水温控制系统设计总结.docx

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1、水温控制系统摘要：本系统以MSP430F149超低功耗MCU为关键,以DS18B20为温度传感器进行温度检测，采用电热棒进行加热。该控制系统可根据设定的温度，通过PID算法调整和控制PWM波的输出，控制电磁继电器的通断时间从而控制水温的自动调整。该系统重要包括MSP430F149单片机控制器模块、DS18B20测温模块、键盘模块、继电器控制模块及1CD12864液晶显示模块等构成。具有电路构造简朴、程序简短、系统可靠性高、操作简便等特点。关键词：MSP430DS18B20P1D算法PWM1CD12864目录一、任务及规定错误！未定义书签。1.1 设计任务错误！未定义书签。1.2 规定错误！未定

2、义书签。基本规定错误！未定义书签。发才车口B分错误I未定乂书签二、方案设计与论证错误！未定义书签。2.1 温度检测电路方案选择错误！未定义书签。2.2 显示电路的方案选择错误！未定义书签。2.3 加热和控制方案选择错误！未定义书签。2.4 控制算法选择与论证错误！未定义书签。三、系统硬件电路设计错误！未定义书签。3.1 系统构造框图错误！未定义书签。3.2 控制器模块错误！未定义书签。3.3 温度检测电路设计错误！未定义书签。3.4 加热控制电路设计错误！未定义书签。3.5 键盘及显示电路设计错误！未定义书签。3.6 电源电路设计错误！未定义书签。4.1 PID算法设计错误！未定义书签。4.2

3、 程序流程图错误！未定义书签。主程序框图错误！未定义书签。4.2.2 1CD12864程序流程图错误!未定义书签。4.2.3 PID程序流程图错误！未定义书签。4.2.4 DS18B20水温检测程序流程图错误！未定义书签。五、系统测试及分析错误！未定义书签。5.1 系统调试.C.错误！未定乂书签o控制模块的调试错误！未定义书签。5.1.2 温度检测模块错误！未定义书签。5.1.3 继电器的检测错误！未定义书签。5.2 力J果及析*错误！未定乂书签o测试仪器错误！未定义书签。测试措施错误！未定义书签。测试成果错误！未定义书签。六、设计总结错误！未定义书签。七、附录错误！未定义书签。附录1仪表器件

4、清单错误！未定义书签。附录2水温控制系统原理图错误！未定义书签。一、任务及规定1.1 设计任务该水温控制系统是一种经典的检测、控制型应用系统，它规定系统完毕从水温检测、信号处理、输入、运算输出控制加热装置以实现水温控制B全过程。本设计的任务与规定为计并制作一种水温控制系统，控制对象为I1净水，容器为水杯。水温可以在一定范围内可人工设定，并在环境温度减少时实现自动控制，以保持设定0温度基本不变。1.2 规定基本规定(1)温度设定范围：4090oc,最小辨别度为1。(2)环境温度减少时，控制精度：温度控制的静态误差(3)用1CD12864显示实际水温及设定欧I水温。1.2.2发挥部分(1)采用合适

5、控制措施，当设定温度突变时，减小系统的调整时间和超调量。(2)温度控制的静态误差W0.2Co(3)能自动显示水温随时间变化B曲线。二、方案设计与论证2.1 温度检测电路方案选择方案一：使用热敏电阻。通过阻值的变化来获得电压的变化，再做对应的转换得到温度值，虽然价格廉价但精度不高。对于精度规定高B系统不适宜采用。方案二：使用线性NTC温度传感器。它是一种线性温度一电压转换电路。在通过工作电路（IoOUA）的条件下，元件电压值随温度呈线性变化。测温范围在-200C+200C之间。这个温度值同样需要做对应转换，因此不以便。方案三：使用DS18B20温度传感器。内含AD转换器，且线路连接十分以便,无需

6、其他外加电路，直接输出数字量，可直接与单片机通信，读取测温数据，它可以到达0.5。C的固有辨别率，使用读取温度暂存器B措施还能到达0.2。C以上的精度，应用以便，这样的电路重要工作量集中到单片机软件编程上。方案论证与选择：选择方案三，采用DS18B20温度传感器。2.2 显示电路的方案选择方案一：使用数码管显示。通过数码管显示实际水温和设定温度。该方案程序简朴，但硬件占用单片机I/O口较多，并且只能显示数字和少数几种字母，不能显示汉子提醒功能，只能显示一行。方案二：使用1CDI602。1CD1602可显示温度及测量温度，但显示时1602只能显示两行，且只能显示字符和数字，不能显示中文及曲线。方

7、案二：使用1CD12864。1CDI2864可显示字母，数字及中文，且一次可以显示4行，显示直观，通过字幕模式、温度、曲线。该方窠程序较复杂，但显示图形代码较简朴且观测清晰，显示愈加明白。方案论证与选择：选择方案三，采用1CD12864o2.3 加热和控制方案选择方案一：使用电热炉进行加热。通过控制电炉的功率即可控制加热速度，当水温过高时，关掉电炉即可，但使用电炉成本高，且精度不易控制。方案二：使用可控硅控制加热器的工作。可控硅是一种半控器件，通过控制导通角的方式来控制，对每个周期的交流电进行控制，由于导通角持续可调，故控制精度高，但控制不妥易导致电磁干扰需加对应防护措施，且费用较高。方案三：

