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新型水温控制系统的设计与实现

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《自动化技术与应用》２００８年第２７卷第３期58 | Techniques of Automation & Applications工业控制与应用

Industry Control and Applications

新型水温控制系统的设计与实现＊

林　伟，邵华枫，李才安，陈碧波（武汉理工大学自动化学院，湖北　武汉　４３００７０）

摘 要：针对磁滞伸缩材料在应用中对温度的要求，设计了基于逻辑规则控制算法的水温控制系统。该系统根据设定温度与实测温度形成的偏差及偏差变化率，按照一定的规则调节ＰＷＭ脉冲的占空比大小，从而调节了加热设备的输出功率。实际测试表明，系统超调量小，上升时间快，控制精度达到了０．１℃。关键词：磁滞伸缩材料；水温控制系统；逻辑规则控制中图分类号：ＴＰ２９ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３－７２４１（２００８）０３－００５８－０４

A Novel Water Temperature Control SystemLIN Wei, SHAO Hua-feng, LI Cai-an, CHEN Bi-bo( School of Automatic, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070 China )Abstract: A water temperature control system for applications of magnetostrictive material is introduced, based on the logic rulecontrol algorithm. The duty ratio of PWM pulses is adjusted according to a series of rules based on error and the errorchange rate. The actual testing shows that the overshoot of temperature control system is smaller,and the controlprecision reaches to 0.1℃.Keywords: Magnetostrictive material; water temperature control system; logic rule control

１　引言磁致伸缩材料是一种具有转换效率高、驱动电压低、体积小、响应快的新型材料，它广泛应用在在国防、航空航天、超声技术、海洋探测与开采、水下移动通讯、高精密度控制等现代高技术领域及民用领域。但磁致伸缩材料形状的回复要依赖于温度的变化，所以在应用过程中对环境温度要求极高，这就对温度控制系统提出了很高的要求。一般情况下，是将磁致伸缩材料放置在恒温水槽中使它的尺寸伸缩为恒定值，以确保其控制精度达到最优［１］。而温控系统为一个具有升温单向性、大惯性、大滞后的非线性系统，升温用加热元件，降温依靠环境自然冷却，因而较难建立精确的模型，传统的ＰＩＤ控制一方面控制参数整定困难，另一方面即使整定了一组满意的ＰＩＤ控制参数，当对象特性发生改变时，也难以保证良好的性能。因此一般的温控系统的控制精度都难以达到磁致伸缩材料在使用中对环境温度的控制要求，因此有必要设计出具有高精度和高稳定性的水温控制系统[2]。为了克服温度控制系统大滞后，大惯性，非线性的缺点，提高控制精度。本文设计并实现了一种基于逻辑规则控制算法的新型简易水温控制系统。２ 水温控制系统硬件设计本文所设计的简易水温控制系统由传感器、Ａ／Ｄ、单片机ＡＴ８９Ｓ５２、电热丝以及一些外围电路如显示、时钟、键盘等组成，系统框图如图１所示。

＊基金项目：国家自然科学基金项目（编号３０１７０２７６）武汉理工大学校基金项目（ｘｊｊ２００４２５５）收稿日期：２００７－１１－０７

图１ 简易水温控制系统组成框图《自动化技术与应用》２００８年第２７卷第３期Techniques of Automation & Applications | 59工业控制与应用

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控制部分通过单片机输出ＰＷＭ脉冲，进而控制双向可控硅的通断，自动调节加热设备的输出功率，从而使工作温度保持恒定[3]。２．１ 水温检测传感器

