 0至 5V的范围 要求。 图 水温测量电路 AD 转换电路 经 传感器和运放输出的模拟信号必须经过 AD转换电路 ,将模拟信号转换成数字信号才能被单片机处理。 AD转换芯片目前用的比较多的是 ADC0809,他可以直接输入 8个单端的模拟信号。 如图， ADC0809的 START端是启动控制输入端，由单片机控制，一个正脉冲过后 AD开始转换； CLOCK端 是时钟信号输入端，当系统频率为 12MHZ时， ALE信号频率约为 1MHZ，然后通过 74LS74 D触发器进行二分频，即可符合 ADC0809的时钟信号频率要求。 OE为数据输出允许信号，输入 高电平有效。 当 A／ D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 A， B，C为模拟输入选择端，由于在本系统中只需输入一个模拟信号，故 A,B,C均接低电平表示选择 IN0口 输 入 模 拟 信 号。 10 图 AD 转换电路 控制电路设计 图 AT89C52的最小系统以及外围电路 11 单片机接受 AD转换电路输入的数字信号，并将输入的信号进行处理和运算，以控制控制电流或者控制电压的形式输出给被控制的单元电路，完成各项任务要求。 单片机 AT89C51外接显示电路， AD转换电路和继电器驱动电路。 具体电路如图。 Header 8是 AD转换器数字量输出的接口， (RELAY) 为继电器电路的接口， (POWER_OUT)接单片机工作指示灯的输入，高电平有效。 数码管动态显示电路 在本系统 中采用动态数码管显示方式驱动 4 个七段数码管， 4 个七段数码管用来显示当前的温度。 图 ，由于 AT89C52单片机每个 I/O口的拉电流只有 1~2mV,但是在灌电流的情况下却能达到 20mV左右， 采用共阴极需要加驱动电路， 采用共阳极数码管不需要驱动电路 ， 可以使电路得到简化。 图中， A1,A2,A3,A4为四位数码管的为选端， A,B,C,D,E,F,段选端。 图 数码管动态显示电路 继电器电路 继电器 用于控制加热器的导通与关闭，其导通与关闭时间由单片机控制，从而维持水温的平衡。 如图 ，图中 RELAY与单片机的 ，当 ，继电器上电导通，开关打下，加热器件导通开始加热。 图 继电器电路 12 3. 软件设计 系统的软件设计采用 C语言，对单片机进行编程实现各项功能。 程序 是在 Window XP 环境下采用 Keilu Vision 2 软件进行编写的。 PID 控制算法介绍 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID控制，又称 PID调节。 这种控制方法集比例、微分调节方法于一体，是现今的一种比较成熟的控制方法，也是使用比较广泛的一种控制方法。 这种控制方式具有直观、实现简单和性能好等一系列优点。 PID 具体算法有两种：直接计算法和增量计算法。 这里所谓的增量算法就是相对于标准算法的相邻两次运算之差，得到的结果是增量也就是说在上一次的控制量的基础 上需要增加（负值意味着减小）控制量。 ，对于温度控制就是需要增加或减小加热比例。 二直接算法得到的是当前需要的控制量，相邻两次控制量的差就是增量。 在本系统中，我们采用的是增量计算法。 标准的直接计算法公式： * ( ) * ( ) ( e ( t) e ( t 1) )O U T P i dP K e t K e t K   上一次的计算值： p i dPou t( t 1 ) = K * ( e ( t) e ( t 1 ) ) + K e ( t) + K ( e ( t) e ( t 2 ) ) 两式相减即可以得到增量计算的公式： p i dP dl t= K * ( e ( t) e ( t 1) ) + K e ( t) + K ( e ( t ) 2* e ( t 1) + e ( t 2) ) 式中 pK , ,idKK 分别称为比例常数，积分常数和微分常数， e(t)为基本偏差， ()et 为累积偏差。 其中三个常数在控制中的作用为： 例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。 比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。 因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。 积分作用 的强弱取决与积分时间常数 Ti， Ti越小，积分作用就越强。 反之 Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。 积分作用常与另两种调节规律结合，组成 PI 调节器或 PID 调节器。 微分调节作用：微分作用反。