恒温控制系统的方案设计书

1、本设计以单片机STC89C52STC89C52为核心部件，采用单总线型数字式的温度传感器DS18B20DS18B20作为温度采集，以场效应管作加热控制的开关器件，设计制作了带键盘输入 控制，动态显示和越限报警功能的恒温控制系统。该系统既可以对当前温度进行实时 显示，又可以对温度进行控制，并使其恒定在某一温度范围。控制键盘设计使设置温 度简单快捷，两位整数一位小数的显示方式具有更高的显示精度。建立在模糊控制理 论上的控制算法，使控制精度完全能满足一般的电子产品的生产要求。通过对系统软 件和硬件的合理规划，发挥单片机自身集成多系统功能单元的优势，在不减少功能的 前提下有效降低了成本，系统操作简便。

2、1 1引言1 12 2系统方案论证2 22.12.1设计方案2 22.22.2方案的论证2 23 3系统硬件电路设计3 33.13.1电路总体原理框图3 33.23.2单片机的选择3 33.33.3温度采集电路的设计4 43.43.4键盘接口电路的设计5 53.53.5显示接口电路的设计5 53.63.6加热控制电路的设计6 63.73.7电源及报警指示电路的设计7 73.83.8总电路的设计8 84 4软件系统的设计9 94.14.1主程序模块9 94.24.2功能实现模块11114.34.3运算控制模块11114.3.14.3.1标度转换11114.3.24.3.2模糊控制算法11114.

3、3.34.3.3控制算法子程序12125 5系统性能测试及分析13135.15.1设计所达到的性能指标13135.1.15.1.1温控系统的控制精度13135.1.25.1.2温度工作波形图13135.25.2结果分析论述14145.35.3设计方案评价14145.3.15.3.1优点 14145.3.25.3.2缺点 14146 6结论与展望15157 7致谢1616参考文献1717随着国民经济的发展，温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，人们需 要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。特别是在冶金、 化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用，其温度

4、的控制效果 直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。工 业生产中温度控制具有单向性、时滞性、大惯性和时变性的特征，同时要实现温度控 制的快速性和准确性，对于提高产品质量具有很重要的现实意义。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元 件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不 同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同。因而，对温度的测控 方法要多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得 到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并 得到

5、日益发展和完善，越来越显示出其优越性。然而现有的温度传感元件大多为模拟 器件（热电耦）体积大、应用复杂、而且不容易实现数字化等缺点，阻碍了应用领域 的扩展。实现恒温控制的方法有很多，传统的有利用PLCPLC自适应控制加热丝实现恒温控制，还有利用模拟PIDPID调节的恒温控制，其算法需要查表转换。而基于单片机的控制 系统，为闭环系统，工作稳定性高，控制精度高，利用模糊控制算法使超调量大大降低。软件采用模块化结构，提高了通用性。本设计的目的不仅仅使温度控制本身， 主要提供了单片机外围电路及软件包括控制算法设计的思想，应该说，这种思想比控 制系统本身更为重要。因此本设计从实际应用出发选取了体积小、精

6、度相对高的数字式温度传感元件 DS18B20DS18B20作为温度采集器，单片机 STC89C52STC89C52作为主控芯片，液晶显示屏 16021602作为 显示输出，实现了对温度的实时测量与恒定控制。2系统方案论证对于温度的检测通常是采用热敏电阻在通过 A/DA/D （模/ /数）转换得到数字信号，但 由于信号的采集对整个系统的影响很大，如果采样精度不高，会使这个系统准确性下 降。2.1设计方案对于温度控制的方法也有很多：如单片机控制、PLCPLC控制、模拟PIDPID调节器和数字PIDPID调节器等等。而PIDPID调节器的算法复杂，其成本也相对较高。方案一：利用单片机实现恒温控制利用

7、单片机实现温度恒定的控制，系统主要包括现场温度采集、实时温度显示、 加热控制参数设置、加热电路控制输出、报警装置和系统核心STC89C52STC89C52单片机作为微处理器。温度采集电路以数字形式将现场温度传至单片机，单片机结合现场温度与 用户设定的目标温度，按照已经编程固化的模糊控制算法计算出实时控制量。以此控 制量控制场效应管开通和关断，决定加热电路的工作状态，使温度逐步稳定于用户设 定的目标值。在温度达到设定的目标温度后，由于冷却温度降低，单片机通过检测到 的温度与设置的目标温度比较，作出相应的控制开启加热片。方案二：利用PLCPLC实现恒温控制这用恒温控制，采用 PLCPLC控制实现电

