基于单片机的水温控制系统开题报告共11页.docx

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基于单片机的水温控制系统开题报告共11页

1课题来源及研究的目的和意义

温度是工业控制中的主要被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械石油等工业中，具有举足轻重的作用。

随着国民经济的发展，温度控制系统不仅可以广泛应用于工业、农业中，而且还和人们的日常生活息息相关，在工业中，电站锅炉和供热锅炉大量存在，且大多数锅炉处于能耗高、浪费大和环境污染等生产状态，采用温度控制系统就能提高热效率和降低能耗、保护环境。

在农业上，温室大棚采用温度控制系统，对于温度的有效控制，不仅可以节省资源而且还可以保证农作物有良好的生长环境，可以有效提高农作物产量。

在人们的日常生活中，人们也可以利用温度控制系统去控制洗澡水的温度等，以此来方便人们的生活。

随着电子技术的发展和人们生活质量的提高，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化。

现代社会中，随着科学技术的进步，温度检测和控制迅速发展，温度控制将更好的服务于社会。

目前，单片机控制器用于从生活工具到工业应用的各个领域。

国内外温度控制系统也发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。

目前社会上温度控制大多采用智能调节器，国产调节器分辨率和精度较低，温度控制效果不是很理想，但价格便宜，国外调节器分辨率和精度较高，价格较贵。

日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表．并在各行业广泛应用。

从市场角度看，如果我国的大中型企业将温度控制系统引入生产，可以降低消耗，控制成本，从而提高生产效率。

嵌入式温度控制系统符合国家提出的“节能减排”的要求，符合国家经济发展政策，具有十分广阔的市场前景。

现今，应用比较成熟的如电力脱硫设备中，主控制器在主蒸汽温度控制系统中的应用，已经达到了世界前进水平。

如今，在微电子行业中。

温度控制系统也越来越重要，如单晶炉、神经网络系统的控制。

因此。

温度控制系统经济前景非常广泛，我国的高新精尖行业研究其应用的意义更是更加重大。

2国内外研究现状

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。

目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。

它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。

而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。

但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。

控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。

国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。

日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。

它们主要具有如下的特点：

一是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；二是能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制；三是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；四是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛；五是温控器普遍具有参数自整定功能。

借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。

有的还具有自学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化；六是具有控制精度高、抗干扰力强的特点。

国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。

传统的温度传感器有热电偶、铂电阻热敏电阻等，虽然它们有各自的优点，但是他们需要后续处理电路，而且由于自身的热效应会影响测量精度，可靠性较差，与之相比本设计采用的DS18B20作为测温传感器它具有体积小，一线总线的数字传输方式，可直接向单片机传输数字信号，简化了数据传输与处理过程，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，在一10一+85。

C范围内，测量精度为±0．5。

C。

3PID控制算法原理

3.1PID控制系统简介

PID控制系统如图3—1所示，D（s）完成PID控制规律，称为PID控制器。

PID控制器是一种线性控制器，用输出量y（t）和给定量r（I）之间的误差的时间函数e（t）=r（t）-y（t）的比例、积分和微分的线性组合构成控制量u（t），称为比例（Proponional）、积分（Integrating）、微分（Differentiation）控制，简称PID控制。

