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1、 . . . 作品名称基于PID控制的电热恒温水壶作者所在学校填表时间 / 摘要 在能源日益紧的今天，电热水器，饮水机和电饭煲之类的家用电器在保温时，由于其简单的温控系统，利用温敏电阻来实现温控，因而会造成很大的能源浪费。 但是利用AT89C51 单片机为核心，配合温度传感器，信号处理电路，显示电路， 输出控制电路，故障报警电路等组成的控制系统却能解决这个问题。单片机可将温度传感器检测到的水温模拟量转换成数字量，并显示于 1602显示器上。该系统具有灵活性强，易于操作，可靠性高等优点，将会有更广阔的开发前景。AbstractThe growing tension in the energy t
2、oday, electric water heaters, drinking fountains and home appliances like rice cookers in the insulation, due to its simple temperature control system, the use of thermo-sensitive resistors to achieve temperature control, which may cause great waste of energy . However, the use of AT89C51 single-chi
3、p microcomputer as the core, with the temperature sensor, signal processing circuit, display circuit, the output control circuit, fault alarm circuitry and other components of the control system can solve this problem. Single-chip temperature sensor can detect temperature analog to digital volume, a
4、nd display monitors in 1602. The system has flexibility, easy operation, high reliability, there will be a broader development prospects.电热恒温系统概述 能源问题已经是当前最为热门的话题，离开能源的日子，世界将失去一切颜色，人们将寸步难行，我们知道虽然电能是可再生能源，但是在今天还是有很多的电能是依靠火力，核电等一系列不可再生的自然资源所产生，一旦这些自然资源耗尽，我们将面临电能资源的巨大的缺口，因而本设计从开源节流的角度出发，节省电能，保护环境。本设计任务
5、和主要容 设计并制作一个电热恒温系统控制系统，控制对象为 1 升净水，容器为搪瓷或塑料器皿。水温可以在一定围由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。 本设计主要容如下： 1.基本要求： 用电热器加热水壶中的水，使用单片机检测壶温度，使温度恒温于80度，持续10分钟以上。2.发挥部分：（1）温度设定围为：室温4090，最小区分度为 1，标定温度1。 （2）环境温度降低时温度控制的静态误差1。 （3）用1602液晶显示水的实际温度。 （4 ）采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40提高到60）时，减小系统的调节时间和超调量。 （5）温度控制的静态误差0.5。1 系
6、统方案1.1 温度传感器的选取 目前市场上温度传感器较多，主要有以下几种方案： 方案一：选用铂电阻温度传感器。此类温度传感器线性度、稳定性等方面性能都很好,但其成本较高。 方案二：采用热敏电阻。选用此类元器件有价格便宜的优点，但由于热敏电阻的非线性特性会影响系统的精度。 方案三：采用DS18B20温度传感器。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式；温度测量围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出远端引入。此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方
7、面特性都满足此系统的设计要求。 比较以上三种方案，方案三具有明显的优点，因此选用方案三。1.2键盘显示部分 控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，所以此部分电路设计的好坏直接影响到电路的好坏。 方案一：采用可编程控制器8279与数码管与地址译码器74LS138组成，可编程/显示器件8279实现对按键的扫描、消除抖动、提供LED的显示信号，并对LED显示控制。用8279和键盘组成的人机控制平台，能够方便的进行控制单片机的输出。方案二：采用单片机AT89C52与4X4矩阵组成控制和扫描系统，并用89C52的P1口对键盘进行扫描，并用总线的方式在P0口接1602液晶来显示水温和设定值，这种
8、方案既能很好的控制键盘与显示，又为主单片机大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，价格便宜的特点。 对比两种方案可知，方案一虽然也能很好的实现电路的要求，但考虑到电路设计的成本和电路整体的性能，我们采用方案二。 1.3控制电路部分方案一：采用8031芯片，其部没有程序存储器，需要进行外部扩展，这给电路增加了复杂度。方案二：采用2051芯片，其部有2KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器。但由于系统用到较多的I/O口，因此此芯片资源不够用。 方案三：采用AT89C52单片机，其部有4KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器，而且它的I/O口也足够本次设计的要求。比较这三种方案，综合考
9、虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用方案三。 1.4 PID过程控制部分：过程控制的基本概念过程控制对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。一、 模拟控制系统 图5-1-1 基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。 控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。二、 微机过程控制系统 图5-1-2 微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器。控制规律的实现，是通过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程序即可。三、 数字控制系统
10、DDC 图5-1-3 DDC系统构成框图DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律(算法)进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求。由于计算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制。DDC系统也是计算机在工业应用中最普遍的一种形式。模拟PID控制系统组成 图514 模拟PID控制系统原理框图PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行
11、控制。 1、PID调节器的微分方程 式中 2、PID调节器的传输函数 PID调节器各校正环节的作用1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。 数字PID控制器一、模拟PID控制规律的离散化模拟形式离散化形式二、数字PID控制器的差分方程式中 称为比例项
12、称为积分项 称为微分项2 总体方案原理的理论分析2.1系统模块分为：DS18B20模块，1602液晶显示模块，继电器模块，键盘输入模块和声光报警模块，DS18B20可以被编程，所以箭头是双向的，CPU（89C52）首先写入命令给DS18B20，然后DS18B20开始转换数据，转换后通89C52来处理数据。数据处理后的结果就显示到1602液晶上。2.2系统模块总关系图本系统的执行方法是循环查询执行的，键盘扫描也是用循环查询的办法，由于本系统对实时性要求不是很高，所以没有用到中断方式来处理。3 电路与程序设计 1继电器模块下图是一个蜂鸣器和一个继电器的图，我们只用到了继电器的图，继电器和单片机的P
13、1.3口进行通讯。2.液晶显示模块下图是1602液晶显示模块的图，按照总线接法来连接，1602数据口接单片机的P0口。3.89C51单片机最小系统模块89C51单片机最小系统模块如下，P0口接10K的上拉电阻以便与显示模块通讯。4.键盘和DS18B20模块 键盘和DS18B20模块如下，采用4X4矩阵键盘接单片机P1口，DS18B20模块对水温进行采样，并与单片机通讯来实现对水温的控制。4.软件设计说明本系统采用的是循环查询方式，来显示和控制温度的。4.1总程序流程图如下4.2中断函数流程图如下： 4.3主要C程序（1）主函数如下：#include #include #includeKEYSC
14、AN.H#includeDS18B20.H#includeXIANSHI.H#includePID.Hvoid PIDBEGIN(void); / PID参数初始化/ void main() unsigned char key1=0,i,k; unsigned int tmp; unsigned char shu3=13,13,0; unsigned char counter=0; PIDBEGIN(); while(1) if(counter- = 0)tmp = ReadTemperature(); counter = 20; view(tmp); /温度显示；compare_temper(); （2） PID算法温度控制程序#ifndef _PID_H_#define _PID_H_#include #include #include struct PID unsigned int SetPoint; / 设定目标 Desired Value unsigned int Proportion; / 比例常数 Proportional Const unsigned int Integ