8、热丝加热全通、间断导通和全断加热的自控 式方式，来达到温度的恒定。智能型电偶温度表将置于被测对象中，热电偶的传感器 信号与恒定温度的给定电压进行比较，生成温差，自适应恒温控制电路根据差值大小 控制电路的断开。2.2方案的论证对于方案二，采用的PLCPLC实现恒温控制，由于其 PLCPLC成本高，且PLCPLC外围系统 配置复杂，不利于我们的设计。由于数字调节和运算量大，相反对于STC89C52STC89C52单片机只要选择合适的参数对于温度的控制精度往往能达到比较好的效果。对于方案一，采用单片机实现恒温控制，该方案成本低，可靠性高，抗干扰性 强，对于系统动态性能与稳定性要求不是很高的场合时非常

9、合适的。采用高精度的温 度传感器：数字温度传感器 DS18B20DS18B20这种数字温度传感器是 DALLASDALLAS司生产的单总 线。在这种前提下，通过单片机对偏差进行模糊控制运算，对调节加热可达到控制温 度恒定。综合各方面的意见，本设计采用单片机来实现温度的控制。3系统硬件电路设计3.1电路总体原理框图温度测量及加热系统控制的总体结构如图3-13-1所示。体统主要包括现场温度采集、实时温度显示、加热控制参数设置、加热电路控制输出、报警装置和系统核心 STC89CSTC89C5252单片机作为微处理器。图3-1恒温控制系统设计方案框图温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机。单片机

10、结合现场温度与功能 要求设定的目标温度，按照已经编程固化的模糊控制算法计算出实时控制量。以此控 制量控制MOSMOS管开通和关断，决定加热电路的工作状态，使水温逐步稳定于要求设 定的目标值。在水温到达设定的目标温度后，由于自然冷却而使其温度下降时，单片 机通过采样回的温度与设置的目标温度比较，作出响应的控制，开启加热器。系统运 行过程中的各种状态均可由液晶显示器16021602实时显示。3.2单片机的选择用STCSTC 89C5289C52的单片机作为控制主机。之所以选择89C5289C52作为主机，是因为89C5289C52作为5151系列单片机的一种，其使用性能稳定，价格便宜，完全能够满足

11、此次设 计的需求。而且89C5289C52内部集成了程序存储器，可以装载用户程序，方便后续的课程 设计需要，不像80318031因为要外接程序存储器而是电路相对麻烦了。其实物图如图 3-3- 2 2：图3-2 STC89C52实物图3.3温度采集电路的设计由于本设计是精确控制系统，并且有控制范围上的要求，所以在选择传感器上要 着重考虑其精度和测试范围。AD590AD590和DS18B20DS18B20都包含一个可以精确测量环境温度的 片内温度传感器，但 AD590AD590是模拟传感器，需对温度模拟信号进行数字化处理，在调 理和放大信号时，又会带来新的误差，影响精度，而DS18B20DS18B

12、20包含一个1010位ADAD转换器，是一个以0.250.25的分辨力将温度数字化的数字式温度传感器，并且其测温理论范 围为- -5555度到125125度，因其精确度高，范围可选这两大特点，故本设计的传感器选为 DS18B20DS18B20温度采集电路模块如图 3-33-3所示。DS18B20DS18B20内部结构主要有四个部分组成：1 1） 6464为光刻ROMROM ； 2 2）温度传感器；3 3）非易失性温度报警触发器 THTH和TLTL ； 4 4）配置 寄存器。其中DQDQ为数字信号输入/ /输出端；GNDGND为电源地；VDDVDD为外接供电电源输 入端。器件用如下方式从单线通讯

13、线上汲取能量：在信号线处于高电平期间把能量存 储在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来 再给寄生电源（电容）充电。DS18B20DS18B20也可以用外部5V5V电源供电。DS1QB2O图3-3温度采集电路DS18B20DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，用 1212位存储温值度，用1616位符 号扩展的二进制补码读数形式提供，以 0.06250.0625T/LSB/LSB形式表达，其中S S为符号位，负 温度S=1S=1，正温度S=0bS=0b如下图3-43-4为18B2018B20的温度存储方式：212l21才Ibitbit L5L5btibt

14、i 1414hithit 1111biibii L2L2bitbit L1L1hlhl IDIDbdtbdt 9 9hlhl K KSSSsS2*2J二：5.1K5.1K图3-4 18B20的温度存储方式这是1212位转化后得到的1212位数据，存储在18B2018B20的两个8 8比特的RAMRAM中，二进 制中的前面5 5位是符号位，如果测得的温度大于 0 0,这5 5位为0 0,只要将测得的数值 乘以0.06250.0625即可得到实际温度。例如：0550H0550H 为 +85+85C, , 0191H0191H 为 +25.0625+25.0625 C, FC90HFC90H 为-5