图3—1

PID控制组合了比例控制、积分控制和微分控制这3种基本控制规律。

通过改变调节器参数来实现控制。

其基本输入输出关系为：

实际应用中．可以根据受控对象的特性和控制的性能要求，灵活采用比例（P）控制器、比例+积分（PI）控制器、比例+积分+微分（PID）控制器3种不同控制组合。

3.2PID参数控制效果分析

PID控制的3基本参数为Kp、Ki、Kd。

，这3项参数的实际控制作用为：

比例调节参数（Kp）按比例反映系统的偏差。

增大Kp，系统的反应变灵敏、速度加快、稳态误差减小，但振荡次数也会加多、调节时间加长。

在该反馈环中。

该值主要影响速度。

积分调节参数（Ki）消除系统静态（稳态）误差，提高系统的控制精度。

积分调节会使系统的稳定性下降，动态响应变慢。

超调加大。

积分控制一般不单独作用，而是与P或者PD结合作用。

微分调节参数（Kd）反映系统偏差信号的变化率，可以预见偏差的变化趋势，产生超前控制作用。

因此，微分控制可以提高系统的动态跟踪性能。

减小超调量，但对噪声干扰有放大作用。

过强的微分调节会使系统剧烈震荡，对抗干扰不利。

常规的PID控制系统中．减少超调和提高控制精度难以两全其美。

主要是积分作用有缺陷造成的。

如果减少积分作用，静差不易消除，有扰动时，消除误差速度变慢；而加强积分作用时又难以避免超调，这也是常规PID控制中经常遇到的难题。

所以在该系统中，对积分参数做了分段处理，已达到理想的效果。

选择制冷或制热后。

设定指定温度值；将温度采集的数据接收进来，与设定温度值比较。

将差值经过PID算法后计算出进行功率控制的占空比，从而调节温度嘲。

其中，PWM波由AVR单片机的定时器产生。

在该模式下，寄存器用于控制PWM波频率，其他任意一个寄存器控制占空比，控制灵活，相当方便。

控制积分调节参数时，对其采取分段积分PID算法，控制系统超调量。

4主要研究内容

本课题的研究内容是基于单片机的水温控制系统的设计。

主要是采用单片机实现对水箱温度的显示、控制和报警等功能。

4.1设计要求：

1.熟悉控制系统的原理和单片机的相关基础知识；

2.能够连续测量水的温度值，并能显示水的实际温度等；

3.能够设定水的温度范围；

4.能够实现水温的自动控制；

5.采用单片机控制，通过按键能控制水温的设定值。

4.2设计思路：

根据设计要求，该温度控制系统可分为6个模块（如图—1）

图4—1

温度采集模块：

通过温度传感器来测量水温，并将采集后的信号进行放大、A/D转换传送给主控模块。

主控模块：

接收温度采集模块传来的信号，进行数据处理和逻辑判断，把处理后的结果输出给液晶显示模块、声光提示模块和加热模块。

按键输入模块：

通过扫描按键来控制系统的“启动/停止”、“设定”、“加”、“减”等；

声光提示模块：

当水温达到设定值或超出设定值时出现红灯提示并声音报警，在水箱加热过程中，绿灯提示；

液晶显示模块：

显示当前水温和水温设定值；

加热/制冷模块：

给水箱加热/制冷；

5方案论证及选择

5.1主控模块

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Freescale16MC9S12XS128单片机：

虽然功能强大，运算速度快，资源丰富，但是价格昂贵，性价比较低。

方案三：

MEGA16AVR单片机：

高可靠性、作用强、高速度、低功耗和低价位，内部资源丰富，一般都集成AD、DA模数器、PWM、丰富的中断源等，完全可以实现对系统的控制。

综上采用方案三。

5.2温度采集模块

方案一：

采用热敏电阻，可满足35℃--95℃的测量范围，但热敏电阻精度低、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。

方案二：

采用铂电阻温度传感器，虽然精度较高，但是调节复杂，如果调节不精确，影响精度。

另外，使用铂电阻温度传感器，需要进行放大和A/D转换，增加了系统的复杂性。

方案三：

采用单线数字温度传感器DS18B20，可直接输出数字量，单线器件和单片机的接口只需一根信号线，硬件电路十分简单，容易实现。

由于DS1820正常使用的测温分辨率为0.50°C，故采取直接读取DS1820内部暂存寄存器的方法，是一个较好的选择。

综上选择方案三。

5.3按键输入模块

方案一：

使用带有触屏功能的彩屏显示键盘，虽然操作灵活，但是价格昂贵，性价比较低

方案二：

键盘选用常用的4

4扫描键盘，选择了5个按键，分别用作“启动”、“停止”、“设定值加”、“设定值减”、“确定”。

在显示方面，选用了常用的12864液晶显示模块。

通过相应的软件编程，可以实现显示。

综上选择方案二。

5.4温度显示模块

方案一：

采用数码管显示，虽然数码管价格低廉，但是显示内容单一，外围驱动电路较复杂。

方案二：

使用1602液晶显示屏显示。

液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电、画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点，可以显示设定温度和当前温度。

综上选择方案二。

5.5加热模块

水温控制模块用来控制加热器件的导通与关闭，从而达到控制加热时间，控制水温的目的

采用SSR固态继电器驱动电路控制。

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

5.6声光提示模块

当水温达到设定值或超出设定值时出现红灯提示并声音报警，在水箱加热过程中，绿灯提示。

6主要模块元器件的简介

6.1AVR单片机

ATMEL公司的AVR是8位单片机中第一个真正的RISC结构的单片机。

它采用了大型快速存取寄存器组、快速的单周期指令系统以及单级流水线等先进技术，使得AVR单片机具有高达1MIPS／MHz的高速运行处理能力。

AVR采用流水线技术，在前一条指令执行的时候，就取出现行的指令，然后以一个周期执行指令。

大大提高了CPU的运行速度。

而在其它的CISC以及类似的RISC结构的单片机中，外部振荡器的时钟被分频降低到传统的内部指令执行周期，这种分频最大达12倍（8051）。

131条机器指令，且大多数指令的执行时间为单个系统时钟周期；32个8位通用工作寄存器；工作在16MHz时具有16MIPS的性能；配备只需要2个时钟周期的硬件乘法器；16K字节在线可编程（ISP）Flash程序存储器采用BootLoad技术支持IAP功能；1K字节的片内SRAM数据存储器，可实现3级锁定的程序加密；512个字节片内在线可编程EEPROM数据存储器（寿命>10万次）；可通过JTAG口对片内的Flash、EEPROM、配置熔丝位和锁定加密位实施下载编程；1个可编程的增强型全双工的，支持同步/异步通信的串行接口USART；1个可工作于主机/从机模式的SPI串行接口（支持ISP程序下载）；片内模拟比较器；内含可编程的，具有独立片内振荡器的看门狗定时器WDT；2个带有分别独立、可设置预分频器的8位定时器/计数器；1个带有可设置预分频器、具有比较、捕捉功能的16位定时器/计数器；片内含独立振荡器的实时时钟RTC；4路PWM通道；8路10位ADC；面向字节的两线接口TWI（兼容I2C硬件接口）；片内含上电复位电路以及可编程的掉电检测复位电路BOD；片内含有1M/2M/4M/8M，经过标定的、可校正的RC振荡器，可作为系统时钟使用；多达21个各种类型的内外部中断源；有6种休眠模式支持省电方式工作。

6.21602液晶

1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。

1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。

6.3DS18B20

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。

主要根据应用场合的不同而改变其外观。

封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。

耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用，无需外部元件，可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V，无需备用电源，测量温度范围为-55°C至+125℃。

华氏相当于是-67°F到257华氏度-10°C至+85°C范围内精度为±0.5°C。

温度传感器可编程的分辨率为9~12位，温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒。

7毕业设计（论文）工作进度安排

第一学期：

8周开始

查阅文献资料、翻译外文资料、制定总体方案并对方案进行论证，

完成开题报告。

第二学期：

第1~2周：

完成总体方案设计，毕业实习及开题答辩；

第3~4周：

完成各单元模块设计方案并建立模型；

第5~11周：

进行各个模块的软件编程及整体电路的调试；

第12~14周：

汇总数据，撰写论文，作答辩准备。

参考文献

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