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水温控制系统设计
水温控制系统
摘要：
本设计以89c52单片机为核心，采用了温度传感器AD590，A/D采样芯片ADC0804，可控硅MOC3041及PID算法对温度进行控制。
该水温控制系统是一个典型的检测、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、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。
本设计实现了水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口，系统由前向通道模块（即温度采样模块）、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。
本系统的特点在于采用PC机及普通键盘实现了多机通信。
Abstract:
Thesinglecomputer89c52isusedasacoreinthisdesign.SomeimportantICsushasAD590ADC0804MOC3041wasusedinthissystem.weadoptPIDtocontrolthetemperature.Thesystemincludefourpart---Thepreviousmodel,Thelastmodel,keybordmodel,Themaincontrolmodel.AdoptannularitypulsedistributortocometruetoStepperMotorspeedregulation,thecornerunderthecontrolof.Displayhavingrealizedtime,thetemperaturehereonthebasis,Andrealizeunderthecontrolof,displaytotheelectricmotorbyPCmachine
目录
第1节引言………………………………………………………………………3
第2节方案论证………………………………………………………………4
2.1总体方案论证………………………………………………………………4
2.2模块方案论证………………………………………………………………4
2.2.1控制方法论证…………………………………………………………4
2.2.2系统组成论证………………………………………………………4
2.2.3单片机系统选择………………………………………………………5
2.2.4温度控制方案论证………………………………………………………6
2.2.5键盘显示电路论证………………………………………………………6
第3节PROTEUS仿真……………………………………………………………7
第4节总体设计…………………………………………………………………7
第5节硬件电路设计与计算…………………………………………………10
5.1主机控制部分…………………………………………………………………10
5.2温度采样电路………………………………………………………………11
5.3温度控制电路…………………………………………………………………11
5.4键盘与数值显示电路……………………………………………………………12
5.5微机控制及图形显示部分………………………………………………………13
第6节软件设计………………………………………………………………15
第7节测试方法与测试结果…………………………………………………18
第8节设计总结………………………………………………………………18
第9节附录……………………………………………………………………21
第10节参考文献……………………………………………………………22
1.引言
该水温控制系统是一个典型的检测、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、运算到输出控制电炉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水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口提供了可能，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。
本设计的任务与要求为一升水由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。
主要性能指标
a.温度设定范围：
30-90℃，最小区分度为1℃。
b.控制精度：
温度控制的静态误差≤1℃。
c.用十进制数码显示实际水温。
d.能打印实测水温值。
扩展功能
a.具有通信能力，可接受其他数据设备发来的命令，或将结果传送到其他数据设备。
b.采用适当的控制方法实现当设定温度与环境温度突变时，减小系统的调节时间和超调量。
c.温度控制的静态误差≤1℃。
d.能自动显示水温随时间变化的曲线。
2．方案论证
2．1总体方案论证
（1）、方案一：
此方案是采用传统的模拟控制方法（方案框图如图2-1-1），选用模拟电路，用电位器设定给定值，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。
器特点是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定。
系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法，而且不易实现对系统的控制及对温度的显示，人机交换性能差。
图2-1-1模拟控制框图
（2）、方案二：
采用单片机89c52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。
该水温控制系统是一个典型的检测、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、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。
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水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口提供了可能，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。
比较两种方案，方案二明显的改善了方案一的不足及缺点，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二。
2．2模块方案论证
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：
2.2.1控制方法论证
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：
