水温控制系统的设计.docx

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水温控制系统的设计

摘要

该设计为一个由单片机控制的智能水温控制系统。

以单片机为核心，设计一个水温系统控制装置。

水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度变化时实现自动调整，以保持设定温度基本不变。

控制方法采用了基于能量控制观点、具有模糊控制思想的变模式控制，使系统可以通过简便的高速就能做到恒温精度高，而且参数对系统的依赖性弱，参数调整方便。

关键词：

单片机温度控制VMIC

、

1绪论

1.1水温控制系统应用现状及方法

当今世界，科学技术的发展日新月异。

在这空前的技术发展过程中，电子信息技术以其独特的渗透力和亲合力，正在迅速地改变着我们周围的一切。

利用现代电子信息技术来改变我们的生活，改变我们的生活，改造传统的合行合业，已成为当今社会的共识。

随着微型计算机告别是单片机的不断发展，其档次不断提高，功能越来越强。

它冲击着人类的方方面面，使其应用领域不断扩大，广泛应用于众多领域中。

单片机的应用领域是无所不至的，大致有几下几个方面：

在智能仪器仪表中的应用；在机电一体化中的应用；在实时过程中的应用；在人类生活中的应用，例如洗衣机、电冰箱、空调机、电饭煲等许多家用电器中都配上了单片机，从而提高了自动化的程度，增强了功能。

单片机用于工业控制是近年来发展非常迅速的领域。

现在许多自动化的生产车间里，各种参数，如温度、压力、流量等的监视及处理都是靠单片机来实现。

水温控制在生产中及生活中都发挥着重要的作用，如一些现代化车间里，生产特殊要求产品加工需要在一定的温度下才能进行，水产养殖中，也要对水的温度进行严格的控制，才能确保达到最好的效果，在家居生活中，我们同样离不开水温的控制，如电热水器，自动饮水机等，都要用到水温控制系统。

实现水温控制的方法有很多种方法，如单片机控制，PLC控制，模糊控制等，而其中用单片机实现的水温控制系统，具有可靠性高，价格低廉，简单易实现等众多优点，众多领域发挥着重要的作用。

液体溶液的温度控制是工业生产中经常使用的，以往比较成熟的控制算法是PID调节法，由于PID控制算法简单且易于实现，因此被广泛应用于过程控制。

已知对像精确数学模型时，只要正确设定参数，PID调节器便可实现作用。

PID制器在工业生产过程控制中的应用已有几十年的历史，长期以来自动化仪表行业都在试图突破这种传统的控制模式以期获得控制的高质量及自动化仪表自身的发展，但是时至今日PID调节仍是工业过程最基本的控制方式。

在集散系统中尽管类别众多，其硬件结构、软件平台以及通讯方式各有差别，但以PID调节模块为基础，实现串级、前馈、解耦、分程预估等先进控制的灵活组态方式却是共同的。

在-些内模控制系统或具有软测量技术的系统、上位优化系统（SPC）以及整体优化系统，PID调节仍然是基础。

由于过程控制系统执行机构的复杂性，变量间的关联性和非线性等原因，使找到一组合适的PID参数适合整个系统的宽范围调控相当困难，这对要求控制范围宽、响应快、连续可调系统就显得力不从心了，工业对像普遍存在着非线性、时变性和不确实性等因素，因而难以建立精确数学模型，此时PID的控制效果难以达到预期指标。

