毕业设计浴池水温控制系统设计

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1、 专科生毕业设计题 目：浴池水温控制系统设计 专业年级： 机电08-2班 学生姓名： 李子木 学 号： 0801070219 指导教师： 完成时间： 2011 年 6 月 15 日 毕业设计（论文）评语学生姓名： 学号：0801070219学 院： 专业：机电一体化任务起止时间： 2011年3月14日至2011年 6 月24 日毕业设计（论文）题目：浴池水温控制系统设计指导教师对毕业设计（论文）的评语：指导教师签名： 指导教师职称： 评阅教师对毕业设计（论文）的评语：评阅教师签名： 评阅教师职称： 答辩委员会对毕业设计的评语：答辩委员会评定，该生毕业设计（论文）成绩为： 答辩委员会主席签名：

2、职称： 年 月 日 专科生毕业设计（论文）任务书学生姓名： 学号：0801070219学 院：哈理工荣成学院 专业：机电一体化任务起止时间：2011年 3 月14日至 2011年 6 月24 日毕业设计（论文）题目：浴池水温控制系统设计毕业设计工作内容：1.通过设置按键，设定温度值，并用数码管显示这个值2在运行过程中将温度值送入A/D转换器中进行模拟-数字转换3再将转换后的数字量用数码管显示4用单片机来控制加热器，进行加热或停止加热，直到温度达到要求资料：1 何小艇电子系统设计，浙江大学出版社,2003： 20-342 吴金戎,沈庆阳等8051单片机实践与应用,清华大学出版社,2004：80-

3、903 韩志军,王振波等单片机应用系统设计,机械工业出版社,2001：50-604 吴金.8051单片机实践与应用,清华大学出版社,2009：40-60 指导教师意见： 签名：年 月 日系主任意见：签名：年 月 日 1目 录第一章绪 论11.1选题背景11.2技术背景11.3选题的意义2第二章 总体方案设计32.1 总体方案的确定及任务说明32.1.1 主要性能指标32.1.2 扩展功能32.2 控制方法选择32.2.1 系统组成42.2.2 单片机系统选择52.2.3 温度控制52.2.4 方案选择5第三章系统的硬件设计63.1 系统框图63.2 键盘显示电路63.3 系统温度控73.4 程

4、序流7第四章参数计算94.1 系统各模块设计及参数计算94.1.1 温度采集部分及转换部分94.1.2 传感器输出信号放大电路部分:104.1.3 模数转换电路部分:104.1.4 ADC0804芯片外围电路的设计124.1.5 数值处理部分及显示部分:124.1.6 PID算法的介绍:124.1.7 A/D转换模块134.1.8 控制模块144.2 系统硬件调试14第五章CPU软件抗干18看门狗设计18第六章测试方法和测试结果216.1 系统测试仪器及设备216.2 测试方法216.3 测试结果216.4 总结22参考文献24致 谢25第一章 绪 论1.1选题背景水温控制无论是在工业生产中，

5、还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或者过高的温度都会造成水资源失去其应有的用途，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。在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程安全正常的进行，提高产品的质量和数量，以及减轻公认的劳动强度、节约能源，要求对加热炉炉温进行测试、显示、控制，使之 达到工艺标准，以单片机为核心设计的水温控制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通信口传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

6、控制系统有很高的精确度，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，用信息技术来提高水温控制并提高控制的精确度不仅是可以到达而且是容易实现的。用高新科技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务，一次来加强工业化建设，提高人民的生活水平。1.2技术背景本系统以AT89C51，AT89C2051单片机为核心，主要包括传感器温度采集，A/D模/数转换，按扭操作，单片机控制，数码管数字显示等部分。本系统

7、采用PID算法实现温度控制功能，通过串行通信完成两片单片机信息的交互而实现温度设定、控制和显示。本设计还可以通过串口与上位机（电脑）连接，实现电脑控制。系统设计有体积小、交互性强等优点。为了实现高精度的水温控制，本单片机系统采用PID算法控制和PWM脉宽调制相结合的技术，通过控制双向可控硅改变电炉和电源的接通、断开，从而改变水温加热时间的方法来实现对水温的控制。本系统由键盘显示和温度控制两个模块组成，通过模块间的通信完成温度设定、实温显示、水温升降等功能。具有电路结构简单、程序简短、系统可靠性高、操作简便等特点。1.3选题的意义1. 了解水温控制系统在生产生活中的作用和意义2. 通过研究水温控