15、5-55 C3.4键盘接口电路的设计键盘采用对称排列和外部中断相结合的方法，图3-53-5中各按键的功能定义如下表3-13-1。其中设置键 RETRET与单片机的|lNT0|lNT0脚相连,KEYKEYKEY3KEY3接单片机P2P2 口，RESTREST 键为硬件复位键，与R R、C C构成复位电路。模块电路如下图 3-53-5:表3-1按键功能按键键名功能RESET复位键使系统复位RET设置键使系统产生中断，进入设置状态KEY1 KEY3数字键设置用户需要的温度OK确定键设置温度后确定Hurter*Hurter*Y 0 -口一 hjwhjwO -KEY-*KEY-*图3-5按键模块接口电路

16、3.5显示接口电路的设计显示电路采用字符型液晶显示模块，它是一种专门用于显示字母、数字、符号等 点阵式的LCDLCD，本设计采用的是SMC1602ASMC1602A LCMLCM其显示容量1616X 2 2个字符。模块电路 如下图3-3-6:6:bnbn 7 7怎拿呈逗雪呈:事i：暂图3-6显示接口电路的设计液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙 标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址， 也就是告诉模块在哪里显示字符，图 3-73-7是16021602的内部显示地址。图3-7 1602的内部显示地址3.6加热控制电路的设计用于在

17、闭环控制系统中对被控对象实施控制，被控对象为加热片，采用对加在电 热片两端的电压进行通断的方法进行控制，以实现对水是否加热的调整，从而达到对 水温控制的目的。对加热片通断的控制采用MOSFETMOSFETt控制，它的使用非常简单，只要在控制端TTLTTL电平，即可实现对MOSMOS管的开关，使用时完全可以用1.5K1.5K电阻接成 电压跟随器的形式驱动。当单片机的 P1.5P1.5为高电平时，电阻驱动 MOSMOS管导通，接通 加热片工作，当单片机的P1.5P1.5为低电平时MOSMOS管不导通关断，加热片停止工作。控 制电路图如下图3-83-8:IN6O玄 3K R15U3图3-8加热控制电

18、路ZSjnLJLJD11E3.7电源及报警指示电路的设计在本系统中我设计了越线报警装置，控制目标温度范围。当设定的目标温度线达 到时，需用声音的形式提醒使用者，此时报警器开始发出报警声。在本系统中，当温 度低于设置的最低目标温度或高于设置的最高目标温度时报警器为连续不断的滴答滴 答叫声。当单片机P1.7P1.7输出高电平时，三极管导通，报警器工作发出报警声。P1.7P1.7为低电平时三极管关断，报警器不工作。当温度低于设置的最低温度时，温度传感器检测到实时温度，发送信息给单片 机，P0.4P0.4低电平有效，D4D4为加热片加热指示灯；同理，当温度加热到高于设置的最 高温度时，P0.6P0.6

19、低电平有效，D5D5为降温指示灯。D1D1为检测到电源和液晶显示器共同 的显示灯，高电平有效；D6D6为检测到DS18B20DS18B20的指示灯，低电平有效；指示灯电路 如下图3-3-9 9所示：LTnLTn注寸图3-9电源指示灯和报警指示灯电路3.8总电路的设计恒温控制的总电路图如图3-103-10:0 *1*1 7 7 1 1 1r-ir-i fkfkJ*J*fkfkw wd严f ft tL Lf ft t0s s=T& &* *& &瓦1 1 BA村5rQfe-llalia旧EsiBsffB.r* I-I-*1- :G.= 4 4 1 1 e e1111“ t IF-I二34 4a a

20、1-i ii i图3-10总电路图的设计1+4软件系统的设计系统的软件由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制器模块4.1主程序模块主程序主要完成加热控制系统各部件的初始化和实现各功能子程序的调用，以及 实际测量中各个功能模块的协调在无外部中断申请时，单片机通过循环对外部温度进 行实时显示。把设置键作为外部中断0 0,以便能对数字按键进行相应处理。主程序流程图如下图4-14-1:图4-1主程序流程图调液晶显示程序A设置温度F调温度处理子程序1调比较子程序按恢复键4.2功能实现模块以用来执行对MOSFETMOSFET及加热片的控制。功能实现模块主要由温度比较处理子 程序、键盘处理子程序

