水温控制体例

2020-11-01 05:33  来自: 本站 作者:原创 浏览次数:

  水温操纵系统_电子/电叙_工程科技_专业资料。水温把握体例 纲要 该水温控制编制以 K60 单片机为中央左右核心, 主要包蕴温度传感模块, 单片机编 程模块, 清爽模块, 零丁按键驾御模块等部分组成。 温度信号由温度传感器 DS18B20 搜聚

  水温驾驭体例 纲目 该水温支配体例以 K60 单片机为中央支配中央, 首要包罗温度传感模块, 单片机编 程模块, 表露模块•, 孤单按键独揽模块等私人组成。 温度暗记由温度传感器 DS18B20 收罗, 。 水温掌握拔取 PID 算法联络固态继电器来左右输出信号的占空最近调剂加热器的加热功率 来举行温度的调节,况且投入孤单按键模块,历程单独按键的按键输入扩充体例的功效••, 弥补编制的强健性。明白个别由•“人机交互界面”的 OLED 彩屏明晰,填补可读性。该系 统完全较高的衡量精度和控制壮健度,或许很好的告竣假想条目。 症结字:K60 单片机•,DS18B20,水温控制,固态继电器,PID 1 1、 设计论证和比较 1.1 总体系统铺排的论证 安置一:这一个策画采用的是步武掌管措施(铺排框图如图 1 所示),领受模仿电路, 操纵电位器设定固定值,再经过热传感器来搜求温度消息转换成记号与给定的温度值用比 较器进行比照后,再决议是否加热。改计划的优点是电途较为简陋,方便达成,可是其缺 点是:衡量精度不高,并且不能完毕庞杂的支配算法,而且不便利告终对体例的独揽和温 度的明晰,其人机交互性差。 图 1 模拟掌握布置框图 铺排二:该筹划采取的是以单片机为掌管焦点,应用温度传感器收集温度消休(预备 框图如图 2 所示) 。况且也许经由单片机的可编程性完了紊乱的支配算法以及多样化的功 能, 好比可以告终明确•、 键盘设定等成效, 大大的进步了人机交互性以及体例的智能化性。 是以颠末与第一种谋划比照后,决议选取第二种计划。 2 图 2 单片机左右计算框图 1.2 单片机型号的论证与对比 (1)STC89C51 单片机其性价比高,功能多,抗干扰才智强,兼容性好•,但其缺陷:其 全班人高等应努力能例如 A/D 模块必要过程外部硬件电路进行伸张, 填补了软件和硬件的有劲。 (2)K60 单片机实基于 ARM 体系的单片机,其功用雄伟,资源广泛,与 51 单片机相 比其优势在于:1、自身内中开发了许多寄放器,内容和感动比 51 单片机超过很多级别。 2、其单片机功耗低、成本低,况且设置强健深奥。3••、是目下各大电子竞赛的热门单片机 型号。故此拔取了 K60 单片机。 1.3 温度传感器的论证与比较 (1)热敏电阻 选拔热敏电阻与基准电阻构成电桥电途。热敏电阻的衡量限度平素为-10~+300℃。利 用热敏电阻创造的电子温度计的精度可能达到 0.1℃,感温工夫小于 10s。纵然热敏电阻稳 定性和精度高。但由于热敏电阻咒骂线性元件会带来必定的体系错误,况且还需要 AD 转 换模块来转移记号,而这会增添软件和硬件的错乱度。 (2)DS18B20 热传感器 DS18B20 是一种智能型温度传感器,其温度丈量规模为•:-55℃~+125℃,在-10~ +85℃时精度为±0.5℃。它具有精度高,线性度好,且由于自身自带 AD 调动模块,因此 3 不妨直接将其直接贯串到单片机上,省去 AD 转换电路模块,其电途设想大意,所以采取 DS18B20 温度传感器。 1.4 温度操纵编制算法的论证与对照 (1)开闭量掌管,这种步伐过程比照给定值与被控参数的舛误来驾御输出的样式,开 通或关断,因此其掌握过程额外简单,便利告终,可是由于输出把握量只要两种状态•,使 得被控参数在两个方进步更正的快率均为最大•,因此方便引起反馈回途振荡,把握精度不 高,这种掌握准备泛泛在大惯性体系对驾驭精度和动态特质要求不高的情景下选拔。 (2)PID 支配,PID 驾御是一种比例积分加微分的独揽举措,其微分的影响使左右器的 输出与不对变动的快度成比例,它对克制方向的容量滞后有明白的功效,在比例基本上加 入微分沾染•,使平安性升高,再加上积分作用,可能消除余差;PID 驾御合用于负荷改变 大、容量滞后较大、掌管品格条件很高的操纵系统。 联络本次的联想职守与要求,阐明论证后决定选择 PID 驾御算法,来由 PID 的支配方 式或许最大边界的满意编制对操纵精度、调解功夫和超调量等驾御品德的条件。 1.5 键盘模块的论证与对比 (1)孤单式键盘:单独式键盘是指直接用 I/O 口线构成的单个按键电讲。每个孑立式按 键单独占领一根 I/O 口线,每根 I/O 口线的按键的事宜形状不会陶染此外 I/O 口线的事情 状态•。孤独式键盘电谈修筑强壮,软件结构简明••,不过每个按键必需占用一根 I/O 口线, 在按键较多时,I/O 口线奢侈较大。故在按键数量未几时•,常选取这种按键电叙。 (2)步队式键盘:军队式键盘又叫矩阵式键盘。用 I/O 口线组成行•、列布局,按键配置 老手列的交点上。比方用 2*2 的军队结构可构成 4 个键的键盘,4*4 的军队机关可构成 16 个键的键盘。因而,在按键数量较多时,或许俭朴 I/O 口线。 连合本次假想义务与条目,由于该水温体例只须要基础的开关以及升温效用,单独式 键盘可以餍足本体系的条件,是以决议采用孤独式键盘•。 2、 理论分析与打算 2.1 DS18B20 温度传感器衡量 在寻常情状下,DS1820 的测温分别率为 0.5℃•,如许的分辩率对待温度衡量精度略显 不足•。在对 DS1820 测温谈理进行留神剖判的基本上,也许采用读取 DS1820 内里暂存寄 4 存器,再进行数据处理的手腕,如许能够将 DS1820 的测温区别率由 0.5℃普及到 0•.1℃甚 至更高•。 来由该水温编制假想温度限制为 40~90℃,于是在实行单片机编程时,举行 PID 计算 时选拔无标志数,数据用双字节保存,高字节行动整数,低字节行动小数。结尾的算出的 温度数据还要转换为 10 位数据,送到 D/A 改观器实行处理,其中高 7 位为整数,低 3 位 为小数。而双字节了局则通过串行通信方式发送到上位机。 2.2 PID 驾御算法 2.2.1 PID 驾驭理论 PID 操纵体系如图 3 所示,D(s)完成 PID 掌握递次,称为 PID 把握器。PID 支配器是 一种线性把握器,用输出量 y(t)和给定量 r(I)之间的谬误的时间函数 e(t)=r(t)-y(t)的比例、 积分和微分的线性撮闭构成独揽量 u(t),称为比例(Proponional)•、积分(Integrating)、微分 (Differentiation)左右,简称 PID 操纵•。 图 3 PID 操纵编制框架图 PID 左右齐集了比例驾御、积分掌握和微分操纵这 3 种根基掌握次序。经历更正调整 器参数来收场驾驭。其根本输入输出合连为(式 1)所示: u(t) = [() + ∫0 () + 1 1 () ] (式 1) 式(1)中 u(t)为掌握器的输出;e(t)为偏差•,既设定值与反馈值之差;Kp 为左右 器的夸大系数,既比例增益;T1 位把握器的积分常数;TD 为左右器的微分时间常数。PID 算法的理由既调理 Kp,T1•,TD 三个参数使编制到达太平。 5 由于盘算机操纵是一种采样掌管体例•,它只能字据采样岁月的毛病值打算掌管量。因 此,式(1)中的积分和微分项不能直接操纵,所以在设计中选择了增量型 PID 算法,需 要举办星散化收拾。现令 T 为采样周期,以一系列的采样期间点 kT 代表延续期间 t,以累 加求和雷同取代积分,以一阶后向差分一样替换微分,做如下的犹如更改•: t = kT ∫0 () ≈ ∑ =0 () = ∑=0 () (式 2) (式 3) 尝试阐明,在水温掌管系统中,由于加热器的热惯性,温度会有肯定的超调。