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1、西安航空职业技术学院 毕业设计论文基于单片机的水温自动控制系统【摘要】本论文采用单片机以及PID算法进行水温的实时采集与控制，进行软件编程，实现用PID算法来控制PWM波的产生，进而控制电炉的加热来实现温度控制，该水温控制系统主要由AT89C51单片机控制系统、前向通道（温度采样转换电路）、后向通道（温度控制电路）、键盘显示电路等四部分组成，水温设定范围为3595，最小区分度为0.1。所以系统具备较高的测量精度和控制精度。关键词：AT89C51 单片机 PID算法Abstract：This paper uses monolithic integrated circuits and pid al
2、gorithm to the real-time collection and control and conduct software programming, to realize the pid algorithm used to control pwm wave, and control of the electric heating of the implementation of the temperature control, the water temperature control system is mainly composed at89c51 monolithic in
3、tegrated circuits to control systems and to channel （ the sampling transforming circuit ） and to channel （ temperature control circuit ）, the keyboard display circuits of four sections, the scope for 35 95 , the little difference between degrees 0.1 。Key words：Monolithic integrated circuits AT89C51
4、monolithic integrated circuits PID algorithm ；目录1引言11.1水温控制系统概述11.2本设计任务和主要内容12系统设计原理32.1水温控制系统总体框图32.2总体方案论证42.3各部分电路方案论证53硬件电路设计与计算63.1温度采样和转换电路63.2温度控制电路73.3单片机控制部分83.4键盘及数字显示部分84实验测试104.1循环显示“HELLO888”104.2键盘及数字显示结合114.3温度设定和传送电路154.4PWM电压输出电路22结束语24谢辞25参考文献261引言水温控制在工业及日常生活中应用广泛,分类较多,不同水温控制系统的控
5、制方法也不尽相同,其中以PID控制法最为常见。单片机控制部分采用AT89C51单片机为核心，采用软件编程，实现用PID算法来控制PWM波的产生，进而控制电炉的加热来实现温度控制。然而,单纯的PID算法无法适应不同的温度环境,在某个特定场合运行性能非常良好的温度控制器,到了新环境往往无法很好胜任,甚至使得系统变得不稳定,需要重新改变 PID 调节参数值以取得佳性能。本文首先用PID算法来控制PWM波的产生，进而控制电炉的加热来实现温度控制。然后在模型参考自适应算法 MRAC基础上,用单片机实现了自适应控制,弥补了传统 PID控制结构在特定场合下性能下降的不足,设计了一套实用的温度测试系统,使它在
6、不同时间常数下均可以达到技术指标。此外还有效减少了输出继电器的开关次数,适用于环境参数经常变化的小型水温控制系统。1.1水温控制系统概述温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源的巨大浪费。特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对水温的控制，把身边的水资源好好地利用起来。在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，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合下，为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对加热炉炉温进行
7、测、显示、控制，使之达到工艺标准，以单片机为核心设计的炉温控制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。那么无论是哪种控制，我们都希望水温控制系统能够有很高的精确度（起码是在满足我们要求的范围内），帮助我们实现我们想要的控制，解决身边的问题。在计算机没有发明之前，这些控制都是我们难以想象的。而当今，随着电子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，而且计算机和传感器的价格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技术来实现水温控制并提高控制的精确度不仅是可以达到的而且是容易实现的。用高新技术来解决工业生产问题，排除生活用水问题实施对水温的控制已成为我们电子行业的任
8、务，以此来加强工业化建设，提高人民的生活水平。1.2本设计任务和主要内容1.基本要求 一升水由1kW的电炉加热，要求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。2.主要性能指标 温度设定范围 35-95，最小区分度为0.1。 控制精度：温度控制的静态误差。 用十进制数码显示实际水温。3.扩展功能 具有通信能力，可接收其他数据设备发来的命令，或将结果传送到其他数据设备。 采用适当的控制方法实现当设定温度或环境温度突变时，减少系统的调节时间和超调量。 温度控制的静态误差。 2系统设计原理2.1水温控制系统总体框图 该水温控制系统主要由AT89C51单
9、片机控制系统、前向通道（温度采样转换电路）、后向通道（温度控制电路）、键盘显示电路等四部分组成，其总体设计框图如图2-1所示。AT89C51单片机温度控制电路温度采样转换电路键盘显示电路水温控制模块 图2-1总体设计框图图2-2 主程序流程图2.2总体方案论证(1)方案论证与比较本题目是设计制作一个水温控制系统，对象为一升净水，加热器为1KW的电炉。要求能在35-95范围内设定控制水温，并具有较好的快速性和较小的超调，以及十进制数码管显示等功能。(2)总体方案设计及论证根据题目的要求，我们提出了以下的两种方案：方案1：此方案是采用传统的二位模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，采用上
10、下限比较电路将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。由于采用模拟控制方式，系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法使控制精度做得教高，而且不能用数码显示和键盘设定。方案2：采用单片机AT89C51为核心。采用了温度传感器AD590采集温度变化信号，A/D采样芯片ADC0804将其转换成数字信号并通过单片机处理后去控制温度，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。比较上述两种方案，方案2明显的改善了方案1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
11、电路采用方案2。2.3各部分电路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论证：（1）温度采样部分方案1：采用热敏电阻，可满足35-95的测量范围，但热敏电阻精度、重复性和可靠性都比较差，对于检测精度小于1的温度信号是不适用的。方案2：采用温度传感器AD590。：AD590具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点。其测量范围在-50- +150，满刻度范围误差为0.3，当电源电压在510V之间，稳定度为1时，误差只有0.01，其各方面特性都满足次系统的设计要求。此外AD590是温度-电流传感器，
12、对于提高系统抗干扰能力有很大的帮助。经上述比较，方案2明显优于方案1，故选用方案2。（2）键盘显示部分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。方案1：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。方案2：采用单片机AT2051与地址译码器74LS138组成控制和扫描系统，并用2051的串口对主电路的单片机进行通信，这种方案既能很好的控制键盘及显示，又为主单片机大大
13、的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，价格便宜的特点。对比两种方案可知，方案1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2。（3）控制电路部分方案1：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。方案2：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。方案3：采用AT89C51单片机，其内部有8KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器，而且它的I/O口也足够本次设计的要求。比较这3种方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此
14、次设计选用方案3。3硬件电路设计与计算本电路总体设计包括四部分：主机控制部分（89C51）、前向通道（温度采样和转换电路）、后向通道（温度控制电路）、键盘显示部分。3.1温度采样和转换电路系统的信号采样和转换电路主要由温度传感器AD590、基准电压7812、运算放大器OP-07及A/D转换电路ADC0804四部分组成。设计电路图如图3-1所示：图3-1温度采样和转换电路原理设：P为当前温度下的功率，为电热器功率500W,（1）AD590性能描述测量范围在-50-+150，满刻度范围误差为0.3，当电源电压在510V之间，稳定度为1时，误差只有0.01。AD590为电流型传感器温度每变化1其电流变化1uA在35和95时输出电流分别为308.2uA和368.2uA。（2）基准电压7812提供12V标准电压，它与运算放大器OP-07和电阻组成信号转换与放大电路，将35-95的温度转换为05V的电压信号。（3）ADC0804性能描述ADC0804为8位逐次逼近型A/D转换器，其输入电压范围在05v，转换速度为100us，转换精度为0.39，对应误差为0.234。满足系统的要求。（4）电路原理及参数计算温度采样电路的基本原理是采用电流型温度传感器AD590将温度的变化量转换成电流量，再通过OP-07将电流量转换成电压量，通过A/D转换器ADC080