21、、显示子程序、报警子程序等部分组成。键盘显示及程序流程 图如下图4-24-2：图4-2键盘、液晶显示子程序流程图4.3运算控制模块该模块由标度转换3、模糊控制算法及其中用到的乘法子程序。4.3.1标度转换A=A 0.0625 = A。/16式中A A为二进制的温度值，A为DS18B20DS18B20的数字信号线送来的温度数据。单片机在处理标度转换时是通过把 DS18B20DS18B20的信号线送回的1616位数据右移4 4位 得到二进制的温度值。其小数部分通过查小数表的形式获取。4.3.2模糊控制算法目前温度控制系统中的控制算法多为PIDPID算法，但PIDPID算法由于微分作用导致高频干扰大

22、，易引起超调，参数调整也麻烦，同时考虑到水温控制系统本身有一个大滞 后的特点，故本系统选用了目前国际上较流行的从能量控制的观点出发，弓I入模糊控制思想而提出的变参数控制算法控制。控制系统在其特性或参数发生摄动时仍可使品 返回质指标保持不变的性能。鲁棒性是英文robustrobust nessness 词的音译，也可意译为稳健性。鲁棒性原是统计学中的一个专门术语，7070年代初开始在控制理论的研究中流行起来 ，用以表征控制系统对特性或参数摄动的不敏感性。在实际问题中，系统特性或参数的 摄动常常是不可避免的。产生摄动的原因主要有两个方面，一个是由于测量的不精确 使特性或参数的实际值会偏离它的设定值

23、（标称值），另一个是系统运行过程中受环 境因素的影响而引起特性或参数的缓慢漂移。因此，鲁棒性已成为控制理论中的一个 重要的研究课题，也是一切类型的控制系统的设计中所必需考虑的一个基本问题。对 鲁棒性的研究主要限于线性定常控制系统，所涉及的领域包括稳定性、无静差性、适 应控制等。鲁棒性问题与控制系统的相对稳定性和不变性原理有着密切的联系，内模 原理的建立则对鲁棒性问题的研究起了重要的推动作用。模糊控制算法的基本原理可采用解读式描述为：u = k e （1 - k） c其中，e,e, c,c, k k 为经过量化和模糊化的控制变量，相应的论域分别为温差 （当前温 度和目标温度的差值），温差变化率及

24、控制量（当前温度与上一个时刻温度的差值）；k k 为调整因子。其基本思想是通过调整 k k的大小，可改变对差量和差量变化率的不同加权程度。 在实际系统中，系统在不同的状态下，对控制规则中的差量e e和差量变化率c c有不同的要求。如差量较大时，控制系统的主要任务是减小温差，此时对差量加权应该大 些；当差量较小时，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，减小超调，此时要求在 控制规则中差量变化率加权大些。基于这个思想，我提出了模糊温度控制方法 ，在规定的时间内，根据不同的温差和 目标温度来改变加热时间与休息时间的在控比，从而达到控制的目的。算法通过软件实现，此算法使系统能自行控制加热程度，使系统具有

25、无超调和恒温精度高, ,具有稳定性好，控制参数对系统的依赖性弱等优点。433控制算法子程序该系统为一温度控制系统，由于无法确定电炉的物理模型，因而无法建立其数学 模型和传递函数。加热片为一惯性系统，我们采用模糊控制的方法，通过多次温度测 量模糊计算当用户设定目标温度时需提前关断加热片的温度，利用加热片自身的热惯 性使温度上升到其设定温度。每隔5 5C我们进行一次温度测量，并当达到其温度差值时关断加热片记录下因加热片的热惯性而上升的温度值。从而可以建立热惯性的温度 差值表，在程序中利用查表法，查出相应设定温度对应的关断温度。通过实验数据我 们可以看出，当水温从00C加热到5050C这段温度区域，

26、其温度惯性曲线可近似成线性 的直线，水温从5050C加热到100100C这段温度惯性曲线可近似成另一条线性的直线段。 通过对设置的目标温度与温控系统监测温度进行差值处理就可近似的求出单片机的提 前关断温度。5系统性能测试及分析我们的温度控制系统是基于 STC89C52STC89C52单片机的设计方案，它能实现显示当前温 度，并能根据用户的要求作出相应的控制。此系统工作稳定性高，控制精度高，利用 模糊控制算法使超调量大大降低。软件采用模块化结构，提高了通用性。本设计的目 的不仅仅使温度控制本身，主要提供了单片机外围电路及软件包括控制算法设计的思 想，应该说，这种思想比控制系统本身更为重要。5.1

