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1、摘要：随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科 研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,本文将介绍一种智能保温开水宝模 拟装置，现在大多数电热水壶只能把水加热至沸腾，不能保证热水温度，但人们 常用的热水的温度根据用途不同温度也不相同，现在新的电热水壶能设定水壶中 的温度。关键词单片机 数字控制 保温 DS18B20AT89S52Abstract:along with the progress and development of The Times, microcontroller technology has spread to our life, work, scie
2、ntific research, each domain, has become a more mature technology, this article introduces an intelligent insulation water treasure simulator, now most of the electric kettle can only heat the water to a boil, and cannot ensure the hot water temperature, but people often use hot water temperature ac
3、cording to different purposes and different, now new electric kettle can set temperature in the kettle.Key W0rds： MCU digital control heat preservation DS18B20AT89S521弓|言12总体方案设计22.1 控制方案的选择22.2 系统组成22.3 单片机系统选择32.4 温度控制32.5 方案选择33系统硬件设计43.1 系统框图43.2 键盘显示电路43.3 电源电路53.4 传感器电路63.5 功率放大电路63.6 加热丝电路73.
4、7 单片机基本系统电路73.8 程序流程图84参数计算114.1 PID算法介绍114.2 模拟PID控制系统组成124.3 模拟PID调节器的微分方程和传输函数124.4 PID调节器各校正环节的作用124.5 系统硬件调试124.5.1 单片机基本系统调试134.5.2 数码管显示和键盘接口电路135测试结果135.1 系统测试仪器135.2 结果验证136 结束语14参考文献15附录1电路设计图16附录2程序171 引言随着人们生活水平的不断提高，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的 方便也是不可否定的，本次课程设计的作品智能保温开水宝模拟装置就是一个典型的例子， 但人们对
5、它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需 要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。本课程设计的目的在于培养学生运用已学的微机控制技术的基础知识和基本理论，加以 综合运用，进行微机控制系统设计的初等训练，掌握运用微机控制技术的原理、设计内容和 设计步骤，为从事相关的毕业设计或今后的工作需要打下良好的基础。本设计所介绍的智能保温开水宝模拟装置与传统的开水宝相比，可以在几个比较常见的 温度进行保温，同时也可以自定义设置保温温度，还有温度实时显示功能，主要用于家庭使 用改善人民生活质量，该设计控制器使用单片机AT89C51，测温传感器使用DS18B
6、20，用2 位共阳极LED数码管实现温度显示，能准确达到控制要求。2 总体方案设计、 控制方案的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，
7、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。比例积分控制（P
8、I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。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，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
9、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。就控制器本身而言，控制电路可以采用经典控制理论和常规模拟控制系统实现水温的自 动调节。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
10、制、显示，传感器、执行器与控制器构成的系统，在生活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、运算到输出控制开水宝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开水宝水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面提供了可能，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（DDC）。单片机系统选择AT89C51、AT89C52单片机是最常用的单片机，是一种低损耗、高
11、性能、CMOS八位微 处理器。AT89C51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。AT89C51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端口全部提供给拥户。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。一 温度控制设定一个需要的温度值（本课程设计设定4个默认的温度按键和一个确认按键或者增加 一个数码管显示实时温度和温度增加减小按键），然后启动加热，水沸腾后，停止加热，水放 热降温至设定温度时蜂鸣器播放音乐提
12、示；降温至设定温度以下5C启动加热，当高于设定温 度5C停止加热，温度保持在设定值附近。在系统运行过程中有温度传感器DS18B20将温度 数据传送到AT89C51，AT89C51通过数据比较，PID分析，T0，T1产生PWM波来控制开水 宝电热丝是否继续加热还是停止加热。 土 方案选择方案一：用热敏电阻：通过电阻的变化来获得电压的变化，起价格虽然便宜但是精度不 是很高。对于一个精度要求高的系统不宜采用方案二：用A/D590：通过AD590温度传感器采集温度，由于AD590是电流传感器，经 过电阻转换为电压。虽然价格较高但是精度高。方案三：用DS18B20：是数字温度传感器，封装成后可应用于多种
13、场合， 如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877， LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20 可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温， 洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方 便，价格便宜，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域我们选择方案三。3 系统硬件设计:门系统框图图3-1单片机控制系统原理框图.*， 键盘显示电路键盘电路采用两路独立按键分别控制设定温度的增加和减少，使用的I/O端口是P2.0和 P2.1由于AT89C51上电各管脚均为高电平所
14、以另一端共同接地。这就组成了键盘电路。显示 电路，采用的是8段LED数码管显示，考虑到单片机负载能力问题我们采用共阳数码管。因 为是给水加热而且防干烧，所以温度不会超过100度，选择两位数码管就可以满足控制要求。 电路图如图3-2和图3-3所示。P2,0GNDSIo oSW-PBS2QQOSW-PB L.GND图3-2键盘电路g DPI)S2Grixn-CA?,0vccP1-IPOOPl,2MlPL3P02PUP03PL5P0.4Fi.riPUP0.6ResetP0.7py Grcafc-CA图3-3数码管显示电路.*.4 电源电路由于开水宝的供电电源是220V的交流电，而单片机的供电是5V的
15、直流电，所以需要进 行电源转换将220V的交流电转换为5V的直流电，首先要将220V的交流电通过变压器降低 到9V8W的交流电。其次就是整流将9V的交流电转换成8V左右的直流电，这个过程是通过 整流桥完成的。最后就是稳压，LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能 够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3.3V、5V、 12V，可调版本可以输出小于37V的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器， 开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件 只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了 LM2596的使用，极大地简化了 开关电源电路的设计。该器件还有其他一些特点：在特定的输入电压和输出负载的条件下， 输出电压的误差可以保证在4%的范围内，振荡频率误差在15%的范围内；可以用仅80 u A的待机电流，实现外部断电；具有自我保护电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情 况下断电的过温完全保护电路）。因为该芯片的稳压效率高发热量少，输出电压比较稳定而且 质量比较好，选用的是LM2596S-5.0稳压芯片完成电源电路设计。电源电路如图3-
