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1、-水温控制系统的设计摘 要随着计算机技术、测量仪器和控制技术的高速发展，现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，应用了越来越多的先进测量控制技术、设备和方法。在这些众多的先进测量控制技术中，如何对水温进行控制成为焦点课题之一，为越来越多的科研机构所重视。本设计是一个典型的检测、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、运算到输出控制电热器加热功率以实现水温控制的全过程，因此，以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，可以满足检测、控制应用类型的功能要求。系统包括单片机，DS18B20温度传感器，场效应管控制下的加热器及其他电子元器件。电路板自带液晶显示器，可以显示设定温度
2、和当前水温，同时还有LED灯用来指示系统的运行状态及其它有用信息，在需要时发出警告信号。最终实现对温度的较精确控制。本控制系统的控制方法主要采用PID算法，并结合了模糊控制的有关理论，使整体控制方案简捷高效，实现方便，而控制效果良好，可以使水温控制的超调量小于0.5摄氏度，同时调节时间也满足设计要求。关键词：单片机，温度传感器，PID，加热器，水温控制 DESIGN OF WATER TEMPERATURE CONTROL SYSTEM ABSTRACTWith the rapiddevelopment of computer technology and instrumentation an
3、dcontrol technology, modern metallurgy,petroleum,chemicaland electric powerproduction process, advanced measurement and control technology, equipment and methodmore and more applications. In these numerous advanced measurement and control technology, how the temperature control has become a focus to
4、pic, paid attention to by more and more scientific research institution.Because this design is a typical detection and control of applications, it requires to complete the water temperature detection systems, signal processing, input, operation to the output control electric heater heating power in
5、order to realize the whole process control, therefore, should be based on single-chip microcomputer as the core component of a dedicated computer system, in order to meet the detection, control of types of functional requirements.The system comprises a MCU, DS18B20 temperature sensor, heater under t
6、he control of MOSFET and other electronic components. The circuit board has a LCD display which can display the current temperature and setting temperature, and some LED lamps which are used to indicate the running state of system and other useful information, warning signal in time of need. Finally
7、 realize the accurate control of temperature.Control method of the control system is mainly used PID algorithm, combined with the theories of fuzzy control, the control scheme is simple and efficient, easy to implement, and the control effect is good, can overshoot the water temperature control is l
8、ess than 0.5 degrees Celsius, while smaller adjustment time.KEY WORDS： MCU, temperature sensor, PID, heater, Water temperature control -第 69 页-目录 前言1第1章 绪论31.1 研究背景31.2 控制技术的发展41.2.1 定值开关温度控制法41.2.2 PID线性温度控制法41.2.3 智能温度控制法51.3 国内外发展现状61.4 课题设计思路7第2章 系统方案概述82.1 系统设计要求82.2 方案论证与选择82.2.1 温度传感电路的选择82.2
9、.2 控制电路论证102.2.3 加热电路论证112.2.4 控制算法论证12第3章 系统硬件设计与分析143.1 硬件系统组成框图143.2 单片机最小系统143.2.1 STC89C52单片机153.2.2 晶振电路163.2.3 复位电路163.2.4 工作模式选择173.3 温度传感电路173.3.1 传感器简介173.3.2 传感器接口电路193.4 独立按键193.4.1 按键接口分配193.4.2 按键接口原理图203.5 LED指示灯203.5.1 指示灯接口原理图203.5.2 指示灯接口分配213.6 LCD显示213.6.1 LCD1602简介223.6.2 LCD160
10、2引脚定义223.6.3 LCD1602电路连接图223.7 加热电路233.7.1 整流电路243.7.2 PWM直流调压电路253.8 串口通信253.8.1 串口简介263.8.2 串口通信接线图263.9 电源模块263.10 保护电路27第4章 系统软件设计与分析294.1 软件系统总体流程图294.2 水温测量程序294.2.1 DS18B20操作时序304.2.2 水温测量程序流程图314.3 独立按键程序314.4 指示灯程序314.5 LCD1602显示程序324.5.1 LCD1602操作简介334.5.2 LCD1602操作时序334.5.3 LCD显示程序流程图344.