27、设计所达到的性能指标5.1.1温控系统的控制精度我们将温度计和温控系统探头放入同一容器中，选定若干不同的温度点，记录下 标准温度计显示的温度和温控系统显示的温度进行比较。通过设定不同的温度值，使 加热器加热，待温度稳定时记录各温度点的温度计数据和温控系统的显示值。其记录 数据如下表5-15-1：表5-1温度计读数和温控系统显示的温度温度计读数和温控系统显示的温度(C)设定温度值0.028.035.045.055.075.087.091.0系统显示温度0.527.734.445.154.174.986.191.2差值0.50.3-0.60.1-0.9-0.1-0.90.25.1.2温度工作波形图

28、温度控制模块，温度加热上升与常数 K K存在的线性关系如表5-25-2: e=e=B标温度与当前温度之差；c=c=当前温度与上一时刻温度之差；u 二 k e (1-k) c ; k k 为常数。表5-2温度T与常数k对应的关系温度 T (C)030 30-40 4050 5060 6070 70 80 80 90常数K0.3847 0.46860.5289 0.65850.76861.57671.8554温度工作波形图如图5-1:5-1:图5-1温度工作波形图5.2结果分析论述我的系统完全满足设计要求，静态误差方面可以达到0.180.18 C的误差，总体控制精度方面大约0.450.45 C,在

29、读数正确方面与标准温度计的读数误差为 1.5%,1.5%,对一般的工 业生产完全可以采用我们的设计。该系统具有较小的超调值，超调值大约为 0.83%0.83%左右。虽然超调为不利结果，但另 一方面却减小了系统的调节时间。从其数据表可以看出该系统为稳定系统。5.3设计方案评价5.3.1优点在硬件方面：本设计方案采用了单总线型数字式的温度传感器，提高了温度的采 集精度，节约了单片机的口线资源。方案还使用场效应管作加热控制器件，使设计简 单化，且可靠性强。在控制精度方面，本设计在不能确定执行机构的数学模型的情况 下，大胆的假设小心的求证，利用模糊控制的算法来提高控制精度。在软件方面：我们采用模块化编

30、程，思路清晰，使程序简洁、可移植性强。5.3.2 缺点本设计方案虽然采用了当前市场最先进的电子器件，使电路设计简单，但设计方 案不是最佳。本系统虽然具有较小的超调量，但加大了调节时间。如果需要更高的控 制精度，则我们的模糊控制将不适应，需要修改程序。设计中加热控制方面存在遗憾，虽采用了场效应管控制加热，但不能使温度加热 到限制温度时截止，需要更好的控制器件。6结论与展望本次实验采用了 C C语言编程方式，实现了温度的测量与控制，完全达到了本次实验的要求，更重要的是该实验的测量误差小于C度，控制精度小于 0.450.45C度，已基本实现本实验扩展部分的要求。它可以广泛用于温度测量精度要求比较高的

31、场面，实 现简单，成本低。综上所示，本系统的方案具有实用推广价值。本系统通过添加一个 传感器，还有一个12V12V供电的加热片，使系统能够实时显示温度和快速加热。若系统 开始加热就使温度迅速上升，贝顷明杯中水不足，很有可能为干烧，为不安全加热， 用户请注意，这属于该系统需要改进的地方。此方案还有改进的地方，在不改变加热器容量的情况下，为减小调节时间，可以 实行在加热快达到设定温度时开启风扇来减小热惯性对温度的影响的措施。在控制精 度上可采用先进的数字PIDPID控制算法，对加热时间进行控制，提高控制精度。在控制 灵敏度方面可以采用可控硅代替场效应管控制加热，可控硅在控制加热效应方面能够 很好的

32、截止和导通。还可以改进控制系统，使能同 PCPC联机通信，以利用0C0C的图像处理功能打印显 示温度曲线。89C5289C52串行口为 TTLTTL电平，PCPC串行口为 RS232RS232电平，使用一片 MAX232MAX232作为电平转换驱动。就目前我所实习的公司，其涉及的中国安防行业而言，监控摄像机的所有一体模块 都需要经过测试，其中就包括温度的测试，它需要在八十度到零下二十度之间正常工 作，因此温控环境很重要。在未来的各个领域里，温控的设计会有很好的发展，比如 我们所有的电子产品都需要在温度控制方面有较高的要求，这就需要针对各种材质的 电子产品进行温度控制方面的测试。同时，温度控制在环境方面具备重要因素，设计 一种温控性能强的器件是未来的重要任务。7致谢在论文的设计过程中，我查阅了许多有关恒温控制系统设计方面的文献资料，使 我对恒温控制的设计和使用有了更深的认识。从论文选题到完成论文，老师付出了大 量的时间和心血，在设计过程中，老师从多方面进行指导，不断对论文提出修改意 见。在此，我要由衷地感谢李忠明老师！