基于C51恒温水箱及其收费系统设计【开题报告】

开题报告
电气工程及自动化
基于C51恒温水箱及其收费系统设计
一、课题研究意义及现状
恒温控制系统在很多领域都有广泛的应用，例如恒温水箱，大棚恒温控制，暖房及其电热水器等[1]。

一般要求控制系统能够准确的进行温度检测并显示，并设定温度上下限采取相应的措施：当温度达到温度的上限或者下限是分别控制继电器采取不同措施实现对外部加热设备以及制冷设备的控制，能根据温度变化的情况进行有序地升温或降温。

目前医用、水产、特种工业、工业探伤、照相等很多行业中都需要有稳定而精确的环境温度，尤其在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速等都是常用的主要被控参数[2]。

恒温控制系统作为一种提供恒定温度的设备，被广泛地应用于生产、生活、实验等领域。

因而对恒温控制系统需求量很大[3]。

自20世纪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化控制理论和设计方法发展的推动下，温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定方面取得一定成果[4]。

而当今，随着电子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，计算机和传感器的价格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技术来实现水温控制并提高控制的精确度不仅是可以达到的而且是容易实现的[5]。

用高新技术来解决工业生产问题，排除生活用水问题，实施对水温的控制已成为我们的任务，以此来加强工业化建设，提高人民的生活水平[6]。

加热温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后性和时变性的特点。

例如：其升温单向性是由于电加热的升温、保温主要是通过电阻加热；降温则通常是依靠自然冷却，当温度一旦超调，就无法用控制手段使其降温，因而很难用数字方法建立精确的模型，并确定参数[7]。

应用传统的模拟电路控制方法，由于电路复杂，器件太多，往往很难达到理想的控制效果。

由于无法用精确的数学方法来建立模型并确定参数，现一般采用PID控制。

二、课题研究的主要内容和预期目标
采用MCS-51单片机控制技术，对恒温水箱及其收费系统电路进行研究和设计，实现快速，准确，节能、易于操作的恒温水箱系统[8]。

了解当前国内商用电开水器的现状与其前景；熟悉PID算法和微处理器技术等，为将来从事相关方面的研发、制造及经营等方面工作打下基础。

毕业设计的具体内容及技术要求如下：
1、水温误差：控制在正负3摄氏度以内；
2、输入与显示：水箱温度可以通过键盘设定并实时显示当前温度值；
3、报警系统：当水液面过低时有报警系统并且能自动切断加热系统；
4、计费系统：为采用计时收费。

5、测量精度：要求最小精度为0.01摄氏度。

结合上述内容，设计一个以单片机为核心的恒温水箱及其收费系统，其中C51单片机为主控制器，采用PID算法来控制PWM波形，最终实现对温度的检测与控制。

三、课题研究的方法及措施
根据51单片机具有运行可靠、性价比高，易操作等优点，本课题选用已有STC89C52作为系统控制器。

对控制程序先在Keil uVision4软件进行程序编写，通过仿真软件PROTUES 进行仿真与调试，然后可以对硬件进行调测试和修改[9]。

本课题所设计的恒温控制系统主要由显示部分、键盘设定部分、热得快控制以及计费部分等四部分组成。

显示部分采用数字传感器DS18B20作为温度采集并将数据送到数码管显示；键盘部设定部分采用矩阵键盘，将输入的数字送到数码管显示；热得快控制部分CPU 对当前温度与设定温度进行比较，对电磁阀进行开关操作；计费系统对外界是否有输入进行判断，来控制电磁阀的开关状态。

整体设计思路为一个闭环过程控制系统，输入量为键盘设定值，与之进行比较的是当前的输出温度，采用负反馈方式，前馈通道为PID调节，控制对象水箱里的水温[10]。

为了对水箱里的水温进行实时检测与控制，采用DS18B20进行温度检测。

如下图1。

对于计费系统，采用计时的计费方式，一旦检测到脉冲，电磁水阀打开，同时进行计费，当检测第二个脉冲时，水阀关闭并且停止计费，显示本次用水所花的费用。

图1 系统框图
四、课题研究进度计划
毕业设计期限：自2011年6月7日至2012年4月21日。

2011年6月7日至2011年8月1日:明确任务，查找资料，确定系统总体设计方案；
2011年8月1日至2011年9月1日:写文献综述，外文翻译
2011年9月1日至2011年11月3日：完成开题报告，准备开题答辩
2011年11月3日至2012年1月1日：完成主电路系统硬件和软件的设计；
2012年1月1日至2011年3月1日：完成按键输入和计费系统的软件调试；
2012年3月1日至2012年4月4日：撰写毕业论文，完善与修改毕业论文；做好论文答辩的PPT资料，准备答辩，并提交所有电子文档材料。

五、参考文献
[1] 刘天.基于单片机的恒温控制系统的设计研究[J].IT技术，2009（3）：29-34.
[2] 刘迎春，叶湘滨.传感器原理设计与应用[M].第4版.北京：国防科技大学出版社，2002：
17-33.
[3] 陶永华，新型PID控制及其应用[M].第二版.机械工业出版社,2002.
[4] 王福瑞，单片微机测控系统设计大全[M].北京：电子工业出版社，2005.
[5] 孙洪程，过程控制工程设计[M]北京：化学工业出版社，2001．
[6] 何希才, 薛永毅，传感器及其应用实例[M].北京: 机械工业出版社, 2001.
[7] 康光华.电子技术基础（数字部分）[M].华中理工大学出版社，2002.
[8] 胡学海.单片机原理及应用系统设计[M].北京：京电子工业出版社，2005.
[9] 雷建军，朱华，祝磊，顾德英.基于Fuzzy_PID的电阻炉温度控制系统。

[J]微计算机信
息，2003,224-227.
[10]李建伟，李慧琴，刘军，基于C8051F020单片机的模糊PID温度测控系统设计，机电产品开发与创新，2006,19（6）：127-128.。