水温控制系统设计与研究.docx
《水温控制系统设计与研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水温控制系统设计与研究.docx（46页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
水温控制系统设计与研究
摘要
本设计以89C52单片机为核心，采用温度传感器AD590、A/D采样芯片ADC0804及光电耦合器MOC3041和双向可控硅BTA12构成控制系统硬件电路，采用PID算法对温度进行控制。
该水温控制是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。
本设计实现了水温的控制，系统硬件由前向通道模块（即温度采样模块）、后向控制模块（温度控制电路）、系统主模块及键盘显示模块等四大模块组成。
系统的软件主要分为主程序、温度采样子程序、温度PID控制子程序、键盘读取子程序、温度显示子程序五大模块。
本课题的研究具有一定的应用价值。
关键词：
单片机温度传感器可控硅PID算法
Abstract
Thisdesignwith89C52asthecore,USESthetemperaturesensorAD590andanA/DsamplingchipADC0804andphotoelectriccouplerMOC3041andbidirectionalthyristorBTA12controlsystemhardwarecircuit,samplingPIDalgorithmtocontrolthetemperature.Thewatertemperaturecontrolisatypicaltestingandcontrollingapplicationsystem,itrequiresthesystemtoaccomplishthewatertemperaturedetection,signalprocessing,input,calculationtotheoutputcontrolduringtheprocessofelectricfurnaceheatingpowertoachievethewatertemperaturecontrol.Thisdesignhasrealizedthetemperatureintelligentcontrol,thesystemhardwareconsistsoftheforwardchannelmodule（i.e.,temperaturesamplingmodule）,tocontrolmodule（temperaturecontrolcircuit）,afterthesystemthemainmoduleandkeyboarddisplaymoduleandsoonfourbigmodules.Themainpointsofsoftwaresystemmainprogram,temperatureinappearance,temperaturePIDcontrolsubroutine,keyboardreadsubroutines,temperaturedisplaysubroutinefivemodules.Thistopicresearchhasacertainapplicationvalue.
Keywords：
SCMtemperaturesensorsSCRPIDalgorithm
1绪论
1.1课题研究背景
目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、小型化等方面快速发展，温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来说，仍然有着较大的差距。
早期产品主要以“位式”控制为主，它只能适应精度要求不高的温度控制系统。
常规的PID控制器，适用于要求较高的控制场合，当今温度控制向着智能化、自适应控制方向发展，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。
现在，我国在温度等控制仪表业与国外还是有着不小的差距。
随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、性价比高、适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。
1.2课题研究内容
本文主要研究了单片机温度控制系统的设计过程，其中涉及系统结构设计、元器件的选取、程序的设计、调试和系统参数的整定。
在系统构建时选取了AT89C52芯片作为该控制系统的核心，温度信号由新型的AD590温度传感器测量。
