水温控制系统设计

方案二：采用数字温度传感器DS18B20。该温度传感器无需其他外加电路，直接输出数字量，可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单，能够达到0.5度的固有分辨率，满足设计要求。
考虑到现有的资源的有限选择以及热敏电阻传感器也能达到设计要求且线性度好，综上所诉，选择方案一。
4、加热驱动模块
根据设计要求，可使用电源自文库棒进行加热，控制加热棒的功率即可控制加热速度。由于加热的功率较大，考虑到简化电路的设计，我们直接采用220V电源。对加热驱动模块有以下两种方案：
6、显示模块
根据设计要求，需要实时显示水温。显示模块有以下两种方案：
方案一：采用液晶显示屏。液晶显示屏具有功耗小、平面直角显示以及影像稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。但其成本较高，编程工作量大，控制器资源占用较多。
方案二：采用七段LED。数码管功耗低、寿命长、耐老化、对外界环境要求较低，且数码管采用BCD编码显示数字，编程简单，资源占用较少。
5、键盘模块
根据设计要求，水温要由人工设定给定值并设置报警温度。对键盘模块有以下两种方案：
方案一：采用矩阵键盘。矩阵键盘可大大节省I/O口的使用，但编程和电路较为复杂。
方案二：采用独立键盘。独立键盘编程简单且电路也较为简单，但由于每一个按键都需要一个I/O口，故在I/O资源有限的情况下是一种浪费。
考虑到本次设计所需按键较少，系统所需I/O充足，而独立按键编程及电路简单，故采用方案二。
方案二：采用固态继电器作为开关器件控制电路。固态继电器的使用比较简单，没有触点，可以频繁动作，且其内部本身就存在电磁隔离，因此单片机输出控制功率的PWM信号，即可控制固态继电器的导通和关断，从而达到控制加热棒通电和断电的目的。
采用固态继电器控制可省去光耦隔离和交流过零检测电路，且由于系统设计对输出PWM信号频率要求不高，考虑电路中流过开关器件的电流较大，所以只要在选用时注意器件的最大功率和最大电流，选用适当参数的固态继电器型号就能达到设计要求。故选择采用方案二。
方案二：分段非线性加积分分离PI算法。当偏差较大时，控制量采用由实验总结出的经验值；当偏差较小时，切换为积分分离PI算法。该算法可较好地改善系统的非线性及静态特性，但PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意。
方案三：模糊PID控制算法。该算法是在传统PID控制算法上增加模糊控制，在确定 、 、 的基础上，增加模糊集 、 、 ，进行模糊化，以自适应不同的环境，实现控制的精确性和鲁棒性。
方案一：采用FPGA作为系统控制器。FPGA采用并行的I\O口方式，运算速度快，稳定性高，可用EDA软件仿真及调试，功能强大，易于拓展，适合做大规模实时系统控制核心。由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA处理速度快的优势得不到充分体现，且其成本较高，引脚较多，硬件电路布线复杂。
方案二：采用STC90C516RD+作为系统控制器。单片机运算功能强、软件编程灵活、自由度大、可软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、技术成熟、成本也较低。本设计对数据处理的速度要求不高，单片机已能满足设计需求。
方案一：采用可控硅作为开关器件控制电路。可控硅是一种半控器件，由交流过零检测电路输出方波经适当延时可控制可控硅的导通角，延时时间即移相偏移量由温度误差计算得到。可以实现对交流电单个周期有效值周期性控制，保证系统的动态性能指标。该方案可以实现功率的连续调节，响应速度快，控制精度高，但电路稍复杂，需使用光耦合驱动芯片以及变压器等器件。
由于对数字PID控制算法比较熟悉，且该算法参数整定方便，结构灵活，综上所述，选择方案一。
3、温度传感器
温度信号为模拟信号，本设计要求对温度进行控制和显示，所以要把模拟量转为数字量。温度传感器模块有以下两种方案：
方案一：利用热电阻传感器作为感温元件，热电阻阻值随温度变化而变化，测量电阻值即可得到对应的温度值。电阻阻值的变化经变送器转化为电流信号，再转化为电压信号送到A/D转换器PCF8591，将模拟信号转为数字信号。该方案在系统测量的温度范围内线性度良好。
基于以上分析拟定采用方案二，由STC90C516RD+作为控制核心，对温度采集、实时显示以及加热装置进行控制。
2、控制算法
在水温控制系统中，选择一个好的算法是系统达到技术指标的保证。对算法的选择有以下两种方案：
方案一:数字PID控制算法。在连续时间控制系统中，PID控制应用非常广泛，其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，整合了比例控制、积分控制和微分控制3种基本控制规律。由于计算机程序的灵活性，数字PID控制比连续PID控制更优越。
关键词：PID；51单片机；温度传感器DS18B20；PWM；键盘；显示
第
1.1
温度的期望值可用键盘设定，温度传感器检测实际温度，控制器根据实测值与期望值偏差通过相应运算，输出相应的控制参数给加热驱动模块，从而实现闭环控制。
整体设计框图
1.2
1、控制器
根据设计要求，控制器主要用于对温度测量信号的接收和处理、控制显示电路对温度值实时显示、控制键盘实现对温度值的设定、控制加热驱动模块等。对控制器的选择有以下两种方案：
水温控制系统的设计报告
摘要：PID控制是工控领域内的一种重要控制方法，将PID算法应用到以51单片机为核心的控制系统中，能产生良好的控制效果。基于PID算法的水温控制系统采用目前性价比较高的数字温度传感器DS18B20作为检测变送器，通过键盘向单片机输入设置数码管温度，单片机将温度偏差进行PID运算后，输出PWM波。PWM波作为执行机构的输入从而来决定电炉工作电压的大小,最终实现水温的控制。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。经实验测试，该系统基本满足要求。
由于本次设计只需显示三位温度值，信息量较少，故采用方案二。本系统中采用数码管的动态显示，节省单片机的内部资源。
7、电源模块
该模块为单片机及各器件提供电源。采用220V变压整流电路输出5V直流电。
8、报警模块
为使系统的人机交互界面更友好，设置了两路报警信号和两路标志信号，用于显示越限报警、强电电路通断情况以及温度稳定情况。