自动水温控制系统设计

课程名称：电子微系统设计挑战

实验题目：自动水温控制系统设计

课程简要信息

“电子微系统设计挑战”是XX大学“示范性微电子学院”面向集成电路设计专业本科高年级（三、四年级）学生开设的一门挑战性课程。挑战性课程的目标是培养学生分析解决问题、沟通合作和探索创新等多种能力，促进学生敢于并善于挑战自我，进行研究型学习。学生在完成挑战性任务的过程中获得成就感，进而增强其勇气和信心。

集成电路设计专业的学生学习了较多的微电子及器件方面的课程，但对电子系统缺乏必要的认识，系统设计能力则更为欠缺，这不利于高年级学生即将面临的升学及就业。因此在国家“集成电路专业综合改革试点”项目的支持下，“示范性微电子学院”重点建设并开设出本课程以拓展学生电子系统设计概念，训练学生综合应用知识的能力，并激发学生的创新意识。

实验内容与任务（限500字）

基于课程定位，要求项目实验设计必须具有综合性（需综合应用多种知识解决问题）、探索性（解决方案多样，没有预设答案）、挑战性（题目具有一定难度，有纵深，完成基本指标较为容易，完成挑战指标必须创新）。课程组精心设计了自动水温控制系统设计、语音录制及回放系统设计、高精度频率测试系统设计等3个项目供学生选择。本次汇报以自动水温控制系统为例。

实验任务：设计并制作一个水温自动控制系统（成果形式：硬件+软件），控制对象为500ml自来水，容器为玻璃烧杯，加热设备为12V直流电热棒。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度变化时实现自动恒温控制，以保持设定的温度基本不变。

基本要求：

（1）温度设定范围为40～80℃，最小区分度为1℃。　　

（2）环境温度变化时，温度控制的静态误差≤1℃。　　

（3）用十进制数码管显示水的实时温度。

挑战要求：

（1）采用适当的控制方法，当设定温度突变（比如由40℃提高到60℃）时，使系统的调节时间和超调量尽量小。　　

（2）温度恒定控制的静态误差≤0.3℃。　　

实验过程及要求（限300字）

本项目建议学生面向实验室已有的基于XILINX SPARTAN芯片 的EDA（电子设计自动化）开发平台进行开发，该平台提供控制主芯片FPGA、数码显示、控制输入等硬件资源（可允许学生使用单片机等核心器件进行开发）。学生需合理设计电源电路、水温传感电路、信号调理电路、A/D采样电路、电热棒驱动控制电路、与EDA开发平台接口等硬件部分，同时还需进行探索研究，灵活应用相关控制原理算法设计软件部分以实现较高的恒温控制精度及减小系统的调节时间和超调量。课程组认为，本科高年级学生面临升学及就业，项目文档的撰写及演示汇报训练也十分必要，因此本实验也要求学生撰写设计方案报告及项目结题报告，并最后制作PPT演示答辩。实验的流程如下：

图1实验流程图

相关知识及背景（限150字）

项目涉及电源交直流变换、数字逻辑控制、模拟信号采样、传感器信号调理、EDA设计、控制原理等多种知识，其应用背景为工业用的恒温水浴系统。完成该项目的基本要求指标，学生需要综合应用所学电子电路知识进行硬件及软件设计并进行联合调试；而要完成挑战要求指标，学生必须具有创新思维，灵活应用自动控制原理算法才能实现。

教学目标与目的（限100字）

本项目以拓展集成电路设计专业学生电子系统设计概念为主要目标，培养学生综合应用多种知识解决问题、沟通合作、书写演讲等多方面能力，并激发学生的创新意识，促使学生进行研究型学习，以使学生能胜任日后的科研工作。

教学设计与引导

本项目涉及的知识面较宽，有部分学生感到无所适从，不知从何下手。为帮助“零设计基础”的学生上手，基于“化繁为简、各个击破”的问题解决策略，我们在教学设计上对项目进行了分解。首先，从项目任务性质上，划分为“硬件设计”+“软件设计”。我们建议“零设计基础”学生先实现硬件系统，而后进行控制算法的研究。即采用“先硬后软”的设计策略。

