水温加热控制系统的设计Word下载.docx
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这种基于单片机的控制系统包括硬件和软件两个部分。
硬件电路以STC89C52单片机为微处理器，详细设计了温度信号采样电路，键盘及显示电路，温度控制电路，加温控制电路，降温控制电路、时钟信号电路以及系统电源供电设计等模块。
由键盘电路输入设定温度范围信号给单片机，温度信号采集电路采集现场温度信号给单片机，单片机根据输入的温度范围与反馈信号的偏差进行比较，输出控制信号给加温控制电路和降温控制电路。
液晶1602实现现场温度的实时监控。
软件方面应用PID算法来实现恒温控制。
在此基础上本设计又加入了液位检测报警系统，用来防止干烧以及沸腾以后的液体溢出导致的电器短路，从一定程度上增强了本设计产品的安全性能。
让本设计更贴近生活，源于生活。
关键词：
STC89C52单片机；
温度信号采样电路；
PID算法
Designoftemperature
control
in
milkheater
ABSTRACT
With
thecontinuousimprovementofpeople'
s
livingqualityand
acceleratethepaceacceleratingofthedailylife,
peoplecost
decrease
timeininfantfeeding.
Butforthedemandthatbabydrink
milk
on
theoptimumtemperaturehavebeen
increasing.Inordertoimprovethequalityofmilkheater,Achievingtherapidandaccuratetemperaturecontrolisverynecessary.
Thesingle-chipmicrocomputercontrolsystemincludestwopartsofhardwareandsoftwarebasedon.ThehardwarecircuitbasedonSTC89C52MCUasitsmicroprocessor,thedetaileddesignofthetemperaturesignalsamplingcircuit,keyboardanddisplaycircuit,temperaturecontrolcircuit,heatingcontrolcircuit,temperaturecontrolcircuit,aclocksignalcircuitandthesystempowersupplydesignmodule.Settherangeoftemperaturesignaltothemicrocontrollerbythekeyboardinputcircuit,thetemperaturesignalacquisitioncircuitcollecttemperaturesignaltothemicrocontroller,themicrocontrolleraccordingtothetemperaturerangeoftheinputiscomparedwiththeerrorfeedbacksignal,theoutputcontrolsignalstotheheatingcontrolcircuitandtemperaturecontrolcircuit.LCD1602toachievereal-timemonitoringthetemperature.ThesoftwareapplicationofPIDalgorithmtoachievethetemperaturecontrol.Onthebasisofthis,thedesignaddtheliquidleveldetectingalarmsystemforpreventingdryburningandboilingliquidoverflowcausedbyelectricalshortcircuit.Toacertainextentthismoveenhancesthesafetyperformanceoftheproductdesign.Letthisdesignclosertolife,fromlife.
Keyword:
single-chipmicrocomputer-STC89C52;
Thetemperaturesignalsamplingcircuit;
PIDalgorithm
第1章引言
随着电子技术的发展、数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格、发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注随着单片机技术的不断发展，控制设备也跟着不断变化，对产品试验环境的要求也越来越严格。
鉴于此，环境温度是试验环境中的一项重点，环境温度的高低直接影响产品的电气和机械性能参数，环境温度的准确度对测试温度的方法要求越来越高，而对环境温度的控制更显的重要。