通过软件实现对水温的控制，使用可控硅作执行部件。
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控制，以保持被控温度与设定温度基本一致，系统具有响应速度快、超调量小，实现被控温度的实时监控。
使用keilc软件编程既减少了系统设计的工作量，又提高了系统开发的速度。
1.3本章小结
本章主要介绍了课题的研究背景，课题的研究内容并且对系统的工作模块，工作方式，基本的性能要求和需要的一些主要器件做了一些描述。
2方案论证
2.1总体方案论证
（1）方案一：
此方案是采
对象
用
执行器
传
位式调节
统的位式模拟控制方法一，如原理图2-1所示。
选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或者不加热。
其特点是电路简单，容易实现，但是系统所得到的结果精度不高并且调节动作频繁，系统静差大。
系统受到的环境影响大，不能实现复杂的控制算法，不易实现温度的显示，人机交换性能差。
给定
e
信号放大
数据采集
测量变送
图2-1位式模拟控制方法一原理图
（2）方案二：
此方案是采用传统的位式模拟控制方法二，如原理图2-2所示，其基本思想和方案一的相同，由于采用上下限比较电路，与方案一相比调节动作降低，但是控制精度还不是很高。
这种方法是模拟控制方式，故还不能实现复杂的控制算法。
因此要使调节动作得到更大的提高，还需要更好的控制方法。
对象
给定
执行器
位式调节
e
上下限比较电路
信号放大
数据采集
测量变送
图2-2位式模拟控制方法二原理图
（3）方案三：
此方案是采用PID控制为核心，如原理图2-3所示。
选用的是PID控制调节器，其特点是控制精度得到了很大的提高，能实现复杂的控制算法，并且具有很多优点如结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等等。
e
给定
对象
执行器
PID调节
信号放大
数据采集
测量变送
图2-3PID控制系统原理图
比较三种方案，方案三明显的改善了前两个方案的不足及缺点，并具有控制简单、控制温度精度高的特点。
因此本设计电路采用方案三。
2.2单元模块
本系统以单片机为基础核心，由前向通道模块、后向控制模块、系统主模块及键盘显示摸块等四大模块组成。
现将各部分主要单元模块进行比较与论证：
2.2.1控制方法
由于水温控制系统的控制对象具有热存储能力大，惯性也较大的特点。
水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。
一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会推迟一段时间，使输出与输入之间产生相移。
对于这样一些存在大的滞后特性的过渡过程控制，一般来说可以采用以下几种控制方案：
（1）比例控制调节（P）
e（t）
R1
∞
t
RO
0
Ui
y
UO
t
0
RO
图2-4a比例控制调节电路图2-4b阶跃响应曲线
比例控制的特点是控制器的输出与偏差成比例，输出量的大小与偏差之间有对应关系。
当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡时间短，但过程终了存在余差。
因此它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围内变化的系统。
使用时还应注意经过一段时间后需将累积误差消除。
系统电路图和阶跃响应曲线如图2-4a和2-4b所示。
（2）比例积分控制（PI控制）
C1
R1
e（t）
t
∞
RO
y
Ui
0
UO
t
RO
0
图2-5a比例积分调节电路图2-5b比例调节响应曲线
由于比例积分控制的特点是控制器的输出与偏差的积分成比例，积分的作用使得过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。
虽然加大比例度可以使稳定性提高，但又使过渡时间加长。
因此，PI控制适用于滞后较小、负荷变化不大、被控量不允许有余差的控制系统，它是工程上使用最多、应用最广的一种控制方法。
系统电路图和响应曲线如图2-5a和2-5b所示。
（3）比例积分加微分控制（PID控制）
C1
R1
CO
e（t）
RO
t
∞
0
y
UO
t
0
RO
图2-5a比例积分微分调节电路图2-5b比例积分微分调节响应曲线
比例积分加微分控制的特点是微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成正比例,它对克服对象的容量滞后有显著的效果。
在比例基础上加上微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差。
