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1、水温控制系统的设计摘 要随着计算机技术、测量仪器和控制技术的高速发展，现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，应用了越来越多的先进测量控制技术、设备和方法。在这些众多的先进测量控制技术中，如何对水温进行控制成为焦点课题之一，为越来越多的科研机构所重视。本设计是一个典型的检测、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、运算到输出控制电热器加热功率以实现水温控制的全过程，因此，以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，可以满足检测、控制应用类型的功能要求。系统包括单片机，DS18B20温度传感器，场效应管控制下的加热器及其他电子元器件。电路板自带液晶显示器，可以显示设定温度和
2、当前水温，同时还有LED灯用来指示系统的运行状态及其它有用信息，在需要时发出警告信号。最终实现对温度的较精确控制。本控制系统的控制方法主要采用PID算法，并结合了模糊控制的有关理论，使整体控制方案简捷高效，实现方便，而控制效果良好，可以使水温控制的超调量小于0.5摄氏度，同时调节时间也满足设计要求。关键词：单片机，温度传感器，PID，加热器，水温控制 DESIGN OF WATER TEMPERATURE CONTROL SYSTEM ABSTRACTWith the rapiddevelopment of computer technology and instrumentation and
3、control technology, modern metallurgy,petroleum,chemicaland electric powerproduction process, advanced measurement and control technology, equipment and methodmore and more applications. In these numerous advanced measurement and control technology, how the temperature control has become a focus top
4、ic, paid attention to by more and more scientific research institution.Because this design is a typical detection and control of applications, it requires to complete the water temperature detection systems, signal processing, input, operation to the output control electric heater heating power in o
5、rder to realize the whole process control, therefore, should be based on single-chip microcomputer as the core component of a dedicated computer system, in order to meet the detection, control of types of functional requirements.The system comprises a MCU, DS18B20 temperature sensor, heater under th
6、e control of MOSFET and other electronic components. The circuit board has a LCD display which can display the current temperature and setting temperature, and some LED lamps which are used to indicate the running state of system and other useful information, warning signal in time of need. Finally
7、realize the accurate control of temperature.Control method of the control system is mainly used PID algorithm, combined with the theories of fuzzy control, the control scheme is simple and efficient, easy to implement, and the control effect is good, can overshoot the water temperature control is le
8、ss than 0.5 degrees Celsius, while smaller adjustment time.KEY WORDS： MCU, temperature sensor, PID, heater, Water temperature control 习题与教育目录 前言1第1章 绪论31.1 研究背景31.2 控制技术的发展41.2.1 定值开关温度控制法41.2.2 PID线性温度控制法41.2.3 智能温度控制法51.3 国内外发展现状61.4 课题设计思路7第2章 系统方案概述82.1 系统设计要求82.2 方案论证与选择82.2.1 温度传感电路的选择82.2.2 控
9、制电路论证102.2.3 加热电路论证112.2.4 控制算法论证12第3章 系统硬件设计与分析143.1 硬件系统组成框图143.2 单片机最小系统143.2.1 STC89C52单片机153.2.2 晶振电路163.2.3 复位电路163.2.4 工作模式选择173.3 温度传感电路173.3.1 传感器简介173.3.2 传感器接口电路193.4 独立按键193.4.1 按键接口分配193.4.2 按键接口原理图203.5 LED指示灯203.5.1 指示灯接口原理图203.5.2 指示灯接口分配213.6 LCD显示213.6.1 LCD1602简介223.6.2 LCD1602引脚定
10、义223.6.3 LCD1602电路连接图223.7 加热电路233.7.1 整流电路243.7.2 PWM直流调压电路253.8 串口通信253.8.1 串口简介263.8.2 串口通信接线图263.9 电源模块263.10 保护电路27第4章 系统软件设计与分析294.1 软件系统总体流程图294.2 水温测量程序294.2.1 DS18B20操作时序304.2.2 水温测量程序流程图314.3 独立按键程序314.4 指示灯程序314.5 LCD1602显示程序324.5.1 LCD1602操作简介334.5.2 LCD1602操作时序334.5.3 LCD显示程序流程图344.6 PW
11、M波形产生程序354.6.1 PWM简介354.6.2 定时器产生PWM354.7 PID控制程序364.7.1 PID算法简介364.7.2 PID计算程序流程图38第5章 系统调试395.1 硬件调试395.1.1 硬件调试过程395.1.2 硬件调试中出现的问题及解决办法395.2 软件调试40结论45参考文献46致谢47附录48前言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下，为了保证生产过程正常安全的进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度和节约能源，及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制，在许多工业场合中都是重要的环节。由于本设计是一个典型的检测、
12、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、运算到输出控制电热器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提供了可能，例如实现自动切断电源，语音提示，自动加热，远程控制等。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。目前，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”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一
13、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。虽然也在飞速发展，但对温度要求比较严格的场合，我国的设备根本无法胜任，更提供不了具有建设性的、有价值决策的数据，与国外还有着一定的差距。采用开关温度控制法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。它是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制。这种开关控温方法比较简单，用很简单的模拟电路就能够实现。但是，由于这种控制方式无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统温度波动较大
14、，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。而PID温度控制法是基于输出反馈的比例积分微分（PID，Proportional Integral Differential）控制器的设计方法。由于PID调节器模型中考虑了系统的误差，误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。本次设计的主要内容是设计并实现基于51系列单片机的水温控制系统，该系统由STC89C52单片机作为微控制器，通过接收DS18B20温度传感器反馈的水温信号，来控制加热器实现对水温的较精确控制。所设计的系统为一包括单片机，DS18B20温度传感器，可控硅控制下的加热器及其他电子元件的电路板。电路板自带
15、LCD液晶显示器，可以显示设定温度和当前水温，同时还有LED灯用来指示系统的运行状态及其它有用信息，在需要时发出警告信号。该水温控制系统是一个典型的检测、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。要完成本次设计需掌握单片机的使用，实现对单片机的编程以及利用单片机对外围电路进行控制；掌握DS18B20温度传感器的使用方法，弄懂其单线接口方式，学会用单片机与其进行通信，并读取相关温度信息；掌握LCD液晶显示器的工作原理，学会利用单片机来控制其正确显示温度；掌
