基于51单片机的水温控制系统设计毕业论文.docx
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基于51单片机的水温控制系统设计毕业论文
基于51单片机的水温控制系统设计毕业论文
基于单片机的水温控制系统
摘要
水在人们日常生活和工业生产中有着必不可少的作用，在不同环境和不同的需求中，水温的变化也对我们的生活和工业生产有着重要的影响，为了满足人们在各个领域所需要的水温，水温控制系统在各个领域也应运而生。
随着社会的发展，科技的进步，智能化已经是温控系统发展的主流方向，小到人们生活中的饮水机，大到工业生产中的大型水温加热控制设备等各种水温控制系统发展以趋于成熟。
传统靠人工控制的温度，湿度，液位等信号的测压、力控系统，外围电路比较复杂，测量精度较低，分辨率不高，需进行温度校正；并且他们的体积较大适用不方便，在工业生产中也可能应为各种认为的失误发生意外，针对此问题，本系统设计的目的就是实现一种可连续高精度持续调温的温度控制系统，它应用广泛，功能强大，操作简单，便于携带，是一款既实用又廉价的控制系统。
温度检测控制系统在工业生产中主要职责是对温度进行严格的监测，在温度发生变化不符合规定温度时，系统报警提示并做出相应的温度调整措施，以使得生产能够顺利进行，节省了大量的人工，产品的质量也得到充分的保障，同时也避免了各种潜在意外的发生。
从而提高企业的生产效率。
本系统以89C51单片机为核心，扩展外围控制电路，检测变送电路，按键电路，显示电路，复位电路，时钟电路，电源电路，报警电路；本系统的整体运行过程为：
通过按键电路设定理想水温范围，实时水温通过检测变送电路模检测，并将检测到的物理量转化成电信号，然后放大电信号并将模拟量同过A/D转换为单片机识别的数字量发送给单片机。
单片机系统将实时温度与设定温度进行对比，并通过显示电路将实时温度显示出来，如果实时温度大于设定的最高温度或者低于设定的最低温度一定时间，单片机将触发报警电路对过温或者低温进行警报，同时触发控制电路对水温的控制做出适当的调整，确保水温出在理想的温度值，满足需求。
系统检测变送电路中采用电流型温度传感器AD590将温度的变化量转变成电流量，然后采用OP-07将电流量转换为电压量。
选用A/D转换器ADC0804将电压两转化成数值量传送给单片机处理。
负责处理和发送指令的单片机我们选用89c51单片机，单片机通过时钟电路的获得工作所需的时钟信号也就是CPU工作的时间基准，单片机通过复位电路使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
当单片机在复位电路和时钟电路的共同作用下稳定运行时，通过外围的按键电路通过按键SB2和SB3向单片机输入规定的温度值信号，单片机内部进行一系列的处理将实时温度和设定通过显示电路LCD1602显示出来，LCD1602显示器其微功耗、显示内容丰富、体积小、超薄轻巧的诸多优点，故选它作为显示电路。
单片机内部通过编写好的程序对温度采样电路传送的数字温度信号与规定的温度信号进行比较，当实时温度与规定温度不符时，单片机通过向报警电路发送信号报警提醒。
相应的对系统的温度控制电路发送相应的指令，在整个系统中，从检测电路到继电器控制电路各个模块都发挥这重要作用，各环节相辅相成形成一个负反馈，对温度的变化进行实时检测和超标调整。
在系统中我们选用的各个器材是从节约成本和精度较高、操作方便、安全等方面综合考虑后选定。
组成这个稳定，高精度的，安全的温度测量控制系统来满足我们的需求。
摘要................................................................1
ABSTRACT............................................................1
第1章.绪论.........................................................5
1.1选择背景.................................................5
1.2题目要求.................................................6
1.3国内外现状...............................................6
1.4设计思路................................................10
第2章.系统基本方案选择及论证.....................................10
2.1各模块电路的方案选择及论证.............................10
2.1.1主机控制模块....................................10
2.1.2温度采集模块....................................11
2.1.3显示模块........................................11
2.2总体设计概述..........................................12
第3章.硬件设计与实现..............................................13
3.1系统硬件结构.............................................13
3.2单片机控制部分...........................................13
3.2.1复位电路...........................................15
3.2.2时钟电路...........................................16
3.2.3上拉电阻电路.......................................16
3.3温度采集部分.............................................17
3.4按键和报警部分...........................................21
3.5显示部分.................................................23
3.6电源电路.................................................23
3.7温度控制模块.............................................24
第4章系统软件设计................................................25
4.1软件设计综述.............................................25
4.2键盘输入模块.............................................26
4.3显示模块.................................................27
4.4控制模块.................................................27
4.5温度报警模块.............................................28
4.6主程序流程图.............................................29
第5章设计总结....................................................30
5.1设计所达到的性能指标.....................................31
5.1.1温控系统的标度误差.................................31
5.1.2温控系统的静态误差.................................31
5.1.3温控系统的控制精度.................................31
5.2自我总结.................................................32
第6章参考文献...................................................