8、制系统进一步了解和熟悉，电力电子器件的工作原理以及工作条件和控制方式等。3. 加深对控制的印象，从采样到分析控制，再到执行机构执行以及反馈等，任何的控制系统不外乎都是这样的，只不过是控制量和控制的方式不同而已。我们学了这么多的专业课，这次设计是把我们所学的东西都连接起来，使我们拥有的知识能够综合的应用。以至于我们以后能在工作中更好的发挥自己的才能。第二章 总体方案设计2.1 总体方案的确定及任务说明2.1.1 主要性能指标a. 温度设定范围：30-90，最小区分度为1。b. 控制精度：温度控制的静态误差1。c. 用十进制数码显示实际水温。d. 能打印实测水温值。2.1.2 扩展功能a. 具有通

9、信能力，可接受其他数据设备发来的命令，或将结果传送到其他数据设备。b. 采用适当的控制方法实现当设定温度与环境温度突变时，减小系统的调节时间和超调量。c. 温度控制的静态误差1。d. 能自动显示水温随时间变化的曲线。2.2 控制方法选择由于水温控制系统的控制对象具有热存储能力大，惯性也较大的特点。水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会推迟一段时间，使输出与输入之间产生相移。对于这样一些存在大的滞后特性的过渡过程控制，一般来说可以采用以下几种控制方案：（1）输出开关量控制：对于惯性较大的过程可

10、以简单地采用输出开关量控制的方法。这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态：开关或者通断，因此控制过程十分简单，也容易实现。但由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因此容易硬气反馈回路产生振荡，对自动控制系统会产生十分不利的影响，甚至会因为输出开关的频繁动作而不能满足系统对控制精度的要求。因此，这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。（2）比例控制（P控制） 比例控制的特点是控制器的输出与偏差成比例，输出量的大小与偏差之间有对应关系。当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡时间短，但过程终了存在余差。因此它适用于控制通道滞后较

11、小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围内变化的系统。使用时还应注意经过一段时间后需将累积误差消除。a. 比例积分控制（PI控制）由于比例积分控制的特点是控制器的输出与偏差的积分成比例，积分的作用使得过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。虽然加大比例度可以使稳定性提高，但又使过渡时间加长。因此，PI控制适用于滞后较小、负荷变化不大、被控量不允许有余差的控制系统，它是工程上使用最多、应用最广的一种控制方法。b. 比例积分加微分控制（PID控制）比例积分加微分控制的特点是微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成正比例,它对克服对象的容量滞后有显著的效果。在比例基础上加上微分作用，使稳定性提高，

12、再加上积分作用，可以消除余差。因此，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。结合本例题设计任务与要求，由于水温系统的传递函数事先难以精确获得，因而很难判断哪一种控制方法能够满足系统对控制品质的要求。但从以上对控制方法的分析来看，PID控制方法最适合本例采用。另一方面，由于可以采用单片机实现控制过程，无论采用上述哪一种控制方法都不会增加系统硬件成本，而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案。因此本系统可以采用PID的控制方式，以最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。2.2.1 系统组成就控制器本身而言，控制电路可以采用急经典控制理

13、论和常规模拟控制系统实现水温的自动团结。但随着计算机与超大规模集成电路的迅速发展，以现代控制理论和计算机为基础，采用数字控制、显示、A/D与D/A转换，配额后执行器与控制阀构成的计算机控制系统，在过程控制过程中得到越来越广泛的应用。由于本例是一个典型的检测、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

14、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（DDC）。2.2.2 单片机系统选择AT89C2051、AT89C51单片机是最常用的单片机，是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器。AT89C2051与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能，功能强、灵活性高而且价格低廉。AT89S51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给拥护。系统运行中需要存放的中间变量较少，可不必再扩充外部RAM。2.2.3 温度控制键盘输入一个需要控制的温度，通过单片机2051的串口把数据传送到AT89C51，AT89C51通过数