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1課題來源及研究的目的和意義 溫度是工業(yè)控制中的主要被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，溫度控制系統(tǒng)不僅可以廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)中，而且還和人們的日常生活息息相關(guān)，在工業(yè)中，電站鍋爐和供熱鍋爐大量存在，且大多數(shù)鍋爐處于能耗高、浪費大和環(huán)境污染等生產(chǎn)狀態(tài)，采用溫度控制系統(tǒng)就能提高熱效率和降低能耗、保護環(huán)境。在農(nóng)業(yè)上，溫室大棚采用溫度控制系統(tǒng)，對于溫度的有效控制，不僅可以節(jié)省資源而且還可以保證農(nóng)作物有良好的生長環(huán)境，可以有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量。在人們的日常生活中，人們也可以利用溫度控制系統(tǒng)去控制洗澡水的溫度等，以此來方便人們的生活。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生活帶來了根本性的變化。現(xiàn)代社會中，隨著科學技術(shù)的進步，溫度檢測和控制迅速發(fā)展，溫度控制將更好的服務于社會。目前，單片機控制器用于從生活工具到工業(yè)應用的各個領(lǐng)域。 國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)也發(fā)展迅速，并在智能化、自適應、參數(shù)自整定等方面取得成果。目前社會上溫度控制大多采用智能調(diào)節(jié)器，國產(chǎn)調(diào)節(jié)器分辨率和精度較低，溫度控制效果不是很理想，但價格便宜，國外調(diào)節(jié)器分辨率和精度較高，價格較貴。日本、美國、德國、瑞典等技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表．并在各行業(yè)廣泛應用。 從市場角度看，如果我國的大中型企業(yè)將溫度控制系統(tǒng)引入生產(chǎn)，可以降低消耗，控制成本，從而提高生產(chǎn)效率。嵌入式溫度控制系統(tǒng)符合國家提出的“節(jié)能減排”的要求，符合國家經(jīng)濟發(fā)展政策，具有十分廣闊的市場前景?，F(xiàn)今，應用比較成熟的如電力脫硫設備中，主控制器在主蒸汽溫度控制系統(tǒng)中的應用，已經(jīng)達到了世界前進水平。如今，在微電子行業(yè)中。溫度控制系統(tǒng)也越來越重要，如單晶爐、神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)的控制。因此。溫度控制系統(tǒng)經(jīng)濟前景非常廣泛，我國的高新精尖行業(yè)研究其應用的意義更是更加重大。 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比有著較大差距。目前，我國在這方面總體技術(shù)水平處于20世紀80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主。它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國外技術(shù)保密及我國開發(fā)工作的滯后，還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗及現(xiàn)場調(diào)試確定。國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應、參數(shù)自整定等方面取得成果。日本、美國、德國、瑞典等技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應用。它們主要具有如下的特點：一是適應于大慣性、大滯后等復雜溫度控制系統(tǒng)的控制；二是能夠適應于受控系統(tǒng)數(shù)學模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制；三是能夠適應于受控系統(tǒng)過程復雜、參數(shù)時變的溫度控制系統(tǒng)的控制；四是溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計算機技術(shù)，運用先進的算法，適應的范圍廣泛；五是溫控器普遍具有參數(shù)自整定功能。借助計算機軟件技術(shù)，溫控器具有對控制對象控制參數(shù)及特性進行自動整定的功能。有的還具有自學習功能，能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗及控制對象的變化情況，自動調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化；六是具有控制精度高、抗干擾力強的特點。 國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的溫度傳感器有熱電偶、鉑電阻熱敏電阻等，雖然它們有各自的優(yōu)點，但是他們需要后續(xù)處理電路，而且由于自身的熱效應會影響測量精度，可靠性較差，與之相比本設計采用的DS18B20作為測溫傳感器它具有體積小，一線總線的數(shù)字傳輸方式，可直接向單片機傳輸數(shù)字信號，簡化了數(shù)據(jù)傳輸與處理過程，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，在一10一+85。C范圍內(nèi)，測量精度為0．5。C。 