DOC《基于STC89C52的水温自动控制系统设计》

2 温度控制算法设计 由于对温度的控制采用闭环方式,会存在振荡,超调和稳定性等问题,因此需加入适当的调节算法使系统达到目的.温控系统常用的调节算法是PID调节器,它是应用最为广泛的一种自动控制器,具有原理简单,易于实现,适用面广,控制参数相互独立,参数的选定比较简单等优点[6].所以,本文采用PID算法来实现水温的稳定控制. 由于该系统需要采取PWM的脉宽周期作为控制量,故采取数字PID控制算法.数字PID控制算法又有位置式和增量式,由于增量式PID控制法与位置式PID控制算法相比较,具有诸多优点.因此,本文采用数字增量式PID控制算法实现对温度控制. 数字增量式PID控制算式为: (1) 最终可简化为: (2) 式中:.其中a0,a1,a2的值可先计算出. 比例控制器(Kp)有降低上升时间的作用,但是不能消除稳态误差;

积分作用(Ki)有消除稳态误差的作用,但是它可能使瞬态响应变得更坏;

微分控制(Kd)有增加系统稳定性,降低超调量,并且改善瞬态响应的作用. 基于PID的反馈控制策略需要根据系统动力特性和响应的要求,适当调节PID参数.在调节过程中,因为Kp、Ki和Kd彼此联系,改变这些参数中的任意一个,都会影响其他两个的作用.因此,PID控制器的调节需要相当小心.

3 系统硬件设计 在对设计的系统方案分析论证的基础上,设计了以STC89C52为核心的硬件控制系统,系统总体硬件结构框图如图1所示.加热/制冷电路采用光电耦合器进行强弱电隔离,减少干扰,提高系统稳定性.加热模块采用可控硅81A08和STC89C52的P2.5口协调控制.制冷模块采用大电流可控硅RF540和AT89C52的P2.6口协调控制三个完全相同的制冷模块.液晶显示选用LCD128*64,温度传感器采用DS18B20,另外加双色指示灯用于对系统加热或制冷的状态进行提示.另外考虑到普通液晶显示信息功能和刷新率有限,设计了单片机和PC通讯模块,借助VC++6.0平台在上位机对设定温度、当前温度和温度曲线进行实时显示.系统电路原理图如图2所示. 图1 系统硬件结构框图 图2 系统电路原理图

4 系统软件设计 根据系统方案和所设计的硬件,采用MCS51语言对软件进行了设计.总体程序流程图如图3所示. 图3 总体程序流程图

5 系统测试方案及结果 5.1 PID参数调节 因为PID调节是一个简单而复杂的过程,经过多次调节测试,得到了一组较优的参数:a0=50, a1=3, a2=1000 (因试验数据太多,在此未列出). 5.2 温控性能测量 5.2.1 测量方式 接上系统的加热装置,装入1L室温的水,设定控温温度.记录调节时间、超调温度、稳态温度波动幅度等. 5.2.2 测量仪器 800W加热器,制冷量为78W的制冷片3片,环境温度28.5?C.温控性能测量结果如表1所示,其中23~60?C的上位机温控曲线如图4所示. 表1 温控性能测试结果 温度设定(?C) 23--40 23-45 23-50 23-55 23-60 23-65 23-70 稳定时间(min) 4'

47'

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5'

56'

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6'

36'

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6'

56'

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7'

05'

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7'

38'

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7'

51'

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最大动态误差(?C) 0.6 0.8 0.4 0..6 0.4 0.3 0.4 静态误差(?C) 0.1 0.1 0.2 0.1 0.1 0.1 0.1 图4 23-60 ?C的上位机温控曲线图 5.3 测试结果分析 由测试结果可见,系统性能达到了所设计的指标.动态误差在1?C范围内,静态误差基本上稳定在0.1?C,全程的升温时间小于8min,而且还有液晶屏和上位机曲线显示的特色功能.该系统可用于工业温控中.