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水温控制系统
目录
[摘要]：
2
1．系统功能描述3
1.1设计任务3
1.2设计要求3
2．系统的总体设计思路3
3．方案论证3
3.1温度采集部分4
3.2温度控制部分4
3.3显示部分5
4．详细软硬件设计5
4.1硬件设计5
4.1.1键盘部分设计6
4.1.2温度采集模块设计7
4.1.4控制部分电路设计8
4.1.5电源模块的设计9
4.1.6系统硬件调试9
4.2．系统软件设计9
4.2.1系统的软件设计要求9
4.2．3软件设计流程图如图4.2.2:
11
4.2.4温度控制子程序11
4.2.5按键子程序流程图如图4.2.413
4.2.6滤波算法程序流程图如图4.2.5：
14
5.数据测量14
6．结论16
7．存在的问题16
8．测试所用仪器16
9．参考文献：
17
水温控制系统（C题）
[摘要]：
该设计以ATEML公司AT89C52为核心作为水温控制系统的检测和控制核心，实现通过人机界面对水温的控制进行设定，通过LCD12864实时显示此时水温的变化状态曲线。
采用DS18B20数字式温度传感器进行温度采集，灵活运用数字式PID算法作为控制思想，实施水温的控制，能够把水温控制在40-90℃范围内设定的任意温度，不随外界环境温度的变化而变化，其有较好的动态性能和动态性能。
[关键字]:
温度采集PID算法稳态性能动态性能
1．系统功能描述
1.1设计任务
设计并制作一个水温自动控制系统,控制对象为1升净水,容器为搪瓷器皿。
水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。
1.2设计要求
（1）温度设定范围为40-90℃，最小区分度为1℃，标定温度小于1℃。
（2）环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制静态误差小于等于1℃。
（3）用十进制数码管显示水的实际温度。
2．系统的总体设计思路
系统总体包括温度采集和控制两部分，把采集回来的温度与设定值进行比较，当温差小于设定的算法范围时，利用PID算法控制开关电路开通时间的占空比，根据温差逐步减小占空比，逼近设定的目标温度，以实现基本的恒温控制。
3．方案论证
根据题目要求，系统由图3.1中模块组成：
图3.1：
系统模块框图
3.1温度采集部分
方案一：
采用热电耦进行检测，将检测到的电压量经过A/D转换之后进行检测和显示，检测端的传感器比较容易设置，A/D转换速度快采样周期短（ADC0809转换速度数百微妙），对快速变化的系统比较实用，但是热电耦价格昂贵。
方案二：
采用DS18B20数字式温度传感器，其直接可以与控制系统相连接，易于检测和控制，控制电路简单。
但是其传感器的设置比较困难需要对传感器作一定的防水处理，相应的也会带来一些控制问题和误差，采样周期比较长约为1s，对于响应比较快的控制系统不适用。
3.2温度控制部分
方案一：
采用可控硅调压控制，通过控制工频220V的导通角来实施电压控制，使得控制电压随着温度的变化而变化，以达到控制要求。
方案二：
采用普通继电器进行交流控制，普通继电器价格低廉，在低频电路的控制中应用广泛，但是其交流端是机械触点，较快频率的吸合会使触点粘连无法响应，在无触点电路和频率较高的电路中应用受到限制。
方案三：
采用继电器控制占空比的方式来控制输出功率的多少，以达到控制要求，随着水温逐渐接近设定温度，进一步调节开关时间，以实现对水温的控制。
采用SSR作为控制装置，大大增大了开关频率，为精确控制打下了基础。
3.3显示部分
方案一：
按照题目要求数码管显示当前水温，显示清楚，适合光线较暗的地方使用，但并不能够动态显示温度变化的曲线变化。
方案二：
运用液晶显示器12864进行显示，其特点是显示部分结构简单功耗小，能够动态显示温度曲线的变化，但是光线相对较弱，观察不是非常方便。
4．详细软硬件设计
4.1硬件设计
鉴于该温度控制系统的实际情况和以上方案论证，决定采用的最终的方案如下：
1）温度采集模块采用DS18B20进行温度采集。
2）键盘部分采用独立式按键。
3）控制器部分采用AT89C52作为控制核心。
4）水温控制部分采用SSR交流固态继电器。
5）显示模块采用LCD12864液晶显示器。
6）电源部分采用直流、滤波、稳压电源。
系统总的框图如图4.1：
图4.1：
系统总框图
4.1.1键盘部分设计
按键部分电路图如图4.2
图4.2:
按键部分电路图
没有较多的按键用量，采用独立式按键实现系统的应用。
按键功能安排表如表4.1：
表4.1：
按键功能安排表
键号
K0
K1
K2
K3
K4
功能
调整
确认
加一
减一
图象刷新
4.1.2温度采集模块设计
温度采集模块采用DS18B20进行温度采集,其电路图如图4.2:
图4.2:
温度采集部分电路设计
4.1.3:
显示部分电路设计如图4.3:
图4.3：
显示部分电路图
显示部分电路采用LCD12864液晶显示，显示设定温度、当前温度和温度的调整曲线。