3 PID控制算法原理 3.1 PID控制系統(tǒng)簡介 PID控制系統(tǒng)如圖3—1所示，D(s)完成PID控制規(guī)律，稱為PID控制器。PID控制器是一種線性控制器，用輸出量y(t)和給定量r(I)之間的誤差的時間函數(shù)e(t)=r(t)-y(t)的比例、積分和微分的線性組合構(gòu)成控制量u(t)，稱為比例(Proponional)、積分(Integrating)、微分(Differentiation)控制，簡稱PID控制。 圖3—1 PID控制組合了比例控制、積分控制和微分控制這3種基本控制規(guī)律。通過改變調(diào)節(jié)器參數(shù)來實現(xiàn)控制。其基本輸入輸出關(guān)系為： 實際應用中．可以根據(jù)受控對象的特性和控制的性能要求，靈活采用比例(P)控制器、比例+積分(PI)控制器、比例+積分+微分(PID)控制器3種不同控制組合。 3.2 PID參數(shù)控制效果分析 PID控制的3基本參數(shù)為Kp、Ki、Kd。，這3項參數(shù)的實際控制作用為： 比例調(diào)節(jié)參數(shù)(Kp)按比例反映系統(tǒng)的偏差。增大Kp，系統(tǒng)的反應變靈敏、速度加快、穩(wěn)態(tài)誤差減小，但振蕩次數(shù)也會加多、調(diào)節(jié)時間加長。在該反饋環(huán)中。該值主要影響速度。 積分調(diào)節(jié)參數(shù)(Ki)消除系統(tǒng)靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。積分調(diào)節(jié)會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。超調(diào)加大。積分控制一般不單獨作用，而是與P或者PD結(jié)合作用。 微分調(diào)節(jié)參數(shù)(Kd)反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，可以預見偏差的變化趨勢，產(chǎn)生超前控制作用。因此，微分控制可以提高系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤性能。減小超調(diào)量，但對噪聲干擾有放大作用。過強的微分調(diào)節(jié)會使系統(tǒng)劇烈震蕩，對抗干擾不利。 常規(guī)的PID控制系統(tǒng)中．減少超調(diào)和提高控制精度難以兩全其美。主要是積分作用有缺陷造成的。如果減少積分作用，靜差不易消除，有擾動時，消除誤差速度變慢；而加強積分作用時又難以避免超調(diào)，這也是常規(guī)PID控制中經(jīng)常遇到的難題。所以在該系統(tǒng)中，對積分參數(shù)做了分段處理，已達到理想的效果。 選擇制冷或制熱后。設定指定溫度值；將溫度采集的數(shù)據(jù)接收進來，與設定溫度值比較。將差值經(jīng)過PID算法后計算出進行功率控制的占空比，從而調(diào)節(jié)溫度嘲。其中，PWM波由AVR單片機的定時器產(chǎn)生。在該模式下，寄存器用于控制PWM波頻率，其他任意一個寄存器控制占空比，控制靈活，相當方便?？刂品e分調(diào)節(jié)參數(shù)時，對其采取分段積分PID算法，控制系統(tǒng)超調(diào)量。 4 主要研究內(nèi)容 本課題的研究內(nèi)容是基于單片機的水溫控制系統(tǒng)的設計。主要是采用單片機實現(xiàn)對水箱溫度的顯示、控制和報警等功能。 4.1設計要求： 1.熟悉控制系統(tǒng)的原理和單片機的相關(guān)基礎(chǔ)知識； 2.能夠連續(xù)測量水的溫度值，并能顯示水的實際溫度等； 3.能夠設定水的溫度范圍； 4.能夠?qū)崿F(xiàn)水溫的自動控制； 5.采用單片機控制，通過按鍵能控制水溫的設定值。 4.2設計思路： 根據(jù)設計要求，該溫度控制系統(tǒng)可分為6個模塊（如圖—1） 圖4—1 溫度采集模塊：通過溫度傳感器來測量水溫，并將采集后的信號進行放大、A/D轉(zhuǎn)換傳送給主控模塊。 主控模塊：接收溫度采集模塊傳來的信號，進行數(shù)據(jù)處理和邏輯判斷，把處理后的結(jié)果輸出給液晶顯示模塊、聲光提示模塊和加熱模塊。 按鍵輸入模塊：通過掃描按鍵來控制系統(tǒng)的“啟動/停止”、“設定”、“加”、“減”等； 聲光提示模塊：當水溫達到設定值或超出設定值時出現(xiàn)紅燈提示并聲音報警，在水箱加熱過程中，綠燈提示； 液晶顯示模塊：顯示當前水溫和水溫設定值； 加熱/制冷模塊：給水箱加熱/制冷； 5 方案論證及選擇 5.1主控模塊 方案一：采用8031芯片，其內(nèi)部沒有程序存儲器，需要進行外部擴展，這給電路增加了復雜度。 方案二：采用 Freescale16MC9S12XS128單片機：雖然功能強大，運算速度快，資源豐富，但是價格昂貴，性價比較低。 方案三：MEGA16AVR單片機：高可靠性、作用強、高速度、低功耗和低價位，內(nèi)部資源豐富，一般都集成AD、DA模數(shù)器、PWM、豐富的中斷源等，完全可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。 綜上采用方案三。 5.2溫度采集模塊 方案一：采用熱敏電阻，可滿足35℃--95℃的測量范圍，但熱敏電阻精度低、重復性和可靠性都比較差，對于檢測精度小于1℃的溫度信號是不適用的。 方案二：采用鉑電阻溫度傳感器，雖然精度較高，但是調(diào)節(jié)復雜，如果調(diào)節(jié)不精確，影響精度。另外，使用鉑電阻溫度傳感器，需要進行放大和A/D轉(zhuǎn)換，增加了系統(tǒng)的復雜性。 方案三：采用單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，可直接輸出數(shù)字量，單線器件和單片機的接口只需一根信號線，硬件電路十分簡單，容易實現(xiàn)。