a.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，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。
b.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。
c.比例积分控制（PI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。
d.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。
2.2.2系统组成论证
就控制器本身而言，控制电路可以采用急经典控制理论和常规模拟控制系统实现水温的自动团结。
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，采用数字控制、显示、A/D与D/A转换，配额后执行器与控制阀构成的计算机控制系统，在过程控制过程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、运算到输出控制电炉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水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口提供了可能，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）。
2.2.3单片机系统选择
AT89C2051、AT89C51单片机是最常用的单片机，是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器。
AT89C2051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。
AT89S51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口全部提供给拥护。
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。
2.2.4温度控制方案论证
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：
键盘输入一个需要控制的温度，通过单片机2051的串口把数据传送到AT89C51，AT89C51通过数据比较，PID分析，T0，T1产生PWM波来控制电炉是否继续加热还是停止加热。
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。
经比较，我们选择方案二
（1）、传感器的选取目前市场上温度传感器繁多就此我们提出了以下两重选取方案：
方案一：
选用铂电阻温度传感器，此类温度传感器在各方面特性都比较优秀，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：
选用美国AnalogDevices公司生产的二端集成电流传感器AD590，此器件具有体积小、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。
比较以上三种方案，方案三具有明显的优点，因此此次设计选用方案三。
（2）CPU模块的选择
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：
本方案的CPU模块采用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89C52单片机，其内部有8KB单元的程序存储器。
而且具有三个定时器，正好满足系统多机通信时所用。
比较以上三种方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用方案三。
2.2.5键盘显示电路论证
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，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AT2051与地址译码器74LS138组成控制和扫描系统，并用2051的串口对主电路的单片机进行通信，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。
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．PROTEUS仿真
为了更好的验证并实现本设计的预期效果，我们采用PROTEUS仿真软件对各个模块进行了仿真，仿真结果如下：
显示模块仿真原理图如下：
当运行程序后，初始界面为：
当按下键盘时，数码管显示对应值：
PWM仿真原理图如图3-1：
图3-2PWM仿真原理图
仿真结果如图3-3所示：
图3-3PWM仿真结果
其中INC键和DEC键分别增加和减小PWM的占空比。
AD采样与串口通信仿真原理图如图3-4所示：
图3-4AD采样与串口通信仿真原理图
AD采样与串口通信仿真结果如图3-5。
图3-5AD采样与串口通信仿真结果
4．总体设计
本设计以89c52单片机为核心，采用了温度传感器AD590，A/D采样芯片ADC0804，可控硅MOC3041及PID算法对温度进行控制。
该水温控制系统是一个典型的检测、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、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。
本设计实现了水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口，系统由前向通道模块（即温度采样模块）、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。
本系统的特点在于采用PC机及普通键盘实现了多机通信。
系统框图如图3-1
图3-1系统框图
5．硬件电路设计与计算
本电路总体设计包括五部分：
主机控制部分（89C52）、前向通道（温度采样电路）、后向通道（温度控制电路）、键盘和数字显示部分、微机控制及图形显示。
5．1主机控制部分
此部分是电路的核心部分，系统的控制采用了单片机89C52。
单片机89C52内部有8KB单元的程序存储器及256字节的数据存储器。
因此系统不必扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。
5．2温度采样电路
系统的信号采集电路主要由温度传感器（AD590）、基准电压（7812）及A/D转换电路（ADC0804）三部分组成。
电路图如图4-2-1
图4-2-1温度采样电路原理图
（1）AD590性能描述测量范围在-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℃。