第7章附录......................................................
基于单片机的水温控制系统
第一章绪论
1.1选择背景
温度是众多工业生产及日常生活中的基础物理量之一，而在大部分的工业生产和日常生活都与水温有着密切的联系。
在生活中，为了能让人们不同时刻不同天气的环境下，在饮用和洗漱等生活必须环节上水的所需温度得到保障和满足。
在大部分的工业生产中，水温的监测和控制与安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等生产过程中的重要因素有着密不可分的关系。
不同环境下温度控制系统将水温控制在生产所需的范围内，并使得整个系统稳定安全的运行对工业生产来说成为一项重要的工作。
以工业生产为例，自工业革命开始，水温便与生产环节中必不可少的一部分，也成为了工业发展的推动力量。
在整个发展过程中，水温控制在工业生产中也应用而生并逐渐起到了重要作用。
我国正处在工业发展阶段，水温控制系统对于大部分的工业生产显得尤为重要。
通过控制水的温度可以实现工业中的诸多环节，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，锅炉是工业生产中的重要设备，温度则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。
所以，运用反馈控制理论对锅炉进行温度控制，满足工业生产的需要，提高生产力。
为了保证生产过程正常安全的进行，提升产品的质量和数量，以及减少劳动力和减少资源浪费，快速准确地得到实时温度并对它进行适当的控制，在大部分的工业生产中都是重要的环节。
本设计是一个典型的检测、控制型应用系统，它能过实现对水温的检测信号放大、A/D转换、输入、运算、输出控制加热以实现水温控制的全过程。
应以单片机为核心组成一个控制系统，以满足需求。
在科技飞速发展的今天，工业生产对于水温控制的要求也越来越高，所以设计一个安全、高精度、高效率的水温控制系统成为了工业生产的重要部分。
1.2题目要求
1．水温控制范围是25-50ºС，最小分辨率为0.1ºС；实时显示当前温度。
2．设计所开发的系统由89c51为主控芯片构成实验室进行实验与调试。
3.电路由检测与温度变送电路、A/D转换及数据采样电路、键盘、显示接
口电路、报警显示电路、译码电路等组成。
1.3国内外现状
根据被充值的物质的性质的差异，我们可以把温控系统分为动态的温度跟踪和维持温度恒定两大类。
动态温度跟踪主要的研究的是利用相关技术让被控制的物体按照人们预期并设定好的一个曲线变化。
这种技术被广泛应用到各个工业生产环节，就像控制发酵的过程，化学反应中的温度保持在预定范围，钢铁的炼制过程中锅炉中温度的控制。
维持恒定温度是为了让被控制的物体的温度保持在人们需要的数值上，而且误差范围应该保持在最小范围，不能大于预期值以实现在生产过程中对温度的精确要求，使生产效率，质量都尽量达到最优化。
在与我们相关的主要生产中有一下几种温度控制方法：
1.3.1定值开关温度控制法
定值开关控温法的意思就是说：
就是通过一些电子元件来获取到当前所测物体的温度的实际数值和我们设置的数值之间存在的数值大小关系，通过判断然后对系统的控制部分进行信号给送来进行温度的控制。
同过对比温度数值，如果测量的温度数值大于给定的温度数值，系统就会让制冷环节工作。
假如实际的温度比预定的温度数值低，那么系统就会启动加热部分来使物体温度上升。
这是一种比较简单的控制办法，不用太复杂的电子元件和电路，只要一些简单的电路就能够做到控制温度的效果。
现在我国有许多的场子的生产过成中还应用到这样的温度控制办法，但不是大势所趋。
1.3.2 PID线性温度控制法
