基于单片机的水箱恒温控制系统设计文.docx
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基于单片机的水箱恒温控制系统设计文.docx
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基于单片机的水箱恒温控制系统设计文
论文分类号:
密级:
无
毕业论文(设计)
水箱的恒温控制系统
系别:
汽车与电气工程系
专业:
电气自动化
班级:
电气
(2)
姓名:
学号:
指导教师:
完成时间:
年月日
摘要
本设计以单片机AT89C51为核心部件,采用单总线型数字式的温度传感器DS18B20作为温度采集,以固态继电器作为加热控制的开关器件,设计制作了带键盘输入控制,动态显示的功能的恒温控制系统。
该系统既可以对当前温度进行实时显示,又可以对设定温度进行控制,并使其恒定在某一温度范围。
控制键盘设计使设置温度简单快捷,两位整数一位小数的显示方式具有更高的显示精度。
建立在增量控制理论上的控制算法,使控制精度完全能满足一般的电子产品的生产要求。
通过对系统软件和硬件的合理规划,发挥单片机自身集成多系统功能单元的优势,在不减少功能的前提下有效降低了成本,系统操作简便。
关键词:
AT89C51单片机;DS18B20传感器;恒温控制
Abstract
Thisdesignwithsingle-chipmicrocomputerAT89C51asthecorecomponentwithsinglebus-controldigitaltemperaturesensorDS18B20astemperaturegatheringtosolid-staterelayasheatingcontrolswitchdevice,designandmakethebeltkeyboardinputcontrol,dynamicdisplayofthetemperaturecontrolsystem.Thissystemnotonlycanreal-timedisplayofthecurrenttemperatureofsettemperature,andcancontrol,anditsconstantinatemperaturerange.Controlthekeyboarddesignmakessettemperaturesimpleandquick,twointegeradecimaldisplaymodehashigherprecisionoftheshow.Basedonincrementalcontroltheoryofcontrolalgorithm,makethecontrolaccuracycanbefullymetgeneralelectronicproductsproductionrequirements.Throughthesystemsoftwareandhardwarereasonableplanning,playmicrocontrolleritselfmoresystemfunctionunitintegratedadvantage,innotreducefunctionalitypremisetoreducethecostandsystemeasyoperation.
Keywords:
AT89C51;DS18B20sensors;Solid-staterelay
第1章绪论
1.1课题研究介绍
温度是工业上常见的被控参数之一,特别是在冶金、化工、建材、食品加工、机械制造等领域,恒温控制系统被广泛应用于加热炉、热处理炉、反应炉等。
在一些温控系统电路中,广泛采用的是通过热电偶、热电阻或PN结测温电路经过相应的信号调理电路,转换成A/D转换器能接收的模拟量,再经过采样/保持电路进行A/D转换,最终送入单片机及其相应的外围电路,完成监控。
但是由于传统的信号调理电路实现复杂、易受干扰、不易控制且精度不高。
本文介绍单片机通过数字温度传感器检测外部温度对水箱进行恒温控制的设计,采用PID算法来控制PWM波形的产生,进而控制电炉的加热来实现恒温控制。
因此,本系统采用一种新型的可编程温度传感器(DS18B20),不需复杂的信号处理电路和A/D转换电路就能直接与单片机完成数据采集和处理,实现方便、精度高,可根据不同需要用于各种场合。
在日常生活中,也经常用到电烤箱、微波炉、电热水器、烘干箱等需要进行温度检测与控制的家用电器。
采用单片机实现温度控制不仅具有控制方便、简单、灵活等优点,而且可以大幅度地提高被控温度的技术指标,从而大大提高产品的质量,现以恒温水箱控制系统的设计进行介绍。
1.2国内外发展及趋势
随着计算机控制技术的发展,恒温控制已在工业生产领域中得到了广泛应用,并取得了巨大的经济和社会效益。
在不同的领域内,由于控制环境、目标、成本等因素,需要针对具体情况来设计系统结构和功能,以取得最佳的控制效果。
其中,恒温环境的自动化控制技术在工业生产、商业运营中是一个重要研究课题。
1.2.1国外恒温控制系统的发展及趋势
自70年代以来,由于工业过程控制的需要,特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展,以及自动控制理论和设计方法发展的推动下,国外恒温控制系统发展迅速,并在智能化,自适应参数的自整定等方面取得了很大的科技成果。
在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先,并且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。
目前,国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。
虽然温度控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛,但从国内生产的温度控制器及技术来讲,其总体发展水平仍然不高,同国外的日本、美国、德国等先进国家相比,仍然有着较大的差距。
1.2.2国内恒温控制系统的发展及趋势
我国目前在恒温控制技术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、时变的温度系统控制。
在适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表领域内,国内技术还不十分成熟,形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。