传统的温度检测方法是采用模拟温度传感器，如热电偶，热电阻，半导体PN结。
信号经过取样、放大后通过模数转换，最后让单片机来处理。
被测量的温度信号从温敏元件到单片机，通过一系列器件，容易受干扰、而且不易控制，精度也不高。
为了测试的准确性和控制环境温度，所以，这次设计采用一种新型的可编程温度传感器DS18B20，它可以用来代替模拟温度传感器和信号处理电路，直接和单片机沟通，从而完成温度采集和数据处理。
DS18B20与AT89S52结合实现最简温度检测系统，这种系统结构简单，有较强的抗干扰能力，能够适应在恶劣环境下进行现场温度测量，具有有广泛的应用前景。
如今温度控制技术基本上可以归为两种：
动态温度跟踪与恒值温控制。
动态温度跟踪是为了让控制对象的温度值按照之前设定好的曲线进行变化。
工业生产中，实现这一控制目标在很多场合都用的上，比如在发酵过程中的控制，化工生产中的化学反应温度控制以及冶金工厂中的温度控制等等。
恒值温度控制的根本目标是为了让被控对象的温度稳定在某一数值上，且要求这其中的稳态误差不能超过某一特定值。
这里我想介绍一种现在国内外比较主流的温度控制法——PID线性温度控制法。
1922年美国的Minorsky在对船舶自动导航的研究中，提出了一个设计方法，那就是基于输出反馈的比例积分微分（PID，ProportionalIntegralDifferential）控制器，这一举措正式标志了PID控制的诞生。
从那以后，PID控制器就用他结构简单、对于模型误差具备鲁棒性和容易操作等特点，在大多数控制过程中可以得到有效的控制性能，到了20世纪40年代就已在过程控制中得到了广泛的应用。
20世纪30年代至40年代，经典的频域设计法取得了非常迅速的发展。
其中在稳定性理论上，Nyquist和Bode取得了重要的成就。
此经典的设计方法主要是用来设计一种用于反馈的补偿器，以此来获得一定量的稳定裕度，并且以考虑模型的不确定性为重点，利用反馈来减少系统对于模型误差和干扰的灵敏度。
重点是利用了由Nyquist稳定准则所推导出来的图解法来设计补偿器的。
在50年代之后，解析法是当时发展较快的方法，与此同时定义了一些相关的瞬态性能指标。
在模拟计算机的帮助下，可以比较方便的检测时域响应指标。
但是，在这种情况下对控制系统的灵敏度和鲁棒性的关注会有一定的降低。
20世纪50年代中期，伴随着数字计算机的产生，使得用差分方程来表达控制系统模型的方法得以应用。
控制人造地球卫星从而促进现代控制理论的发展，采用最优控制去获得非线性动态系统最优的轨迹。
从20世纪60年代开始，在解决各种各样不同设计的问题中，基于最优化技术的控制器设计方法突出了它的优势。
现代的控制理论已经开始应用于实际情况下的过程控制，但是这需要对过程中的对象建立精确的数学模型，因此往往在实际上很难得到精确的数学模型。
所以进入70年代以后，人们将更多的关注点放在鲁棒性问题上。
20世纪80年代，将参数整定与自适应控制理论引入了单回路PID控制器，使得PID控制理论由此进入高速的发展阶段。
PID有着可靠性高、控制算法简单等特点，在现今这个控制技术飞速发展的时代，它仍然在工业过程控制中有着主导性的地位。
因为在PID调节器模型当中考虑到了系统误差，误差的变化以及误差的积累这三个因素，所以，其控制性可以更大地优于定值开关控温法。
它具体的电路能够通过使用计算机软件方法或者模拟电路从而实现PID调节功能。
前者称作模拟PID调节器，后者称作数字PID调节器。
在这之中数字PID调节器的参数能够在现场实现在线整定，所以具有比较大的灵活性，能够获得比较好的控制效果。
通过这种方法所实现的温度控制器，它控制品质的好坏大部分取决于3个PID参数（即微分值、比例值、积分值）。
只要PID参数能够选取正确，就可以在一个确定的受控系统中，获得比较令人满意的控制精度。
对于大部分工业控制对象它都能达到比较好的控制效果，但是它也有明显的缺陷，例如依赖于对象模型，对于大滞后、时变系统、非线性的控制效果不太理想等。
并且随着生产的发展，对控制精度与实时性的要求愈来愈高，被控的对象也愈来愈复杂，单单采用常规PID控制器已经不能够满足系统的要求，所以出现了很多新的控制方法。
例如智能控制、最优控制、自适应控制、满意控制、鲁棒控制等等，把这些控制策略应用到PID控制系统的设计之中会很大程度地提高系统的控制性能。
在这之中，智能PID控制在近几年里引起了人们很大的研究兴趣。
把智能控制方法与常规PID控制方法结合在一起，产生了很多形式的智能PID控制器。
其吸取了常规PID控制与智能控制两者的优点。
第一，其具备自我学习、自我适应、自我组织的能力，可以自动识别被控过程参数、自动整定控制参数、可以适应被控过程参数的变化;
第二，其又具备了常规PID控制器结构简单、可靠性高、鲁棒性强、被现场工程设计人员所熟知等特点。
第2章系统概述
2.1温奶器温度控制概述
2.1.1温奶器温度控制设计任务
主要任务是设计一个基于温奶器的温度控制系统，采用常用的STC89C52芯片作为主控芯片，采用DS18B20作为温度传感器。