美国科学家在进行一项针对船的导航问题时提出了一个方法，这个方法为以后的控制系统带来了重大的改变和进步。
通过这个方法他设计出了一个控制器，这个方法就是输出反馈的比例积分微分，也就是我们现在熟悉的PID，就这样PID出现在了各个领域当中。
紧接着，由于PID控制器相对于别的控制方法有很多的优点而被人们在生产环节中广泛应用。
1930年后的10年间，经典的频域设计法慢慢被人们认可并开始应用。
Nyquist和Bode在稳定性理论上取得了的相当大的成果。
通过这种经典的设计方法，一种反馈补偿器被发明出来，这种反馈补偿器它可以获得大部分的稳定裕度，主要考虑了对象的不确定性，把反馈环节充分利用来达到减少干扰和对象误差的灵敏度。
补偿器的设计主要是采用由以Nyquist稳定准则为基础发展出来的图解法成为了补偿设计器的重要依据。
就现在而言，解析法得到快速的发展，除此之外还确定了一些瞬态性能指标。
时域响应指标通过PC机的协助也可以轻松的检测到。
由于这种发放的发展使得控制领域对鲁棒性和灵敏度的要求降低了一些。
经过十几年的发展，数字计算机出现在了人么的眼前，这也同时给控制领域带来了福音，控制方法的多样性和易操作性刀刀了重逢的发挥，应用最广泛的就是用差分方程来描述控制系统模型的方法。
当人造卫星出现并对他进行精确的控制，这是控制领域一个划时代成绩，当人类把人造卫星成功的送入太空也就以为这一个现代的控制理论诞生，人们用最优控制去寻找非线性动态系统的最优轨迹。
上世纪60年代，能够有绝对优势的控制器是基于最优化技术的控制器，它能够解决各种控制问题并优点突出。
如果对过程对象建立数学模型，那么实际的过程控制中就能够适应和应用现代控制理论。
但是实际上却很难实现这一目标，所以鲁棒性问题在上世纪70年代得到了人们的重新关注。
PID控制理论进入快速前进阶段的前提是单回路控制器结合了参数整定与自我适应控制理论。
PID控制在现代的工业过程控制中占据着主导地位，它的一些特点是综合性价比较高的，所以在工业生产中占据主导地位。
它具有算法较简单、可靠性和稳定性高等特点。
PID调节器较之定制开关控温法性能要好的多，它具备了三项别的控制没有的部分，分别是：
误差的变化、积累等。
它的实际电路可以通过计算机程序来实现PID的调节功能。
前面陈述的为模拟PID调节器，后面讲述的为数字PID调节器。
数字PID调节器较之模拟PID调节器突出的优点是可以实现在线整定，灵活性较好，那么控制效果也就较好较稳定精确。
数字PID控制器在实际的应用中应用的好坏主要取决于一下几个参数：
积分值、微分值、比例值。
要想达到高精度的控制效果，那么PID参数就必须要选取正确，这是对于一个受控制系统想要实现理想控制的必要因素。
1.3.3智能温度控制法
上世纪70年代，美国的著名教授傅京孙提出了关于智能控制系统概念，他认为这是一个人们还未开启的研究领域同时也是人们值得去研究的领域。
早在10年前，IEEE就只能控制这一新型的学术研究在美国纽约开展了首次学术讨论会，主要讨论的问题就是只能控制原理和智能控制系统结构。
通过这次会议，决定建立一个IEEE智能控制专家委员会，这就意味着智能控制这项学科正式问世，成为了人们深刻讨论和研究的问题，为人类以后的科技进步提供了足够的基础，也是我们的工业生产的到大幅的提升。
针对这一全世界科学家共同研究的新型学科，人们把智能控制从一般的学科分离出来单独研究它，并在国际上建立起来专业组织。
近十几年来，智能控制技术通过科技发展的带动也也有了突飞猛进的进步，同时针对不同的工业生产和对象新生了许多的控制技术。
并逐渐的走向成熟应用于实际当中。
智能控制系统就是要靠各个电子电路来组成完整的、精密的并模仿人的只能工程，获取信息，反馈信息，显示信息，运送信息等人工智能，并且可靠精密运行，保持稳定持续的工作而不出现错误。