由于DS1820 正常使用的測溫分辨率為0.50C，故采取直接讀取DS1820 內(nèi)部暫存寄存器的方法，是一個較好的選擇。 綜上選擇方案三。 5.3按鍵輸入模塊 方案一：使用帶有觸屏功能的彩屏顯示鍵盤，雖然操作靈活，但是價格昂貴，性價比較低 方案二：鍵盤選用常用的44掃描鍵盤，選擇了5個按鍵，分別用作“啟動”、“停止”、“設定值加”、“設定值減”、“確定”。在顯示方面，選用了常用的12864液晶顯示模塊。通過相應的軟件編程，可以實現(xiàn)顯示。 綜上選擇方案二。 5.4溫度顯示模塊 方案一：采用數(shù)碼管顯示，雖然數(shù)碼管價格低廉，但是顯示內(nèi)容單一，外圍驅(qū)動電路較復雜。 方案二：使用1602液晶顯示屏顯示。液晶顯示屏（LCD）具有輕薄短小、低耗電、畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強等特點，可以顯示設定溫度和當前溫度。 綜上選擇方案二。 5.5加熱模塊 水溫控制模塊用來控制加熱器件的導通與關(guān)閉，從而達到控制加熱時間，控制水溫的目的 采用SSR固態(tài)繼電器驅(qū)動電路控制。繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。 5.6聲光提示模塊 當水溫達到設定值或超出設定值時出現(xiàn)紅燈提示并聲音報警，在水箱加熱過程中，綠燈提示。 6 主要模塊元器件的簡介 6.1 AVR單片機 ATMEL公司的AVR是8位單片機中第一個真正的RISC結(jié)構(gòu)的單片機。它采用了大型快速存取寄存器組、快速的單周期指令系統(tǒng)以及單級流水線等先進技術(shù)，使得AVR單片機具有高達1MIPS／MHz的高速運行處理能力。 AVR采用流水線技術(shù)，在前一條指令執(zhí)行的時候，就取出現(xiàn)行的指令，然后以一個周期執(zhí)行指令。大大提高了CPU的運行速度。而在其它的CISC以及類似的RISC結(jié)構(gòu)的單片機中，外部振蕩器的時鐘被分頻降低到傳統(tǒng)的內(nèi)部指令執(zhí)行周期，這種分頻最大達12倍（8051）。 131條機器指令，且大多數(shù)指令的執(zhí)行時間為單個系統(tǒng)時鐘周期； 32個8位通用工作寄存器； 工作在16MHz時具有16MIPS的性能；配備只需要2個時鐘周期的硬件乘法器；16K字節(jié)在線可編程（ISP）Flash程序存儲器采用Boot Load技術(shù)支持IAP功能；1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲器，可實現(xiàn)3級鎖定的程序加密； 512個字節(jié)片內(nèi)在線可編程EEPROM數(shù)據(jù)存儲器（壽命>10萬次）；可通過JTAG口對片內(nèi)的Flash、EEPROM、配置熔絲位和鎖定加密位實施下載編程；1個可編程的增強型全雙工的，支持同步/異步通信的串行接口USART；1個可工作于主機/從機模式的SPI串行接口（支持ISP程序下載）；片內(nèi)模擬比較器； 內(nèi)含可編程的，具有獨立片內(nèi)振蕩器的看門狗定時器WDT；2個帶有分別獨立、可設置預分頻器的8位定時器/計數(shù)器；1個帶有可設置預分頻器、具有比較、捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器； 片內(nèi)含獨立振蕩器的實時時鐘RTC；4路PWM通道；8路10位ADC；面向字節(jié)的兩線接口TWI（兼容I2C硬件接口）；片內(nèi)含上電復位電路以及可編程的掉電檢測復位電路BOD；片內(nèi)含有1M/2M/4M/8M，經(jīng)過標定的、可校正的RC振蕩器，可作為系統(tǒng)時鐘使用；多達21個各種類型的內(nèi)外部中斷源； 有6種休眠模式支持省電方式工作。 6.2 1602液晶 1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。 1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 市面上字符液晶大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應用于市面上大部分的字符型液晶。 6.3 DS18B20 DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據(jù)應用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。 獨特的一線接口，只需要一條口線通信 多點能力，簡化了分布式溫度傳感應用，無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0 V至5.5 V，無需備用電源，測量溫度范圍為-55 C至+125 ℃ 。華氏相當于是-67 F到257華氏度 -10 C至+85 C范圍內(nèi)精度為0.5 C。溫度傳感器可編程的分辨率為9~12位，溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式最大值為750毫秒。 7 畢業(yè)設計(論文)工作進度安排 第一學期：8周開始 查閱文獻資料、翻譯外文資料、制定總體方案并對方案進行論證， 完成開題報告。 第二學期： 第1~2周：完成總體方案設計，畢業(yè)實習及開題答辯； 第3~4 周：完成各單元模塊設計方案并建立模型； 第5~11周：進行各個模塊的軟件編程及整體電路的調(diào)試； 第12~14周：匯總數(shù)據(jù)，撰寫論文，作答辯準備。 參考文獻 [1]李全利.單片機原理與應用[M].清華大學出版社，2006.2. 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