水温控制系统设计报告 陈政Word文件下载.docx

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（2011.11）

水温控制系统

摘要：

采用单片机AT89c52作为控制核心，用软硬件相结合的设计方法实现温度的检测，并给出声光报警。

具体思路是：

用单总线数字温度传感器DS18B20将被测对象的温度信号转换为数字信号，直接向单片机传输数字信号，经单片机处理后，当调节5分钟无效时，声光报警。

1.引言

该水温控制系统是一个典型的检测、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。

因此，应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。

本设计的任务与要求为设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1L净水，水温在一定范围内由人工设定，并在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的水温基本不变。

具备系统自检功能

温度设定范围为

，最小区分度为

，标定温度小于等于

；

环境温度降低时，温度控制的静态误差小于等于

用十进制数码显示水的实际温度；

当调节5分钟无效时，声光报警；

⑦当设定温度突变时，由

提高到

，减少系统的调节时间和超调量；

⑧当设定温度突变时，由

，自动打印水温随时间变化曲线。

2．方案论证

2．1总体方案论证

（1）、方案一：

此方案是采用传统的模拟控制方法（方案框图如图2-1-1），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。

器特点是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定。

系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法，而且不易实现对系统的控制及对温度的显示，人机交换性能差。

图2-1-1模拟控制框图

（2）、方案二：

采用单片机89c52为核心。

用单总线数字温度传感器DS18B20将被测对象的温度信号转换为数字信号，直接向单片机传输数字信号，经单片机处理后，使其达到稳定。

使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。

以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。

另外，单片机的使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口提供了可能，而这些功能在常规数字逻辑道路中往往是难以实现或无法实现的。

所以，本例采用以单片机为核心的直接数字控制系统。

比较两种方案，方案二明显的改善了方案一的不足及缺点，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二。

2．2模块方案论证

本电路以单片机为基础核心，系统由前向通道模块、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。

现将各部分主要元件及电路做以下的论证：

2.2.1控制方法论证

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：

a.输出开关量控制

对于惯性较大的过程可以简单地采用输出开关量控制的方法。

这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态：

开关或者通断，因此控制过程十分简单，也容易实现。

但由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因此容易硬气反馈回路产生振荡，对自动控制系统会产生十分不利的影响，甚至会因为输出开关的频繁动作而不能满足系统对控制精度的要求。

因此，这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。

b.比例控制（P控制）

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。

c.比例积分控制（PI控制）

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。

d.比例积分加微分控制（PID控制）

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。

2.2.2系统组成论证

就控制器本身而言，控制电路可以采用急经典控制理论和常规模拟控制系统实现水温的自动团结。

但随着计算机与超大规模集成电路的迅速发展，以现代控制理论和计算机为基础，采用数字控制、显示、A/D与D/A转换，配额后执行器与控制阀构成的计算机控制系统，在过程控制过程中得到越来越广泛的应用。

由于本例是一个典型的检测、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。

所以，本例采用以单片机为核心的直接数字控制系统（DDC）。

2.2.3单片机系统选择

AT89C2051、AT89C51单片机是最常用的单片机，是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器。

AT89C2051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。

AT89S51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4K，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。

2.2.4温度控制方案论证

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：

用单总线数字温度传感器DS18B20将被测对象的温度信号转换为数字信号，直接向单片机传输数字信号，经单片机处理后，对于超过最大值或低于最小值的温度数据通过蜂鸣器进行报警。

经比较，我们选择方案二

（1）、传感器的选取目前市场上温度传感器繁多就此我们提出了以下两重选取方案：

选用铂电阻温度传感器，此类温度传感器在各方面特性都比较优秀，但其成本较高。

采用热敏电阻，选用此类元器件有价格便宜的优点，但由于热敏电阻的非线性特性会影响系统的精度。

方案三：

选用DS18B20，精度0.5度，与单片机的借口简单，电路简单，成本低。

比较以上三种方案，方案三具有明显的优点，因此此次设计选用方案三。

（2）CPU模块的选择

方案一：

采用8031芯片，其内部没有程序存储器，需要进行外部扩展，这给电路增加了复杂度。

本方案的CPU模块采用2051芯片，其内部有2KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器。

但由于系统用到较多的I/O口，因此此芯片资源不够用。

采用89C52单片机，其内部有8KB单元的程序存储器。

而且具有三个定时器，正好满足系统多机通信时所用。

比较以上三种方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用方案三。

2.2.5键盘显示电路论证

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。

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。

采用HD7279智能控制芯片与单片机相连，电路简单，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。

串行接口，无需外围元件可直接驱动LED，各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性，64键键盘控制器，内含去抖动电路

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。

3．总体设计

本设计以89c52单片机为核心，采用了温度传感器DS18B20，可控硅MOC3041及PID算法对温度进行控制。

系统框图如图3-1

图3-1系统框图

4．硬件电路设计

本电路总体设计包括五部分：

主机控制部分（89C52）、前向通道（温度采样电路）、后向通道（温度控制电路，声光警报）、键盘和数字显示部分

4．1主机控制部分

此部分是电路的核心部分，系统的控制采用了单片机89C52。

单片机89C52内部有8KB单元的程序存储器及256字节的数据存储器。

因此系统不必扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。

最小系统如图所示：

4．2温度采样电路

系统的信号采集电路主要由温度传感器DS18B20组成。

电路图如图4-2-1

图4-2-1温度采样电路原理图

4．3温度控制电路

此部分电路主要由光电耦合器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。

100Ω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（4-3-1）。

图4-3-1

4．4键盘部分

在设计键盘电路时，我们使用HD7279做为电路控制的核心，，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。

串行接口，无需外围元件可直接驱动LED，各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性，64键键盘控制器，内含去抖动电路。

键盘接口电路如图4-4-1。

图4-4-1键盘部分电路

4．5图形显示部分

采用LCD18624与单片机连接显示水温的度数和温度曲线，如图所示

4．6声光警报部分

4．7时钟部分

通过外接时钟芯片DS1302可以实现时间的显示，判断调节五分钟后，是否无效，然后打印温度曲线。

电路图如下图所示：

为了电路的简化和调试方便，报警电路采用5V的自鸣式蜂鸣器和发光二极管组成，相应的软件编写也简单。

它由PNP三极管9012控制，三极管的基极与单片机的引脚P2.6相连，如图所示，当温度超限时，此时P2.6输出低电平时，三极管导通，发光二极管发光，蜂鸣器就响，从而报警；

否则就不报警。

5．设计总结

通过一周的努力，我们小组成功的完成了此次设计，在设计的过程中我们学会了很多知识的同时也锻炼了自己的各方面能力。

在设计的初期我也遇到了很多的困难，但通过自己的努力和上网查询资料，以及同学的帮助克服了种种困难。

终于画出了所有的电路图，并成功生成PCB图。

6.附录

附一：

系统原理图

附二：

PCB图