水温控制系统的设计.docx

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水温控制系统的设计

水温控制系统的设计

摘要

随着计算机技术、测量仪器和控制技术的高速发展，现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，应用了越来越多的先进测量控制技术、设备和方法。

在这些众多的先进测量控制技术中，如何对水温进行控制成为焦点课题之一，为越来越多的科研机构所重视。

本设计是一个典型的检测、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、运算到输出控制电热器加热功率以实现水温控制的全过程，因此，以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，可以满足检测、控制应用类型的功能要求。

系统包括单片机，DS18B20温度传感器，场效应管控制下的加热器及其他电子元器件。

电路板自带液晶显示器，可以显示设定温度和当前水温，同时还有LED灯用来指示系统的运行状态及其它有用信息，在需要时发出警告信号。

最终实现对温度的较精确控制。

本控制系统的控制方法主要采用PID算法，并结合了模糊控制的有关理论，使整体控制方案简捷高效，实现方便，而控制效果良好，可以使水温控制的超调量小于0.5摄氏度，同时调节时间也满足设计要求。

关键词：

单片机，温度传感器，PID，加热器，水温控制

DESIGNOFWATERTEMPERATURECONTROLSYSTEM

ABSTRACT

Withtherapid developmentofcomputertechnologyandinstrumentationand controltechnology,modernmetallurgy, petroleum, chemical andelectricpower productionprocess,advancedmeasurementandcontroltechnology,equipmentandmethod moreandmoreapplications.Inthesenumerousadvancedmeasurementandcontroltechnology,howthetemperaturecontrolhasbecomeafocustopic,paidattentiontobymoreandmorescientificresearchinstitution.

Becausethisdesignisatypicaldetectionandcontrolofapplications,itrequirestocompletethewatertemperaturedetectionsystems,signalprocessing,input,operationtotheoutputcontrolelectricheaterheatingpowerinordertorealizethewholeprocesscontrol,therefore,shouldbebasedonsingle-chipmicrocomputerasthecorecomponentofadedicatedcomputersystem,inordertomeetthedetection,controloftypesoffunctionalrequirements.

ThesystemcomprisesaMCU,DS18B20temperaturesensor,heaterunderthecontrolofMOSFETandotherelectroniccomponents.ThecircuitboardhasaLCDdisplaywhichcandisplaythecurrenttemperatureandsettingtemperature,andsomeLEDlampswhichareusedtoindicatetherunningstateofsystemandotherusefulinformation,warningsignalintimeofneed.Finallyrealizetheaccuratecontroloftemperature.

ControlmethodofthecontrolsystemismainlyusedPIDalgorithm,combinedwiththetheoriesoffuzzycontrol,thecontrolschemeissimpleandefficient,easytoimplement,andthecontroleffectisgood,canovershootthewatertemperaturecontrolislessthan0.5degreesCelsius,whilesmalleradjustmenttime.

KEYWORDS：

MCU,temperaturesensor,PID,heater,Watertemperaturecontrol

目　录

前　言

温度是极为重要而又普遍的热工参数之一，在环境恶劣或温度较高等场下，为了保证生产过程正常安全的进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度和节约能源，及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制，在许多工业场合中都是重要的环节。

由于本设计是一个典型的检测、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、运算到输出控制电热器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。

另外，单片机的使用也为实现水温的智能化控制提供了可能，例如实现自动切断电源，语音提示，自动加热，远程控制等。

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讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。

目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。

成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表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。

虽然也在飞速发展，但对温度要求比较严格的场合，我国的设备根本无法胜任，更提供不了具有建设性的、有价值决策的数据，与国外还有着一定的差距。

采用开关温度控制法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。

它是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制。

这种开关控温方法比较简单，用很简单的模拟电路就能够实现。

但是，由于这种控制方式无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。

而PID温度控制法是基于输出反馈的比例积分微分（PID，ProportionalIntegralDifferential）控制器的设计方法。

由于PID调节器模型中考虑了系统的误差，误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。

本次设计的主要内容是设计并实现基于51系列单片机的水温控制系统，该系统由STC89C52单片机作为微控制器，通过接收DS18B20温度传感器反馈的水温信号，来控制加热器实现对水温的较精确控制。