模糊控制不依赖于对像模型，它利用被控过程的动态信息，依据规则知识进行推理获得合适的控制量，因而具有较强的鲁棒性，但控制精度往往不尽人意。

模糊控制则显示了巨大的优越性，将模糊控制应用于PID调节参数整定，对使用电炉加热的水温进行控制取得了满意的效果。

分析表明，模糊控制和PID的结合是提高控制性能的有效手段。

为了提高PID的控制精度及鲁性，人们提出了基于辨识的PID参数自适应整定方法，收到了较好的控制效果。

2总体设计框图及软件模块

2.1总体设计方案的选择

本系统是以单片机为核心所设计的自动控制系统，系统主要可分为以下几个系统模块：

（1）温度采集模块包括传感器、变送装置、A/D转换器

（2）人机接口模块包括数码管显示装置键盘输入装置打印装置

（3）过零检测模块

总体方案：

利用温度传感器测量得水温并转换为一定范围内的电压模拟量，再经变送器将信号放大，通过A/D转换进行模数转换，通过人机交换模块来进行人机对话，结合过零检测模块的数字量，运用积分分离的PID算法实现对数据的控制，通过驱动系统控制电热丝的加热时间来实现对水温的控制。

、

2.2硬件结构框图：

图2-1硬件结构

2.3软件模块图：

\

图2-2软件模块

3硬件设计

一个实际的微型计算机控制系统的硬件，除主机外，通常还包括两类外围设备，一类是常规外围设备，如键盘、显示器、打印机、磁盘机等。

另一类是被控设备和检测仪表、显示装置、操作台等。

无论是哪一类外围设备都必须通过输入输出（I/O）接口和输入输出（O/I）通道才能和CPU的总路线相连。

存储器和外围设备各自不同的性质、特点决定了外围设备不能像存储器那样直接挂到主机CPU的总线上的。

由于存储器功能单一（保存信息）、品种有限（ROM、RAM）、存取速度与CPU的工作速度基本匹配，因此，存储器可以直接挂到CPU总线上，很方便。

而外围设备种类繁多，有机械戒的、机电式的或电子式的；有的作输入设备、有的作为输出设备；有的既可作为输入设备，又可作为输出设备；工作速度不一，外围设备的工作速度比CPU的速度低得多，且不同外围设备的工作速度往往又差别很大；信息类型和传送方式不同，有的使用数字量，有和使用模拟量，有的要求并行传送信息，有的要求串行传送信息。

如此复杂的功能，仅靠CPU及其总线是无法承担的，必须要I/O接口电路和I/O通道才能完成，因此，I/O接口和I/O通道是计算机控制系统不可缺少的组成部分。

3.1单片机选择

20世纪80年代中期以后，Intel以专利转让的形式把8051内核给了许多半导体厂家，如AMTEL、PHILIPS、ANANOGDEVICES、DALLAS等。

这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。

这些单片机与8051的系统结构（只要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，他们对8051一般都作了一些扩充，更有特点、功能更强。

本系统采用PHILIPS公司生产的80C51芯片为核心部件，80C51内部带有存储器件，与8031相比，不用扩展程序存储器，减少线路连接，可直接驱动打印机打印出温度曲线。

3.2温度数据采集部分

此模块的功能是把水温度的状态模拟量经过处理后转换为数字信号送入单片机中，以便单片机进行相应的处理。

3.2.1传感器

传感器功能是将水温度转换为一定范围内的电压的模拟信号，完成温度采集的目的，以下是几种可供选用的方案。

采用热敏电阻

这类材料具有性能稳定，抗氧化能力强等优点，并且可满足40—90℃的测量范围，但是其精度、重复性、可靠性都不是很理想，对于小于1℃摄氏度的温度信号不适用。

采用光纤传感器

光纤具有不受电场、场影响、不放电、不导电，传输信息量大，安全可靠精度高的特点，因此比电测具有更多的优越性，随着光纤传感应用技术的研究和发展，一些实用性的高可靠的光纤元件广泛地应用在应变、力、放射性及温度测量领域中。

光纤传感器的工作原理是改变光纤环境，如温度应变、力和放射性等，从而改变纤维中光传播的相位和光强。

因此，如果能检测出通过光导纤维的光相位及光强的变化，就可以知道这些物理量的变化。

但此类器件价格相对较贵，用于此系统不经济。

采用温度传感器

由于科学研究压业和家用电器等方面对测温和温控的需要略种新型的集成电路温度传感器不断被研制出来AD590便是其中之一。

AD590可直接输出与热力学温度成比例的电流信号，在输出端串联一个电阻则转换为电压信号。

除此之外AD590还具有测温不需要参考点、抗干扰能力强、互换性好等优点。

AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。

实际上，中国也开发出了同类型的产品SG590。

这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。

该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。

即使电源在5-15V之间变化，其电流只是在1µA以下作微小变化。

AD590是单片集成温度传感器，是电流型集成温度传感器的代表产品，除具有一般集成温度传感器的共同特点:

灵敏度高、准确度高、体积小、电路接口方便、价格低廉、使用简单等优点外，还具有自身所特有的一些性能特点，主要表现在:

测量范围宽，为-55-150℃;工作电压在4-30V时都能获得稳定的输出信号，其线性电流输出为1µA/K;AD590以热力学温标零点作为零输出点，在25℃时的输出电流为298.2µA;因为对芯片进行了激光微调修正，AD590具有良好的互换性，且校准准确度可达+/-0.5℃;使用时接口简单;输出阻抗高达10MΩ以上，因此抗干扰能力很强，特别适用于远距离温度测量和计算机远距离控制。

采用温度传感器AD590K。

温度采集误差主要包括温度传感器温漂误差、运放温漂误差。

AD590K为集成温度传感器，其测温范围为-55-150℃，满量程最大温漂△T1≤0.1℃.OP07为低温漂高精度集成运算放大器，其输入推敲电压温漂≤0.7µV/℃。

假设温度变化100℃，则由运算放大器温漂引起的输入失调电压误差≤0.7*100=7µV，OP07输入端的温度信号灵敏度为1mV/℃,将运算放大器输入失调电压折算成测温误差就成为△T2≤7µV/（1mV/℃）=0.07℃.因此，△T1+△T2≤0℃.17℃，再考虑到其它原因造成的误差，温度采集的总误差≤0.20℃,因此，电路可以满足一般精度要求。

图3-1-1-3a为AD590外形电路图，图3-3-1-3b为集成温度传感器电路符号。

图3-3-1-3（a）AD590外形电路图图3-3-1-3（b）集成温度传感器电路符号

AD590的主特性参数如下：

工作电压:

4-30V;

工作温度:

-55—+150℃;

保存温度:

-65—+175℃;

正向电压:

+44V;

反向电压:

-20V;

焊接温度（10秒）:

300℃;

灵敏度:

1µA/K

3.2.2变送装置

将传感器测得的数据进行放大，转换成适合A/D转换器的电压模拟信号。

运算放大器选用的是OP07

OP07外形电路及引脚图：

图3-1-2-1OP07外形电路及引脚图

工作功率：

500mW

微分输入电压：

±30V

输入电压：

±22V

图3-2-2为由AD590温度传感器，运算放大器OP07及电子器件组成的温度检测部分电路图：

图3-2-2温度检测部分电路图

传感器的标定：

为了使变送装置送出的电压最大程度适合A/D转换器的输入电压，对AD590的进行标定。

a、0℃校正在保温杯中加入冰水混合物，放入传感器探头，用高精度数字电压不关测量变送器输出电压，等变送器输出稳定后调节变送器中的P1电位器，使测得电压为0V。

b、将传感器探头放入沸水中，调节变送器中的P2电位器，使测得的电压为0.99V（本地水沸温度约为99℃）。

经过上述调整后，变送器输出电压在0℃至100℃时为0-10.0V，输出约为100mA/℃。

3.2.3A/D转换

模数转换电路（A/D）常被用于测控系统和自动化仪表中的现场数据采集.能实现模数转换的方式和手段有多种，且各具特点，但有时也难于满足实际的设计要求，主要反映在测量精度、测量速度、系统的隔离、扩展、接口及抗千扰等几个方面.目前市场上常见的模数转换器往往难于兼顾到上述几个方面，给具体的应用和设计带来困难.本文介绍一种实用的多路A/D转换电路，不但能同时兼顾到上述几方面的性能，且易于实现、应用灵活。

