水温自动控制系统设计说明

水温自动控制系统设计

摘要

水温自动控制系统在工业及日常生活中应用广泛，在生产中发挥着重要作用。实现水温控制的方法很多，如单片机控制、PLC控制等等。而其中用单片机控制实现的水温控制系统，具有可靠性高、价格低、简单易实现等多种优点。单片机用于工业控制是近年来发展非常迅速的领域，现在许多自动化的生产车间里，都是靠单片机来实现的。

温度是工业控制对象主要被控参数之一，在温度控制中，由于受到温度被控对象特性（如惯性大、滞后大、非线性等）的影响，使得控制性能很难提高，有些工艺过程其温度控制的好坏直接影响着产品的质量，因此设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。

为了实现高精度的水温测量和控制，本文介绍了一种以Atmel公司的低功耗高性能CMOS 8位单片机为核心，以PID算法控制以及PID参数整定相结合的方法来实现的水温控制系统，其硬件电路包括温度采集、温度控制、温度显示、键盘输入以及RS232接口等电路。该系统可实现对温度的测量，并能根据设定值对温度进行调节，实现控温的目的。

关键词：AT89S52；温度控制；PT1000；PID

Design of Temperature Automatic Control

System

ABSTRACT

The temperature is one of the mainly charged parameters which are industrial control targets. It is difficult to enhance the control performance due to the characteristics of the temperature charged object. Such as inertia, hysteresis and non-linear, etc…Its temperature control process will have a direct impact on the quality of the product in some technological process. Therefore it is absolute valuable to design a ideal temperature control system.

In order to realize the high accuracy survey and control of water temperature. Systematic core is AT89S52, which is a low-power loss, high-performance 8-bit MCU of Atmel Company. The system unifies PID control algorithm and PID parameter tuning to control the water temperature. Its hardware circuit also includes temperature gathering, temperature control and temperature display, keyboard input and RS232 interfaces. The system can realize to survey the water temperature, and it can adjust the temperature according to the setting value.

Keywords：AT89S52; temperature control; PT1000; PID

目录

1 引言 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 国外研究现状 (1)

1.3 研究方法 (1)

2 系统方案 (2)

2.1 水温控制系统设计任务和要求 (2)

2.2 水温控制系统 (2)

2.2.1 方案选择 (2)

2.2.2 温度控制系统算法分析 (4)

3 系统硬件设计 (9)

3.1 总体设计框图及说明 (9)

3.2 外部电路设计 (9)

3.2.1 温度采集电路 (9)

3.2.2 温度控制电路 (11)

3.3 单片机系统电路设计 (11)

3.3.1 A/D转换电路 (11)

3.3.2 串口通讯部分电路 (14)

3.3.3 数码显示电路 (16)

4 系统软件设计 (17)

4.1 程序框架结构 (17)

4.2 程序流程图及部分程序 (17)

4.2.1 主程序模块 (17)

4.2.2 系统初始化 (19)

4.2.3 按键程序 (19)

4.2.4 A/D采样数据处理 (21)

4.2.5 PID计算 (24)

4.2.6 继电器控制 (25)

5 系统安装调试与测试 (27)

5.1 串口调试 (27)

5.2 继电器测试 (27)

5.3 温度采集与测试 (27)

6 结论 (28)

参考文献 (29)

致 (30)

1 引言

1.1 课题背景

温度控制是无论是从工业生产过程中，还是在日常生活中都起着至关重要的作用，过低的温度或者过高的温度都会使水资源失去应用的作用，从而造成水资源的巨大浪费。特别是在当前全球水资源极度匮乏的情况下，我们就更应该掌握好对水温的控制，在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对加热炉炉温进行测示、显示、控制，使之达到工艺标准，以单片机为核心设计的水温控制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。

1.2 国外研究现状

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。温度控制系统在国各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国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。现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。

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 研究方法

本文主要介绍单片机温度控制系统的设计过程，其中涉及系统结构设计、元器件的选取和控制算法的选择、程序的调试和系统参数的整定。以AT89S52为CPU，温度信号由Pt1000和电压放大电路提供。电压放大电路用超低温漂移高精度运算放大器OP07将温度-电压信号进行放大，用单片机控制SSR固态继电器的通断时间以控制水温，系统控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变，具有较好的快速性与较小的超调。