在硬件设计层面，我们建议学生根据电路功能模块分步进行探索测试实验和电路设计：

（1）、进行万用表测试温度传感器电压输出随着水温变化的实验，帮助学生了解传感器的电气参数特性。

（2）、进行AD特性测试实验。可通过滑动变阻器分压等方式作为AD电压输入，观测AD输出，了解AD输入电压范围、参考电压、转换精度、采样频率等电气特性，图2为参考的AD测试电路。

图2 AD（以AD0801为例）特性测试参考电路

（3）、进行运算放大器应用设计实验。在理解了温度传感器及AD特性的基础上，建议学生在面包板上搭建基于运算放大器的传感器信号调理电路，并与AD对接。借助示波器等仪器，学生不难调试出信号调理电路。

（4）、进行AD采样信号与FPGA联接调试实验。FPGA采集到的温度传感信号直接通过内嵌的示波器ChipScope功能在计算机上进行观察。通过与成品温度计测试值进行对比，可以很方便的调试温度采集电路。

（5）、进行电热棒加热驱动电路设计实验。采用PWM控制方式，通过FPGA输出不同占空比的方波实现加热功率的控制。

（6）、进行联合调试实验。在各部分硬件电路搭建完之后，硬件电路进行整体调试，建议学生将FPGA中的温度控制算法简化成“0-1”控制法，即当前温度小于设定温度，启动加热，当前温度高于设定温度，关闭加热。将算法难度减至最小，以使学生集中精力处理硬件问题。

在面包板上完成硬件整体调试工作后，学生设计、外协加工、焊接PCB板，调试硬件电路。在硬件问题完全解决后，学生就可集中精力进行控制算法软件的编制。以实现挑战要求中系统调节时间和超调量尽量小以及温度恒定控制静态误差小的指标。　

在软件设计层面，我们也建议学生根据“先简后繁”的策略来进行设计：

（1）、测试 “0-1”控制法达到的温度恒定精度、系统调节时间和超调量等参数，分析原因，寻找解决办法。

（2）、引入PID等闭环控制算法，先只选定P项，通过MATLAB根据硬件实验（1）数据合理确定P项参数，并算法实现，测试分析。

（3）、加入I项及D项，重复（2）的过程，直至得到较高的系统指标。

（4）、能根据环境温度、当前温度、设定温度等参数，系统自适应选取合理的P项、I项、D项及环境耗散热补偿参数值，以实现系统高精度恒温、快速调节、超调量小等指标要求。

当然，对于已经具备设计经验或动手能力较强的学生，我们鼓励他们自由探索，不给他们设计既定路线以免束缚其思维。

对于部分学有余力的学生，可鼓励他们在项目完成后，继续在此基础上进行探索，可以设置一些启发性问题供学生们研究，比如：

（1）、本系统设计中的恒温控制必须补偿环境温度的影响。而在人体温度计设计上，对环境温度的补偿是一大技术难点，也是限制体温计测试精度的一大障碍，能否将本项目中的控制原理用于高精度的体温计设计上？

（2）、机器人动作精确控制是技术难点，能否将本项目的控制算法用于其中？对应的系统硬件应做哪些改动？

（3）、本项目设计的系统进行扩展，可以用于生产生活中哪些方面？如何扩展？家庭热水器控制？植物育种室自动温湿度控制？远程机房温湿度控制？植物自动浇灌系统？…….

实验原理及方案

本实验没有预设技术方案，一个可供参考的系统结构如图3所示。

图3 参考系统结构图

温度传感器采集的模拟信号经过调理放大，输出适合AD转换的电平，AD将温度信号转换成数字量输入到FPGA中处理，FPGA根据控制算法输出控制信号，驱动继电器对加热棒进行控制，以实现系统功能。同时FPGA通过数码管实时显示温度值。为便于系统调试，FPGA通过USB接口与计算机进行通信，以实现水温数据实时观测。

为实现温度的精确控制，建议以PWM方式控制电热棒的加热过程。温度控制算法可以参考PID控制算法。

PID（比例-积分-微分）控制算法是一种在工业控制应用中常见的反馈回路控制算法，由比例项P、积分项I和微分项D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。