A/D转换器芯片的种类很多，按转换原理可分计数器式A/D、逐次逼近式A/D、双积分式A/D、并行A/D等多种。

ADC0809是一种8路模拟输入的8位逐次逼近式A/D转换器件。

其内部结构和引脚见图3-2-3a

图3-2-3ADC0809内部结构

ADC0809内部除了8位A/D转换电路外，还有一个8路模拟开关，其作用可根据地址译码信号来选择8路模拟输入，8路模拟输入可以分时共用一个A/D转换器进行转换，可实现多路数据采集，其转换结果通过三态输出锁存器输出，因此可以直接与微机系统数据总线相连。

3.3控制部分

此模块的功能是对测量部分的信号进行处理，运用PID算法来控制加热装置开关的导通时间，通过控制电热丝加热的时间来控制水温度。

3.3.1有效功率控制

（1）采用移相控制交流电压有效功率，依据HIS口得到的过零检测信号控制HSO中输出同步脉冲移相量由温度误差计算给出，这样对交流电的单个周期的有效周期性调节，动态指标较好，但计算较为复杂。

（2）采用选通交流周期来控制有效功率，但为了达到较高的稳态控制精度，应用足够的计数基数，如中国交流电频率为50HZ，要达到100个交流周期，需要2秒钟，影响系统的动态指标，但对于小功率的加热装置不会有太大影响，计算简单适于本设计的控制对象。

3.3.2交流电过零检测电路设计

（1）交流电降压后用一个电容交连到单片机HIS口过零检测端口，从而在单片机内部形成过零检测信号，其采用电容充放电方式产生方波，波形不够理想而且安全可靠性能差，对单片机软件设计要求较高。

（2）交流电源经变压器降压后进行过零检测，再通过光电耦合器件输出过零控制信号，避免交流电平干扰，其安全可靠性高。

图3-3-2是本系统采用的过零检测电路设计图

图3-3-2过零检测电路设计图

3.3.3开关电路及驱动电路接口

单片机用于过程控制，使用最多的开关器件是继电器和可控硅和大功率场效应晶体管（简称为MOSFET）。

光电耦合器是常用的有晶体管输出型和晶闸管输出型。

A、

晶体管输出型

图3-3-3（a）晶体管输出型

图3-3-3是晶体管输出型光电耦合器，它的受光器是光电晶体管，光电晶体管除了不使用基极外，跟普通的晶体管一样。

工作原理：

当8031的P1.0输出低电平控制信号使发光二极管导通发光，光电晶体管受光照ce间导通产生电流输出。

当P1.0输出高电平时，发光二极管不发光，光电管ce无截止无电流输出起耦合脉冲信号的隔离单片机系统与输出部分的作用，使两部分的电流相互独立。

从而可提高抗干扰能力和系统的可靠性。

B、晶闸管（可控硅）输出型

图3-3-3（b）晶闸管（可控硅）输出型

图中MOC3041是双向晶闸管输出的光电耦合器，也称固态继电器，带过零触发电路，输入闹的控制电流为15mA，输出端的额定电压为400V，最大重复浪通电流为1A，输入输出端隔离电压为7500V。

