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1、精选优质文档-倾情为你奉上1课题来源及研究的目的和意义温度是工业控制中的主要被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械石油等工业中，具有举足轻重的作用。随着国民经济的发展，温度控制系统不仅可以广泛应用于工业、农业中，而且还和人们的日常生活息息相关，在工业中，电站锅炉和供热锅炉大量存在，且大多数锅炉处于能耗高、浪费大和环境污染等生产状态，采用温度控制系统就能提高热效率和降低能耗、保护环境。在农业上，温室大棚采用温度控制系统，对于温度的有效控制，不仅可以节省资源而且还可以保证农作物有良好的生长环境，可以有效提高农作物产量。在人们的日常生活中，人们也可以利用温度控制系统去控制洗澡水的温度等，
2、以此来方便人们的生活。随着电子技术的发展和人们生活质量的提高，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化。现代社会中，随着科学技术的进步，温度检测和控制迅速发展，温度控制将更好的服务于社会。目前，单片机控制器用于从生活工具到工业应用的各个领域。国内外温度控制系统也发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。目前社会上温度控制大多采用智能调节器，国产调节器分辨率和精度较低，温度控制效果不是很理想，但价格便宜，国外调节器分辨率和精度较高，价格较贵。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表并在各行业广泛应用。从市场角度看
3、，如果我国的大中型企业将温度控制系统引入生产，可以降低消耗，控制成本，从而提高生产效率。嵌入式温度控制系统符合国家提出的“节能减排”的要求，符合国家经济发展政策，具有十分广阔的市场前景。现今，应用比较成熟的如电力脱硫设备中，主控制器在主蒸汽温度控制系统中的应用，已经达到了世界前进水平。如今，在微电子行业中。温度控制系统也越来越重要，如单晶炉、神经网络系统的控制。因此。温度控制系统经济前景非常广泛，我国的高新精尖行业研究其应用的意义更是更加重大。2 国内外研究现状温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着
4、较大差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的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。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在
5、各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：一是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；二是能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制；三是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；四是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛；五是温控器普遍具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化；六是具有控制精度高、抗干扰力强的特点。国际上新型温度传感
6、器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。传统的温度传感器有热电偶、铂电阻热敏电阻等，虽然它们有各自的优点，但是他们需要后续处理电路，而且由于自身的热效应会影响测量精度，可靠性较差，与之相比本设计采用的DS18B20作为测温传感器它具有体积小，一线总线的数字传输方式，可直接向单片机传输数字信号，简化了数据传输与处理过程，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，在一10一+85。C范围内，测量精度为05。C。3 PID控制算法原理3.1 PID控制系统简介PID控制系统如图31所示，D(s)完成PID控制规律，称为PID控制器。PID控制器是一种线性控制器，用输出
7、量y(t)和给定量r(I)之间的误差的时间函数e(t)=r(t)-y(t)的比例、积分和微分的线性组合构成控制量u(t)，称为比例(Proponional)、积分(Integrating)、微分(Differentiation)控制，简称PID控制。图31PID控制组合了比例控制、积分控制和微分控制这3种基本控制规律。通过改变调节器参数来实现控制。其基本输入输出关系为：实际应用中可以根据受控对象的特性和控制的性能要求，灵活采用比例(P)控制器、比例+积分(PI)控制器、比例+积分+微分(PID)控制器3种不同控制组合。3.2 PID参数控制效果分析PID控制的3基本参数为Kp、Ki、Kd。，这
8、3项参数的实际控制作用为：比例调节参数(Kp)按比例反映系统的偏差。增大Kp，系统的反应变灵敏、速度加快、稳态误差减小，但振荡次数也会加多、调节时间加长。在该反馈环中。该值主要影响速度。积分调节参数(Ki)消除系统静态(稳态)误差，提高系统的控制精度。积分调节会使系统的稳定性下降，动态响应变慢。超调加大。积分控制一般不单独作用，而是与P或者PD结合作用。微分调节参数(Kd)反映系统偏差信号的变化率，可以预见偏差的变化趋势，产生超前控制作用。因此，微分控制可以提高系统的动态跟踪性能。减小超调量，但对噪声干扰有放大作用。过强的微分调节会使系统剧烈震荡，对抗干扰不利。常规的PID控制系统中减少超调和
