水溫控制系統設計與總結報告(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 的靜觸點，稱為 “ 常開觸點 ” ；處于接通狀態的靜觸點稱為 “ 常閉觸點 ” 。 電磁繼電器 的原理圖如圖 。 8 圖 電磁繼電器 方案二：采用可控硅元件控制。 可控硅是 P1N1P2N2四層三端結構元件，共有三個 PN結，分析原理時，可以把它看作由一個 PNP管和一個 NPN管所組成，其等效 圖解 如圖 。 當陽極 A 加上正向電壓時， BG1 和 BG2 管均處于放大狀態。此時，如果從控制極 G輸入一個正向觸發信號， BG2便有基流 ib2流過，經 BG2放大，其集電極電流 ic2=β 2ib2。因為 BG2的集電極直接與 BG1 的基極相連，所以 ib1=ic2。此時，電流 ic2 再經 BG1 放大，于是 BG1的集電極電流ic1=β 1ib1=β 1β 2ib2。這個電流又流回到 BG2的基極，表成正反饋，使 ib2不斷增大，如此正向饋循環的結果，兩個管子的電流劇增，可控硅使飽和導通。由于 BG1和 BG2所構成的正反饋作用，所以一 旦可控硅導通后，即使控制極 G的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導通狀態，由于觸發信號只起觸發作用，沒有關斷功能，所以這種可控硅是不可關斷的。由于可控硅只有導通和關斷兩種工作狀態，所以它具有開關特性，這種特性需要一定的條件才能轉化， 此條件見表 所示。 圖 可控硅等效圖解 表 可控硅導通和關斷條件 狀態 條件 說明 從關斷到導通 陽極電位 高于是陰極電位 控制極有足夠的正向電壓和電流 兩者缺一不可 維持導通 陽極電位高于陰極電位 陽極電流大于維持電流 兩者缺一不可 從導通到關斷 陽極電位低于陰極電位 陽極電流小于維持電流 任一條件即可 在上述兩種方案中， 繼電器的壽命比不上可控硅 ,但是可控硅的過壓過流能力遠遜 于 繼電器 ,作為工控產品 ,可靠性應該不單單考慮元件的理想壽命 ,還應該考慮元氣件的抗干擾 ,過壓過流能 9 力 以及電路的簡潔 ,簡單 。在這些方面繼電器都要比可控硅有優勢。且繼電器 壽命也不會很短 ,繼電器的一般壽命 (JZC22F)在 一百萬 次以上 ,也就是可以使用十年以上 。綜上所述，選擇方案一，利用繼電器控制加熱器件的導通與關閉即達到水溫的控制目的。 2．單元電路設計 水溫測量電路的設計 溫度傳感器置于水中，將感應到的溫度信號轉換成微弱 的模擬信號，模擬信號通過運算放大電路的放大就可以輸入到 AD轉換電路中進行 AD 轉換。具體測量電路如圖 。運算放大電路采用正相放大 接法，由圖可知放大倍率即運放增益 A0 為： 10 20701RRA R??? 式中 R10=R20=2K， R7=1K ,得到 A0=5。由于 LM35的靈敏度為 10mV/℃ ,故其輸出的最大模擬電壓為 1V，經運放放大后最大輸出電壓為 5V，滿足 AD轉換 輸入電壓 0至 5V的范圍 要求。 圖 水溫測量電路 AD 轉換電路 經 傳感器和運放輸出的模擬信號必須經過 AD轉換電路 ,將模擬信號轉換成數字信號才能被單片機處理。 AD轉換芯片目前用的比較多的是 ADC0809,他可以直接輸入 8個單端的模擬信號。 如圖， ADC0809的 START端是啟動控制輸入端，由單片機控制，一個正脈沖過后 AD開始轉換； CLOCK端 是時鐘信號輸入端，當系統頻率為 12MHZ時， ALE信號頻率約為 1MHZ，然后通過 74LS74 D觸發器進行二分頻，即可符合 ADC0809的時鐘信號頻率要求。 OE為數據輸出允許信號，輸入 高電平有效。當 A／ D轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態門，輸出數字量。 A， B，C為模擬輸入選擇端，由于在本系統中只需輸入一個模擬信號，故 A,B,C均接低電平表示選擇 IN0口 輸 入 模 擬 信 號 。 