因此,我国在恒温控制等控制仪表行业与国外还有着一定的差距。
从过程量的检测角度出发,温度是最常见的过程变量之一,它是一个非常重要的过程变量,因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形,结晶以及空气流动等物理和化学过程。
而恒温控制技术在工业领域应用非常广泛,由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。
其温度控制不好就可能引起生产安全,产品质量和产量等一系列问题。
尽管恒温控制很重要,但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。
随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用,人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高,作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势,在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。
1.3课题设计任务
1.3.1设计目的
设计一个恒温水箱自动调节控制系统,水箱内的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节,以保持与设定的温度基本不变。
利用单片机AT89C51实现水温的智能控制,使水温能够在60℃左右实现恒定温度调节,利用数字温度传感器读出水温,并在此基础上将水温调节到通过键盘设定的温度(其方式是加热或降温),并通过数码管显示器实现当前温度与设定温度的显示。
1.3.2系统设计指标
设计一个温度反馈通道的控制系统,主要包括主电路和控制电路。
控制电路又包括巡回检测、跟踪比较、PID调节、执行输出、加热装置等多个环节。
以下为该恒温控制系统的技术指标:
(1)预置时显示设定温度,达到定温度时显示实时温度,显示精确到1℃;
(2)恒温箱温度可预置,在误差范围内恒温控制,温度控制误差≤±1℃;
(3)恒温水箱由1KW电炉加热;
(4)启动后有运行指示,温度低于预置温度5℃时进行220V全加热;
(5)有较强的抗干扰性能,对升降温过程的线性没有要求;
(6)具有相应的保护功能。
1.3.3系统的功能
(1)可以对温度进行自由设定,但必须在0~100℃内,设定时可以实时显示出设定的温度值;
(2)加热由1台1KW电炉来实现,如果温度不在60℃时,根据设定的温度值与实际检测的温度值之差来采取不同的加热方式;
(3)能够保持实时显示水温,显示位数4位,分别为百位、十位、个位和小数位。
(但由于规定小于100度,所以百位也就没有实现,默认的百位是不显示的)。
第2章恒温控制系统总体方案设计
本章提出了对恒温控制的两种方案,根据恒温水箱控制系统的控制要求及技术指标,结合两种方案的性能特点,最后选定以单片机为主控制器,增量式的PID算法进行调整控制PWM波形产生的方案作为本控制系统的总体方案。
2.1设计方案
对于温度控制的方法也有很多:
如单片机控制、PLC控制、模拟PID调节器和数字PID调节器等等。
2.1.1利用PLC实现恒温控制
这种恒温控制,采用PLC控制实现电热丝加热全通、间断导通和全断加热的自控式方式,来达到温度的恒定。
智能型电偶温度表将置于被测对象中,热电偶的传感器信号与恒定温度的给定电压进行比较,生成温差,自适应恒温控制电路根据差值大小控制电路的断开。
2.1.2利用单片机实现恒温控制
此方案采用单片机为控制核心的控制系统,尤其对温度控制,它可达到核心的控制作用,并且可方便实现数码显示、键盘设定及利用PID算法来控制PWM波形的产生,进而控制电炉的加热来实现恒温控制,其所测结果精度也大大的得到了提高,在利用PID算法来控制PWM波形的产生,是有效的控制数字脉冲的输出宽度,使固态继电器得到有效和有序的逻辑控制,不会使固态继电器产生误动作。
因此利用PWM技术进行脉宽调制的优点是:
(1)从处理器到被控系统信号都是数字形式的,无需进行数模转换器;
(2)让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小,并且噪声只有在强到足以将逻辑“1”改变为逻辑“0”或将逻辑“0”改变为逻辑“1”时,才能对数字信号产生影响;
(3)对噪声抵抗能力的增强也是PWM相对于模拟控制的另外一个优点,而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因;
(4)PWM经济、节约空间、抗噪性能强,是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。
再加上单片机的软件编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。
它可以通过用数字温度传感器采集到的实际水温温度直接进行数码管显示,还能用键盘输入设定值,并且内部含有4KB的EEPROM,不需要外扩展存储器,可使系统整体结构更为简单,其方案的框图如图2.1所示。
2.2方案论证
采用的PLC实现恒温控制,由于其PLC成本高,且PLC外围系统配置复杂,不利于我们的设计。
由于数字调节和运算量大,相反对于AT89C52单片机只要选择合适的参数对于温度的控制精度往往能达到比较好的效果。
采用单片机为控制核心的控制系统,利用PID控制原理和PWM技术实现对水箱内水温的控制。
基于这样的控制原理和PWM技术的优越性,在对温度控制的系统中,它可达到采用其他控制系统所达不到的控制效果,并且可方便实现数码实时显示、键盘设定、直接可以驱动固态继电器,其测量结果的准确性和精度是非常高的
综合各方面的意见,本设计采用单片机来实现温度的控制。
2.3恒温水箱控制系统工作原理
根据恒温水箱控制系统的设计任务和要求,确定了系统总体方案之后,现对该方案的具体原理进行详细介绍,它是采用闭环控制结构进行控制的,其具体控制图如图2.2所示。
本系统是采用闭环
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- 基于 单片机 水箱 恒温 控制系统 设计