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1、一、前言能源问题已经是当前最为热门的话题，离开能源的日子，世界将失去一切颜 色，人们将寸步难行，我们知道虽然电能是可再生能源，但是在今天还是有很多 的电能是依靠火力，核电等一系列不可再生的自然资源所产生，一旦这些自然资 源耗尽，我们将面临电能资源的巨大的缺口，因而本设计从开源节流的角度出发， 节省电能，保护环境。本设计任务和主要内容：设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为 1 升净水，容器为搪瓷或 塑料器皿。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 控制，以保持设定的温度基本不变。本设计主要内容如下：(1) 温度设定范围为：4090C，最小区分度为1C,标定温度W1C。
2、(2) 环境温度降低时温度控制的静态误差W1C。( 3 )用1 60 2液晶显示水的实际温度。(4) 采用适当的控制方法，当设定温度突变(由40C提高到60C )时，减小系统的调节时间和超调量。(5) 温度控制的静态误差W0.5C。二、系统方案1、温度传感器的选取目前市场上温度传感器较多，主要有以下几种方案：方案一：选用铂电阻温度传感器。此类温度传感器线性度、稳定性等方面性 能都很好,但其成本较高。方案二：采用热敏电阻。选用此类元器件有价格便宜的优点，但由于热敏电 阻的非线性特性会影响系统的精度。方案三：采用DS18B20温度传感器。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式 数字温度传感器
3、，具有3引脚TO 92小体积封装形式;温度测量范围为一55C + 125C,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625C，被测 温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出远端引入。此器件具有体积小、质 量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。比较以上三种方案，方案三具有明显的优点，因此选用方案三。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。方案一：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，
4、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。方案二：采用单片机AT89C52与4X4矩阵组成控制和扫描系统，并用89C52 的P1 口对键盘进行扫描，并用总线的方式在P0 口接1602液晶来显示水温和设 定值，这种方案既能很好的控制键盘及显示，又为主单片机大大的减少了程序的 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，方案一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，我们采用方案二。3、控制电路部分方案一：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。方案二：采用205
5、1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1/O 口，因此此芯片资源不够用。方案三：采用AT89C52单片机，其内部有4KB单元的程序存储器，不需外部 扩展程序存储器，而且它的1/O 口也足够本次设计的要求。比较这三种方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用方案4、PID过程控制部分过程控制的基本概念过程控制一一对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。 一、模拟控制系统模拟调节器图5-1-1基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏 差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零
6、，其输出通 过执行器作用于过程。控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。三、微机过程系统控制图5-1-2微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器。控制规律的实现，是通过软件来完成的。改变控 制规律，只要改变相应的程序即可。四、数字控制系统DDC设定信ZK刁录警 显打记报接【I输入通道检测元件L业 对 彖微型计算机图5-1-3 DDC系统构成框图DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机用于过程控制的最典型的一种 系统。微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定 的控制规律(算法)进行计算，通过输出通道直接去控制执行机
7、构，使各被控量达 到预定的要求。由于计算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制。DDC系统也是计算机在工业应用中最普遍的一种形式。模拟PID控制系统组成对象比例微分di)图5 1 4模拟PID控制系统原理框图PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏 差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进 行控制。de(t)dt1、PID调节器的微分方程u(t) = KPe(t) +Je(t )dt + TT oDi式中 e(t) = r (t) - c(t)2、PID调节器的传输函数D(S) = U(S) = K 1 + 丄 + T SE
8、 (S) p TS D1-IPID调节器各校正环节的作用1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦 产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱 取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号 的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。 数字 PID 控制器一、模拟PID控制规律的离散化模拟形式离散化形式e(t) = r (t) - c(t)e(n) = r (n) - c(n)de
9、(t) dTe(n) - e(n -1)TJ te(t )dt0工 e(i)T = T 工 e(i)i=0i=0二、数字PID控制器的差分方程u(n) = K e(n) + e(i) +p I TI i =0=u (n) + u (n) + u (n) + uPID式中 u (n) = K e(n)PP称为比例项称为积分项u (n) = K e(i)IP TI i =0u (n) = Kd le(n) - e(n -1)称为微分项DP T五、总体方案原理的理论分析1 系统模块分为：DS18B20 模块，1602 液晶显示模块，继电器模块，键盘输入模块和声光报警模块，DS18B20可以被编程，所
10、以箭头是双向的，CPU (89C52)首先写入命令给DS18B20,然后DS18B20开始转换数据，转换后通89C52来处理数据。数据处理后的结果就显示到1602液晶上。2系统模块总关系图本系统的执行方法是循环查询执行的，键盘扫描也是用循环查询的办法，由 于本系统对实时性要求不是很高，所以没有用到中断方式来处理。六、电路与程序设计1.继电器模块下图是一个蜂鸣器和一个继电器的图，我们只用到了继电器的图, 继电器和单片机的P1.3 口进行通讯。2.液晶显示模块下图是1602液晶显示模块的图，按照总线来连接，1602数据口接单片机P0 口。+53.89S51单片机最小系统模块89S51单片机最小系统
11、模块如下，P0 口接10K的上拉电阻以便与显示模块 通讯。IP1.0 1 Fl.l 2FIT3F1.3 4Pl.4 J rrrvv pTTT pi盏bb4-5 LY1-1C212MHzlOuFCS1715M19ISF，D 17 匕lOK ；-P1.0(ADO)PO.OP1.1ADl)PC.lP1.2(AD2)P0.2P15D3)PC.3F1.4(AD4)P0.4P1.XM0SI)(AD5)F0.5Fl.dCMI3O)(ADd)P0.6(AD7)P0. =P 数 iFTiy(AS)P2.0玄IHT氓(A9JP2.1(A10)F2.2P3.XT1):U11)P2.3F3.T0)朋F24血P右KA/
12、7PP魚 14)P2#(A15)P7 4 XTAL1XTAL3GNDMT(RXD)F3.0 -S6iii_rS7J1hJS3.：bZr*i bA4 .、z F1.2S9S10SilS12hgrt Jh J.f宀 Ji.4P1.3 .-i-S13，11V-S141- -SDJ1rVSIS弋Lji、 igiC-;七、软件设计说明本系统采用的是循环查询方式，来显示和控制温度的。1总程序流程图如下2中断函数流程图如下:八、整机调试与技术指标测量用继电器模块来控制200W “热得快”来对1升水进行加热，用键盘设定需 加热温度值，观察1602所显示的稳定时的水温值和环境温度降低时温度控制的 静态误差。多次调试并和设定PID参数来完善该系统。(1) 由于采用了 PID控制，在环境温度降低时温度控制的静态误差小于0.5C(精度高于设计要求)。(2) 用TS1602-1液晶来显示水的实际温度和设定温度值，显示很稳定。(3 )采用了 PID控制，当设定温度突变(由40C提高到60C )时，经过多 次调试知道，当P=20； 1=15； D=6时系统具有最小的调节时间和超调量。(4) 当温度稳定时，温度控制的静态误差W0.5C。(5) 经过多次测试和改进，该系统各方面参数都达到和超过设计参数，完成 了既定目标。九、设计总结首先，通过本次应用系统设计，在很大程度上提高了我们的独立思考能力和 单片机的专业