10 圖 AD 轉換電路 控制電路設計 圖 AT89C52的最小系統以及外圍電路 11 單片機接受 AD轉換電路輸入的數字信號，并將輸入的信號進行處理和運算，以控制控制電流或者控制電壓的形式輸出給被控制的單元電路，完成各項任務要求。 單片機 AT89C51外接顯示電路， AD轉換電路和繼電器驅動電路。具體電路如圖 。Header 8是 AD轉換器數字量輸出的接口， (RELAY) 為繼電器電路的接口， (POWER_OUT)接單片機工作指示燈的輸入，高電平有效。 數碼管動態顯示電路 在本系統 中采用動態數碼管顯示方式驅動 4 個七段數碼管， 4 個七段數碼管用來顯示當前的溫度。 圖 ，由于 AT89C52單片機每個 I/O口的拉電流只有 1~2mV,但是在灌電流的情況下卻能達到 20mV左右， 采用共陰極需要加驅動電路， 采用共陽極數碼管不需要驅動電路 ， 可以使電路得到簡化。 圖中， A1,A2,A3,A4為四位數碼管的為選端， A,B,C,D,E,F,段選端。 圖 數碼管動態顯示電路 繼電器電路 繼電器 用于控制加熱器的導通與關閉，其導通與關閉時間由單片機控制，從而維持水溫的平衡。如圖 ，圖中 RELAY與單片機的 ，當 ，繼電器上電導通，開關打下，加熱器件導通開始加熱。 圖 繼電器電路 12 3. 軟件設計 系統的軟件設計采用 C語言，對單片機進行編程實現各項功能。程序 是在 Window XP 環境下采用 Keilu Vision 2 軟件進行編寫的。 PID 控制算法介紹 在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID控制，又稱 PID調節。 這種控制方法集比例、微分調節方法于一體，是現今的一種比較成熟的控制方法，也是使用比較廣泛的一種控制方法。這種控制方式具有直觀、實現簡單和性能好等一系列優點 。PID 具體算法有兩種：直接計算法和增量計算法。 這里所謂的增量算法就是相對于標準算法的相鄰兩次運算之差，得到的結果是增量也就是說在上一次的控制量的基礎 上需要增加（負值意味著減小）控制量。，對于溫度控制就是需要增加或減小加熱比例。二直接算法得到的是當前需要的控制量，相鄰兩次控制量的差就是增量。在本系統中，我們采用的是增量計算法。 標準的直接計算法公式： * ( ) * ( ) ( e ( t) e ( t 1) )O U T P i dP K e t K e t K? ? ?? 上一次的計算值： p i dPou t( t 1 ) = K * ( e ( t) e ( t 1 ) ) + K e ( t) + K ( e ( t) e ( t 2 ) ) 兩式相減即可以得到增量計算的公式： p i dP dl t= K * ( e ( t) e ( t 1) ) + K e ( t) + K ( e ( t ) 2* e ( t 1) + e ( t 2) ) 式中 pK , ,idKK 分別稱為比例常數，積分常數和微分常數， e(t)為基本偏差， ()et? 為累積偏差。其中三個常數在控制中的作用為： 例調節作用：是按比例反應系統的偏差，系統一旦出現了偏差，比例調節立即產生調節作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例，使系統的穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。 積分調節作用：是使系統消除穩態誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調節就進行，直至無差，積分調節停止，積分調節輸出一常值。積分作用 的強弱取決與積分時間常數 Ti， Ti越小，積分作用就越強。反之 Ti大則積分作用弱，加入積分調節可使系統穩定性下降，動態響應變慢。積分作用常與另兩種調節規律結合，組成 PI 調節器或 PID 調節器。 微分調節作用：微分作用反