MOC3041的第5脚是器件的衬底引出端，使用时不需要接线。

3.4人机接口

人机接口主要由以下部分组成：

键盘输入模块此模块功能是把温度控制时实际所需要保持的温度输入到系统中，现实数据的输入。

LED显示模块此模块功能是实现键盘输入的显示

打印机模块此模块功能是将控制过程中的温度变化曲线打印到打印纸上，以便对整个控制系统控制的速度和精度有更明确的了解。

3.4.1键盘输入及接口

在单片机应用系统中，为了实现人机对话功能，键盘是必要的输入设备之一。

它能随时发出各种控制命令和进行数据输出以及报告应用系统的运行状态与运行结果。

独立式按键电路每一个按键开关只占一根I/O线，当按键数较多时，要占用较多的I/O口线。

因此通常多采用矩阵戒键盘接口电路，通常将阵式接口电路称为行列式接口电路。

行列式键盘接口电路及工作原理：

行列戒键盘又叫矩阵式键盘，用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。

4*4的行列结构可构成16键的键盘。

当按键较多时，可以节省I/O口线。

行列式键盘接口电路中可以采用多种锁存器和可编程并行I/O接口芯片组成，例如用8255、8155等可编程芯片构成。

3.4.2LED显示器接口电路

在单片机的应用系统中，为了便于人们观察和监视单片机的运行情况，常常需要用显示器运行的中间结果及状态等信息，因此显示器也是不可缺少的外部设备之一。

显示器的种类很多，从液晶显示、发光二极管显示到CRT显示器，都可以与微机配接，LED显示器具有耗电省、成本低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动等优点，适合本系统的显示。

