基于温度传感器的水温控制系统

计算机控制技术课程设计

专业：自动化

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2015年07月10日

基于温度传感器的水温控制系统

1设计要求

1升水加热，要求水温可以在20~100摄氏度范围内进行人工控制，并能在环境温度变化时实现自动调整，以保证在设计的温度。要求最小分辨率位1摄氏度，温度控制的稳态误差小于0.2摄氏度，能够显示当前的温度。设计原理图如下：

图1 设计原理图

2设计方案

设计采用220V交流供电的150W加热器，利用DS18B20进行周期性检测，并将数据传递给单片机。上位机通过单片机传递的实时温度与设定温度进行比较得到误差，通过PID算法得到控制量，送给单片机通过单片机I/O口输出高电平占空比进行控制，实现对加热器为温度输出控制。

3 硬件设计

3.1硬件结构图

图2 硬件结构图

3.2硬件选型

(1)控制器分为上位机和下位机。上位机为控制计算机，通过反馈的温度与设定的温度进行对比，通过预先设定的算法计算出控制量u；下位机为AT89C51即单片机，接收由上位机所给出的控制量，对执行机构进行控制。AT89C51具有如下特点：4kB Flash片内内存储器，128 byte RAM，32个外部双向输入输出口，5个中断优先级，2个16位可编程计数器，2个全双工串行通信口。

(2)D/A转换器采用DAC0832，8为D/A转换器，与微处理器完全兼容。DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换电路及转换控制电路构成。主要参数：分辨率为8位；电流稳定时间1微秒；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；可单一电源供电（5V-15V）；低功耗，20mW。

(3)驱动电路采用继电器和三极管如图3所示的连接方式。通过给I/O端口高低电平来控制继电器的通断，继而控制加热棒加热的占空比，以达到控制水温的目的，如图所示。其中三极管为控制开关作用，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，输入高电平，NPN截止，继电器线圈断电，触点断开。

图3继电器、三极管驱动电路

(4)执行机构采用交流加热棒。根据相关资料对于加热一杯水，加热棒可以迅速反应，提高控制动态响应速度。

(5)传感器采用DS18B20数字温度传感器。DS18B20具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高等特点。它有独特的单线接口方式，在于微处理器相连时

仅需一根口线即可实现双向传输。DS18B20测温范围位-55~125摄氏度，固有测温误差位1摄氏度，工作电源3.0~5.5V ，测量结果以9到12位数字量方式串行传送。

(6)显示部分采用数码管。数码管显示电路可以实现温度的实时显示以便观察水温变化。

4被控对象模型的建立

由于水温控制系统的控制对象具有热存储能力大，惯性也较大的特点，水在容器内流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以将被控对象归于一阶惯性环节，即可将被控对象的传递函数表示为

1

+Ts K

。 为了确定K,T 的值可以绘出系统加上阶跃信号，继电器的占空比位100%的工作曲线，已知水温变化范围为20~100即3.125.120

100100

≈=-=

K ；一阶系统过渡过

程重要特征点是系统输出达到过渡过程总变化量的63.2%的点。通过计算T 为温度上升到7156.70632.0*)20100(20≈=-+的时间，经过查找数据确定T 为297。

即可得被控对象的传递函数为

1

2973

.1+s 。

5数字PID 控制算法

本设计是闭环控制系统，可以采用PID 控制。PID 控制是按偏差的比例、积分和微分进行控制的一种控制规律。它具有原理简单、易于实现、参数整定方便、结构改变灵活、适用性强等优点，在连续系统中的得到广泛的应用，在计算机进入控制领域后，用计算机实现的数字PID 算法代替了模拟PID 调节器。

数字PID 位置型控制算法：0])

1()()()([)(0u T k e k e Td

j e Ti T k e Kp k u k j +--++=∑= 数字PID 增量型控制算法：

)]2()1(2)([)()]1()([)

1()()(-+--++--=--=?k e k e k e Kd k Kie k e k e Kp k u k u k u

Kp ——比例增益 Ki=Ti

T

Kp

——积分系数 Kd=T

Td

Kp

——微分系数 本设计采用数字PID 位置型算法得出控制量u 。利用凑试法对PID 参数进行整定，当Kp=20，Ki=1，Kd=1时系统的超调较小，反应时间较快且没有稳态误差，即可以得到较好的效果。

6利用MATLAB仿真

图4 MATLAB仿真

如图所示：

(1)比例调节器简单快速但对于具有自平衡性的控制对象存在静差。加大比例系数Kp可以减小静差，但当Kp过大会使动态质量变坏，引起被控量震荡甚至使闭环不稳定。

(2)比例积分调节器中积分环节的加入有助于消除系统静差但是会使调整时间变长。Ti时间积分大则积分作用弱，反之积分作用强。增大Ti将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。

(3)比例积分微分调节器中微分作用的加入对偏差的任何变化都产生一个控制作用，以调节系统输出阻止偏差的变化，偏差变化越快，反馈矫正量越大。故微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。它加快了系统的动作速度减小调整时间，从而改善系统动态性能。

5心得体会

在设计的过程中，我对于计算机控制技术中所学的有关于PID算法，输入、输出通道的组成，A/D转换器分辨率以及计算机控制系统的结构及组成有了更加深刻的认识。与此同时通过这次课程设计，我熟练掌握了MATLAB仿真过程。最重要的是我对于水温控制系统的控制过程有了一定的了解。

附录

附录A

利用凑试法得到PID参数：

当取Kp=20，Kd=0，Ki=0

仿真结果：

分析：由仿真结果可以看出系统存在静差，加入积分环节即Ki=1。

仿真结果：

分析：加入积分环节，系统无静差，但是反应时间变长了，因此加入积分环节Ki=1。

分析：此时反应时间较短，超调量小且无静差即参数选取合适达到比较理想的效果，即取Kp=20,Ki=1,Kd=1。

附录B

仿真结果