人工智能是除了固定的数学公式外把人的思维用电子仪器和电路的相互配合模拟出来，然后利用计算机将各种控制软件做为大脑的思维输送进去来完成理想的控制。
它应用范围已经已经覆盖大部分的工业生产领域，它解决了人力不足和大脑长时间思维导致的错误和工作效率和质量得不到保障的问题，同时也节约了大量的人力和经济成本。
智能控制其主要就是依据人工智能的方法以及运筹学的优越方法，结合了控制理论和PID控制方法来实现维持温度的控制。
以神经元网络还有模糊数学为理论，实现智能化就需要适当的加以专家系统来实现。
当中的模糊控制和神经网络控制还有专家控制相对而言要应用的多疑点。
特别是是模糊控温法在现实中的工程技术中应用的更为广泛一点。
现在人们又研发出了一种可以模拟人类的操作经验来改善控制的一种高精度模糊控制器。
就专业只是而言，肯定可以全部的消除稳态误差。
人们把能够在智能控制技术的基础上再研究出能够自己适应PID算法的温度控制仪表称为第三代智能温控仪表。
不管是以前还是现在，我国的温度控制仪表的发展都没有办法和国外的发展相提并论并且是相差甚远。
国内和国外的晚空仪表主要的差别还是在控制算法部分，国内在控制算法领域的研究相对过外比较落后，这导致温控系统的精度不高，控温不稳定等问题。
硬件的不足具体体现在产品控制范围内控制精度不好，适应能力不好，系统不稳定，不能够稳定独立的达到武器目的，故致使应用过程中成本浪费，资源浪费，生产效率不高，质量不合格等问题。
1.3.4 国内外现状
实际的应用中，我们很难在温控过程中建立精确的数学模型，但是我们又不能找到一个合适的数学办法来解决这个问题，所以我们只能通过减小误差的办法来对期望值做到最精确化。
通过尝试间的研究，人们得出了一个办法，就是以PID技术为根据提前设定好控制方法然后不停的自动调整被控量让它朝着我们预期和设置的平衡状态发展，知道它达到我们的要求在控制精度内稳定动态平衡。
把模糊逻辑描述作为依据的控制算法叫做模糊温度控制，将人的经验和智能通过一些发誓输送给他们。
它主要应用对象是那些不容易取得精确数学模型以及数学模型不确定号还有总是改变的一些对象。
我国武汉高校教授在烟气加热还有锅炉炉温控制系统中应用了模糊PID温度控制技术，得到了很大的成果，在这项技术的支持下，烟气加热炉的各个运行环节和维护环节改善了很多，提升了煤的利用率和机器的开机率，减少了能源的浪费并且提升了生产效率。
针对基于PID温度控制系统的研究内容，我国内蒙古高校的董志学研究了在这种技术的基础上对热分析仪控制策略进行了改善，并且为了大幅度的提高精度，他还加同时给系统加入了模糊控制技术和PID控制技术，达到了预期的目的，很好的提高了控制精度。
把微处理器作为基础，结合计算机技术、通讯技术、控制技术等一系列科技前沿技术的智能控制叫做数字PID控制。
海军航空工程学院李建海和部分学术研究者发明了一种软件，它叫做上位机监控采用组态软件。
它的原理主要是依据是西门子PLC的电路智能温度控制系统，通过这个系统多种功能，包括了智能控制、闭环控制、多控制功能，它将这些功能融为一体组成一个多功能的控制电路。
昆明高校的王清海等学术研究者将神经网络PID结合LabVIEW人机交互应用在锅炉温度控制研究中。
这样可以达到非常理想的效果，包括：
锅炉温度的数据采集还有控制和现实最重要的是提高了锅炉温控系统的效率。
在国外，例如英国科学家将PID控制器加入到冰箱温度控制系统中。
通过MATLAB/Simulink系列软件来仿真，除此之外重要的是利用误差分析图的方式和传统的ON-OFF控制对比。
显示表明，ON-OFF控制在控制性能性能和精度上都是不及PID控制的。
日本的有关公司对以PID控制为基础并且结合上现代控制理论的离子化热水器温度控制进行了全面的研究，最终得出这样的温度控制方法和传统的控制系统相比适用温度传感器更少，成本较低，提升了企业的利益。