11、6 PWM波形产生程序354.6.1 PWM简介354.6.2 定时器产生PWM354.7 PID控制程序364.7.1 PID算法简介364.7.2 PID计算程序流程图38第5章 系统调试395.1 硬件调试395.1.1 硬件调试过程395.1.2 硬件调试中出现的问题及解决办法395.2 软件调试40结论45参考文献46致谢47附录48前言温度是极为重要而又普遍的热工参数之一，在环境恶劣或温度较高等场下，为了保证生产过程正常安全的进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度和节约能源，及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制，在许多工业场合中都是重要的环节。由于本设计是一个典型
12、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、运算到输出控制电热器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提供了可能，例如实现自动切断电源，语音提示，自动加热，远程控制等。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，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。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
13、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，而且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，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。虽然也在飞速发展，但对温度要求比较严格的场合，我国的设备根本无法胜任，更提供不了具有建设性的、有价值决策的数据，与国外还有着一定的差距。采用开关温度控制法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。它是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制。这种开关控温方法比较简单，用很简单的模拟电路就能够实现。但是，由于这种控制方式无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统温度
14、波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。而PID温度控制法是基于输出反馈的比例积分微分（PID，Proportional Integral Differential）控制器的设计方法。由于PID调节器模型中考虑了系统的误差，误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。本次设计的主要内容是设计并实现基于51系列单片机的水温控制系统，该系统由STC89C52单片机作为微控制器，通过接收DS18B20温度传感器反馈的水温信号，来控制加热器实现对水温的较精确控制。所设计的系统为一包括单片机，DS18B20温度传感器，可控硅控制下的加热器及其他电子元件的电路板。电
15、路板自带LCD液晶显示器，可以显示设定温度和当前水温，同时还有LED灯用来指示系统的运行状态及其它有用信息，在需要时发出警告信号。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。要完成本次设计需掌握单片机的使用，实
16、现对单片机的编程以及利用单片机对外围电路进行控制；掌握DS18B20温度传感器的使用方法，弄懂其单线接口方式，学会用单片机与其进行通信，并读取相关温度信息；掌握LCD液晶显示器的工作原理，学会利用单片机来控制其正确显示温度；掌握加热器的工作原理并能熟练运用可控硅来控制其发热功率。本文第一章主要介绍水温控制系统的研究背景以及国内外发展现状和实例；第二章是系统方案概述，主要讲述系统方案分析以及方案选择，通过不同的方案介绍和比较，最终确定本设计的所采用的方案；第三章重点讲解系统硬件方案的设计与分析，主要是单片机最小系统、传感器电路和加热电路。第四章重点讲解系统软件方案的设计与分析，主要是温度检测算法
17、和PID算法。第五章给出系统的调试结果及性能分析，最后对本设计做一个总结。第1章 绪论1.1 研究背景温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。自18世纪工业革命以来，工业过程离不开温度控制。温度控制广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等。温度控制的精度以及不同控制对象的控制方法选择都起着至关重要的作用，温度是锅炉生产质量的重要指标之一，也是保证锅炉设备安全的重要参数。同时，温度是影响锅炉传热过
18、程和设备效率的主要因素。基于此，运用反馈控制理论对锅炉进行温度控制，满足了工业生产的需求，提高了生产力。温度是极为重要而又普遍的热工参数之一，在环境恶劣或温度较高等场下，为了保证生产过程正常安全的进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度和节约能源，及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制，在许多工业场合中都是重要的环节。由于本设计是一个典型的检测、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、运算到输出控制电热器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
