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1.概述
本设计为基于STC89C52单片机的智能水温控制系统,控制对象以500mL陶瓷水箱为容器,并使用PID控制算法来调整水箱中500ml纯净水的温度。 水温可以在一定范围内人为设定,并能实现在下限温度到上限温度之间对每个点温度的控制。
主要的功能为:
1.可以通过键盘自由设定上限温度和下限温度,通过12864液晶显示,显示的最小区分为1度
2.可以通过DS18B20温度传感器测量水温并通过12864液晶显示水的实际温度,最小区分为0.1度
3.系统应具有在水温下限到水温上限全量程内的加热功能(当水温低于水温下限时开始加热,水温低于水温上限时自动断电停止加热)
4.使用PID控制算法,调节温度
5.存储设定的参数到EEEPROM中,并记录升温曲线(程序中使用DS1302,精确设定时间间隔,使用EEPROM记录升温曲线)
6.可以记录3组参数以及对应的3组升温曲线(每组250个温度数据)
2.硬件设计
本次设计的硬件电路是由STC89C52单片机为控制核心,通过DS18B20温度传感器采集的温度,传送给单片机进行PID计算,将结果作为PWM的占空比来驱动加热棒; 同时,通过LCD12864显示屏、按键和DS1302时钟芯片,可实现温度值的显示和目标温度的设置。 整体硬件框图如图所示:
(1)12V转5V稳压电路
由于系统的供电电源采用了4节18650锂电池供电,需要使用LM2596-ADJ芯片进行稳压,转换成12V电压,作为加热棒的加热电源,并通过LM7805-5.0稳压芯片转换为5V电压,作为单片机和其他功能电路的工作电压。 稳压芯片的电路可根据芯片技术手册中的参考电路来搭建,其电路图如图:
(2)按键电路
本次设置了4个控制按键,分别为设置键、增加键、减少键和OK键,通过这四个按键,可以根据用户的需求来调整相应的参数。
(3) DS1302时钟电路
DS1302时钟电路可以为系统提供实时年、月、日、星期、时、分、秒。
(4)加热控制电路
加热电路主要三极管及功率MOS管搭建而成的,3个三极管为MOS管的提供可靠的控制电平。 如图所示,当单片机引脚为高电平时,三极管T3导通,T2导通,T1截止,从而MOS管的G极接地,MOS管截止; 相反,当单片机引脚为低电平时,三极管T3截止,T2截止,T1导通,从而MOS管的G极接电源,MOS管导通,加热棒加热。
其他电路都相对简单,就不一一解释了。
(5)总体硬件电路图
3.软件设计
系统软件所需实现的功能主要为:
1.按键输入与设置
2.显示屏界面显示
3.PID算法调节
4.时钟读取及显示
由于代码较多,这里仅列出PID及主函数部分代码
注:PID算法的难点在于需要根据 具体的环境调试出性能较的PID参数,因此程序用在其他环境上需要调整PID参数。
(1) PID算法调节函数
int16 Proportion = 64; // 比例常数 Proportional Const
int16 Integral = 0; // 积分常数 Integral Const
int16 Derivative = 54; // 微分常数 Derivative Const
float LastError; // Error[-1]
float PrevError; // Error[-2]
float SumError; // Sums of Errors
float Now_temp;
float Target_temp;
float Temp_Out;
float PID_Calc(float NextPoint ,float SetPoint)
{
float D_Error,Error;
float II;
Error = SetPoint-NextPoint; //偏差
SumError+=Error; // 积分
D_Error =LastError-PrevError; // 当前微分
PrevError = LastError;
LastError = Error;
II = Integral*SumError/10000.0; //积分缩小10000倍
if(II>30) //积分饱和限制
{
II=30;
}
return (Proportion*Error+II+Derivative*D_Error);
}
void Control_Temp(void)
{
Now_temp = Temp_numbe;
Target_temp = Set_temp;
if(Now_temp>High_temp)
{
PWM_duty = 0;
}
else
{
Temp_Out = PID_Calc(Now_temp,Target_temp);
if(Temp_Out >= 100) Temp_Out = 100;
else if(Temp_Out <=0) Temp_Out = 0;
//不同的温度设置不同的比例补偿热量损失
//Temp_Out = Temp_Out+Target_temp/80.0*20;
PWM_duty = (int)Temp_Out;
}
}
(2)主函数
void main(void)
{
int16 temp; //温度缓存值
System_Init(); //系统初始化
while (1)
{
LED2 = 0;
Ds1302_time();
real_time = readtime[12]*10+readtime[13]; //从1302中读取秒值
real_time = real_time%temp_cycle;
Temp_numbe = Temp_collect(); //采集温度
if(temp_save_flag == 1 && start_warm_flag == 1) //按下了存储按键
{
if((real_time == start_time)&&(real_time- last_real_time!=0)) //每隔10S记录一次时间
{
temp = (int16)(Temp_numbe*100+0.5); //将温度值增大100倍,保留两位小数
Write_DATA_EEPROM(temp,Write_add,time); //将温度写入EEPROM中保存
time++;
if(time >= 250) //最多记录250组的值
{
time = 250;
}
}
}
last_real_time = real_time;
if(start_warm_flag == 1)
{
Control_Temp(); //温度控制函数
}
else
{
PWM_duty = 0;
}
//上限报警
if(Temp_numbe > High_temp) LED0 = 0;
else LED0 = 1;
//下限报警
if(Temp_numbe < Low_temp) LED1 = 0;
else LED1 = 1;
Init_LCD12864_Set(); //LCD12864液晶显示数据的标识
LCD12864_Show_DATA(); //LCD12864液晶显示数据
UART_Send_temp(); //将采集温度并通过串口发送到上位机
//Uart_Send_time(); //将DS1302的时间发送给电脑
UART_Send_PWM(); //将控制加热棒的PEM占空比实时发送监控
UART_SendData('
');
}
}
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