所设计的系统为一包括单片机，DS18B20温度传感器，可控硅控制下的加热器及其他电子元件的电路板。

电路板自带LCD液晶显示器，可以显示设定温度和当前水温，同时还有LED灯用来指示系统的运行状态及其它有用信息，在需要时发出警告信号。

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。

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。

要完成本次设计需掌握单片机的使用，实现对单片机的编程以及利用单片机对外围电路进行控制；掌握DS18B20温度传感器的使用方法，弄懂其单线接口方式，学会用单片机与其进行通信，并读取相关温度信息；掌握LCD液晶显示器的工作原理，学会利用单片机来控制其正确显示温度；掌握加热器的工作原理并能熟练运用可控硅来控制其发热功率。

本文第一章主要介绍水温控制系统的研究背景以及国内外发展现状和实例；第二章是系统方案概述，主要讲述系统方案分析以及方案选择，通过不同的方案介绍和比较，最终确定本设计的所采用的方案；第三章重点讲解系统硬件方案的设计与分析，主要是单片机最小系统、传感器电路和加热电路。

第四章重点讲解系统软件方案的设计与分析，主要是温度检测算法和PID算法。

第五章给出系统的调试结果及性能分析，最后对本设计做一个总结。

第1章绪论

§1.1研究背景

温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。

自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。

在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。

自18世纪工业革命以来，工业过程离不开温度控制。

温度控制广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等。

温度控制的精度以及不同控制对象的控制方法选择都起着至关重要的作用，温度是锅炉生产质量的重要指标之一，也是保证锅炉设备安全的重要参数。

同时，温度是影响锅炉传热过程和设备效率的主要因素。

基于此，运用反馈控制理论对锅炉进行温度控制，满足了工业生产的需求，提高了生产力。

温度是极为重要而又普遍的热工参数之一，在环境恶劣或温度较高等场下，为了保证生产过程正常安全的进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度和节约能源，及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制，在许多工业场合中都是重要的环节。

由于本设计是一个典型的检测、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、运算到输出控制电热器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。

另外，单片机的使用也为实现水温的智能化控制提供了可能，例如实现自动切断电源，语音提示，自动加热，远程控制等。

随着计算机技术、测量仪器和控制技术的高速发展，现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，应用了越来越多的先进测量控制技术、设备和方法。

在这些众多的先进测量控制技术中，如何对水温进行控制成为焦点课题之一，为越来越多的科研机构所重视。

工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制系统正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术、通信技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。

随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。

§1.2控制技术的发展

温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：

动态温度跟踪与恒值温度控制。

动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。

在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等。

恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某一给定值。

从工业温度控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：

定值开关温度控制法、PID线性温度控制法、智能温度控制法。

§1.2.1定值开关温度控制法

所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制。

若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置；若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。

这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。

目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。

由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。

§1.2.2PID线性温度控制法

从20世纪80年代开始，在单回路PID控制器中引入了参数整定和自适应控制理论，PID控制理论从此进入了高速发展阶段。

由于PID控制算法简单、可靠性高等特点，在控制技术高速发展的今天，它在工业过程控制中仍然占有主导地位。

由于PID调节器模型中考虑了系统的误差，误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。

其具体电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。

前者称为模拟PID调节器，后者称为数字PID调节器。

其中数字PID节器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。

采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（即比例值、积分值、微分值）。

只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。

§1.2.3智能温度控制法

智能控制系统是某些具有仿人智能的工程控制和信息处理系统，它与人工智能的发展紧密联系。

智能控制是一门新兴的交叉前沿学科，它具有非常广泛的应用领域。

智能可定义为:

能有效的获取、传递、处理、再生和利用信息，从而在任意给定的环境下成功的达到目的的能力。

人工智能是应用除了数学式子以外的方法把人们的思维过程模型化，并利用计算机来模仿人的智能的学科。

它的应用范围远比控制理论广泛，如包括判断、理解、推理、预测、识别、规划、决策、学习和问题求解等，是高度脑力行为和体力行为的综合。

智能控制就是应用人工智能的理论与技术和运筹学的优化方法，并将其同控制理论方法与技术相结将智能控制与PID控制相结合，实现温度的智能控制。

智能控温法采用神经元网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。

其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。

尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。

目前已出现一种高精度模糊控制器，可以更好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。

所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应PID算法的温度控制仪表。

目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别.主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度低，自适应性较差。

这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的温控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定等。

§1.3国内外发展现状

甘肃大学的赵紫静研究了一种基于PID温度控制技术的X射线发生器。

这种发生器需要将其精度控制在±0.5℃左右，才能保证器件输出的X射线波长不发生超出要求的飘移，否则，X射线波长的超范围飘移将使整个设备难以正常使用。

在温控过程中，由于难以建立控制对象的精确数学模型，所以可以用PID技术根据预先设定好的控制规律不停地自动调节控制量以使被控系统朝着设定的平衡状态过渡，最后达到控制范围精度内的稳定动态平衡。

模糊温度控制是基于模糊逻辑描述的控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。

它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。

武汉科技大学信息科学与工程学院的贾静云等将模糊PID温度控制技术运用在烟气加热炉炉温控制系统中，使得烟气加热炉的运行状况和维护条件得到了明显的改善，提高了喷煤比和设备开机率，降低了能耗和设备故障次数，很大程度地提高了生产效率。

中国内蒙古科技大学信息工程学院的董志学等研究了一种基于模糊PID温度控制系统的热分析仪控制策略，结合了模糊控制技术和PID控制技术，提高了对控制对象的适应能力，进而提高了温度控制的精度。

数字PID控制则是一种是以微处理器为基础，综合了计算机技术、控制技术、通讯技术等高新技术的智能控制。

海军航空工程学院基础实验部的李建海等设计了一种上位机监控采用组态软件，下位机采用西门子PLC的电路智能温度控制系统，实现了智能控制、闭环控制、多控制功能为一体的综合控制系统。

昆明理工大学信息工程与自动化学院的王清海等在锅炉温度控制研究中将神经网络PID与LabVIEW人及交互结合，实现对锅炉温度的数据采集、控制和现实，提高了锅炉温控系统的效率。

英国的Hamid等将PID控制器应用到冰箱的温度控制中，通过使用MATLAB/Simulink软件仿真和误差分析图的方式与传统的ON-OFF控制做了细致的比较。

结果表明，PID控制无论是在精度和控制性能方面都优于ON-OFF控制。

日本Komatsu Electronics公司的Kazuhiro Mimura对基于PID控制与现代控制理论相结合的离子化热水器温度控制开展了研究，结果证明这样的温度控制方法能够使用比传统控制系统更少的温度传感器，进而降低成本，提高了公司效益。

§1.4课题设计思路

本设计是一个典型的检测、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、运算到输出控制电热器加热功率以实现水温控制的全过程，因此，以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，可以满足检测、控制应用类型的功能要求。

系统包括单片机，DS18B20温度传感器，场效应管控制下的加热器及其他电子元器件。

电路板自带液晶显示器，可以显示设定温度和当前水温，同时还有LED灯用来指示系统的运行状态及其它有用信息，在需要时发出警告信号。

最终实现对温度的较精确控制[1]。

要完成本次设计需掌握单片机的使用，实现对单片机的编程以及利用单片机对外围电路进行控制；掌握DS18B20温度传感器的使用方法，弄懂其单线接口方式，学会用单片机与其进行通信，并读取相关温度信息；掌握LCD液晶显示器的工作原理，学会利用单片机来控制其正确显示温度；掌握加热器的工作原理并能熟练运用场效应管[2]来控制其发热功率。

本控制系统的控制方法主要采用PID算法，并结合了模糊控制的有关理论，使整体控制方案简捷高效，实现方便，而控制效果良好，可以使水温控制的超调量小于0.5摄氏度，同时调节时间也满足设计要求。