9、提高控制精度难以两全其美。主要是积分作用有缺陷造成的。如果减少积分作用，静差不易消除，有扰动时，消除误差速度变慢；而加强积分作用时又难以避免超调，这也是常规PID控制中经常遇到的难题。所以在该系统中，对积分参数做了分段处理，已达到理想的效果。选择制冷或制热后。设定指定温度值；将温度采集的数据接收进来，与设定温度值比较。将差值经过PID算法后计算出进行功率控制的占空比，从而调节温度嘲。其中，PWM波由AVR单片机的定时器产生。在该模式下，寄存器用于控制PWM波频率，其他任意一个寄存器控制占空比，控制灵活，相当方便。控制积分调节参数时，对其采取分段积分PID算法，控制系统超调量。4 主要研究内容本
10、课题的研究内容是基于单片机的水温控制系统的设计。主要是采用单片机实现对水箱温度的显示、控制和报警等功能。4.1设计要求：1.熟悉控制系统的原理和单片机的相关基础知识；2.能够连续测量水的温度值，并能显示水的实际温度等；3.能够设定水的温度范围；4.能够实现水温的自动控制； 5.采用单片机控制，通过按键能控制水温的设定值。4.2设计思路：根据设计要求，该温度控制系统可分为6个模块（如图1） 图41温度采集模块：通过温度传感器来测量水温，并将采集后的信号进行放大、A/D转换传送给主控模块。主控模块：接收温度采集模块传来的信号，进行数据处理和逻辑判断，把处理后的结果输出给液晶显示模块、声光提示模块和
11、加热模块。按键输入模块：通过扫描按键来控制系统的“启动/停止”、“设定”、“加”、“减”等；声光提示模块：当水温达到设定值或超出设定值时出现红灯提示并声音报警，在水箱加热过程中，绿灯提示；液晶显示模块：显示当前水温和水温设定值；加热/制冷模块：给水箱加热/制冷；5 方案论证及选择5.1主控模块方案一：采用8031芯片，其内部没有程序存储器，需要进行外部扩展，这给电路增加了复杂度。方案二：采用 Freescale16MC9S12XS128单片机：虽然功能强大，运算速度快，资源丰富，但是价格昂贵，性价比较低。方案三：MEGA16AVR单片机：高可靠性、作用强、高速度、低功耗和低价位，内部资源丰富，
12、一般都集成AD、DA模数器、PWM、丰富的中断源等，完全可以实现对系统的控制。综上采用方案三。5.2温度采集模块方案一：采用热敏电阻，可满足35-95的测量范围，但热敏电阻精度低、重复性和可靠性都比较差，对于检测精度小于1的温度信号是不适用的。方案二：采用铂电阻温度传感器，虽然精度较高，但是调节复杂，如果调节不精确，影响精度。另外，使用铂电阻温度传感器，需要进行放大和A/D转换，增加了系统的复杂性。方案三：采用单线数字温度传感器DS18B20，可直接输出数字量，单线器件和单片机的接口只需一根信号线，硬件电路十分简单，容易实现。由于DS1820 正常使用的测温分辨率为0.50C，故采取直接读取D
13、S1820 内部暂存寄存器的方法，是一个较好的选择。综上选择方案三。5.3按键输入模块方案一：使用带有触屏功能的彩屏显示键盘，虽然操作灵活，但是价格昂贵，性价比较低方案二：键盘选用常用的44扫描键盘，选择了5个按键，分别用作“启动”、“停止”、“设定值加”、“设定值减”、“确定”。在显示方面，选用了常用的12864液晶显示模块。通过相应的软件编程，可以实现显示。综上选择方案二。5.4温度显示模块方案一：采用数码管显示，虽然数码管价格低廉，但是显示内容单一，外围驱动电路较复杂。方案二：使用1602液晶显示屏显示。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电、画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点，
14、可以显示设定温度和当前温度。综上选择方案二。5.5加热模块水温控制模块用来控制加热器件的导通与关闭，从而达到控制加热时间，控制水温的目的采用SSR固态继电器驱动电路控制。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。5.6声光提示模块当水温达到设定值或超出设定值时出现红灯提示并声音报警，在水箱加热过程中，绿灯提示。6 主要模块元器件的简介6.1 AVR单片机ATMEL公司的AVR是8位单片机中第一个真正的RISC结构的单片机
15、。它采用了大型快速存取寄存器组、快速的单周期指令系统以及单级流水线等先进技术，使得AVR单片机具有高达1MIPSMHz的高速运行处理能力。 AVR采用流水线技术，在前一条指令执行的时候，就取出现行的指令，然后以一个周期执行指令。大大提高了CPU的运行速度。而在其它的CISC以及类似的RISC结构的单片机中，外部振荡器的时钟被分频降低到传统的内部指令执行周期，这种分频最大达12倍（8051）。131条机器指令，且大多数指令的执行时间为单个系统时钟周期； 32个8位通用工作寄存器； 工作在16MHz时具有16MIPS的性能；配备只需要2个时钟周期的硬件乘法器；16K字节在线可编程（ISP）Flash程序存储器采用Boot Load技术支持IAP功能；1K字节的片内SRAM数据存储器，可实现3级锁定的程序加密； 512个字节片内在线可编程EEPROM数据存储器（寿命10万次）；可通过JTAG口对片内的Flash、EEPROM、配置熔丝位和锁定加密位实施下载编程；1个可编程的增强型全双工的，支持同步/异步通信的串行接口USART；1个可工作于主机/从机模式的SPI串行接口（支持ISP程序下载）；片内模拟比较器； 内含可编程的，具有独立片内振荡器的看门狗定时器WDT；2个带有分别独立、可设置预分频器的8位定时器/计数器；1个带有可设置预分频器、具有比较、捕