1.4设计思路
本设计的目的是设计出一个广泛应用于各个行业的的温控系统，其主要特点有能够自动检测水温并显示水温，以单片机为核心去控制水温达到一个稳定的理想值，从水温检测、信号处理、输入、运算再到输出控制加热器进行加热以实现温度控制的全过程，系统个部分紧密联系协作组成一个安全、稳定的高精度温度控制系统。
系统单片机、包括温度传感器AD590、信号发达变送器，A/D转换器ADC0804还有按键部分和LCD显示电路来显示当前实时温度，在达到一定的条件下发出警告信号，最终实现高进度，稳定、安全的温度控制。
完成本次设计的前提是要熟悉单片机的使用，并掌握其编程和外围电路的扩展电路的通信；掌握A/D转换器的作用和转换原理，学会应用；掌握LCD显示器的原理，学会显示编程等必要工作。
第2章系统基本方案选择及论证
2.1各模块电路的方案选择和讨论证明
2.1.1主机控制模块
方案一：
采用FPGA，它的名称是现场可编程门阵列，它是集成度最高的一种在我们常用的专用集成电路中，一些较为复杂的数学式子和逻辑运算都可以通过他来完成。
它的主要特点是能实现各种复杂的逻辑运算，而且运算精度较高，它能将所有器件集成到一块芯片上以减少体积，也可以通过EDA软件进行仿真、调试，功能扩展也非常容易，缺点是成本较高。
本设计主要的突出点不是针对运算速度，FPGA的优势得不到体现。
方案二：
采用PID控制器，他的主要组成部分是模拟放大器组成。
PID控制对我们来说并不陌生，他的组成单元有如下几种：
比例单元P还有积分单元I以及微分单元D。
主要是我们设置好Kp，Ki和Kd这三个参数值。
PID控制器大部分被应用在以基本线性还有动态特性为根本并且还要不随时间变化的系统。
在企业生产过程中，有一些参数是我们在生产过程中必须牢牢严格要求的，并且必须和期望值不能差的太多，必须在预定的范围之内，这些参数主要体现在：
有温度、压力、液位等变量的工业生产中，我们必须做到控制好这些参数在一定的数值上，如果是变量那么也必须有规律的变化，总而言之必须满足工艺的要求。
PID控制器恰好就是又来解决一些难控变量的问题，它可以通过一系列的调节使物体的实际值和预期值编程一样的。
它可以满足对温度的控制，但是附加其它较多的外围电路就不能显现出优势，且反馈过程中反应速度较慢。
方案三：
控制器我们选择AT89C51单片机。
单片机运算速度高，外围电路扩展容易，软件编程简单容易，功耗低、体积小、成本低等优点。
综合分析，拟定方案三，由AT89C51作为主机部分。
2.1.2温度采集模块
方案一：
选择热敏电阻来做测量温度的器件，热敏电阻器因为它有对温度敏感、根据不同的温度提供不同的阻值等良好特点，在简单的温度采集电路中经常适用。
它有很多的优点，不仅反应灵敏，而且在工作时适应的环境温度范围大，除此之外，体积小还是它被广泛应用的一大原因之一。
在简单的温控电路中它因为稳定性好、承受电信号的能力较强还有以上叙述的特点让它的应用的到了非常广的领域。
元件的一致性差，互换性差；元件易老化，稳定性较差。
他的优点有很多，但是缺点同样存在，就是它只能适应比较简单的电路，如果环境温度超过150或者低于0度时，大部分的热敏电阻的工作会收到严重影响，但是还是有一些特殊高温热敏电阻适合在温度偏差较大的地方应用，但是，其成本增加。
方案二：
采用温度传感器AD590。
我们大多时候会在测量热力学还有摄氏温度，两点、多点温差还有器平均值的实际电路中可以看到有AD590的存在。
主，在现代的控制领域里应用非常的广。
因为AD590精度高、价钱低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。
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