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基于单片机的水温控制系统设计-课程设计任务书.docx
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计算机控制技术课程设计
计算机控制技术
课 程 设 计
成绩评定表
设计课题
基于单片机的水温控制系统设计
学院名称 :
电气工程学院
指导教师意见:
签名:
年 月 日
目录
摘要: ..............................................................................................................................................2
1 引言 ..............................................................................................................................................3
2 总体方案设计...............................................................................................................................4
2.1 总体方案的确定.................................................................................................................4
2.2 硬件方案论证....................................................................................................................6
3 系统硬件设计.............................................................................................................................8
3.1 系统框图.............................................................................................................................8
A/D....................................................................................................................................................8
3.3 系统温度控制...................................................................................................................10
3.3.1 前向通道:.......................................................................................................................10
4 系统软件设计............................................................................................................................. 11
4.1 定时中断服务程序...........................................................................................................11
4.2 脉宽调制输出子程序.......................................................................................................12
4.3 系统控制总程序..............................................................................................................13
5 参数计算...................................................................................................................................14
5.1 系统各模块设计及参数计算..........................................................................................14
6 系统硬件与软件调试.................................................................................................................20
6.1 单片机基本系统调试......................................................................................................20
6.2 软件调试..........................................................................................................................23
7 CPU 软件抗干扰......................................................................................................................24
7.1 看门狗设计....................................................................................................................24
8 测试方法和测试结果...............................................................................................................26
8.1 系统测试仪器及设备....................................................................................................26
总结 ................................................................................................................................................28
参考文献 ........................................................................................................................................29
附录 系统硬件总原理图...............................................................................................................30
摘要
:
本系统以 AT89C51,AT89C2051 单片机为核心,主要包括传感器温度采集,
A/D 模/数转换,按扭操作,单片机控制,数码管数字显示等部分。本系统采用
PID 算法实现温度控制功能,通过串行通信完成两片单片机信息的交互而实现温
度设定、控制和显示。本设计还可以通过串口与上位机(电脑)连接,实现电脑
控制。系统设计有体积小、交互性强等优点。为了实现高精度的水温控制,本单
片机系统采用 PID 算法控制和 PWM 脉宽调制相结合的技术,通过控制双向可控硅
改变电炉和电源的接通、断开,从而改变水温加热时间的方法来实现对水温的控
制。本系统由键盘显示和温度控制两个模块组成,通过模块间的通信完成温度设
定、实温显示、水温升降等功能。具有电路结构简单、程序简短、系统可靠性高、
操作简便等特点。
1 引言
目前市场上太阳能热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便
等问题,很多控制器只具有温度和水位显示功能,不具有温度控制功能.即使热
水器具有辅助加热功能。也可能由于加热时间不能控制而产生过烧,从而浪费电
能。本文设计的太阳能热水器控制系统以 MCS-51 单片机为检测控制中心单元,
采用 DSl2887 实时时钟,不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示功能,
而且具有时间设定、温度设定与控制功能。控制系统可以根据天气情况利用辅助
加热装置(电加热器)使蓄水箱内的水温达到预先设定的温度,从而达到 24 小时
供应热水的目的。实际应用结果表明,该控制器和以往显示仪相比具有性价比高、
温度控制与显示精度高、使用方便和性能稳定等优点,提高了我国太阳能应用领
域控制水平,具有可观的经济效益和社会效益。
水温控制系统的基本要求的要求如下:
1.一升水由 1kw 的电炉加热,要求水温可以在一定范围内由人工设定,并能在
环境温度降低时实现自动调整,以保持设定的温度基本不变。
2.主要性能指标
a. 温度设定范围:30-90℃,最小区分度为 1℃。
b. 控制精度:温度控制的静态误差≤1℃。
c. 用十进制数码显示实际水温。
d. 能打印实测水温值。
3.扩展功能
a. 具有通信能力,可接受其他数据设备发来的命令,或将结果传送到其他
数据设备。
b. 采用适当的控制方法实现当设定温度与环境温度突变时,减小系统的调
节时间和超调量。
c. 温度控制的静态误差≤1℃。
d. 能自动显示水温随时间变化的曲线。
2 总体方案设计
2.1 总体方案的确定
2.1.1
控制方法选择
由于水温控制系统的控制对象具有热存储能力大,惯性也较大的特点。水在
容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力,因而可以归于具有纯滞后的一
阶大惯性环节。一般来说,热过程大多具有较大的滞后,它对任何信号的响
应都会推迟一段时间,使输出与输入之间产生相移。对于这样一些存在大的
滞后特性的过渡过程控制,一般来说可以采用以下几种控制方案:
(1)输出开关量控制:
对于惯性较大的过程可以简单地采用输出开关量控制的方法。这种方法通
过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态:开关或者通断,因此
控制过程十分简单,也容易实现。但由于输出控制量只有两种状态,使被
控参数在两个方向上变化的速率均为最大,因此容易硬气反馈回路产生振
荡,对自动控制系统会产生十分不利的影响,甚至会因为输出开关的频繁
动作而不能满足系统对控制精度的要求。因此,这种控制方案一般在大惯
性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。
(2)比例控制(P 控制)
比例控制的特点是控制器的输出与偏差成比例,输出量的大小与偏差
之间有对应关系。当负荷变化时,抗干扰能力强,过渡时间短,但过
程终了存在余差。因此它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、
允许被控量在一定范围内变化的系统。使用时还应注意经过一段时间
后需将累积误差消除。
a. 比例积分控制(PI 控制)
由于比例积分控制的特点是控制器的输出与偏差的积分成比例,
积分的作用使得过渡过程结束时无余差,但系统的稳定性降低。虽然
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