水温监控及测定

题目名称水温监控及水位越限报警系统( 本科E题)摘要：本系统采用嵌入式微处理器作为核心部件，采用DS18B20集成温度传感器对温度进行实时采样，通过对采集到的温度值与人工设定的值进行比例积分微分算法并运用脉宽调制技术，控制电热器的加热功率和自动注入冷水来实现温度控制，并显示当前值与设定值。

对于水位越限报警部分，则采用电接触式液位控制,通过插入液体中的三根电极实现高低位报警，当超出设定的液位范围时，电路就会发出报警，同时单片机通过水泵控制抽水和放水，使液位达到规定范围。

测试结果表明,该系统具有良好的可靠性、稳定性及温控能力。

关键词：微控制器；温度测量；PID控制；脉冲调宽技术；Abstract: This system takes core part by monolithic integrated circuit STC89C52. Regarding water temperature monitoring part，it uses DS18B20to carry on the real-time sampling to the temperature and programed with the software which cllected on the temperature and artificial set of values PID processing to control the generation of PWM wave, then control the heating or electric heater to the cold water into the container to realize temperature control, and on the real-time use display of equipment to display the two temperature Value . Regarding the warning part of water level overstep, uses the electrode to make the height fluid position examination. When the liquid level exceeded the set range, the circuit will issue a report to the police, at the same time through the single-chip control of pumps and pumping water, so that the liquid level up to the required range.The test result indicated that this system has the good reliability, the stability and controls ability warm.Keyword: MCU；Temperature measurement ；PID control ； PWM；目录前言 (4)1 方案论证与比较 (4)............................................2.2.1 测温控制电路设计 (7)2.2.2 液位报警电路设计 (8)2.2.3 数码管显示电路设计 (9)附1：电路图图纸 (13)附2：程序清单 (14)前言水温监控及水位越限报警系统在工业及日常生活中应用广泛,分类较多。

不同水温控制系统的控制方法也不尽相同,其中以PID控制法最为常见。

单片机控制部分采用STC89C52单片机为核心，采用软件编程，实现用PID算法来控制PWM波的产生，进而控制电热器的加热来实现温度控制。

然而,单纯的PID算法无法适应不同的温度环境,在某个特定场合运行性能非常良好的温度控制器,到了新环境往往无法很好胜任,甚至使系统变得不稳定,需要重新改变 PID 调节参数值以取得好性能，因此需要扩展EEPROM来存储不断整定的参数。

水位控制的方式也多种多样，如电容式、差压式、电磁式、差压式等，在选用方式时根据具体情况而论，本系统采用一种简单的电接触式。

1方案论证与比较1.1 温度采样方法比较与选择方案1：采用热敏电阻。

可满足35℃--95℃的测量范围，但热敏电阻精度、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2：采用温度传感器AD590。

AD590具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点。

其测量范围在-50℃-- +150℃，满刻度范围误差为±0.3℃，当电源电压在5—10V之间，稳定度好，其各方面特性都满足此系统的设计要求。

此外AD590是温度-电流传感器，对于提高系统抗干扰能力有很大的帮助。

但增加程序的长度，占用大量CPU的时间。

方案3：采用温度传感器DS18B20。

它是一种数字式的温度传感器，直接将被测温度转换成串行数字信号，具有微型化，低功耗，高性能，抗干扰能力强等优点。

从微处理器到DS18B20仅需连接一条信号线和地线。

它可以实现9—12位的温度读数，测量范围为-55—+125c︒，在-10—+85c︒范围内误差为±0.5 c︒，将12位的温度值转换为数字量所需时间不超过750ms。

读写和执行温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。

经上述比较，方案3明显优于1、2，故选用方案3。

1.2 水位越限报警的选择方案论证方案1：利用浮球在上下限的受力变化经过放大器放大控制电机开启水泵和放水阀的开闭。

由于采用模拟控制及浮球作液位传感器，系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法，也不能使控制精度做得较高，而且不能用数码显示和键盘设定。

方案2：采用超声波液位传感器。

虽然可以实现非接触测量，但它对被测液体的纯净度，容器的选择要求较高，并且适合远距离测量，最短测量距离为20cm, 本系统中的水容量仅为1左右，不适合用此类传感器。

方案3：采用电接触式液位控制。

因为水是导电液体，将一根导线放入水中，另两根导线分别置于容器的高低限水位处。

当水位低于下限值时下限电路截止，单片机对应控制端口收到低电平信号，立即控制水泵进水和发出报警；当水高于上限值时，上限电路导通，经运放为单片机对应控制端口送入低电平，单片机立即控制水阀放水并发出越限警告。

