基于单片机的水温控制系统.doc

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.57M 资料格式：doc 举报版权申诉

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1 引言

1.1水温控制系统概述

1.2本设计任务和主要内容

2 单片机的简介

2.1单片机的简介

3 基于单片机水温控制系统设计过程

3.1水温控制系统总体框图

3.2总体方案论证

3.3 各部分电路方案论证

3．4、循环显示“HELLO888”

3.5、键盘及数字显示结合

3.6、温度设定和传送电路

3．7、PWM 电压输出电路

4 硬件电路设计与计算

4.1 温度采样和转换电路

4.2、温度控制电路

4.3 单片机控制部分

4.4、键盘及数字显示部分

5 总结

5.1 此次水温控制系统设计过程中遇到的问题及其解决方法

5.2 对该设计的建议

参考文献

基于单片机水温控制系统学生：李晓峰指导老师：陈沅涛摘要：随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。本设计以保质、节能、安全和方便为基准设计了一套电热壶水温控制系统，能实现在40℃~90℃范围内设定控制温度，且95℃时高温报警，十进制数码管显示温度，在PC机上显示温度曲线等功能，并具有较快响应与较小的超调。整个系统核心为SPCE061A，前向通道包括传感器及信号放大电路，按键输入电路；后向通道包括三部分：LED显示电路，上位机通信电路以及控制加热器的继电器驱动电路。利用SPCE061A的8路10位精度的A/D转换器，完成对水温的实时采样与模数转换，通过数字滤波消除系统干扰，并对温度值进行PID运算处理，以调节加热功率大小。同时在下位机上通过数码管显示当前温度，通过USB接口传送信息至上位机，可以直接在PC端观察温度的变化曲线，并根据需要进行相应的数据分析和处理，由此完成对水温的采样和控制。通过验证取得了较满意的结果。关键词：码分多址、walsh 扩频、pn 扩频、电路设计、程序设计、仿真

李晓峰基于单片机水温控制系统第 2页共 26页目录 1 引言 ............................................................................................................................................ 3 1.1 水温控制系统概述 .............................................................................................................. 3 1.2 本设计任务和主要内容 ...................................................................................................... 4 2 单片机的简介 .............................................................................................................................. 5 2.1 单片机的简介 ...................................................................................................................... 5 3 基于单片机水温控制系统设计过程..........................................................................................7 3.1 水温控制系统总体框图 ...................................................................................................... 7 3.2 总体方案论证 ...................................................................................................................... 7 3.3 各部分电路方案论证......................................................................................................... 8 3．4、循环显示“HELLO888”............................................................................................. 10 3.5、键盘及数字显示结合 ....................................................................................................... 1 3.6、温度设定和传送电路 ..................................................................................................... 14 3．7、PWM 电压输出电路 ...................................................................................................20 4 硬件电路设计与计算................................................................................................................ 23 4.1 温度采样和转换电路....................................................................................................... 23 4.2、温度控制电路 ............................................................................................................... 24 4.3 单片机控制部分............................................................................................................... 25 4.4、键盘及数字显示部分................................................................................................... 26 5 总结 ............................................................................................................................................ 27 5.1 此次水温控制系统设计过程中遇到的问题及其解决方法 .........................................27 5.2 对该设计的建议 ............................................................................................................. 27 参考文献 .......................................................................................................................................... 28 2

李晓峰基于单片机水温控制系统第 3页共 26页 1 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控系统,使它在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 3

李晓峰基于单片机水温控制系统第 4页共 26页制系统，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 ① 温度设定范围： 40 ~ 90oC ，最小区分度为1oC 。 ② 控制精度：温度控制的静态误差 1oC 。 ③ 用十进制数码显示实际水温。 3.扩展功能 ① 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。 ② 采用适当的控制方法实现当设定温度或环境温度突变时，减小系统的调节时 4

李晓峰基于单片机水温控制系统第 5页共 26页间和超调量。 ③ 温度控制的静态误差 0.2oC  。 2 单片机的简介 2.1 单片机的简介单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称 PC 机。它由主机、键盘、显示器等组成（如图 1 所示）。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器，如图 2 所示）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被 5

李晓峰基于单片机水温控制系统第 6页共 26页仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。在计算机出现以前，有不少能工巧匠做出了不少精巧的机械。进入电器时代后，人们借助电气技术实现了自动控制机械，自动生产线甚至自动工厂，并且大大地发展了控制理论。然而，在一些大中型系统中自动化结果均不理想。只有在计算机出现后，人们才见到了希望的曙光。如今借助计算机逐渐实现了人类的梦想。但是，计算机出现后的相当长的时间里，计算机作为科学武器，在科学的神圣殿堂里默默地工作，而工业现场的测控领域并没有得到真正的应用。只有在单片机（Microcontroller)出现后，计算机才真正地从科学的神圣殿堂走入寻常百姓家，成为广大工程技术人员现代化技术革新，技术革命的有利武器。目前，单片机在民用和工业测控领域得到最广泛的应用。彩电，冰箱，空调，录像机，VCD，遥控器，游戏机，电饭煲等无处不见单片机的影子，单片机早已深深地溶入我们每个人的生活之中。单片机能大大地提高这些产品的智能性，易用性及节能性等主要性能指标，给我们的生活带来舒适和方便的同时，在工农业生产上也极大地提高了生产效率和产品质量。单片机按用途大体上可分为两大类： 1--通用型单片机 2--专用型单片机专用型单片机是指用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好，不能再修改的单片机。例如电子表里的单片机就是其中的一种。其生产成本很低。通用型单片机的用途很广泛，使用不同的接口电路及编制不同的应用程序就可完成不同的功能。小到家用电器仪器仪表，大到机器设备和整套生产线都可用单片机来实现自动化控制。 6

李晓峰基于单片机水温控制系统第 7页共 26页 3 基于单片机水温控制系统设计过程 3.1 水温控制系统总体框图信号放大 A / D 传感器电炉功率放大键盘单片机基本系统键盘显示微型打印机图 3-1 单片机控制系统原理框图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，其总体设计框图如上图所示。 3.2 总体方案论证（一）、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。 1、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： 7

李晓峰基于单片机水温控制系统第 8页共 26页方案 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，因此本设计电路采用方案 2。 3.3 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的论证：（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 5—10V 之间，稳定度为 1﹪时，误差只有±0.01℃，其各方面特性都满足此系统的设计要求。此外 AD590 是温度-电流传感器，对于提高系统抗干扰能力有很大的帮助。 8

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