因此，PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。
结合本例题设计任务与要求，由于水温系统的传递函数事先难以精确获得，因而很难判断哪一种控制方法能够满足系统对控制品质的要求。
但从以上对控制方法的分析来看，PID控制方法最适合本例采用。
另一方面，由于可以采用单片机实现控制过程，无论采用上述哪一种控制方法都不会增加系统硬件成本，而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案。
因此本系统可以采用PID的控制方式，以最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。
系统电路图和响应曲线如图2-5a和2-5b所示。
2.2.2单片机系统选择
（1）方案一：
采用AT8031芯片，AT8031芯片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。
用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。
这给电路增加了难度。
（2）方案二：
采用AT89C52单片机，它是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器。
AT89C52与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能，功能强、灵活性高而且价格低廉。
AT89C52可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低了系统成本。
只要程序长度小于8K，四个I/O口全部提供给拥护。
系统运行中需要存放的中间变量较少，可不必再扩充外部RAM。
比较以上两种方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此方案应选择方案二。
2.2.3温度检测方案
方案一：
用热敏电阻。
通过电阻的变化来获得电压的变化，起价格虽然便宜但是精度不是很高。
对于一个精度要求高的系统不宜采用。
方案二：
用AD590。
通过AD590温度传感器采集温度，由于AD590是电流传感器，经过电阻转换成电压。
虽然价格高但是精度也更高。
经比较，我们选择方案二。
2.2.4键盘显示电路方案
控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，所以此部分电路设计的好坏直接影响到电路的好坏。
方案一：
采用可编程控制器8279与数码管及地址译码器74LS138组成，可编程/显示器件8279实现对按键的扫描、消除抖动、提供LED的显示信号，并对LED显示控制。
用8279和键盘组成的人机控制平台，能够方便的进行控制单片机的输出。
方案二：
采用单片机AT89C52组成控制和扫描系统，这种方案既能很好的控制及显示又为主单片机大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，价格便宜的特点。
方案一虽然也能很好的实现电路的要求，但考虑到电路设计的成本和电路整体的性能，我们采用方案二。
2.3本章小结
本章首先对系统的总体方案给予论证，抛弃传统温控办法，选择基于单片机的温控方案。
接着对各个模块进行了论证，温控算法（PID），单片机选型，键盘显示方案等进行了一系列的论证，更加进一步的细化了每一个功能模块，有助于系统的进一步开发设计工作。
3系统硬件设计
本电路总体设计包括五部分：
主机控制部分（AT89C52）、前向通道（温度采样电路）、后向通道（温度控制电路）、键盘和数字显示部分、图形显示。
3.1系统总体设计
本系统以AT89C52单片机为核心，采用了温度传感器AD590，A/D采样芯片ADC0804，可控硅构成控制系统。
系统框图如图3-1。
图形显示
微机控制系统
键盘显示电路
数值显示
电
炉
可控硅控制电路
功率放大电路
光电隔离
A/D采样电路
温度传感器
AT89C52控制系统
图3-1系统框图
3.2温度采样电路
系统的信号采集电路主要由温度传感器（AD590）、基准电压（7812）及A/D转换电路（ADC0804）三部分组成。
温度采样电路原理图如图3-2。
图3-2温度采样电路原理图
（1）AD590性能描述。
测量范围在-50℃--+150℃，满刻度范围误差为±0.3℃，当电源电压在5—10V之间，稳定度为1﹪时，误差只有±0.01℃。
AD590为电流型传感器温度每变化1℃其电流变化1uA在35℃和95℃时输出电流分别为308.2uA和368.2uA。