综上考虑，方案3的各方面性能较好，故选择方案3。

1.3 显示方法方案论证方案1：采用1602液晶。

体积扁平、轻巧，但编程较复杂，且显示屏幕太小，不适合远距离观测。

方案2：采用点阵LED。

LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像，亮度高、工作电压低、寿命长、耐冲击和性能稳定。

但本系统要求显示的内容较少，只需能显示数字就行。

方案3：采用数码管。

控制简单，只需选中相应的段码和位码就能显示。

亮度好，适合远距离观测。

从经济方面考虑，也较方案1和方案2好。

因此，对于显示方法则采用方案三的数码管来显示。

2 系统设计2.1 总体设计根据控制要求，本水温监控及水位越限报警系统主要由STC89C52单片机最小控制系统、测温控制电路、液位报警电路、键盘及显示电路和PC控制电路五大部分组成，其总体设计框图如下图所示。

图1 总体设计框图（1）用键盘设定水温，范围是40~90c ，用温度传感器DS18B20检测水的实时温度，单片机对两温度进行比较，根据差值输出一脉冲信号控制固态继电器对水进行加热，加热时间的长短取决于两温度的差，差值越大，加热时间越长，通过PID调节使实际温度最终与设定值一致，水温控制的结构框图如图二所示图2 水温控制结构框图（2）用数码管实时显示当前的水温值。

（3）为防止容器中的水烧干或溢出，即实现水位越限报警功能，用三根导线组成电极放入水中，一根放到水底部，另外两根分别至于高低水位限处，当水位低于下限位时，下限位报警器报警，单片机输出一信号控制水泵抽水；同样，当水位高于上限位时，上限位报警器报警，单片机输出一信号控制水泵放水。

（4）用串口实现单片机与上位机之间的通信。

串口将数据发送给上位机后，上位机接收到数据并将信息反映出来。

水温控制的关键点在于采用PID算法来控制PWM波的输出。

其中P为比例控制，I为积分控制，D为微分控控制，PID控制即比例积分微分控制，这是一种较理想的控制规律。

它是在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性，它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合，如此题中的水温控制。

数字PID 的控制算法 ])()(1)([)(⎰++=dt t de Td dt t e Ti t e Kc t u 将积分与微分项分别改写成差分方程，得⎰∑=≈k j j Te dt t e 0)()(Tk e k e dt t de )1()()(--≈ 式中T 为采样周期，k 为采样序号，e(k-1)、e(k)分别为第k-1和第k 次采样所得的偏差信号 ，由此可得})]1()([)()({)(0∑=--++=k j k e k e TTd j e Ti T k e Kc k u )]}2()1([)()1({)1(10---++-=-∑-=k e k e TTd j e Ti T k e Kc k u k j k 时刻的控制增量)(k u ∆为)]2()1(2)([)()]1()([)(-+--++--=∆k e k e k e Kd k Kie k e k e Kc k u式中 Kc 是比例增益，值为δ1；Ki 是积分增益，值为Ti T Kc ；Kd 是微分增益，值为TTd Kc 采用增量型PID 算式，第k 时刻的实际输出为)()1()(k u k u k u ∆+-=，由式可知，计算)(k u ∆和u(k)也仅需用到第（k-1）、(k-2)时刻的历史数据 e(k-1)、e(k-2)和u(k-1)，编程序简单，占用存储单元少，运算速度快，因此本系统采用增量型PID 算式。

设PWM 波的周期为400ms, 通过改变它的占空比来改变加热时间，当PWM 输出低电平时，固态继电器接通，给水加热；当PWM 输出高电平时，固态继电器断开，不给水加热。

假设一个时刻u(k)的最大值为AK ，此时PWM 的低电平为整个周期，即对水进行全功率加热，计算第k 时刻的实际输出u(k)与AK 的比值，再乘以周期，所得的值就是 PWM 输出低电平的时间，即对水进行脉冲式加热的时间（T AKk u t *=)(）。

此后PWM 输出高电平，直到下一个周期的到来。

2.2 单元电路设计2.2.1测温控制电路设计图3 DS18B20的接法图4 固态继电器的驱动电路如上图的图3所示是DS18B20在Protel的原理图，它是8引脚SOIC的封装，但有5个是空引脚，所以图中只画有用的三脚。