加热器用5瓦50欧加热电阻，降温系统利用风扇来进行冷却，显示应用的是LCD1602液晶屏，显示字体清晰，显示效果如图2.1所示。
同时本设计还利用51单片机仿真软件（ISISProfessional）来进行仿真，方便调试、观察运行效果。
图2.1液晶显示效果示意图
本设计基本内容是利用STC89C52单片机控制、温度传感器DS18B20，在此过程中主要实现的功能有：
1）实时显示监控温奶器的温度；
2）可设置温奶器温度上限和温度下限值；
3）当温奶器温度低于下限值时，启动加热系统，进行加热；
当温奶器温度高于上限值时，启动降温系统，进行降温；
使温度保持在上限值和下限值之间；
4）通过按键可以调整温度上限和温度下限；
2.1.2系统设计
本系统是利用STC89C52芯片为核心，DS18B20温度传感器、LCD1602液晶、加温模块、降温模块以及键盘输入等，实现温度监控并准确显示。
STC89C52接受并处理DS18B20温度数据的处理显示及键盘输入的控制信息的处理，输出温度的显示并具有按键调整温度上下限功能，自动实现系统加温、降温。
系统模块组成框图如图2.2所示。
2.2系统硬件电路方框图
系统软件流程图如图2.3所示
2.3系统软件程序流程图
2.2简易水位检测报警系统
考虑到实际的安全问题。
为了防止液面过低时，加热产生危险。
以及防止液面过高，在加热以后导致温奶器的液体溢出进一步导致奶液的浪费和引发触电危险。
我在这里加入了一种简易的水位检测报警系统。
这种系统用来实现以下功能：
1、检测最低水位（防干烧）
2、检测最高水位（防止沸腾溢出）
3、声光报警
2.3温奶器整体实现的功能
这个温奶器经过水温加热系统以及水位监测报警系统的组合。
可以基本实现一些现在市场上销售的温奶器的基本功能，现在我就各个温度的功能在此列举一下温奶器功能的现实意义：
（1）防止干烧。
防止干烧基本通过以上简易水位检测报警系统进行。
若温奶器内液位达不到指定要求，系统会发出蜂鸣器警报并且与此同时切断电源，防止干烧带来的安全隐患。
（2）防溢出。
水位监测报警系统的另一功能就是防溢出。
在加热伊始就开始杜绝高于规定液位的加热，以防止在液体沸腾时溢出容器进而导致的电器短路，同样形成安全隐患。
（3）暖奶（40℃）40度用来温奶稍高于人体正常体温但是到婴儿嘴里也不会被烫到恰到好处，如果刚刚加热到40度却不想马上食用，本设计中的PID恒温控制正好满足了这一要求。
（4）暖米糊（70℃-80℃）暖米糊的温度要高于正常暖奶的温度，不过为了防止孩子被烫伤，喂孩子之前应该用自己嘴巴试过以后再喂食。
（5）消毒（100℃）先放入网格，再放入奶瓶、奶嘴等待消毒件，加入适量水，盖上保温盖，设置加热温度为100℃。
建议煮沸时间不少于10分钟。
（6）房间空气消毒。
往热奶器倒入15mL米醋及适量的水，设置加热温度为100℃，无需盖盖。
第3章系统硬件设计
3.1系统硬件电路芯片选型介绍
3.1.1温度传感器选型介绍
方案一：
DS18B20
温度测量转换部分是整个系统的数据来源，系统的可靠性将直接被其影响。
这里是种传统的温度测量方法：
温度传感器例如AD590，然后把测量的温度转换为模拟电信号，再经过A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，最后由单片机对采集的数字信号进行处理。
这种模拟数字混合电路较复杂，过滤噪声的稳定性不高。
鉴于上述考虑，本设计采用数字温度传感器DS18B20。
DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度的范围为-55°
C～+125°
C，现场温度直接以“一线总线”的数字式传输，大大的提高了系统的抗干扰性。
DS18B20为3引脚，DQ为数字信号输入/输出端；
GND为电源地；
VDD为外接供电电源输入端。
温度采集电路模块如图2.4所示。
DSB8B20的3脚接系统中单片机的P1.4口线，用于将采集到的温度送入单片机中处理，2脚和3脚之间接一个4.7K上拉电阻，即可完成温度采集部分硬件电路。
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
方案二：
PT100
PT100温度传感器是一种的仪表，它能够把温度变量转换为可传送的标准化输出信号。
这种器件主要应用于工业过程的温度测量与控制。
带传感器的变送器由两部分组成：
传感器和信号转换器。
传感器主要是由热电偶或热电阻组成的；
信号转换器则由测量单元、信号处理和转换单元组成（因为工业用热电阻和热电偶分度表的标准化，所以信号转换器通常也被也称为变送器），有些变送器增加了显示单元，另外一些还同时具备现场总线功能。
因为PT100热电阻的温度与阻值的变化相互联系，人们就利用它的这一特性，发明并生产了PT100热电阻温度传感器。
它是一种集温度湿度采集于一体的智能传感器。
温度的采集范围可达-200℃～+200℃，湿度采集范围是0%～100%。