由于发光二极管通常需要几个到几十个毫安的驱动电流才能发光，因此，每个显示模块必须用一个七位的驱动器才能正常工作。

驱动电路也可以用集成电路驱动器，现在常用带译码器的驱动器，如74LS47、74LS48等。

此外，由于要显示的数字为BCD码，而七段数码管的显示模型为七段码，所以在显示前必须把BCD码转化为七段代码。

在微型机控制系统中，常用的显示方法有动态显示和静态显示两种。

动态显示，就是单片机定时对显示模块件扫描，这种方法中，显示模块件分时工作，每次只能一个器件显示。

此显示的优点是使用硬件少，因而价格低，但它占用机时长，只要单片机不执行显示程序，就立刻停止显示，不适合此系统。

静态显示，就是由单片机一次输出显示后就能保持该显示结果，直到下次新的显示模型为止。

这种显示占用机时少，显示可靠，得到广泛应用。

这种显示方法使用元件较多，线路复杂，但在智能仪器及微型控制系统中，为了使操作者随时都能监视生产过程，静态电路更为好用。

它主要用于BCD码显示。

本系系统应用的是串行接口的串行静态显示电路。

打印机接口电路

单片机应用系统中，为了打印程序运行结果、表格及源程序等都要使用微型打印机。

目前常使用的微型打印机有TPuP-16A/40H等。

Tpup-40A是一种超小型的智能点阵式打印机，每行可打印40个字符，字符点阵码为5*7，内部有一个240种字符的字库，并有绘图功能。

图3-3-4-3为Tpup-40A与8031接口电路。

（见附录）

4软件设计及算法研究

4．1主程序

水温调节程序：

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG0013H

LJMPSERVE

ORG0100H

MAIN：

MOVTMOD，#01101001B

MOVTH1，#176

MOVTL1，#176

SETBTR1

SETBEA

SETBEX1

SETBP3.7

BB：

MOVTH0，#0

MOVTL0，#0

ICALLTEST

AA：

MOV40H，#0

MOVDPTR，#TAB

TT：

MOVA，40H

RLA

MOV41H，A

MOVCA，@A+DPTR

CJNEA，31H，L1

MOVA，41H

INCA

MOVCA，@A+DPTR

CJNEA，30H，TT1

TT1：

JCTT2

SJMPL2

L1：

JNCL2

TT2：

INC40H

AJMPTT

L2：

MOVA，TL1

CLRC

SUBBA，#156

CJNEA，40H，L3

L3：

JCL4

SETBP3.7

SJMPL5

L4：

CLRP3.7

L5：

LCALLDIR

LJMPBB

ORG0160H

SEVRE：

ICALLTEST

MOVR7，#50

TTF：

MOVA，31H

LCALLDIR

MOVA，30H

LCALLDIR

DJNZR7，TTF

RETI

ORG01AOH

TEST：

JBP3.2，$

JBP3.2，$

CLRTR0

MOV30H，TL0

MOV31H，TH0

RET

ORG0200H

DIR：

MOVB，#10

MOVDPTR，#TABB

DIVAB

MOVCA，@A+DPTR

MOVP1，A

CLRP3.0

LCALLD10MS

SETBP3.0

MOVA，B

MOVCA，@A+DPTR

MOVP1，A

CLRP3.1

LCALLD10MS

SETBP3.1

RET

ORG0250H

TAB：

DBDATA00

DBDATA01

DBDATA10

DBDATA11

DBDATA990

DBDATA991

ORG0350H

TABB：

DB3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，7FH，6FH

ORG03AOH

D10MS：

MOVR1，#250

D0：

MOVR1，#250

D1：

DJNZR1，D1

DJNZR0，D0

RETEND

4.2人机接口

4.2.1键盘

消抖的措施

在一般的电路设计中，当键按下闭合后，应产生一个一个负的矩形脉冲，但由于在按动按键时总有一些抖动，因此在负脉冲的开始和末尾部位总会出现一些毛齿波，毛齿波的长短与开关的机械特性有关，一般为5—10ms。

除了抖动外还有重键，即一个键按下后紧接又接下另一个键，或者两个键同时按下，这些需要采取一定的措施加以消除。

利用软件延时方法来解决上述问题是比较好的一种方法。

方法如图4-2所示，就是通过延时来等待信号稳定，在信号稳定后查询键码。

其过程是在查询到有按键按下后延时一段时间（12ms—20ms），再查询一次看是否有按键按下，若第一次查不到，则说明前一次查询结果为干扰或抖动，若这一次查询到有按键按下，说明信号已稳定，然后判断闭合按键的按码。

当闭合按键的按码确定后，再去查询按键是否释放，待案件释放后再进行处理，这样即可消除释放抖动的干扰。

对于重键则以后一次查询为最后结果。

图4-2-1信号稳定查询键码

4.2.2显示器

显示装置采用串行接口的静态显示电路

电路图如下:

图4-2-2静态显示电路

上图为显示两位十进制数码的程序流程图。

设需要显示的两位ＢＣＤ码在寄存器ＤＡＴＡ中，十进制数码0—9的字模以及出错提示符“E”的字模放在以WORDM为首地址的十一个存储单元中，高位数码管的口地址为CSH，低位为CSL。

本系统选用串行接口的静态电路。

显示串口工作方式为0。

RXD作为输出端接到移位寄存器74LS164的两个输入端A和B，前一个移位寄存器的输出端QH与下一个移位寄存器的输入端A、B相连，首尾相接，址到传送显示数为止。

显示缓冲区地址为50H—55H，显示子程序见附录：

4．3数据采集

设采样数据寄存器地址为DATA；采样次数为NUMB；滤波处理结果放在RESULT1寄存器中；余数送到RESULT2寄存器。

算术平均滤波程度清单如下：

AAFILTER：

LDAX，#DATA；初始化

LDDX，#NUMB；

CLRBX

CLRCX

LOOP：

ADDBX，[AX]+；采样值增加

ADDCCX，00H

DJNZDX，LOOP

DIVBX，#NUMB；求算术平均值

LDRESULT1，BX；输出结果

LDRESULT2，CX

RET；返回

线性化处理：

在进行控制系统设计时总希望系统的输出和输入呈简单的线性关系，当用仪表来检测和显示系统中的某个物理量时，也总是希望得到均匀的刻度。

这样，不仅读起来清楚方便，而且整个仪表在刻度范围内灵敏度是一致的。

但是在实际工程中，一个系统的输入和输出间，测量信号与被测物理量之间经常存在着非线性关系。

如在温度测量中，热电阻及热电偶的输出与温度的关系即为非线性关系。

在计算机控制系统中，需要对这些非线性关系进行处理，通过一定的数据处理程序将非线性关系转化为线性关系。

在计算机控制系统中，需要对这些非线性关系进行处理，通过一定的数据处理程序将非线性关系转化为线性关系。

对于可以用解析式明确表达的非线性函数关系，可以借助高级语言程序来完成线性化处理。

或者用高级语言程序进行离线计算，将计算结果存在数据表中，然后用查表的方式来完成线性化处理。

线性插值原理：

将非线性关系的曲线按一定要求分成若干