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1、河南机电高等专科学校第 I 页目 录摘 要1第一章前言31.1 课题背景与意义31.2 温度控制系统的应用31.3 毕业设计任务4第二章系统方案52.1 水温控制系统设计任务和要求52.2 水温控制系统部分52.3 控制方式7第三章 系统硬件设计83.1 总体设计框图及说明83.2 外部电路设计83.3 单片机系统电路设计9第四章系统软件设计与调试134.1 程序框架结构134.2 程序流程图及部分程序134.3 系统安装调试与测试18第五章结 论19致谢20参考文献21附件 1（程序代码）21附件 2（电路原理图）29河南机电高等专科学校第 1 页 共 30 页基于单片机的水温控制系统【摘要
2、】温度是工业控制对象主要被控参数之一，在温度控制中，由于受到温度被控对象特性（如惯性大、滞后大、非线性等）的影响，使得控制性能难以提高，有些工艺过程其温度控制的好坏直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。为了实现高精度的水温测量和控制，本文介绍了一种以Atmel公司的低功耗高性能CMOS单片机为核心，以PID算法控制以及PID参数整定相结合的控制方法来实现的水温控制系统，其硬件电路还包括温度采集、温度控制、温度显示、键盘输入以及RS232接口等电路。该系统可实现对温度的测量，并能根据设定值对温度进行调节，实现控温的目的。【关键词】单片机 AT89C51；温度控制
3、；温度传感器 PT1000；PID 调节算法河南机电高等专科学校第 2 页 共 30 页The summary: Temperature is the main control of industrial control of parameters, In temperature control, due to temperature controlled object properties (such as inertia big, big, lagging effect of nonlinear, etc.), to improve performance, some process te
4、mperature control of its direct impact on the quality of the product, and designed a kind of ideal temperature control system is a very valuable. In order to realize high precision temperature measurement and control, this paper introduces a meter taking Atmel company low-power high-performance CMOS
5、 chip as the core, and the PID control algorithm with PID parameters combination of control method to realize the temperature control system, the hardware circuit including temperature, temperature control, temperature gathering, keyboard input and RS232 interface circuits, etc. The system can reali
6、ze the measurement for temperature, and can according to value of temperature adjustment, and realize the objective temperature control.Keywords: AT89C51 microcontroller, Temperature control, PT1000 temperature sensor, PID algorithm河南机电高等专科学校第 3 页 共 30 页第一章 前 言1.1 课题背景与意义在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速
7、和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用 MCS-51 单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。目前，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。现在，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
8、”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。随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在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、价格低、可靠性高、适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业应用广泛。1.2 温度控制系统的应用盐浴炉温度控制系统利用 S 型铂铑-铑热电偶检测温度，热电偶进行冷端补偿，热电偶检测的信号通过放大、采样保持、模数转换再送单片机保存，采用分段查表
9、法获取各点温度。选用可控硅过零触发自动控制盐浴炉温度，控制周期为100 个三相交流市电周期，即 2s。由单片机控制可按预设温度曲线进行加热，并可实时显示加温曲线。大型粮库采用主机为 PC 上位机，从机为 68HC08GP32 为主控芯片的分机（下位机） 。下位机采用 DALLAS 的数字式温度传感器芯片 DS1820，可以在三根线（电源线、地线、信号线）上同时并联多个温度探测点。每个分机上可以连接 10 跟电缆，每根电缆上可并联几十个点。分机利用了 68HC08GP32 的片内 FLASH 功能，实现了 DS1820 的序列号在 68HC08GP32 中的动态存取，从而节河南机电高等专科学校第
10、 4 页 共 30 页省了大量存储器。温度数据保存在 68HC08GP32 的片内 RAM 里并且利用了充分利用了 68HC08GP32 的片内的 A/D 实现了湿度数据的测量。有的还用 PLC 来控制总之温度控制系统的控制方式是多种多样的。1.3 课程设计任务本文主要介绍单片机温度控制系统的设计过程，其中涉及系统结构设计、元器件的选取和控制算法的选择、程序的调试和系统参数的整定。以 AT89C51 为CPU，温度信号由 PT1000 和电压放大电路提供。电压放大电路用超低温漂移高精度运算放大器 OP07 将温度-电压信号进行放大，用单片机控制 SSR 固态继电器的通断时间以控制水温，系统控制
11、对象为 1 升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以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，具有较好的快速性与较小的超调。河南机电高等专科学校第 5 页 共 30 页第二章 系统方案2.1 水温控制系统设计任务和要求设计一个水温自动控制系统，控制对象为 1 升净水，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调整，以保持设定的温度基本不变，系统设计具体要求：温度设定范围为 40，目标温度的5； 加热棒功率 2KW，控制器为继电器；用十进制数码管显示水的实际温度。2.2 水温控制系统部分水温控制系统是一个过程控制系统，组成框图如图 1 所示，由控制器、执行器、被控对象其反
12、馈作用的测量变送组成。测量变送试通过温度传感器 Pt1000 来传送的。控制器是通过单片机来完成。图 1 控制系统框图2.2.1 CPU 中央处理器方案一：采用 8031 作为控制核心，使用最为普遍的器件 ADC0804 作模数转换，控制上使用对加热棒加电对水槽里的水升温。此方案简易可行，器件价格便宜，但 8031 内部没有程序存储器需扩展，增加了电路的复杂性。方案二：此方案采用 8951 单片机实现，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。进行数据转换，控制电路部分采用 SSR 固态继电器控制加热棒的通断，此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。比较两个方案可知，采用 Atmel 单片
13、机来实现本题目，不管是从结构上，还是从工作量上都占有很大的优势，所以最后决定使用 AT89C51 作为该控制系统的核河南机电高等专科学校第 6 页 共 30 页心。根据温度变化慢，并且控制精度不易掌握的特点，设计了水箱温度自动控制系统，总体框图如图 2 所示。温度控制采用改进的 PID 数字控制算法，显示采用用 3 位 LED 静态显示。图 2 控制器设计总体框图（2） 温度控制系统算法分析系统算法控制采用工业上常用的位置型 PID 数字控制，并且结合特定的系统加以算法的改进，形成了变速积分 PID积分分离 PID 控制相结合的自动识别的控制算法。该方法不仅大大减小了超调量，而且有效地克服了积
14、分饱和的影响，使控制精度大大提高。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。PID 调节器有三个可设定参数，即比例放大系数 、积分时间常数 、微分时间常数pKiK。比例调节的作用是使调节过程趋于稳定，但会产d生稳态误差；积分作用可消除被调量的稳态误差，但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定； 图 3 比例积分微分控制微分作用能有效的减小 ty河南机电高等专科学校第 7 页 共 30 页动态偏差。如图 3 所示。 由图 4 可知 PID 调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值 w 与实际输出值 y 进行比较构成偏差 e=w-y。并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其动态方程为：dteKteteKtuip )()()()(（其中 Kp 为比例放大系数；Ki 为积分时间常数 ；Kd 为微分时间常数）PID 调节器的离散化表达式为；)1()()()( keTKkeKkudip其增量表达形式为（T 为采样周期）： )1()(kuku)2()1(2)/)( kekeTKkeeKdip图 4 模拟 PID 控制2.3 控制方式该控制系统是把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定量进行比较（综合） ，并利用控制器