（2）ADC0804性能描述。
ADC0804为8bit的一路A/D转换器，其输入电压范围在0—5v，转换速度小于100us，转换精度0.39﹪。
满足系统的要求。
（3）电路原理及参数计算。
温度采样电路的基本原理是采用电流型温度传感器AD590将温度的变化量转换成电流量，再将电流量转换成电压量通过A/D转换器ADC0804将其转换成数值量交由单片机处理。
图3-3温度测量电路原理图
如上图3-3温度测量电路原理图。
图中三端稳压是以7812作为基准电压，由运放虚短虚断可知运放的反向输入端Ui的电压为零伏，当输出电压为零伏时，列出A点的节点方程如下：
由于系统控制的水温范围为35℃--95℃,所以当输出电压为零伏时AD590的输出电流为308.2uA,因此为了使Ui的电位为零就必须使电流Ib等于电流Ic等于308.2uA,三端稳压7812的输出电压为12v所以由方程（3-1）得
由方程（3-2）的取电阻R1=30k,R2=10k的电位器。
又由于ADC0804的输入电压范围为0—5v，为了提高精度所以令水温为95℃时ADC0804的输入电压为5v（即Uo=5v）。
此时列出A点的结点方程如下:
当水温为95℃时AD590的输出电流为368.2uA。
由方程式（3-3）得
R3+R6=83.33k因此取R3=81k,R6=5k的电位器。
3.3温度控制电路
此部分电路由光电耦合器MOC3041和双向可控硅BTA12组成。
MOC3041光电耦合器的耐压值为400v，它的输出级由过零触发的双向可控硅构成，它控制着主电路双向可控硅的导通和关闭。
100K电阻与0.01uF电容组成双向可控硅保护电路。
控制部分电路图如图3-4。
图3-4温度控制电路
3.4键盘及数字显示部分
在设计键盘/显示电路时，我们使用单片机AT89C52做为电路控制的核心，单片机AT89C52具有一个全双工的串行口,采用串口方便实现系统的控制和显示功能。
键盘/显示接口电路如图3-5。
图3-5中单片机AT89C52的P1口接数码管的8只引脚，这样易于对数码管的译码，使数码管能显示设计者所需的各数值、小数点、符号等等。
单片机AT89C52的P3.3、P3.4、P3.5接3-8译码器74LS138，译码器的输出端直接接八个数码管的控制端和键盘，键盘扫描和显示器扫描同用端口这样能大大的减少单片机的I/O，减少硬件的花费。
键盘的接法的差别直接影响到硬件和软件的设计，考虑/到单片机AT89C52的端口资源有限，所以我们在设计中将传统的4*4的键盘接成8*2的形式（如图3-5），键盘的扫描除了和显示共用的8个端外，另外的两个端直接和2051的P3.2和P3.7相连。
图3-5键盘/显示部分电路
3.5本章小结
本章对系统硬件设计进行了分析，运用了单片机AT89C52，温度传感器AD590，及采样芯片ADC0804等。
接着对系统的总体设计进行了规划，并对每个硬件进行了分析，让我们更进一步的了解到系统硬件的组成。
4系统的软件设计
本系统的软件系统主要分为主程序、温度采样子程序、温度PID控制子程序、键盘读取子程序、温度显示子程序五大模块。
在程序设计过程中，加强了部分软件抗干扰措施，下面对部分模块作介绍。
4.1主程序设计
程序按照模块化设计，所有功能都可通过调用子程序完成，主程序较简单。
开始运行程序时进入初始化状态，程序开始读取温度采样子程序、键盘读取子程序、温度显示程序、PID控制子程序然后返回到温度读取子程序，依次循环。
主程序流程图如图4-1所示。
开始
初始化
温度采样子程序
键盘读取子程序
温度显示子程序
PID控制子程序
图4-1主程序流程图
4.2模块程序设计
4.2.1温度采样模块
程序进入运行状态后，进入堆栈保护并且读入上一次的采样值，随后进入采样状态，采样完成后进入调用平均值滤波子程序，随后进入退出采样过程启动定时中断；然而采样没有完成进入到返回状态，依次循环。
温度采样流程图如图4-2所示。
开始
堆栈保护
读入上一次采样值
N
采样完成？
Y
调用平均值滤波子程序
退出采样过程启动定时中断
返回
图4-2温度采样流程图
4.2.2温度PID控制模块
温度PID控制程序流程图如图4-3所示。
PID为控制中最为成熟的一中算法，其一般算式及模拟控制规律表达式如下式（4-1）：
上式（4-1）中u（t）为控制器的输出；e（t）为偏差，即设定值与反馈值之差；Kc为控制器的放大系数，即比例增益；Ti为控制器的积分常数；Td为控制器的微分时间常数。
PID算法的原理即调节Kc、Ti、Td三个参数使系统达到稳定。
由于PID的一般算式不易与单片机的处理，因此我们在设计中采用了增量型PID算法。
将式（4-1）转换成式（4-2）的形式：
下式（4-2）中的u（k）即输出PWM波的导通时间。
开始