由于采用热电阻可以获得较高的测量精度，且不存在冷端补偿问题，因此采用热电偶ＰＴ１００作为测温传感器。热电阻测温电路采用四线法电桥电路，电路如图２所示。图２中电路参数选择依据如下原则：由于热电阻ＰＴ１００允许通过的最大电流为５ｍＡ，电桥电路供电电压为５Ｖ，则桥臂最小电阻值Ｒｍｉｎ由下式确定：Ｒｍｉｎ＝５Ｖ／０．００５Ａ＝１０００Ω，　又知热电阻ＰＴ１００在０OC时的电阻值为１００Ω，为了得到最大的电压输出值以及方便起见，可分别选择Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３为１ｋΩ，１ｋΩ，１００Ω，　Ｒａ为调零电阻，根据需要可选为１０Ω的多圈电阻器。２．２ 信号放大电路根据以上确定的参数以及热电阻ＰＴ１００在０OC和１００OC时的电阻值分别为１００Ω和１３８．５Ω，可知在０OC时电压输出值为△Ｕ０℃＝０Ｖ，在１００OC时电压输出值为100138.51005*()0.15371138.51100CUVV°D=-=，电压输出值过小，不便于测量，必须放大适当的倍数。由于参考电压REFU为５Ｖ，　为了使测量精度尽可能高，则应使100CU°D经放大适当的倍数后为５Ｖ，因此可知放大电路的放大倍数532.50.1537fVAV==，为了得到精度较高的放大倍数，可采用三运放构成的仪用放大电路，其电路原理图如图３所示。图２ 四线法测温电路图３ 信号放大电路２．３ 基准电压源的设计由于基准电压源的精度直接关系到Ａ／Ｄ转换器采样的结果，所以必须设计出能在温度变化的情况下依然保持输出稳定的基准电压源。基准电压源可以采用ＬＭ３３６－５．０来实现，具体电路图如图４所示。

２．４ 功率输出电路采用占空比开关电路控制，即考虑可控硅控制电压和被控的交流电压之间以及电热丝产生的热量和所加的电压之间的非线性，通过调节周期时间内的通电时间来调节输出功率的大小，可以避免Ｄ／Ａ转换和信号放大造成的不必要的误差。通常调节周期时间取６秒。功率输出电路设计如图５所示。

３ 水温控制系统软件设计３．１ 逻辑规则控制逻辑规则控制是建立在泛布尔代数理论基础上一种智能控制算法。泛布尔代数的基本思想是若令符号

321,,xxx…，表示多状态系统中的诸变量，且把其中任一变量ix所可能出现的所有状态的总数称作相应于i

x的

“状态数”，并以i

n（ｉ＝１，２，…）表示。又以jix（ｉ＝１，

２，…；ｊ＝１，２，…i

n，）表示相应于ix的第ｊ个状态，　称

为i

x的“状态变量”，即当第ｊ个状态出现时，取为１

值，而当第ｊ个状态不出现时，则取为０值。在多状态系统中，每个变量i

x在某一确定的场合，取且仅取in个

状态中的一个状态，这就要求其同时满足以下两个条件：（１）　121niiixxx+++=L； （２） 0jkiixx　（１≤

图４ 基准电压源的设计图５ 功率输出电路《自动化技术与应用》２００８年第２７卷第３期

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ｊ＜ｋ≤in）。除这两个条件不同于布尔代数中的补余律之外，　其余如结合律、交换律、分配律和０－１律等等，　均与布尔代数中的一样成立，故称之为泛布尔代数。逻辑控制、传统控制与模糊控制三者存在如下区别：传统控制理论是依据微分方程实现自动控制，模糊控制和逻辑控制都是依据概念控制。模糊控制与逻辑控制的差别在于：模糊控制是按照查德ＬＡ提出的模糊集理论及相应的运算法则进行的，逻辑控制是按照泛布尔代数所服从的规律进行的。模糊集的补余律不成立，　泛布尔代数的补余律成立。非运算在两个系统中定义也不同，　与带修正因子的模糊控制差别在于：一种用数学解析式表示控制规则或输出响应，　而另一种用泛布尔表达式表示，符合人类逻辑思维规律[4]。逻辑控制系统是一个闭环控制系统，其组成框图如图６所示。它是根据响应曲线的模式特征，将系统偏差及偏差变化率的大小各自分类为３种情况。这样的组合变化就有９种情况。控制器根据工况的不同采用不同的控制策略。工况的确定和相应的控制算法如表１所示。控制器根据这些由偏差、偏差变化率的组合而形成的９种工况采取相应的控制策略，及时向控制对象进行能量补充和消耗，从而达到控制目的和跟踪性能要求。而每一时刻仅对应一种控制策略，因为系统的偏差及其偏差变化实时变化，控制器根据偏差和偏差变化所确定的工况，不断在９种控制策略中来回切换，直至系统被控制在预定的运行模式下。设0e±为系统允许偏差（即误差限，其中0e为误差上限，0e-为误差下限），0e±&为系统允许偏图６ 逻辑控制系统组成框图表１ 逻辑规则控制算法规则表差变化率（0