第2章系统方案概述

§2.1系统设计要求

所设计系统的基本功能是维持水温在设定值，这个设定值应高于当前环境温度，并在系统正常工作时可被用户调节。

自动控制系统的控制部分以单片机为核心，组成最小系统，并包含必要的输入、显示、报警等外围电路。

系统的加热部分包含不可控整流电路、场效应管组成的斩波电路等。

控制部分与加热部分需要通过光电耦合器进行隔离。

控制部分的控制算法要能够实现基本功能，在此基础上完善其它功能并尽量提高执行效率[3]。

§2.2方案论证与选择

§2.2.1温度传感电路的选择

温度传感电路是水温控制系统的重要组成部分，控制系统需要先通过这个部分来感知水温，然后才能完成后续控制任务。

如果传感电路不稳定，使测量温度失真，或者传感器精度不够，使测量温度偏差过大，后续系统再怎么完善，也无法完成整个控制任务。

这就要求温度传感电路工作可靠性高，测量精度足够大。

温度传感器有四种主要类型：

热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。

其中IC温度传感器以DS18B20为代表。

热电偶测量精度高，因直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

测量范围广，常用的热电偶从零下50度——1600度均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269度（如金铁镍铬），最高可达2800度（如钨、铼）。

构造简单，使用方便，热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

但热电偶的信号调理复杂，将热电偶电压转换成可用的温度读数必须进行大量的信号调理。

一直以来，信号调理耗费大量设计时间，处理不当就会引入误差，导致精度降低。

此外，热电偶测温精度低，除了由于金属特性导致的热电偶内部固有不精确性外，热电偶测量精度只能达到参考接合点温度的测量精度，一般在１到２摄氏度以内。

不仅如此，热电偶还易受腐蚀，因为热电偶由两种不同的金属所组成，在一些工况下，随时间而腐蚀可能会降低精度。

因此，它们可能需要保护；且保养维护必不可少。

还有一点就是其抗噪性差，当测量毫伏级信号变化时，杂散电场和磁场产生的噪声可能会引起问题。

绞合的热电偶线对可能大幅降低磁场耦合。

热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。

热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。

正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。

热敏电阻作为温度传感器具有响应快、封装小等特点，但其线性度不高，精度有限，尤其在宽温度范围内。

要求激励电流，会产生自发热，引起漂移。

结合信号调理功能后的整体系统精度差。

电阻温度检测器（RTD）具有一些明显优于其他测温器件的优点。

例如，它是所有测温器件中最稳定及最精确的一种，且其线性也比热电偶要好。

RTD虽是所有测温器件中最稳定及最精确的一种，但它也有一些缺点。

RTD比热敏电阻和热电偶都贵，且需要使用一个电流源。

在使用RTD时，有几种常见的现象常常未被人们考虑到，其中最严重的一种现象就是自热。

如果RTD由于测量电流流过而产生自热，则可能会引起误差。

例如，在测量低温（例如低于0℃）时，RTD的自热会提高预期的测量温度。

此外，如果不对引线（电阻）进行补偿的话，还会引起更大的误差。

采用4线方法有助于消除这种误差。

另一个现象是未选择合适的RTD温度范围。

试图测量RTD温度范围以外的温度，可引起更大的误差，甚至使传感器（RTD）损坏。

DS18B20是很常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。

主要根据应用场合的不同而改变其外观。

封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。

耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

本设计中所要采用的温度传感器应该具有工作可靠性高，测量精度足够大的特点，因为是测量水温，所以测量范围不必太大。

考虑到这些特点，决定采用DS18B20。

§2.2.2控制电路论证

控制电路的核心是单片机，单片机的的选型是一件重要而费心的事情，如果单片机型号选择得合适，单片机应用系统就会得经济，工作可靠；如果选择得不合适，就会造成经济浪费，影响单片机应用系统的正常运行，甚至根本就达不到预先设计的功能。

只要掌握和运用单片机正确选型的原则，就可以选择出最能适用于应用系统的单片机，保证单片要应用系统有最高的可靠性，最优的性能价格比，最长的使用寿命和最好的升级换代