调用内存：
计算：
保存中间变量：
计算导通时间：
返回
图4-3温度PID控制程序流程图
4.2.3键盘读取模块
程序进入开始状态，读取键盘值，进入判定状态，有键按下进入一步动作消除颤抖，随后进入键盘处理，对相应数字进行具体说明；如果没有键盘按下返回到读取键盘值。
开始
读取键盘值
N
判断是否有键按下？
Y
消除颤抖
读取键盘值
键盘处理
5
3
1
6
4
2
显示温度
输出
确定
取消
清零
设定温度
图4-4键盘读取流程图
图4-4中的设定水温、显示温度、确定、取消、清零、输出，均为各种子程序，1、2、3、4、5、6代表个子程序的应用程序。
4.2.4显示子模块
程序进入开始状态，进行显示温度，如果显示温度则进行显示温度；如果不显示温度则进入显示设定值；如果显示设定值则显示设定值；如果不显示设定值则返回数据进行再次读取。
开始
N
N
显示设定值？
显示温度？
Y
Y
显示设定值sheshedingz
显示温度
返回
图4-5显示子模块流程图
4.3本章小结
本章对系统的软件设计进行了分析，让我们了解到系统的软件包括了系主程序、温度采样子程序、温度PID控制子程序、键盘读取子程序、温度显示子程序五大模块。
。
了解到PID算法是温度控制性能好坏的决定性因数，在软件设计过程中要更加了解部分软件的抗干扰措施，这样才能让软件更好的实现功能。
5结论
本论文设计了一种AT89C52单片机为核心的水温控制。
通过用一块52芯片外加扩展系统及一些相应的功能部件，经过预研、硬件设计、绘制原理图、系统软件的设计等一系列操作，最后组成一个水温的设定、检测、温度和控制的自动调节系统，使系统达到要求的性能指标，实现预期目的。
本文给出了该设计方法的原理说明和具体的设计电路，叙述了系统硬件线路的设计要点和结构以及软件的设计要点，同时给出了各个重要子程序的流程图。
本设计的不足之处还有待进一步完善，使其更好的服务于控制应用中。
本设计的主要特点有：
（1）模块化设计，扩展性强。
模块化设计，是控制器具有一定的通用性，而且运行安全可靠。
只要对控制器稍加改变就可以实现别的控制功能。
（2）成本低，易于推广。
所有元器件都采用了通用型产品，使得设计出来的产品及维修都相当方便，可以有效地降低成本。
（3）操作简单，控制器正面只要一排数码管和16个按键，人们只要通过16个按键设定好水温后，就不需要其他操作了。
（4）体积小，安装方便，反应灵敏，控制精度高。
本控制器还不够完善，有许多值得改进的地方，以下几个方面有待进一步提高：
（1）进一步提高温度测量精度，提高系统集成度和可靠性。
（2）控制算法的种类有很多，不断试验找出控制精度更高，更加有效的控制算法。
（3）温度的测量范围35℃—95℃范围应增大
参考文献
[1]张威然,邱影.基于单片机的水温控制系统设计与实现[J].硅谷:
2011,（19）.
[2]于光普,黎东升,尤传富.智能水温控制系统的设计及实现[J].长春工业大学学报,2011,20（01）:
10-15
[3]孙明超,靳亚林,肖术雷.基于AT89C52单片机的水温控制系统[J].数字技术与应用;2011,（07）.
[4]明鑫,陈可中,王戎丞,肖桂平.基于单片机的水温控制系统[J].2005.
[5]赵大兴;工程制图.高等教育出版社,2004.
[6]赵娜,赵刚,于珍珠,郭守清.基于51单片机的温度测量系统[M].武汉理工大学出版社,2008.2.
[7]张培仁.MCS—51单片机原理与应用[M].清华大学出版社,2003.
[8]徐瑞华.单片机原理与接口技术[M].人民邮电出版社,2008.10.
[9]陶永华.新型PID控制及其应用.上海机械工业出版社，1998.
[10]张友德.单片微型机原理、应用与实验.复旦大学出版社,2003.6.
[11]何小艇.电子系统设计.浙江大学出版社,2004.6.
[12]石宗义.电路原理图与电路板设计教程Protel99SE.北京希望电子出版,2002.
[13]吴慎山.电子线路设计与实践[M].电子工业出版社,2005.9.
[14]霍罡.可编程控制器模拟量及PID算法应用案例[M].高等教育出版社,2008.
[15]潘永雄,沙河,刘向阳.电子线路CAD实用教程.西安电子科技大学,2001.
致谢
本篇论文是在夏春梅老师的悉心指导下完成的。
从选题开始，到论文题目的确定，以及之后的论文撰写、修改与定稿，夏老师倾注了很多的心血，在她的严格要求、耐心帮助和认真指导下，本人得以顺利地完成本篇论文。
因此在论文完成之际，由衷地感谢夏老师，并向夏老师致以深深的敬意。
通过论文的撰写，自己在设计的完成过程中学到了很多知识，同时自己的各方面能力也得到了锻炼。
在设计初期，我曾经遇到不少的困难，但通过自己的努力和老师的指导克服了这些，并在实现基本要求
升级会员 