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继电器温度控制器设计 PAGEPAGE 1目 录TOC \o "1-3" \h \u 25907 摘 要1 2568 关键词1 3375 引言1 13433 1 课程设计主要设施和芯片1 23372 2 总体设计及细则论证2 17386 2.1 总体设计框图2 6462 2.2 方案论证2 14447 2.2.1控制电路的方案选用2 22338 2.2.2测温电路方案的选用3 14278 2.2.3软件算法方案选择3 2230 3 硬件设计3 542 3.1 最小系统部分4 17966 3.2 温度采集电路4 19033 3.3 键盘、显示电路5 26930 3.4 继电器执行控制电路6 30023 3.5 串口与集线器通信电路7 5915 4 软件设计与实现8 8089 4.1 软件流程图8 8089 4.2 控制算法PID12 15266 5 系统调试12 2216 5.1 最小系统个别调试12 14626 5.2 串口与上位机通信部分安装12 12358 5.3 继电器部分调试12 916 5.4 测温部分调试13 10283 6 PID参数整定13 17619 7 测试数据及结果预测14 24002 结 论16 23474 致 谢17 1886 参考文献18继电器温度控制器设计摘 要在工农业生产跟日常生活中，对频率的测试和控制有着非常重要的含义和实际应用。

而计算机控制系统的应用发展，使得科学研究、工农业生产、工艺时间的精度大大的提升本设计是一个基于AT89C52单片机的传感器自动水温控制系统，该平台具备即时显示、温度测量、温度设定功能并可依照设置值对环境温度进行调节实现控温的目的，控制算法基于数字PID算法。温度测量范围从0～＋100 ℃，温度控制范围为20℃~90℃，测量的误差为1℃，超调量小于5%，实验结果证实，本平台可很好地控制水温，满足我们的要求。关键词： 继电器；AT89C52； 水温控制系统；PID引言随着他们生活水平的提升，对生活环境的要求也越来越高，家用电器越来越趋向于自动控制控制甚至于智能控制，针对现在家庭的实际应该，自动水温控制系统比较便捷实用，本文就借助51系列单片机来推动一种自动控制水温控制系统的设计。该平台可即时反映当前温度信息，通过液晶屏直观的显示给用户，用户能借助按键自行设置频率，系统借助PID调节能使温度维持在预设置值。1 课程设计主要设施和芯片＋5V电源1台数字示波器1台普通万用表1个继电器1个DS18B20测温元件；1个AT89S52芯片，1片MAX232芯片控制继电器工作温度，1片LCD1602液晶显示器；1个2 总体设计及细则论证2.1 总体设计框图对题目进行深入的剖析和探讨，可将整个平台分为以下几个部分：测温电路、控制电路、功率电路和电热装置。

系统框图如图1所示。图1 系统框图2.2 方案论证2.2.1控制电路的方案选用方案一：采用运放等模拟电路搭建一个控制器，用模拟方法推动PID控制，对于单纯的水温控制，这是足够的。但是附加显示、温度设定等用途，还要附加许多电路，稍显麻烦。同样，使用逻辑电路也能推动控制功能，但总体的电路设计跟制作非常烦琐。方案二：采用FPGA实现控制用途。使用FPGA时，电路设计比较简洁，通过相应的编程设计，可以很容易地推动控制跟显示、键盘等功能，是一种可选的方案。但与单片机相比，价格较高，显然大材小用。方案三：采用单片机最小系统同时完成控制、显示、键盘等功能，电路设计跟制作非常简洁，成本也低，是一种非常好的方案。 综上所述本设计运用方案三成为控制电路。2.2.2测温电路方案的选用方案一：采用热敏电阻作为测温元件。热敏电阻精度高，需要配合电桥使用，要实现效率监测需要配上精密较高的电阻。此外还必须制作相应的治疗电路。方案二：半导体温度传感器作为测温元件，半导体温度传感器应用也更广泛，它的效率、可靠性都不错，价格也适中，使用非常简洁，是一个较好的选用。综上所述本设计运用方案二成为测温电路。2.2.3软件算法方案选用方案一：采用模糊控制算法，对于一个典型的模糊控制系统，考虑它的输入信号有偏移和误差变化率两种，输出信号为控制信号。

根据测试经验，可选择三角型隶属函数，分为正大、正中、正小、正零、零、负零、负小、负中、负大，9个档次。然后按照控制规则列出规则基表。这种控制方式才能较准确的谋求设计规定，但是考虑到单片机的存储量，和实时性，不采用这些已经完全推广的控制方式。方案二：采用经典PID控制算法和依据实验数据分区间控制的算法，对于频率系统来说，被控对象没有精确的物理建模。热得快加热并且温度带有有热惯性，而且测试的即时数据是测量点附近的即时温度并不能完全表现1升水的实际浓度，所以经典PID控制算法不能满足设计规定，还需要按照实验数据进行微调。这种控制算法基本无法满足设计规定，且通用性较强。本设计运用方案二成为控制算法。3 硬件设计整个平台以单片机AT89S51为核心组件，在51最小系统添加了频率测量、键盘输入、液晶显示部分或者传感器组成的执行部件。3.1 最小系统部分设计选用的单片机芯片是AT89S51。AT89S51具有如下特点：4k Bytes Flas内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通讯口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