AD590为电流型传感器温度每变化1℃其电流变化1uA在35℃和95℃时输出电流分别为308.2uA和368.2uA。
（2）ADC0804性能描述ADC0804为8bit的一路A/D转换器，其输入电压范围在0—5v，转换速度小于100us，转换精度0.39﹪。
满足系统的要求。
（3）电路原理及参数计算温度采样电路的基本原理是采用电流型温度传感器AD590将温度的变化量转换成电流量，再将电流量转换成电压量通过A/D转换器ADC0804将其转换成数值量交由单片机处理。
图4-2-2
如上图4-2-2图中三端稳压7812作为基准电压，由运放虚短虚断可知运放的反向输入端ui的电压为零伏，当输出电压为零伏时，列出A点的节点方程如下：
…………………………………………………………….
（1）
由于系统控制的水温范围为35℃--95℃,所以当输出电压为零伏时AD590的输出电流为308.2uA,因此为了使Ui的电位为零就必须使电流
等于电流
等于308.2uA,三端稳压7812的输出电压为12v所以由方程
（1）得
……………………………………
（2）
由方程
（2）的取电阻R2=30k,R1=10k的电位器。
又由于ADC0804的输入电压范围为0—5v，为了提高精度所以令水温为95℃时ADC0804的输入电压为5v（即Uo=5v）。
此时列出A点的结点方程如下:
………………………………………（3）
当水温为95℃时AD590的输出电流为368.2uA。
由方程式（3）得
R4+R5=83.33k因此取R5=81k,R5=5k的电位器。
5．3温度控制电路
此部分电路主要由光电耦合器MOC3041和双向可控硅BTA12组成。
MOC3041光电耦合器的耐压值为400v，它的输出级由过零触发的双向可控硅构成，它控制着主电路双向可控硅的导通和关闭。
100Ω电阻与0.01uF电容组成双向可控硅保护电路。
控制部分电路图如图（4-3-1）。
图4-3-1
5．4键盘与数字显示部分
在设计键盘/显示电路时，我们使用单片机2051做为电路控制的核心，单片机2051具有一个全双工的串行口采用串口，利用此串行口能够方便的实现系统的控制和显示功能。
键盘/显示接口电路如图4-4-1。
图4-4-1键盘/显示部分电路
图4-4-1中单片机2051的P1口接数码管的8只引脚，这样易于对数码管的译码，使数码管能显示设计者所需的各数值、小数点、符号等等。
单片机2051的P3.3、P3.4、P3.5接3-8译码器74L138，译码器的输出端直接接八个数码管的控制端和键盘，键盘扫描和显示器扫描同用端口这样能大大的减少单片机的I/O，减少硬件的花费。
键盘的接法的差别直接影响到硬件和软件的设计，考虑到单片机2051的端口资源有限，所以我们在设计中将传统的4*4的键盘接成8*2的形式（如图4-4-2），键盘的扫描除了和显示共用的8个端外，另外的两个端直接和2051的P3.2和P3.7相连。
图4-4-2键盘接线
如图4-4-2的接法已经完全用完了单片机的15个I/O口，有效的利用了单片机的资源。
5．5微机控制及图形显示部分
为了使系统具有更好的人机交换界面，在系统设计中我们通过VisualBasic语言设计了微机控制界面。
通过系统与微机的通信大大的提高了系统的各方面性能。
由于单片机89C52串行口为TTL电平，而PC机为RS232电平，因此系统采用了MAX232电平转换芯片。
由于系统设计了多机通信的功能，即主系统（89C52）和键盘及数字显示部分的通信、主系统（89C52）和PC机的通信，所以在设计电路时要特别注意多机通信的时序及竞争问题，针对此类问题在设计中我们特地的在两根串行通信线上增加了如图4-5-2的电路：
如图4-5-2
如图4-5-2由于主机部分发送两个从机都可以接受，因此主机的发送部分（及主机TXD）不存在竞争问题。
而两个从机可能同时向主机发送各类控制信息，因此会存在竞争问题。
其实图4-5-2为一个与门电路，图中R1为提升电阻，D1、D2为开关二极管，当pcTXD（或2051TXD）中有一个为低电平时主机RXD为低电平，同时另一个分机无效，当pcTXD（或2051TXD）中有一个为高电平时主机RXD为高低电平。
图4-5-3
图4-5-3所示微机控制界面，具有温度控制及显示的功能。
界面中下半部分为水温的实测温度和给定温度的数值显示及对主系统（89C52部分）的控制界面，上半部分为水温的实测温度的逐点采样及图形显示，通过此界面可以更直观的显示温度的变化，并且通过对图形的保存能方便的打印出水温的变化曲线。
6．软件设计
6．1键盘显示程序流程：
图5-1-1中的设定水温、显示温度、确定、取消、清零、输出，均为各种子程序，1、2、3、4、5、6代表个子程序的应用程序。
6．2主程序流程图：
主程序流程图如图5-2-1所示，程序主要完成以下的几部分任务：
（1）初始化设定各参数的初始值，设定各中断及定时器。
输出
图4-2-1
取消输出
清零
确定单步
显示温度
（2）接收/发射此部分程序主要完成数据的控制及显示，其主要通过89C52单片机的全双工串行口完成和键盘部分的双向通信。
（3）PC机通信此部分完成与微机控制接口RS232的联接及通信的控制。
（4）数值转换子程序由于主程序中用到了很多的数值转换及数值的运算（如十进制转换成十六进制、双字节与单字节的除法运算等等），为了程序调用的方便，特地将其编写成子程序的形式。
（5）PID算法PID算法为此温控系统的性能好坏的决定性因数。
序流程图如图5-2-1所示。
PID为控制中最为成熟的一中算法，其一般算式及模拟控制规律表达式如下式（4-1）：
………………………………...（5-1）
式（4-1）中U（t）为控制器的输出;e（t）为偏差，即设定值与反馈值之差;Kc为控制器的放大系数，即比例增益；Ti为控制器的积分常数;Td为控制器的微分时间常数。
PID算法的原理即调节Kc、Ti、Td三个参数使系统达到稳定。
由于PID的一般算式不易与单片机的处理，因此我们在设计中采用了增量型PID算法。
将式（5-1）转换成式（5-2）的形式：
…………………………………………………………（5-2）
有式（5-3）可得：
……….……………….….……….（5-3）
有式（5-3）中的u（k）即输出PWM波的倒通时间。
图5-2-2PID算法
7．测试方法与测试结果
7．1系统测试仪器：
DH1718E-5双路跟踪稳压稳流电源
TektronixTDS1002数字示波器
伟福E6000/L仿真器
GDM-8145多功能数字表
数字万用表
P4CPU2.4内存261.616RAMHaier机。
温度计、调温电热杯、秒表
7．2测试方法：
（1）在调温电热杯中放入1升清水，电热杯和控制系统相连，给系统上电，系统进入准备工作状态。
（2）用温度计测量及调节水杯中清水，水稳为35℃，给系统调零。
分别设定温度为40℃、45℃、50℃、60℃、70℃、75℃、80℃、90℃，观察设定温度和实际温度，并记录数据。
填写表6-1。
（3）观察水温变化的动态情况，并记温度稳定的时间。
填写表6-2
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