e&为误差变化率上限，0e-&为误差变化率下

限，限内称为零带）。用工况来表示系统的运行模式，在确定控制策略之前，必须明确各个工况的划分。也就是说，必须确定偏差和偏差变化率零带的上下限，这２个基本参数被称之为２个边界条件，　用0

e±和0e±&表示。而对应于９个

工况的控制策略用(4,3,2,1,0)iki

±=来表示。控制器

的控制效果取决于这２个边界条件和９个控制作用的大小，因此分析这些控制作用参数的作用区域以及对系统动静态响应的影响将是逻辑规则控制器具有良好性能的关键。通过仿真研究表明，控制策略可以归纳为：3/

k

+-动态时影响延迟时间（3/k+-↑→dt↓），　2k+影响系统

的上升时间（2k+↑→rt↓但应小于3k+），1/k+-有阻尼带作用（1/k+-↓→ξ↑），　4/k+-有着很强抑制超调的作用（4k-↑→σ↓）并是控制策略中唯一对抗干扰有直接控制效果，　2k-对系统振荡次数有影响（2k-↓→N↓），　0k对稳态时的高次谐波分量有影响。即通过改

变增益参数达到调节系统动、静态特性中的具体参数指标，因此在整定参数方面，逻辑规则控制较ＰＩＤ控制更便于调节[5]。３．２ 程序流程图

（１） 温度逻辑控制算法流程图根据逻辑规则控制规则表可知温度逻辑控制算法流程图如下图７所示。其中0

e为温度偏差上限，0e-为

温度偏差下限，　0e&为温度偏差变化率上限，0

e-&

为温度

偏差变化率下限。

（２） 主程序流程图本系统的主程序主要是完成设置所需要的温度值并判断范围是否正确、室温检测和水温检测以及计时等工作，中断服务程序主要是完成实测值和设置值的比较以及温度变化率的大小，从而改变双向可控硅的占空

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基于FPGA的温度控制系统设计与实现

基于FPGA的温度控制系统设计与实现


［ 关 键 词 ］ ＦＧ Ｐ Ａ； Ｖ ｒｏ Ｄ ； ＰＤ控制 ； Ｄ １Ｂ ０ 测温 ｅｌ Ｈ Ｌ ｉｇ Ｉ Ｓ８２ ； 【 中图分类号］ Ｔ ２ ３ Ｐ７ ［ 文献标识码］ Ａ
基于微处理器的温度控制系统改变 了传统模拟温度控制系统参数整定不灵活的问题。但是常规微 处理器无法避免在恶劣环境下程序跑飞的问题。利用 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ实现温度控制系统的设计 ， 不仅可以提高
位置型数字 ＰＤ控制算法如式 （ ） Ｉ ２
（ ）： ［（ ）＋ 后 ｅ尼
＝
（）＋ 。
］
（） ２
｜ （）＋ ：（ ＋ ｅｋ ｅｋ １］ ｊ ｋ ｋ ｅ ） ｋ［（）一 （ 一 ） ｝ ｅ
收稿 日 ２ １ — １ ３ 期： ０ １ — ０ ０
基金项 目： 陕西省教育厅基金资助项目（９Ｋ ７ ） ０Ｊ３８ 。
１ １ Ｐ Ｄ控 制 器的 实现 ． Ｉ
常规 ＰＤ控制器结构清晰 、 Ｉ 参数调节方便、 鲁棒性强 ， 并且算法简单高效 ， 在工业现场是应用最广泛
的控制器。模拟 ＰＤ控制表达式如 Ｉ
（） ［ ）＋ ｔ
ｅＴ ｄ （ ） ｒ＋
］
（） １
其 中， 为比例增益 ， 为积分时间常数 ， 为微分时间常数 ，（） ， ｔ － （） ｅ￡ ＝－ ） ｙ ￡为偏差 ， （） （ ｕ ｔ为控制量。
Ｖ０ ． ７ Ｎｏ ２ １２ ．
第 ２ 卷第 ２期 ７
［ 文章编号］６ ３ ２ ４ （０ １ ０ ０ １ ｏ １７ — ９４ ２ １ ）２— ０５一 ５
基于 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ的温 度控制 系统设计 与实现
王春 侠 聂 ， 翔２
（． １陕西理工学 院 电气 工程 系 ， 陕西 汉 中 ７３０ ； ． ２０３ ２ 陕西理工学 院 电信工程系 ， 陕西 汉 中 ７３０ ） ２０３
基于单片机的水温控制系统课程设计