19、能化控制提供了可能，例如实现自动切断电源，语音提示，自动加热，远程控制等。随着计算机技术、测量仪器和控制技术的高速发展，现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，应用了越来越多的先进测量控制技术、设备和方法。在这些众多的先进测量控制技术中，如何对水温进行控制成为焦点课题之一，为越来越多的科研机构所重视。工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制系统正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术、通信技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大
20、程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。1.2 控制技术的发展温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等。恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某一给定值。从工业温度控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：定值开关温度控制法、PID线性温度控制法、智能温度控制法。1.2.1 定值开关温度控制法所谓定值开关控温法
21、，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置；若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。1.2.2 PID线性温度控
22、制法从20世纪80年代开始，在单回路PID控制器中引入了参数整定和自适应控制理论，PID控制理论从此进入了高速发展阶段。由于PID控制算法简单、可靠性高等特点，在控制技术高速发展的今天，它在工业过程控制中仍然占有主导地位。由于PID调节器模型中考虑了系统的误差，误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。其具体电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。前者称为模拟PID调节器，后者称为数字PID调节器。其中数字PID节器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于
23、三个PID参数（即比例值、积分值、微分值）。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。1.2.3 智能温度控制法智能控制系统是某些具有仿人智能的工程控制和信息处理系统，它与人工智能的发展紧密联系。智能控制是一门新兴的交叉前沿学科，它具有非常广泛的应用领域。智能可定义为:能有效的获取、传递、处理、再生和利用信息，从而在任意给定的环境下成功的达到目的的能力。人工智能是应用除了数学式子以外的方法把人们的思维过程模型化，并利用计算机来模仿人的智能的学科。它的应用范围远比控制理论广泛，如包括判断、理解、推理、预测、识别、规划、决策、学习和问题求解等，是高度脑力行为
24、和体力行为的综合。智能控制就是应用人工智能的理论与技术和运筹学的优化方法，并将其同控制理论方法与技术相结将智能控制与PID控制相结合，实现温度的智能控制。智能控温法采用神经元网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以更好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应PID算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距
25、，它们之间最大的差别.主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的温控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定等。1.3 国内外发展现状甘肃大学的赵紫静研究了一种基于PID温度控制技术的X射线发生器。这种发生器需要将其精度控制在0.5左右，才能保证器件输出的X射线波长不发生超出要求的飘移，否则，X射线波长的超范围飘移将使整个设备难以正常使用。在温控过程中，由于难以建立控制对象的精确数学模型，所以可以用PID技术根据预先设定好的控制规律不停地自动调节控制量以使被控系统朝着设定的平衡状态过渡，最后达到控制范围
26、精度内的稳定动态平衡。模糊温度控制是基于模糊逻辑描述的控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。武汉科技大学信息科学与工程学院的贾静云等将模糊PID温度控制技术运用在烟气加热炉炉温控制系统中，使得烟气加热炉的运行状况和维护条件得到了明显的改善，提高了喷煤比和设备开机率，降低了能耗和设备故障次数，很大程度地提高了生产效率。中国内蒙古科技大学信息工程学院的董志学等研究了一种基于模糊PID温度控制系统的热分析仪控制策略，结合了模糊控制技术和PID控制技术，提高了对控制对象的适应能力，进而提高了温度控制的精度。数字PID控制则是一种是
27、以微处理器为基础，综合了计算机技术、控制技术、通讯技术等高新技术的智能控制。海军航空工程学院基础实验部的李建海等设计了一种上位机监控采用组态软件，下位机采用西门子PLC的电路智能温度控制系统，实现了智能控制、闭环控制、多控制功能为一体的综合控制系统。昆明理工大学信息工程与自动化学院的王清海等在锅炉温度控制研究中将神经网络PID与LabVIEW人及交互结合，实现对锅炉温度的数据采集、控制和现实，提高了锅炉温控系统的效率。英国的Hamid等将PID控制器应用到冰箱的温度控制中，通过使用MATLAB/Simulink软件仿真和误差分析图的方式与传统的ON-OFF控制做了细致的比较。结果表明，PID控
28、制无论是在精度和控制性能方面都优于ON-OFF控制。日本KomatsuElectronics公司的KazuhiroMimura对基于PID控制与现代控制理论相结合的离子化热水器温度控制开展了研究，结果证明这样的温度控制方法能够使用比传统控制系统更少的温度传感器，进而降低成本，提高了公司效益。1.4 课题设计思路本设计是一个典型的检测、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、运算到输出控制电热器加热功率以实现水温控制的全过程，因此，以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，可以满足检测、控制应用类型的功能要求。系统包括单片机，DS18B20温度传感器，场效应管控制下的加
