1、第 2 页，共 11 页水温控制系统（ B 题）摘要在能源日益紧张的今天，电热水器，饮水机和电饭煲之类的家用电器在保温时，由于其简单的温控系统，利用温敏电阻来实现温控，因而会造成很大的能源浪费。 但是利用 AT89C51 单片机为核心，配合温度传感器，信号处理电路，显示电路， 输出控制电路，故障报警电路等组成的控制系统却能解决这个问题。单片机可将温度传感器检测到的水温模拟量转换成数字量，并显示于 1602 显示器上。该系统具有灵活性强，易于操作，可靠性高等优点，将会有更广阔的开发前景。水温控制系统概述 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
2、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。一、设计任务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。二、要求 1、基本要求（1）温度设定范围为：4090，最小区分度为 1，标定温度1。 （2）环境温度降低时温度控制的静态误差1。 （3）能显示水的实际温度。 2、发挥部分（1）采用适当的控制方法，当设定温度突变（由 4
3、0提高到 60）时，减小系统的调节时间和超调量。 （2）温度控制的静态误差0.2。（3）在设定温度发生突变时，自动打印水温随时间变化的曲线。（4）其他。一 系统方案选择1.1 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，具有 3 引脚 TO92 小体积封装形式；温度测量范围为5
4、5125,可编程为 9 位12 位 A/D 转换精度，测温分辨率可达0.0625，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。1.2 温度显示模块方案一：采用 8 个 LED 八段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。数码管具有低能耗，低损耗、寿命长、耐老化、对外界环境要求低。但 LED 八度数码管引脚排列不规则，动态显示时要加驱动电路，硬件电路复杂。方案二：采用带有字库的 12864 液晶显示屏。12864 液晶显示屏具有低功耗，轻薄
5、短小无辐射危险，平面显示及影像稳定、不闪烁、可视面积大、画面效果好、抗干扰能力强。同时 12864 带有字库，编程容易，且具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式、增加可读性、降低功耗。由于要显示只有设定和测量的两个温度值，8 位数码管足够使用，所以选择方案一。1.3 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 2051 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 I/O 口，因此此芯片资源不够用。方案三：采用 AT89C51 单片机，其内部有 4KB 单元的程序存储器，不需
6、外部扩展程序存储器，而且它的 I/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三。1.4 PID 过程控制部分：过程控制的基本概念过程控制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，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。二、 微机过程控制系统图 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
7、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。三、 数字控制系统 DDC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 控制系统组成图 514 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
8、)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。1、PID 调节器的微分方程tDIPdteTetKtu0)()(1)()(式中 tcrte2、PID 调节器的传输函数STKSEUDDIP1)(PID 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
9、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)()(tcrte)()(ncrnedTT1te0)( nini ee00)()(二、数字 PID 控制器的差分方程 0 0)()( )1()unun uneTieeKDIPniDI 式中 称为比例项eP称为积分项niIITKu0)()(称为微分项)1()(neTKnuDPD2 总体方案原理的理论分析2.1 系统模块分为：DS18B20 模块，数码管显示模块，继电器模块，独立键盘输入模块和声光报警模块，DS18B20 可以被编程，所以箭头是双
10、向的，CPU（89C51）首先写入命令给 DS18B20，然后 DS18B20 开始转换数据，转换后通 89C51 来处理数据。数据处理后的结果就显示到数码管上。2.2 系统模块总关系图3 电路与程序设计1 蜂 鸣 器 模 块 2.数码管显示模块下图是数码管显示模块的图3.89C51 单片机最小系统模块89C51 单片机最小系统模块如下，P0 口接 10K 的上拉电阻以便与显示模块通讯。4.键盘和 DS18B20 模块键盘和 DS18B20 模块如下， DS18B20 模块对水温进行采样，并与单片机通讯来实现对水温的控制。5.继电器模块5 测试方案与测试结果5.1 测试方案如下：用继电器模块来控制 300W“热得快”来对 1 升水进行加热，用独立按键设定需加热温度值，观察数码管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。5.2 测试结果如下：经过多次测试，得到如下数据6 结束语首先，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知识，也深刻了解写一篇应用系统的步骤和格式，有过这样的一次制作经历，相信在接下来的日子我们能在已有的基础上做得更好。
