电子竞赛之水温控制系统

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电子竞赛之

水温控制系统



设计功能及要求功能设计制作一个水温控制系统，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，以保持设定温度基本不变。指标要求环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差≤ 1℃。温度设定范围为 40 ～ 90℃，最小区分度为 1℃，标定温度≤ 1℃。用十进制数码管显示水的实际温度。



发挥部分采用适当的控制方法，当设定温度突变（由 40℃提高

60℃）时，减小系统调节时间和超调量。温度控制的静态误差≤ 0.2℃。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。

设计功能及要求



水温控制系统



摘要本系统采用凌阳十六位单片机 SPCE061A 实现温度控制，温度信号由 PT1000 和电压放大电路提供。通过

PID 算法实现对电炉温度和水温控制。同时，具有温度数字语音播报和显示。

http://www.unsp.com.cn/productsale/BigImage.asp?PRODUCT_ID=12

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（一）方案设计与论证测量部分　方案一：采用热敏电阻，可满足 40 摄氏度至 90 摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性都比较差，对于检测小于 1 摄氏度的信号是不适用的。方案二：采用温度传感器铂电阻 Pt1000。 Pt1000 精

度和重复性较好，且电路设计方便。



（一）方案设计与论证驱动部分方案一：此方案采用 89C51 单片机实现，但是 8

9C51 需外接模数转换器来满足数据采样。如果系统增加语音播放功能，还需外接语音芯片，对外围电路来说，比较复杂，且软件实现也较麻烦。另外， 51 单片机需要用仿真器来实现软硬件调试，较为繁琐。



（一）方案设计与论证驱动部分　方案二 : 此方案采用 SPCE061A 单片机实现，此单片机内置 8路 ADC,2路 DAC, 且集成开发环境中，配有很多语音播放函数，用 SPCE061A 实现语音播放极为方便。另外，比较方便的是该芯片内置在线仿真、编程接口，可以方便实现在线调试，这大大加快了系统的

开发与调试。



（二）系统硬件电路设计硬件电路结构

SPCE061A16bi t CPU

键盘设定数据显示

- -串行接口打印数据采集

继电器热电炉

语音播放



继电器部分电路

Q8

NPN8050

IOA4

VCCK1

RELAY SPDT

35

412

CONTROLRELAY



继电器简介常用的继电器种类固态继电器；电磁继电器继电器重要的指标数： 1) 触点最大额定值――触点能可靠通断的最大电压和电流值，它是一个与最大开断功率、最大通断电压和最大通断电流相关的参数，此参数将在每种继电器的详细规范中以曲线的形式表示；



最大通断电压――触点能可靠通断的电路电压上限，一般情况下，交流和直流的最大电压值不相同。

最大通断电流――触点能可靠通断的最大电路电流上限，一般情况下，交流和直流的最大电流值不相同。

继电器简介



测温部分电路Pt1000 部分电路

VCCVCC_5V

VCC

D1

1.2V

100k

R

CHECK_TEMPERATURE

+

-

U1B

HT9274

5

67

411

R3R

100k

1MVCC

R4

Pt1000

1k

+

-

U1A

HT9274

3

21

411

1M



温度传感器铂电阻铂电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定能用于工业测温元件和作为温度标准。 Rt = R0(1+At+Bt*t) Rt 是温度为 t 摄氏度时的电阻， R0 是温度为 0 摄氏度时的电阻； t 为任意温度； A,B 为温度系数。 Pt1000: 0 摄氏度时阻值是 1K欧姆， 100 摄氏度阻值是 1380欧姆。零点调节方法：外接固定阻值 1K欧姆，调节电位器输出电压为稳压二极管电压值。此处为 1.2V. 热敏电阻（ NTC,PTC,CTR) 集成温敏传感器



运放介绍 HT9274 集成四个运算放大器单电源供电工作电压 1.6V---5.5V 低功耗每个放大器消耗电流 <5uA 与 LM324/274（ 14pin ）兼容运放电路：采用差动运放。可以进行手动调节。定零点比较方便较准确。



LED数码管电路R32

R-PACK4

1 23 45 67 8

Q180502

13

IOA13

IOB0

Q38050

2

13

IOB2

IOA14

R32

R-PACK4

1 23 45 67 8

IOA11

IOA9

LED5641AU10

13 9 4 2 1 12 5 3 8

14 11 7 10 6

A+ B+ C+ D+ E+ F+ G+ DP+

DD+

COM

1-

COM

2-

DD-

COM

3-

COM

4-

IOA10

IOA12

IOA8

IOB1

IOA15

LED-3

Q280502

13



LED数码管介绍电路分析：此处使用的电阻起限流和稳流作用。晶体管用来做电流开关，总体来说电阻和晶体管都是用来调整 LED 数码管亮度的。另外考虑到软件驱动显示的方便性，因此选择的端口为 IOB0至 IOB9。数码管简单介绍：用单片机驱动 LED 数码管有很多方法，按显示方式分，有静态显示和动态（扫描）显示，按译码方式可分硬件译码和软件译码之分。静态显示数据稳定，使用的硬件较多；动态显示需要 CPU 时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的 CPU 时间多。这两种显示方式各有利弊；静态显示虽然数据稳定，占用很少的 CPU 时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，动态显示虽然有闪烁感，占用的 CPU 时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。