P3.4作为继电器控制端口；P3.5作频率测量器件输入端口；P1口键盘扫描端口；P0口作LCD液晶显示数据输入端口P3口作为上位通信串口输入端。图2 最小系统个别3.2 温度采集电路DS18B20温度传感器简介：DS18B20为单线数字温度传感器，支持“一线总线”接口，大大提高了平台的抗干扰性，应用于温控控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统。DS18B20具有下述特点：零待机能耗；无需-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃内，精度为±0.5℃。测温电路设计：电路采用频率传感器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，所以本设计的软件电路非常简洁，容易实现。能超过0.5oC的固有分辨率，使用调用温度暂存寄存器的方式可超过0.2oC以上的误差。 18B20连接电路图如图3所示图3 温度采集电路3.3 键盘、显示电路在按键输入方面，选用常用的44扫描键盘，分别用作PID模式选择、温度设定值输入、确定或更改设定。在显示方面，选用了常见的显示容量为162个字符的液晶显示模块LCD1602。

通过相应的硬件编程，可以推动相当简洁和丰富的显示图标。模块连接电路图如图4所示。图4 键盘、显示电路3.4 继电器执行控制电路通过给I/O端口高低电位来控制晶闸管的通断，继而控制热得快加热的占空比（平均功率），以超过控制水温的目的。电路设计如下图5 继电器控制电路其中，三极管NPN9014为控制开关作用，当输入高电平，NPN饱和导通，继电器线圈通电，触电吸合，使220V电源接通。反之，当输入低电平，NPN截止，继电器线圈短路，触点断开。电阻R19为限流电阻，主要起限流作用，降低晶体管T1的性能。电阻Rxl使晶体管有效截止。D1为续流二极管（本设计引入IN4007），其作用是保护NPN，当二极管基极， D1截止，不影响电路工作。继电器释放时，由于晶闸管线圈存在电容，这时NPN已经截止，所以会圈的两端形成较高的感应电流。此功率的极性为上负下正，正端接在NPN的占空比上，当感应电流与Vcc之和大于NPN三极管的二极管反向电压时，NPN可能损坏，加入二极管，继电器线圈产生的感应电压从二极管流过，使三极管NPN得到保护。3.5 串口与集线器通信电路随着计算机科技的迅速发展和广泛应用，上位机和下位机的主从工作方式为工业控制或者自动控制系统 所采取。

由于PC机分析能力强，处理速率很快及单片机使用灵活便捷等优点，所以通常将PC机作为上位机，单片机作为下位机，二者通过RS-232接收、发送数据和传送指令。单片机可单独处理数据和控制任务，同时也将数据传送给PC机，由PC机对这种数据经行处理或显示。51单片机有一个全双工的串行通讯口，利用其RXD和TXD与以内。

温度设定范围为20～100oC，最小区分度为1oC，标定温差1oC。同时当温度超过设定值时在环境温度降低时水温控制的静态误差1oC。主程序流程图如图7所示，实现对范围、温度值的设置，执行、显示即时温度。控制算法流程图如图8、图9所示，实现对温度的控制图7 系统主程序流程图图8 温度采集与控制子程序图9 PID算法子程序图10 加热控制量自校准子程序4.2 控制算法PID由于该平台为闭环控制系统，故能运用PID控制算法。在计算机控制系统中，PID控制规律的推动必须用数值仍然的方式，当采样周期非常短时，用求和代替积分，用后向差分代替微分，使模拟PID离散化为差分方程。由于该系统必须采用PWM的脉冲周期成为控制量，故采用数字PID增量型控制算法。数字PID增量型控制算式：式中，为比例系数；=为积分系数；本设计中，控制参量为热得快的加温时间5 系统安装首先对软件初步检测：检查原理图与PCB图是否一致；原理图与元件的引脚是否一致；用万用表检查是否有漏油，引脚短路现象。确定无误再进行各组件安装，软件的调试和硬件安装配合进行。5.1 最小系统个别调试最小系统比如晶振和复位电路，按键电路，液晶显示电路等。

给整个系统上电，指示灯LED点亮，说明整个系统电力正常；用万用表测量AT89S51的各个供电管脚也正常，能正常复位。再帮单片机写入各个组件的安装程序，调试程序包含按键处理、液晶显示部分。5.2 串口与上位机通信部分安装通过串行给单片机下载简单的测试程序，若可下载，则表示通信部分正常工作。5.3 继电器部分安装首先进行初步评估：系统上电后，用杜邦线将传感器输入端口接入5V高电平，再断开，再接入5V高电平，如此往复，听到继电器发出滴答声。电路基本正常。接着给单片机写入调试程序，调试过程中，发现继电器不能工作，推断理由为端口电流很小，后尝试把NPN三极管改为PNP三极管，还是不能工作，该端口加个1K上拉电压，继电器依然不工作，后来换回原来的NPN三极管，继电器部分可以正常工作。5.4 测温部分调试调入18B20测温及显示程序，观看液晶显示部分能够即时显示正确频率，一般就直接测室温的浓度，看其能否精确即可。后来把包好的18B20放到水中测温的之后，由于包得不够好，导致几个都能够测正确的水温。所以测温传感器放到水中前必须包好。6 PID参数整定总结PID参数整定方式：加温更快速就超过目标值，但是温度过冲很大：① 比例系数太大，致使在为超过设定频率前加温比例降低；② 微分系数过小，致使对对象反应不敏感；加温经常达不到目标值，小于目标值的时间越多；① 比例系数过小，加温比例不够② 积分系数过小，对恒温偏差补偿不足；基本上能够在控制目标上，但上下偏差偏大，经常波动；① 微分系数过小，对即时变化反应不够快，反映措施不力；② 积分系数过大，使微分反应被淹没钝化；③ 设定的基本定时周期过短，加热没有来得及传到测温点；受工作环境制约较大，在稍有差异时才会造成频率的波动：微分系数过小，对即时变化反应不够快，不能及时反映；设定的基本时周期过长，不能及时受到修至；一般的制造过程都带有较大的时间常数，而数字PID控制系统的采样周期则是应小得多，所以数字调节器的参数整定，完全可以根据模拟调节器的各类参数整定方式进行预测和综合。

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