如果PT100温度传感器是由两个用来测量温差的传感器组成的，那么输出信号与温差之间就具有一给定的连续函数关系。
与此同时，PT100温度传感器输出信号与温度变量之间也具备一给定的连续函数关系（这一关系通常为线性函数），早期生产的pt100温度传感器其输出信号与温度传感器的电阻值（或电压值）之间呈线性函数关系。
标准化输出信号主要为0mA~10mA和4mA~20mA（或1V~5V）的直流电信号。
但是这里不能杜绝具有特殊规定的其他标准化输出信号。
温度变送器按供电接线方式可分为两线制和四线制。
变送器有电动单元组合仪表系列的（DDZ-Ⅱ型、DDZ-Ⅲ型和DDZ-S型）和小型化模块式的，多功能智能型的。
前者均不带PT100温度传感器，后两类变送器可以方便的与热电偶或热电阻组成带传感器的变送器。
最终选型：
数字温度传感器（DS18B20）是指利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量，并能将所得的信号转换成方便计算机、plc、智能仪表等数据采集设备直接读取的数字量的一种传感器。
传统的温度检测大多以热敏电阻为传感器（PT100），采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻可靠性差，测量温度准确率低，对于1摄氏度的信号是不适用的，还得经过专门的接口电路转换成数字信号才能由微处理器进行处理。
数字温度传感器与传统的热敏电阻有所不同的是，使用集成芯片，采用单总线技术，其能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度，同时，它可以直接将被测温度转化成串行数字信号供微机处理，接口简单，使数据传输和处理简单化。
部分功能电路的集成，使总体硬件设计更简洁，能有效地降低成本，搭建电路和焊接电路时更快，调试也更方便简单化，这也就缩短了开发的周期。
以上提到的两种温度传感器都有很多细小的分类，而我们市面上能买到的温度传感器中新型的DS18B20具有直接能放入热水中加热的性质而普通的PT100并不能做到这一点（这一现象本人就长春大学周边的电子器件供应商已经实地考察过了）。
综上所述，我最后决定用检测准确性更加高的，而且更容易买到防水型的DS18B20来作为本次设计的最终温度传感器。
3.1.2STC89C52单片机介绍
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案，STC89C52引脚图如图3.1.1所示。
图3.1STC89C52引脚图
STC89C52主要功能及特性：
STC89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
与MCS-51单片机产品兼容
8K字节在系统可编程Flash存储器
1000次擦写周期
全静态操作：
0Hz～33Hz
三级加密程序存储器
32个可编程I/O口线
三个16位定时器/计数器
八个中断源
全双工UART串行通道
低功耗空闲和掉电模式
掉电后中断可唤醒
看门狗定时器
双数据指针
掉电标识符
AT89S52单片机的四个I/O口作用分别如下：
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；
在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表3-1所示。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
引脚号
第二功能
P1.0
T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5
MOSI（在系统编程用）
P1.6
MISO（在系统编程用）
P1.7
SCK（在系统编程用）
表3.1P1口的第二功能
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3-2所示：
口管脚
备选功能
P3.0RXD
（串行输入口）
P3.1TXD
（串行输出口）
P3.2/INT0
（外部中断0）
P3.3/INT1
（外部中断1）
P3.4T0
（记时器0外部输入）
P3.5T1
（记时器1外部输入）
P3.6/WR
（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD
（外部数据存储器读选通）
表3.2P3的特殊功能
3.2温控系统硬件电路设计
本系统主要包括五个部分组成即电源模块，键盘输入模块，DS18B20温度传感器、LCD1602液晶、加温模块、降温模块。
下面对各个模块进行介绍。
3.2.1单片机最小系统电路设计
单片机最小系统电路实现对采集数据的处理和输出显示的控制，主控电路由STC89C52单片机、晶振电路、复位电路三部分组成，各部分作用如下所述，由其三部分构成的单片机最小系统电路如图3.7所示。
图3.2最小系统电路图
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