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电子竞赛 之 水温控制系统. 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。. 设计功能及要求. 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℃ 。
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电子竞赛 之 水温控制系统
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。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。 设计功能及要求
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
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。 摘要
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89C51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。 （一）方案设计与论证
硬件电路结构 （二）系统硬件电路设计
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； 继电器简介
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
Pt1000部分电路 测温部分电路
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 温度传感器
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。 运放介绍
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。 LED数码管介绍
LED数码管介绍 基本电路连接
SPY0030简介 工作电压 2.4V---6V 最高输出功率达到850mW 功放芯片介绍
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
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。 PID算法介绍
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。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
（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。
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。 （五）总结
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