Q1

NPN-8050

2

13

D1

LED

21

Q1NPN-8050

2

13

R12

1K

R12

1K

D1

LED

21Q3

PNP-8550

Q3

PNP-8550

R12

1KD1

LED

21

R12

1K

D1

LED

21

LED数码管介绍基本电路连接



按键部分电路KEY_1_3

IOA2

SW1IOA0

IOA1

SW1

SW1



语音播放部分电路

C25

104 R91K

13

2

J3

Speaker

12

C26

104

SPL

R10

1K

DAC

+C21

100u

J12

PHONEJACK

123

VDDHJ2

CON3

1 2 3

AVSS2

VSS

C20

104

C23

224

+

-

U2

SPY0030

5

4

6

1

2

83

7

DAC

SPH



功放芯片介绍 SPY0030简介工作电压 2.4V---6V 最高输出功率达到 850mW



串口通讯部分电路

VB1

SUB-D 9

594837261

C5104

XTXD1

U1

HIN232CP

12345678 9

10111213141516

C1+V+C1-C2+C2-V-DOUT2RIN2 ROUT2

DIN2DIN1

ROUT1RIN1

DOUT1GNDVCC

VDDH

+

C11

0.1u

VDDH

XRXD1

+

C4

0.1u

+

C10

0.1u

+ C3

0.1u



温度设置状态在温度设置状态下，加热炉停止工作， LED 随按键次数而变化显示。按确认键后，进入温度设置确定状态。

（三）系统软件设计



温度确定状态在此状态下，如果按确认键，回到温度设置状态。 1 、水温高于设定温度加热炉停止加热， ADC 定时采样，并送 LED 显示。当温度为整数值时，语音播报。当温度与设定温度差距为 2 摄氏度时，启动

PID 控制，进行微调。使温度稳定在设定温度。2.水温低于或等于设定温度加热炉开始加热， ADC 定时采样，当温度低于设定温度 2摄氏度时，启动 PID 控制，进行微调。使温度稳定在设定温度。

（三）系统软件设计



PID算法介绍直接计算法就是当前需要的控制量　　公式： Pout = Kp * e(t) + Ki * ∑e(t) + Kd (e(t) – e(t-1));增量计算法就是得到的结果是增量，也就是说在上一次的控制量的基础上需要增加的控制量。公式： Pout(t-1) = Kp*(e(t) – e(t-1) + Ki e(t) + Kd(e(t) –2*e(t-1) + e(t-

2)); 根据工程经验值，对温度过程的采样周期一般为 5—20s ，考虑到

1kW 电炉对 1L水的加温可能较快，采样周期暂定为 5s ，在根据实际情况作调整。



基本偏差 :e(t) 表示当前测量值与设定目标之差，设定目标是被减数，结果可以是正或负，正数表示还没有达到，负数表示已经超过了设定值。这是面向比例项用的变动数据。累计偏差：∑ e(t)= e(t) + e(t-1) + e(t-2)+…….+e(1), 这是我们每一次测量到的偏差值的总和，这是代数和，考虑到正负符号的运算，这是面向积分项用的变动数据。基本偏差的相对偏差： e(t) – e(t-1) ，用本次的基本偏差减去上一次的基本偏差，用于考察当前控制的对象的趋势，作为快速反应的重要依据，这是面向微分项的一个变动数据。

PID算法介绍



比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。

PID算法介绍



程序结构框图程序结构

键盘扫描

键值处理 PI D计算

AD 采样

继电器控制

语音播报

LED显示



主程序流程图开始

系统初始化

键盘处理

温度确定状态处理

温度设置状态

温度设置状态处理

Y

N



程序流程图是否有数字键按下

温度设置状态处理开始

LED刷新显示数据

是否有确认键按下

设置系统状态为温度确认状态

Y

LED显示

返回

N

Y

N 语音播报设定温度



中断程序流程图2Hz中断

ADC取数据

5是否到秒钟

退出

Y

N

FI Q_TMA中断

填充语音队列

语音数据解码

退出



（四）测试方法与结果1. 测试环境环境温度 28 摄氏度测试仪器 : 数字万用表；温度计 0---100 摄氏度；打印机；秒表2．测试方法使系统运转，采用温度计同时测量水温变化情况，得出系统温差指标。3．测试结果设定温度由 40 摄氏度到 60 摄氏度标定温差 <=0.4 摄氏度调节时间 350秒静态误差 <=0.2 摄氏度最大超调量 0.5 摄氏度4. 测试结果分析如果加入模糊控制会使调节时间缩短，增强 PID 控制的效果。



（五）总结由于 SPCE061A 的时钟最高可达 49M， 32个 I/O口，而且具有一定的语音处理功能等，这些都为我们实现电路提供了非常便利的条件。同时也因为开发环境友好，易用，方便同时配有语音播放函数，这些大大加快系统开发设计。本系统核心是控制算法的设计和实现，各方面指标基本达到题目要求。



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