倘若采 用地道的 PID 算法操纵长期会具有较大的超调,所以在输出独揽上大家选拔固态继电器的 通短来安排暗号占空比,如斯调整加热棒的加热功率,从而抵达真切掌握水温的方针。 3、 电谈硬件想象 3.1 DS18B20 温度传感器 DS18B20 温度传感器 (图 4 所示) 为正温度系数热电阻传感器•, 其苛重本事参数如下: (1)电压边界:3.0~5•.5V,在寄生电源方式下可由数据线.5℃•。 (3)可编程的阔别率为 9~12 位,对应的可阔别温度分离为 0.5℃、0.25℃、0.125℃ 和 0.0625℃,可告终高精度测温。 (4)在 9 位辞别率时最多在 93.75ms 内把温度转变为数字,12 位阔别率时最多 在 750ms 内把温度值转移为数字,速度更速。 图 4 DS18B20 温度传感器引脚图 以 DS12B20 温度传感器为核心,以 STM32F103 为操纵重心所修筑的温度检测模块其 电路构造约略•,易于告终,且测量精度高。 6 DS18B20 有两种供电格局,数据总线供电形式和外部供电格局,选取数据总线供电方 式或许节略一根导线,但会丧失丈量速度,而外部供电体例假使须要多接一根导线,但其 衡量快度较快,故我们选取了外部供电方式与单片机实行连线 所示。而单 片机对温度的读取将历程软件编程来告终。 图 5 温度传感器与单片机连续电说 3.2 温度独揽电途 输出支配私人采用掌握固态继电器的通断: (1) •、固态继电器内中选拔光耦合格局,可结束弱电部分与强电片面的整体拒绝。 (2) 、固态继电器的反适时间较短。斟酌到加热器件的热惯性•,运用固态继电器来调解输 出灯号占空比的方式(即 PWM 体例)来控制输出功率,固态继电器的驱动电道如图 6 所 示) 。 图 6 温度左右电说 7 3•.3 键盘模块 该孑立键盘全数有 4 个孤独按键•。配置几个按键用来设定编制的发端、憩歇、升温以 及降温,其电路图如图 7 所示: 图 7 独立键盘电途 3.4 OLED 液晶明确 有机发光二极管又称为有机电激光大白(Organic Light-Emitting Diode,OLED)。 OLED 显 示身手具有自发光的特色,拔取分外薄的有机原料涂层和玻璃基板,当有电流原委时•,这 些有机材料就会发光,况且 OLED 显现屏幕可视角度大,况且可以节略电能。其衔接电道 如图 8 所示 图 8 OLED 显示屏连结电说 8 4、 软件想象 4.1 举座系统框架 该水温驾驭全部体例的软件框架如图 9 所示: 图 9 体系软件框架图 4.2 软件办法框架图 4.2.1 主要领模块 用 K60 单片机编程,我行使了野火的库函数•,是以在编写举措时,破例的软件模块是以库 函数的体例调用•,其主法子过程图如图 10 所示: 图 10 主办法软件框架图 9 5、 试验数据及了局了解 (1)给定温度与实测温度的数据对比如表 1 所示 设定温度(℃) 实测温度(℃) 完全偏差(℃) 1 2 3 30℃ 50℃ 80℃ 29.8℃ 49.7℃ 79.6℃ 0.2 0.3℃ 0.4℃ 相对舛错(%) 0.7% 0.6% 0.5% 根据表 1 的结局以及附录的本色成绩图,可能赢得该水温掌握体系十足不对在 0••.4 以 内,且温度领域在 40℃-90℃之内,况且用风扇降温时,其爆发的谬误也许把握 1℃以内, 该水温编制符关题目的各项条件。 6•、 附录 附一•:具体体例实物图 10 附二•:设定温度 60℃功用图 附三•:打印水温转换(30℃-50℃)曲线

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