29、热器及其他电子元器件。电路板自带液晶显示器，可以显示设定温度和当前水温，同时还有LED灯用来指示系统的运行状态及其它有用信息，在需要时发出警告信号。最终实现对温度的较精确控制1。要完成本次设计需掌握单片机的使用，实现对单片机的编程以及利用单片机对外围电路进行控制；掌握DS18B20温度传感器的使用方法，弄懂其单线接口方式，学会用单片机与其进行通信，并读取相关温度信息；掌握LCD液晶显示器的工作原理，学会利用单片机来控制其正确显示温度；掌握加热器的工作原理并能熟练运用场效应管2来控制其发热功率。本控制系统的控制方法主要采用PID算法，并结合了模糊控制的有关理论，使整体控制方案简捷高效，实现方便，
30、而控制效果良好，可以使水温控制的超调量小于0.5摄氏度，同时调节时间也满足设计要求。第2章 系统方案概述2.1 系统设计要求所设计系统的基本功能是维持水温在设定值，这个设定值应高于当前环境温度，并在系统正常工作时可被用户调节。自动控制系统的控制部分以单片机为核心，组成最小系统，并包含必要的输入、显示、报警等外围电路。系统的加热部分包含不可控整流电路、场效应管组成的斩波电路等。控制部分与加热部分需要通过光电耦合器进行隔离。控制部分的控制算法要能够实现基本功能，在此基础上完善其它功能并尽量提高执行效率3。2.2 方案论证与选择2.2.1 温度传感电路的选择温度传感电路是水温控制系统的重要组成部分，
31、控制系统需要先通过这个部分来感知水温，然后才能完成后续控制任务。如果传感电路不稳定，使测量温度失真，或者传感器精度不够，使测量温度偏差过大，后续系统再怎么完善，也无法完成整个控制任务。这就要求温度传感电路工作可靠性高，测量精度足够大。温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。其中IC温度传感器以DS18B20为代表。热电偶测量精度高，因直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广，常用的热电偶从零下50度1600度均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269度（如金铁镍铬），最高可达2800度（如钨、铼）。构造简单，使用方便，热电偶通常是由两
32、种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。但热电偶的信号调理复杂，将热电偶电压转换成可用的温度读数必须进行大量的信号调理。一直以来，信号调理耗费大量设计时间，处理不当就会引入误差，导致精度降低。此外，热电偶测温精度低，除了由于金属特性导致的热电偶内部固有不精确性外，热电偶测量精度只能达到参考接合点温度的测量精度，一般在到摄氏度以内。不仅如此，热电偶还易受腐蚀，因为热电偶由两种不同的金属所组成，在一些工况下，随时间而腐蚀可能会降低精度。因此，它们可能需要保护；且保养维护必不可少。还有一点就是其抗噪性差，当测量毫伏级信号变化时，杂散电场和磁场产生的噪声可能会引起问
33、题。绞合的热电偶线对可能大幅降低磁场耦合。热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。热敏电阻作为温度传感器具有响应快、封装小等特点，但其线性度不高，精度有限，尤其在宽温度范围内。要求激励电流，会产生自发热，引起漂移。结合信号调理功能后的整体系统精度差。电阻温度检测器（RTD）具有一些明显优于其他测温器件的优点。例如，它是所有测温器件
34、中最稳定及最精确的一种，且其线性也比热电偶要好。RTD虽是所有测温器件中最稳定及最精确的一种，但它也有一些缺点。RTD比热敏电阻和热电偶都贵，且需要使用一个电流源。在使用RTD时，有几种常见的现象常常未被人们考虑到，其中最严重的一种现象就是自热。如果RTD由于测量电流流过而产生自热，则可能会引起误差。例如，在测量低温（例如低于0）时，RTD的自热会提高预期的测量温度。此外，如果不对引线（电阻）进行补偿的话，还会引起更大的误差。采用4线方法有助于消除这种误差。另一个现象是未选择合适的RTD温度范围。试图测量RTD温度范围以外的温度，可引起更大的误差，甚至使传感器（RTD）损坏。DS18B20是很
35、常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。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。本设计中所要采用的温度传感器应该具有工作可靠性高，测量精度足够大的特点，因为是测量水温，所以测量范围不必太大。考虑到
36、这些特点，决定采用DS18B20。2.2.2 控制电路论证控制电路的核心是单片机，单片机的的选型是一件重要而费心的事情，如果单片机型号选择得合适，单片机应用系统就会得经济，工作可靠；如果选择得不合适，就会造成经济浪费，影响单片机应用系统的正常运行，甚至根本就达不到预先设计的功能。只要掌握和运用单片机正确选型的原则，就可以选择出最能适用于应用系统的单片机，保证单片要应用系统有最高的可靠性，最优的性能价格比，最长的使用寿命和最好的升级换代可能。单片机芯片选型时，总的原则是：芯片含有(功能或数量)略大于设计需求，设计需求尽可能用芯片完成，少用外围器件。选大厂不选小厂，选供应量多的不选少的，选名牌不选
37、不知详情的牌子，选廉价的但质量保证要保障。对单片机选型，主要应用从单片机应用系统的技术性，实用性和要开发性三方面来考虑。1. 技术性要从单片机的技术指标角度，对单片机芯片进行选择，以保证单片机应用系统在一定的技术指标下可靠运行。2. 实用性要从单片机的供货渠道、信誉程序等角度，对单片机的生产厂家进行选择以保证单片机应用系统在能长期、可靠运行。3. 可开发性选用的单片机要有可靠的可以开发手段，如程序开发工具、仿真调试手段等。本系统所要实现的控制功能并不复杂，一般通用的八位单片机就可以完成。MCS-51为主流产品，还是基础入门的一种八位单片机，应用也最广泛。51系列单片机是对所有兼容Intel 8
