水温控制

目前，水温控制被廣泛應用於食品、醫藥、化工、家電等領域。水温控制系統性能的好壞直接影響產品的品質。因此，研究水温控制技術具有十分重要的意義。

温度控制系統可以説是無所不在，熱水器系統、空調系統、冰箱、電飯煲、電風扇等家電產品以至手持式高速高效的計算機和電子設備，均需要提供温度控制功能。及時準確地得到温度信息並對其進行適時的控制,在許多工業場合中都是重要的環節。對於不同控制系統，其適宜的水質温度總是在一個範圍。超過這個範圍，系統或許會停止運行或遭受破壞，所以我們必須能實時獲取水温變化。對於，超過適宜範圍的温度能夠報警。同時，我們也希望在適宜温度範圍內可以由檢測人員根據實際情況加以改變。

單片機對對温度的控制是工業生產中經常使用的控制方法.自從1976年Intel公司推出第一批單片機以來，80年代單片機技術進入快速發展時期，近年來，隨着大規模集成電路的發展，單片機繼續朝快速、高性能方向發展。單片機主要用於控制，它的應用領域遍及各行各業，大到航天飛機，小至日常生活中的冰箱、彩電，單片機都可以大顯其能。以單片機為核心的水温控制系統也應運而生。傳統的温度採集電路相當複雜，需要經過温度採集、信號放大、濾波、AD轉換等一系列工作才能得到温度的數字量，並且這種方式不僅電路複雜，元器件個數多，而且線性度和準確度都不理想，抗干擾能力弱。現在常用的温度傳感器芯片不但功率消耗低、準確率高，而且比傳統的温度傳感器有更好的線性表現，最重要的一點是使用起來方便。下面就讓我們一起去探討研究一種以單片機為核心，基於温度傳感器的水温控制系統。

目前市場上經銷的温度控制系統大多是採用模擬電路及繼電器控制，存在電路繁瑣,可調節性差，受温度影響大，響應速度慢，有噪音等缺點，針對這些缺點我們對它進行了再次設計。 ^[1] 

實現滿足題目要求的水温自動控制系統需要解決以下兩個方面的問題：一是高精度的水温測量電路及其數據處理的實現，另一個是控制方法及其控制電路實現的研究。數字控制方法遠遠優於模擬控制方法。目前，實現水温的高精度控制常採用數字控制方法，可用的控制算法有開關控制、經典PID控制、模糊控制等。為了追求控制系統具有最小的穩態誤差、最好的動態過程，即具有最小的超調量和最短的穩定時間，人們一直在不斷研究各種控制方法的應用。

水温控制（Water temperature control）是以水的温度作為被控變量的開環或閉環控制系統。其控制方法諸如温度閉環控制，具有流量前饋的温度閉環控制，水的温度為主參數、流量為副參數的串級控制等。

水温控制在分佈參數系統中，水温控制是以控制温度場中温度分佈為目標的。

水温控制的一個特性是具有記憶效應，因此，恆温過程的數字PID控制算法宜採用增量式。與位置式算法相比，增量式算法消去了積分項，因而可消除控制器的積分飽和，在精度不足時，計算誤差對控制量的影響較小，易取得較好的控制效果。增量式數字PID公式如下：

式中:

單片機水温控制系統，是用來控制電爐温度，讓它的温度始終保持在某一個範圍內的恆温值，為此對温度的控制我們可採用很多種方法，以往的水温控制系統都採用開關式控制方式，使用的是模擬式調節儀表，我們可通過一位式模擬控制方案，用電位器設定給定值，反饋的温度值和設定值比較後，決定加熱或不加熱。

其特點是電路簡單，易於實現。

但是存在着不足之處：系統所得結果的精度不高而且調節動作頻率、系統靜差大，不穩定。系統受環境影響大，不能實現複雜的控制算法，不能用液晶顯示，不能用鍵盤設定。單片機温控系統多種多樣，針對不同的被控對象可以設計出不同的硬件電路。為了實現高精度的温度控制，可採用了以AT89C51為控制核心的單片機控制系統，温度實時控制採用的是多次測量取不同的PWM值來觸發可控硅從而調節加熱絲的有效功率。並用液晶顯示水的實際温度，尤其對温度控制，它可達到模擬控制所達不到的控制效果，並且可實現顯示、打印，鍵盤設定，遠程控制，報警等功能，大大提高系統的智能化，也使得系統所測結果精度大大提高。並且為了保證系統穩定運行,在軟硬件方面都採取了一定的措施。主程序主要處理系統初始化、掃描鍵盤、採樣温度值和對採樣數值進行數字濾波等工作。系統靈敏度高和抗幹能力強，具備較高的測量和控制精度。

該控制系統主要是針對控制水杯中的温度而設計的，它具有檢測精度高、使用簡單、成本較低和工作穩定可靠等特點，所以具有一定的應用前景。它也不僅可應用於科研水中的温度檢測與控制，也可應用於實際孵蛋房、豆芽菜房等生產工作間恆温控制的場合。

過渡平滑處理過程可分為兩種情況討論:

1)當設定時間與全功率狀態下達到設定温度所用的時間相接近時，為了獲得較好的時間一温度同步性，選擇以下方式:當温度小於某一值時停止加熱，然後切換到PID控制。一般是將全程温度分成若干檔位，每段檔位對應合適的值和PID參數，按照設定值選擇合適的檔位即可。

2)當設定時間大於兩倍(或者兩倍以上)全功率狀態下達到設定温度所用的時間時，輸出校正因子K隨着時間逐漸由大變小，當K≤2時，PWM的佔空比≥5000。這種較大的佔空比有利於獲得較好的同步性，但是它同樣也給後續恆温保持環節帶來較大的温度超調。在兼顧同步性的前提下，有效地抑制超調，採取如下平滑處理:

①限幅輸出，當温差etemp = 2℃且K≤1時，PWM的佔空比預取60;

②切換到PID控制，調整參數;

③觀察同步性，若不理想，修改佔空比，繼續調整參數。

智能水温控制系統的控制器設計主要包括定時加熱設計和恆温保持設計兩部分。由於水温控制具有一定的滯後特性，且引起這種滯後效應的因素較多，例如加熱材料的物理特性、加熱過程中水體與外界環境的熱能交換以及水體自身受熱蒸發所導致的質量變化等，這些因素具有不確定性，因此，水温控制系統的精確數學模型很難建立起來，為了避開這類複雜問題，定時加熱控制器以一個近似數學模型為基礎，通過採用逐次修正輸出校正因子的方法迫使實際輸出逐步逼近理論輸出。

智能水温控制系統的控制器選擇89C52單片機;温度傳感器選擇DS18B20;時鐘芯片選擇DS12C887+;鍵盤芯片選擇MAX6955;顯示器選擇青雲LCM 128645ZK型液晶。採用串行方式將液晶屏與單片機連接;MAX6955的P4引腳與單片機的P3.3引腳相連接;單片機的P1.6引腳作為輸出口，經過非門後與固態繼電器相連接。

軟件整體主要由3部分構成，即一個主程序和兩個中斷程序。其中主程序負責解決芯片初始化、温度和時間採樣顯示以及計算分析等問題，其中合理性判別主要分析時間、温度的設置是否合理，即設定時間在1一90倍全功率加熱狀態下上升到設定温度所需時間之間。定時器T_o每20 ms中斷一次，通過計數完成周期為2 000 ms的PWM數字脈衝；MAX6955外部中斷函數主要用於按鍵識別及處理，軟件流程如圖1所示。 ^[2]