基于单片机的水温控制系统课程设计

基于单片机的水温控制系统第1节引言水温控制在工业及日常生活中应用广泛,分类较多,不同水温控制系统的控制方法也不尽相同,其中以PID控制法最为常见。

单片机控制部分采用AT89C51单片机为核心，采用软件编程，实现用PID算法来控制PWM波的产生，进而控制电炉的加热来实现温度控制。

然而,单纯的PID算法无法适应不同的温度环境,在某个特定场合运行性能非常良好的温度控制器,到了新环境往往无法很好胜任,甚至使系统变得不稳定,需要重新改变 PID 调节参数值以取得佳性能。

本文首先用PID算法来控制PWM波的产生，进而控制电炉的加热来实现温度控制。

然后在模型参考自适应算法 MRAC基础上,用单片机实现了自适应控制,弥补了传统 PID控制结构在特定场合下性能下降的不足,设计了一套实用的温度测控系统,使它在不同时间常数下均可以达到技术指标。

此外还有效减少了输出继电器的开关次数,适用于环境参数经常变化的小型水温控制系统。

1.1水温控制系统概述温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源的巨大浪费。

特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对水温的控制，把身边的水资源好好地利用起来。

在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，温度是极为重要而又普遍的热工参数之一。

在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对加热炉炉温进行测、显示、控制，使之达到工艺标准，以单片机为核心设计的炉温控制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。

那么无论是哪种控制，我们都希望水温控制系统能够有很高的精确度（起码是在满足我们要求的范围内），帮助我们实现我们想要的控制，解决身边的问题。

在计算机没有发明之前，这些控制都是我们难以想象的。

而当今，随着电子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，而且计算机和传感器的价格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技术来实现水温控制并提高控制的精确度不仅是可以达到的而且是容易实现的。

DS18B20 水温控制系统

DS18B20 水温控制系统

DS18B20 水温控制系统(全)上个月参加的学校的电子设计大赛，说真的，参加完除了没有感受之外，剩下的感受就是很累。

我是计算机科学与技术学院的，按道理说电子大赛和我的专业根本就不怎么挂钩，不过我还是在同学的督促下“上当”了。

学校的那个信息工程的老师很奇怪，对我们专业好像及其有偏见，也怪不得他被扯下来，不让他教书了。

对我们也是非常有意见，讲说的那天，也是专门和我们做对。

这个温度控制，是用最小系统板做的。

因为我们不会硬件电路一些焊接等。

所以就找了个系统板来做.代码用了36个小时，文档用了18个小时完成。

差不多90%都是自己做的，所以我才说累。

由于代码是汇编做的，我是用Keil来调试代码的，还好最小系统板ME300B有在线仿真功能。

不过也调试了几乎100多次。

做完这个，学校还算给面子，应付我们一个三等奖。

然后他们大赛选一批人去北京培训，然后回来参加广东省的电子大赛，呵呵，当然我是被选上了，但是我从一开始不怎么想做这个，所以我不怎么想去，后来金山公司的暑假实习培训，录取了我，所以我就爽快的拒绝了去北京的那件事。

现在我觉得自己的决定还是很明智的。

呵呵，我只想做自己喜欢做的。

单片机是今年刚刚学的，然后就可以作出这么一个东西来，我觉得自己的脑子还好，至少吸收掌握的比较快，估计和我的基础有关系吧。

但是我的兴趣仍然是高级编程，Windows编程，毕竟自己学了很久了。

不想就这么放弃。

好废话不多说了，这个文档是我花了一个小时整理到博客上的，我觉得这个博客还是非常的COOL的，竟然没有字数限制。

呵呵喜欢。

以后就用你了。

这是我第一篇发表的文章，还希望大家多多留言，提出宝贵的意见。

目录一．引言...二．设计目的...三．系统功能...四．系统设备...五．温度控制总体方案与原理...1．系统模块图...2．系统模块总关系图...六．温度转换核心及其算法...1.温度传感器DS18B20原理与特性...DSl8B20的管脚及特点...DS18B20的内部结构...DS18B20的内存结构...DS18B20的测温功能...DSl820工作过程中的协议...温度传感器与单片机通讯时序...2.温度转换算法及分析...七．硬件设计说明...1．系统总体电路图...2．各个模块电路图...输入系统...输出系统...芯片系统...八．软件设计说明...1．总模块的流程图...2．各个模块的流程图...读取温度DS18B20模块的流程...键盘扫描处理流程...九．操作指引...按键功能...显示温度...设定温度...十．参考文献...程序源代码...一．引言在一些温控系统中，广泛采用的是通过热电偶、热电阻或PN结测温电路经过相应的信号调理电路，转换成A／D转换器能接收的模拟量，再经过采样／保持电路进行A／D转换，最终送入单片机及其相应的外围电路，完成监控。