38、031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司都有51系列的兼容机型推出，比如说深圳宏晶科技有限公司推出的STC系列的单片机现在在中国的51单片机市场上占有较大比例。该单片机易用易得，因而在本设计中采用该公司生产的STC89C52单片机作为核心控制芯片，并以此组成最小系统。显示部分有两种方案可以选择，可以是数码管显示，也可以是LCD显示。前一种方案价格便宜，但需要在软件中不停刷新，这
39、会占用较多的CPU资源；后一种方案价格相对较高，但不需要在软件中定时刷新，占用较少的CPU资源。考虑到本设计中需要产生PWM波，对实时性要求较高，同时LCD的价格尚可以接受，经反复比较后，决定采用LCD显示。2.2.3 加热电路论证加热部分可以直接采用交流调压电路，也可以通过不可控整流将交流转化为直流之后再用直流斩波电路，两种加热电路都能实现可控加热。前一种电路输出电压较为精确、精度较高，快速性好，脉动较小，但其需要检测电压过零点，并在适当的时刻产生触发脉冲，这在一定程度上提高了系统硬件的复杂度，同时会产生谐波，对电网造成污染。后一种电路，先把交流整为直流，之后再对直流进行控制，该电路硬件构成
40、简单，不需要额外的检测电路，而且可以通过PWM进行控制，这正是单片机所容易实现的。经比较，本次设计的加热部分决定采用后一种电路，也就是先整流，再用PWM对直流进行控制。2.2.4 控制算法论证目前，温度控制技术大致有开关温度控制法、PID温度控制法和模糊控制法三种。所谓开关温度控制法是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制。这种开关控温方法比较简单，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统温度波动较大，控制精度
41、低，完全不适用于高精度的温度控制。而PID温度控制法是基于输出反馈的比例积分微分（PID，Proportional Integral Differential）控制器的设计方法。由于PID调节器模型中考虑了系统的误差，误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。其具体电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。前者称为模拟PID调节器，后者称为数字PID调节器。其中数字PID节器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control)，是
42、以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年，美国的L.A.Zadeh创立了模糊集合论；1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年，英国的E.H.Mamdani首次根据模糊控制语句组成模糊控制器，并将它应用于锅炉和蒸汽机的控制，获得了实验室的成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既有系统化的理论，又有大量的实际应用背景。模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻力；然而在东方尤其是日本，得到了迅速而广泛的推广应用。近20多年来，模糊控制不论在理论上还是技术上都有
43、了长足的进步，成为自动控制领域一个非常活跃而又硕果累累的分支。其典型应用涉及生产和生活的许多方面，例如在家用电器设备中有模糊洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、照相机和摄录机等；在工业控制领域中有水净化处理、发酵过程、化学反应釜、水泥窑炉等；在专用系统和其它方面有地铁靠站停车、汽车驾驶、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制。模糊控制算法相对来说较为复杂，因此，在使用时可以结合PID控制来使用，这样就可以使控制结果更加理想，同时控制算法的工作量也可以相应地减少，以达到简捷实用的目的。经分析，最终决定采用结合模糊控制4的PID控制方法，设计并实现基于51系列单片机的水温控制系统，该系统由STC8
44、9C52单片机作为微控制器，通过接收DS18B20温度传感器反馈的水温信号，来控制加热器实现对水温的较精确控制。第3章 系统硬件设计与分析3.1 硬件系统组成框图本控制系统的硬件组成框图如图3-1所示，控制部分的核心是STC89C52单片机，DS18B20输入温度信号，键盘用来输入设定温度等信息，LCD是显示电路，用来显示温度信息，LED指示工作状态，单片机输出通过驱动和光电耦合器控制加热电路的MOSFET。加热电路的输入是220V交流，经整流桥整流后输出直流，通过MOSFET控制电热丝的加热功率。还有保护电路5保护整个加热电路。图3-1 硬件系统组成框图3.2 单片机最小系统单片机最小系统，
45、或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路和其它部分。图3-2是51单片机的最小系统电路图。图3-2 单片机最小系统3.2.1 STC89C52单片机STC89C52单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统6，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代
46、，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。3.2.2 晶振电路非常大，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器(VCO)。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使
47、用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。STC89C52使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间，本次设计中选用30pF。3.2.3 复位电路单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上