基于单片机的水温控制系统开题报告.doc

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05。C。3 PID控制算法原理3.1 PID控制系统简介PID控制系统如图31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31PID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。3.2 PID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41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0.50C，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44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6.1 AVR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1MIPSMHz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Boot Load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。6.2 1602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。6.3 DS18B20DS18B20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3.0 V至5.5 V，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912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12周：完成总体方案设计，毕业实习及开题答辩；第34 周：完成各单元模块设计方案并建立模型；第511周：进行各个模块的软件编程及整体电路的调试； 第1214周：汇总数据，撰写论文，作答辩准备。参考文献1李全利.单片机原理与应用M.清华大学出版社，2006.2.2胡汉才.单片机原理及其接口技术M,清华大学出版社，2004.2.3明鑫,陈可中,王戎丞等.基于单片机的水温控制系统J,现代电子技术.2005,6.4潘笑,高玉玲,康亚娜. 基于模糊PID的AT89C2051单片机智能温度控制系统J.兵工自动化,2006 (5):65-67.5 陈良光,管聪慧. 由数字式传感器DS18B20 构成的多点测温系统J . 传感器世界,1999(9):32-35.6 逢玉台,王团部.集成温度传感器AD590及其应用J.国外电子元器件.2002,7(5): 3-4.7高鹏,安涛，寇怀成等.Protel99入门与提高M.北京：人民邮电出版社，2001.8赵欣. 蔬菜大棚智能环境参数测控系统的研究.唐山师范学院学报，2010，Vol.32(No.5):41-429Jiang Wei. Research on the Temperature Control System Based on Fuzzy Self-tuning PIDJ2010 International Conference On Computer Design And Appliations (ICCDA 2010)10刘春恰.数字温度传感器DS18B20测温的应用.电器时代，2010，第10期：116-11711宋明刚.智能PID方法在高精度控温中应用研究J.水利电力机械,2001.12鹿玉红,戴彦,江培蕾.基于 PROTEUS 的 DS18B20 数字温度计的仿真实现J.2010，Vol.1