基于单片机的淋浴水温控制系统的设计

基于单片机的淋浴水温控制系统的设计摘要:本论文对实际情况进行数学建模,并根据分析和实验的结果设计了控制系统。利用工业控制的8031单片机搭建控制系统,系统的前向通道未用了成本低、休积小、线性电流传感器，为提高精度，传感器设计了T型滤波器以增加杭干扰能力，单片机应用未用PID葬法的撞制方式担制双向可控硅的导通、关断，调整功率，使之切断或接通加热器，从而控制水温稳定在预设定值上。系统后向通道采用干扰小、器件运行可靠的过零触发方式，省去了传统的D/A接口电路，简化了硬件设备。在软件设计中，为提高精度我们采用了数字滤波方案以减少干扰信号的比重。根据温控的单回路PID数字调节器的硬件设计，完成实时浏重(传感采样)、实时决策((PID控制运算)和实时控制(调功)三部分功能，为防止超调量过大，对PID算法进行了适当改进，用单片机产生PWM波对电机进行控制,调节冷热水管的流量,最终达到控制输出水温的目的。

目录

引言 (2)

1.设计任务 (2)

1.1基本要求 (3)

1.2发挥部分 (3)

2方案论证 (3)

2.1方案一 (4)

2.2方案二 (4)

2.3方案三 (5)

3方案设计 (6)

3.1系统工作原理 (6)

3.2主要电路设计 (7)

3.3软件设计 (9)

4性能指标测试: (12)

5结论 (13)

系统误差分析 (13)

参考文献 (14)

引言

随着自动化技术的进一步发展,现在很多家庭都希望能享受智能化服务的家居环境;人们生活无非衣食住行,对于居住,如果有智能化淋浴设施,更能为生活增色不少,智能化淋浴设施中关键的两项技术为:温度控制与流量控制,其中人们对于温度控制是希望在自己设定数值以后变化不大,仅仅在设定数值周围波动;而流量则直接按需要进行调节。

1.设计任务

设计制作一个淋浴水温控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。

淋浴水温调节系统由温度传感装置、控制系统、显示装置、冷水流控制装置、热水流控制装置、总流量控制装置构成,如图2-1所示。其中流量与温度有一定的关系,系统利用温度传感器测量水的温度,并将其结果传递到控制系统,将温度显示出来,并与所设置的温度进行对比,根据对比所得到的结果来控制冷热水的流量。

图2-1水温调节系统组成框图

水温调节系统目标是控制出水管的温度和流量。对于流量的控制,是通过手

动调节来实现的;而对于温度的控制,则是先通过控制面板手动调定好温度的数值,再通过闭环控制其真实水温围绕设定水温小范围波动。

1.1基本要求

(1) 温度设定范围为400C^J900C，最小区分度为1 "C，标定温差<10C<

（2）环境温度降低时(例如用电风扇降温)温度控制的静态误差<10Co

(3) 用十进制数码显示水的实际温度。

1.2发挥部分

(1) 采用适当的控制方法，当设定温度突变(由40℃提高到60 0C)时，减小系统的调节时间和超调量。

(2) 温度控制的静态误差<20℃

(3) 在设定温度发生突变(由40℃提高到60℃)时，自动打印水温随时间变化的曲线。

2方案论证

根据水温控制系统题目的要求，在初步论证时我们设计出三种方案:

2.1方案一

图2-2

图2-2所示，此方案采用电压比较法，将由传感器检测到的物理量经过变换器变换成电压量然后送入比较电路，与基准电压进行比较，然后控制继电器关断来进行电炉的加热。

同时将变换后的信号放大，送A/D积分变换显示出当前温度。

2.2方案二

图2-3

图2-3所示，本方案由传感器采样放大的信号，进行A/D变换和非线性校正后，将输出的数字量与存储器中前次采样进行比较，然后根据比较结果控制电炉工作以及当前温度显示。

2.3方案三

此方案采用单片机对系统进行智能化控制，不仅具有功能强、体积小、价格低的优点，而且可编程、智能化温度控制技术的广泛采用使得系统灵活性大大增加。

如图2-4所示，此方案控制部分采用8031单片机，输入部分采用半导体集成传感器，变换后信号经A/D采样送入CPU进行数字滤波，然后对信号进行非线性校正，并充分利用控制运算(PID )得出的控制量去控制双向可控硅的导通与关断，来切断或接通加热电源，调整电工功率，从而控制水温稳定在设定值上。

通过三种方案的比较分析，若采用前两种方案，利用常规化仪表加接触器(继电器)的断续控制方法，要达到题目给定的精度要求，从输入采样到输出控制的各种误差产生因素较多，精度难以达到要求。而采用单片机就可充分发挥其优点，将误差减小到最小，还可以方便地实现实时控制，而且在实验过程中，根据实验数据进行误差补偿和软件校正.其优点是传统电路无法比拟的。所以我们选定单片机实现电炉温度控制的单回路PID数字调节的第三种方案。

图2-4

3方案设计

3.1系统工作原理

图3-1

由单片机实现电炉温度控制的单回路PID数字调节系统的工作原理如图3-1所示。图3-1中，传感器AD590将温度信号转换成电流信号，通过放大器变成电压信号，然后送入A/D变换器，输出BCD码选入8031CPU，运算控制器根据接收数据进行处理，同时将数据保存，以便与下一次采样值进行比较，通过软件对所测电压进行数字非线性校正，同时由显示器进行实时显示。根据系统程序控制，进行PIB运算以及输出控制，最终由CPU给出控制加热回路的“有效过零脉冲”个数来控制可控硅的通断，达到调功的目的。

该系统被测参数是水的温度，由单片机经过控制运算(PID)得出的控制量去控制双向可控制硅的导通和关断，以便切断或接通加热电源，调整电工功率，从而控制水温稳定在设定值上。本系统采用过零触发方式，干扰小、器件运行可靠，同时省去了传统的B!A变换器件，简化了硬件设备。

(1) 调功原理

系统采用带光电隔离的过零触发型双向可控硅}C-SSR。由803?控制加在双向可控硅的过零脉冲信号的数目，从而控制可控硅导通的次数，达到调功的目的。