4.1.4控制部分电路设计
控制部分电路图如图4.4：
图4.4：
控制部分电路图
控制部分通过光电耦合，采用固态继电器ASRP1-202D控制220V交流回
路。
4.1.5电源模块的设计
该设计在电源部分需要50Hz交流市电和5V直流稳压电源，而电力部门所提供的是50Hz的交流市电，所以需要把交流电经过整流，变成单向脉冲电流，通过滤波器去除脉动成分，变成需要的直流电源后，才可以使用。
为了保证电子电路的稳定可靠的工作，还需要对直流电源实施采取稳压措施。
电源模块的电路图如图4.5所示。
图4.5:
电源模块电路
4.1.6系统硬件调试
（1）温度采集部分调试，用传感器检测室内温度并显示。
通过传感器检测到的温度显示值与温度计检测的温度进行比较，误差较大则更换传感器直到其温度差到允许的误差范围内，即温度差小于0.2℃。
（2）输出控制部分检测，软件设置温度差，示波器观察单片机输出口脉冲信号。
4.2．系统软件设计
4.2.1系统的软件设计要求
1）每个模块的程序结构简单，任务明确，易于编写、调试和修改。
2）程序可读性好，对程序的修改可局部进行，其它部分可以保持不变，便于功能扩充。
3）对于使用频繁的子程序可以建立子程序库，便于多个模块调用。
4.2.2系统的软件设计框图如图4.2.1所示：
图4.2.1：
软件设计框图
根据设计要求，首先要确定软件设计方案，即确定该软件应该完成那些功能；其次是规划为了完成这些功能需要分成多少个功能模块，以及每一个程序模块的具体任务是什么。
一般划分模块应遵循下述原则：
1）每个模块应具有独立的功能，能产生一个明确的结果。
2）模块之间的控制参数应尽量简单，数据参数应尽量少。
控制参数是指模块进入和退出的条件及方式，数据参数是指模块间的信息交换方式、交换量的多少及交换的频繁程度。
3）模块长度要适中。
模块太长时，分析和调试比较困难，失去了模块化程序结构的优越性；模块太短则信息交换太频繁，也不合适。
4.2．3软件设计流程图如图4.2.2:
图4.2.2：
总体程序流程图
4.2.4温度控制子程序
temp1是当前的的实际的温度；
tem是设定的温度;
P1.0是输出控制端，为0开始加热，为1停止加热；
t=tem-temp1;
n是温度调节常数
温度控制流程图如图4.2.3
图4.2.3：
温度控制子程序流程图
4.2.5按键子程序流程图如图4.2.4：
图4.2.4：
按键子程序流程图
4.2.6滤波算法程序流程图如图4.2.5：
图4.2.5：
滤波算法流程图
5.数据测量
根据题目要求温度要求在40-90度之间任意设定,为了在较短时间内测量出控制系统的控制性能。
该设计在该区域内随机的抽取4个点进行测量。
（1）具体测量结果如表6.1：
表6.1：
温度测量数据
序号
1
2
3
4
设定温度（℃）
40
50
60
70
稳态误差（℃）
0.3
0.3
0.3
0.4
超调量（%）
0.75%
0.8%
0.5%
0.57%
调节时间（s）
300
340
360
365
注：
被测液体1000mL净水。
数据结果分析，根据测量结果可以看出实际测量结果与设定值之间的误差在0.4℃以内，温度基本能控制在一个理想的范围；调节时间能够满足题目要求，但是由于DS18B20转换及LCD12864的初始化的时间比较长，所以系统的调节时间和系统精度都有一定影响。
（2）系统响应曲线图如图5.1
图5.1：
系统响应曲线图
6．结论
该温度控制系统，以AT89C52为核心部件，利用单线式数字温度传感器DS18B20进行温度采集，采用SSR固态继电器进行温度控制的技术，可以实现：
（1）通过键盘在40-90℃范围内进行任意温度设定，步进1℃；
（2）控制温度在设定范围0.3℃内超过题目要求1℃的要求；
（3）能够通过LCD实时显示设定温度和当前温度，并且能够显示温度变化曲线，显示分辨率1℃。
最终完成了题目中所有的基本要求和两相发挥部分，在设计过程中，力求硬件电路简单，充分发挥软件设计的优势，编程灵活方便来满足系统的要求。
7．存在的问题
存在的主要问题在于在设定了一个温度后，在稳定状态下，重新设定温度的时候响应速度比较慢，主要原因在于水温控制是一个大滞后系统，而对传感器的处理也让其响应速度比较慢，从而导致了系统在到达新的目标温度时系统的动态性能受到了一定影响。
8．测试所用仪器
（1）DS1731SB3A直流稳压电源；
（2）VC9802A数字万用表；
（3）DS5022数字示波器。
（4）100℃水银温度计，单位刻度0.1℃
9．参考文献：
1．马忠梅籍顺心张凯马岩.单片机的C语言应用程序设计.北京：
北京航空航天大学出版社，2003年
2．戴佳戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计实例精讲.北京：
电子工业出版社，2006年
3．秦曾煌.电工学下册电子技术（第五版）北京：
高等教育出版社1999年
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