8、使用固态继电器。通过控制继电器通断来控制加热器工作，固态继电器使用非常简朴，并且无触点，无需外加光耦，自身可实现电气隔离，还可频繁动作。该方案实行较简朴且价格廉价。方案论证与选择：选择方案三，采用固态继电器。2.4 控制算法选择与论证方案一：通过软件来调整占空比。根据实时水温值来调整温度，由于水温值变换快，且惯性大。通过软件控制不仅需要大量的代码且控制精度会受到影响。方案二：通过采用PWM控制加PID算法，通过采用PWM可以产生一种矩形波，且矩形波占空比是通过PID算法调整，P1D算法会不停时获取目前温度值,通过设定好B参数进行比较和调整，从而实时调整加热棒日勺功率进而控制温度变化。方案论证与

9、选择：选择方案二，采用PWM控制加P1D算法。三、系统硬件电路设计3.1 系统构造框图(r执I1由涮潟橙地加热控制Ir17RAJ7TMSP430F149键赤槿块3.2 控制器模块本设计采用T1企业16位超低功耗混合信号处理器MSP430F149作为控制器。控制器通过与DS18B20的一条连接线来发送或接受信息从而控制加热控制模块,实现对水温的自动调整。同步，通过按键设定并调整温度并在1CD上显示实时水温和设定的温度值。当实际水温与所设定温度值在W1C时，加热停止，散热停XJUHXJ&5KTURrXKIEI7-CuEr2S06.-9-KP63.tA5P6.4.A4P6.5A5P67,A7Vgf*

10、nrrc4I.X22pF22pFY1T132168K止，当实际水温高于设定温度时，散热启动。如图3.2-1所示。图3.2-1控制器模块3.3 温度检测电路设计温度检测电路采用DS18B20数字式温度传感器，无需外部元件可用数据总线供电，供电范围为3.0V5.5V,无需备用电源测量温度范围为-55C+125C0最小辨别率为0.0625CoDS18B20温度传感器只有三根外引线：单线数据传播总线端口DQ,外供电源线VDD,共用地线GND。外部供电方式（VDD接+5V,且数据传播总线接4.7k的上拉电阻），其接口电路如图3.3-1所示。图3.3-1温度检测电路3.4 加热控制电路设计本设计采用固态继

11、电器控制加热棒。通过三极管与继电器的连接来控制加热棒的J通断。加热控制电路如图3.4-1所示。图3.4-1加热模块3.5 键盘及显示电路设计键盘采用4x1独立键盘，通过1CD12864液晶模块显示实时温度值和按键设定0温度值,其电路如图3.5-1,3.5-2所示。图3.5-1独立键盘图3.5-21CD128643.6 电源电路设计该系统由5V直流电源供电，经AMS1117稳压器转换为MSP430单片机可用供电设计电路的3.3V。由220V交流电源为风扇及加热棒供电，使整个水温控制系统可以正常运行。其电路图如3.6-1所示。图361供电电路四、软件设计系统软件设计采用C语言，对MSP430单片机

12、进行编程实现各项功能。程序在Windows环境下采用IAREmbeddedWorkbench软件编写，可对测温模块、加热模块、键盘模块及显示模块等进行有效控制。4.1PID算法设计（I）PID工作原理：由于来自外界的多种干扰不停产生，要想到达现场控制对象值保持恒定的目B,控制作用就必须不停地进行。若扰动出现使得现场控制对象值发生变化，现场检测元件就会将这种变化采集后经变送器送至PID控制器的输入端，并与其给定值（如下简称SP值）进行比较得到偏差值（如下简称e值），调整器按此偏差并以预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去变化调整器的开度，使调整器开度增长或减少，从而使现场控制对象值发生变化，

13、并趋向于给定值（SP值），以到达控制目、J,如图4.1-1所示。PID的实质就是对偏差（e值）进行比例（P）、积分（I）、微分运算（D）,根据运算成果控制执行部件的过程。但并不是必须同步具有这三种算法，也可以是PD,P1,甚至只有P算法控制，将目前成果反馈回来，在与目的相减，为正的话，就减速，为负的话，就加速。（2）比例（P）、积分（I）、微分（D）控制算法各有作用：比例，反应系统的J基本偏差e（t）,系数大，可以加紧调整，减小误差，但过大啊比例使系统稳定性下降，甚至导致系统不稳定；积分，反应系统的累积偏差e(t)=e(t)+e(t1)+e(t2).e(1),使系统消除稳态误差，提高无差度，由

14、于有误差，积分调整一直进行直至无误差；微分，反应系统偏差信号的变化率e-e(t-1),具有预见性，能预见偏差变化B趋势，产生超前B控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调整作用消除，因此可以改善系统的动态性能。不过微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统干扰不利。积分与微分不能单独起作用，必须与比例控制配合。图4.1-1PID控制系统原理图(3)PID算法体现式：P(t)=Kpe(t)+*Ce(t)dt+7整式中：r(t)调整器输入信号(给定值)；c(t)调整器/、J输出信号(测量值)；e(t)调整器日勺偏差信号，它等于测量值与给定值之差;Kp调整器的比例系数；Ti调整器B积分时间；Td调整器日勺微分时间。P1D调整器的离散化体现式为：P(k)=Kpe(k)KiTe(k)ye(k)-e(k-1)其增量体现式为：P(k)=P(k)-P(k-1)=Kpe(k)-e(k-1)+KiTe(k)ye(k)-2e(k-1)+e(k-2)其中T为采样周期。4.2程序流程图主程序框图:寺Fv4z/古调用DS18B20温调用PID程序12864显木目刖温度图421主程序流程图4.2.21CD12864程序流程图日