本项目中，将当前ADC模块输出值与目标值的差值e[k]作为判断条件，作为系统的输入，系统的输出以P[k]表示，代表PWM信号占空比。系统响应函数如下：

$$P\lbrack n\rbrack = k_{p}e\lbrack n\rbrack + k_{i}\sum_{k = 1}^{n}{e\lbrack k\rbrack} + k_{d}\left{ e\lbrack n\rbrack - e\lbrack n - 1\rbrack \right} + B$$

其中，$k_{p}$为比例系数，$k_{i}$为积分系数，$k_{d}$为微分系数，B为散热功率补偿常数。ADC模块输出值与目标值的差值为：$e\lbrack n\rbrack = D\lbrack n\rbrack - D_{0}$，$D\lbrack n\rbrack$为当前ADC输出的采样值，$D_{0}$为目标值。

比例项的意义为当前水温与设定水温相差越大，则加热功率越大，让系统水温快速趋近设定水温；当前水温与设定水温值相差越小，比例项越趋近于0，加热功率趋近于散热补偿功率，实现缓慢靠近；积分项的意义为只要当前水温没有达到设定目标温度，系统就会累加误差，让系统水温以较小的调节步长（更高的精度）趋近于设定目标温度；微分项目的是改善系统的震荡性能，减小超调；散热功率补偿常数B的意义为当水温等于目标值时，比例项、积分项、微分项都趋于0，则加热器只提供散热补偿功率，使温度能稳定在目标温度。

在控制算法设计过程中，须根据实验情况利用MATLAB等数学工具合理设计$k_{p}$，$k_{i}$，$k_{d}$，B。

教学实施进程

教学进程分为方案设计、电路设计、联合调试、测试、答辩演示等环节。每个环节均需要教师与学生沟通、互动。其中，一些注意事项应引起教师特别关注：

（1）、在项目方案拟定环节，教师应充分与学生讨论，及时发现学生在器件选型中，传感器灵敏度、A/D采样精度、频率等硬件上可能抑制系统实现指标的问题，引导学生根据系统预定设计指标进行分析，选择合适的传感器、A/D器件。电热棒的驱动电路设计需要考虑足够的电流驱动能力，也必须提醒学生重视。整个电路方案要求学生用MULTISIM等工具进行仿真验证。

（2）、在PCB设计环节，教师必须提醒学生注意传感电路、A/D采样电路与数字逻辑电路及高压器件（电热棒）驱动电路之间的有效隔离，以防数字信号及高压噪声对传感电路及A/D采样电路造成串扰，从而影响系统设计指标。

（3）、在系统联合调试及测试环节，必须提醒学生注意操作安全，检查电热棒防水封装是否完整以避免漏电；水杯加热应放置在不易触碰的地方，以避免热水烫伤。

（4）、在答辩演示环节，教师提问应关注学生硬设计的原理及算法选取的依据，以防止部分学生抄袭他人作品。

实验报告要求

学生需提交两个报告：《项目设计报告》及《项目结题报告》。

《项目设计报告》需包含以下内容：

（1）、项目任务分析

（2）、实现方案推演

（3）、电路模块设计

（4）、控制算法仿真

《项目结题报告》需包含以下内容：

（1）、电路硬件设计

（2）、系统软件设计

（3）、系统测试结果

（4）、项目总结及改进建议

考核要求与方法（限300字）

学生考核需提交的材料：

（1）、《项目设计报告》

（2）、PCB版图

（3）、实物及测试指标参数

（4）、《项目结题报告》

（5）、演示PPT及答辩

教师从新颖性、复杂性（难度）、实现程度、展示环节等角度对作品进行评分，评分细则为：设计新颖性（可从《项目设计报告》及演示PPT等中反映）20%，设计难度30%（可从PCB版图及硬件设计中反映，如学生采用集成温度传感模块，适当扣分），实现程度30%（可从PCB版图、实物及《项目结题报告》中反映），报告及展示环节20%(可从报告写作、硬件实物及演示答辩环节中反映)。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

项目选题于工业恒温水浴系统，具有一定实用性。学生可据此拓展，设计类似控制系统参加各种竞赛。

项目设计综合应用多种知识。教学设计兼顾各种层次学生。“化繁为简、各个击破”的设计策略具有科研普适性。

项目实现方案多样，没有预设答案，鼓励学生探索、创新。设计能达到的指标上不封顶，鼓励学生深究、延展，激发学生挑战意识。

参赛选手信息表