具有语音播报功能的水温控制系统

具有语音播报功能的水温控制系统

摘要本文从硬件和软件两方面介绍了具有语音播报功能的水温控制系统的设计思路，采用AT89C51单片机为检测控制中心，此芯片功能强大，能满足设计要求。

采用DS18B20为数据采集芯片，不需要AD转换，与单片机接口简单，编程容易。

本设计与一般的水温控制系统不同的是具有语音播报功能，此功能模块的实现主要靠ISD4004语音芯片，ISD芯片采用了“直接模拟量存储”专利技术，信号无需经过模数、数模转换，数字压缩和语音合成等复杂的数字信号处理过程，减少了失真，使其声音存贮效果较以前产品有大幅提高。

由于单片机直接输出电流小，所以输出电流经过MOC光耦器件由继电器控制电机工作，从而控制水泵进行水温调节。

此系统可以实现设定、播报、控制水温及越限报警等多方面功能。

关键字：水温控制单片机语音播报电机ABSTRACTThis arcticle introduces the design of the water temperature control system with speech function from both hardware and software. SCM AT89C51is used to detect control center. This powerful chip can meet the design requirements. DS18B20 is used for data acquisition chip, which does not require AD conversion, and also has simple interface with SCM and easy programming. The difference between the design and the general temperature control system is the voice broadcast feature with the ability to rely mainly on the realization of modules ISD4004 voice chip. ISD chip applies "direct analog storage" (DAST) patented technology. It processes signal without going through A / D, D / A converters, digital compression and voice synthesis, and other complex digital signal processing, at the same time decreases distortion to sound effects than before storage products are substantially increased. As a direct output current SCM small, so output current through the device by the MOC Optocoupler relay driven motor, so as to control water pumps for water temperature adjustment. The system can be set, broadcast, temperature control and alarm, and so the more limited function.Keyword: Water temperature control；SCM；Voice broadcast；Motor目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪论 (1)1.1 系统概述 (1)1.2设计任务和主要内容 (2)1.2.1 基本要求 (2)1.2.2 主要性能指标 (2)1.2.3 扩展功能 (2)2 系统框图和方案论证 (3)2.1总体方案论证 (3)2.2系统框图 (3)2.3 各部分电路方案论证 (4)2.3.1 数据采集部分 (4)2.3.2 键盘显示部分 (6)3 AT89C51单片机 (8)3.1 单片机的基本组成 (8)3.1.1 中央处理器 (8)3.1.2 存储器 (9)3.1.3 外围接口电路 (10)3.1.4 时钟震荡电路 (10)3.2 引脚排列及功能 (10)3.2.1 I/O口线 (11)3.2.2 控制信号线 (12)3.2.3 电源线 (13)3.2.4 外部晶振引线 (13)4 单片机外围电路 (14)4.1 数据采集电路 (14)4.1.1 DS18B20特性 (14)4.1.2 引脚排列及功能 (14)4.1.3 内部结构 (15)4.1.4 测温原理 (18)4.2 键盘显示电路 (19)4.2.1 键盘电路设计 (19)4.2.2 显示电路设计 (20)4.3 语音播报电路的设计 (21)4.3.1 ISD4004外部引脚 (21)4.3.2 ISD4004内部功能结构框图 (23)4.3.3 极限参数 (24)4.3.4 串行外围接口SPI (24)4.3.5 录放音工作原理 (26)4.4 电机制执行电路设计 (27)5 系统的软件设计 (30)5.1 主程序 (30)5.2 数据采集电路程序设计 (32)5.3 控制电路程序设计 (39)5.4 ISD4004语音电路程序设计 (39)6 总结与展望 (46)致谢 (47)参考文献 (48)附录：系统总电路图 (50)1 绪论1.1 系统概述随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么可编程控制器的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。