开题报告(水温控制系统)

湖南商学院本科毕业设计开题报告题目基于PID的水温控制系统设计学生姓名刘建华学号060910097学院计算机与电子工程学院专业电子信息工程班级电信0603指导教师周鲜成职称教授2010年1月17日课题设计综述基于PID的水温控制系统设计在科技日益发达的今天，人们日常生活对水温控制的要求也越来越高，而现有的一些温度控制设备，如HAl68型的温度控制棒，结构比较简单，一般采取的是开关式的控制，即当测量温度低于设定温度时进行加热，控温效果不理想，这就要求我们有更好的控制技术。而采用PID控制能很好地解决这个问题。1.实现技术水温控制系统的控制对象具有热储存能力大，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。目前一般采用以下几种控制技术：1.1开关量控制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，开通或关断，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，因此容易引起反馈回路振荡，控制精度不高；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。1.2比例控制(P控制)比例控制的输出与偏差成比例关系，当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡过程时间短，但过程终了存在余差；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。1.3比例积分控制(PI控制)控制器的输出与偏差的积分成比例，积分的作用使过渡过程结束时无余差，但降低了系统的稳定性；PI控制适用于滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统。1.4比例积分加微分控制(PID控制)微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果；在比例基础上加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差；PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。2.器材选用在控制核心的选用上，目前有很多种器件可供选择，主要采用单片机作为控制核心，单片机有多种型号，可以采用8031作为控制核心，以使用最为普遍的器件ADC0804作模数转换，此方案简易可行，器件的价格便宜，但8031内部没有程序存储器，需要扩展，增加了电路的复杂性。也可以选用AT89S52，AT89S52是美国Atmel公司的产品，是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。温度传感器采用DS18B20，DS18B20是美国DALLAS公司生产的数字温度传感芯片，具有耐磨耐碰、体积小、使用方便等优点；也可以采用模拟温度传感器件PT1000，该器件灵敏度高，但其成本高。3.实现方案3.1温度传感器的选取目前市场上温度传感器较多，主要有以下几种方案：方案一：选用铂电阻温度传感器。此类温度传感器线性度、稳定性等方面性能都很好,但其成本较高。方案二：采用热敏电阻。选用此类元器件有价格便宜的优点，但由于热敏电阻的非线性特性会影响系统的精度。方案三：采用DS18B20数字温度传感器。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出远端引入。此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。3.2键盘显示部分控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，所以此部分电路设计的好坏直接影响到电路的好坏。方案一：采用可编程控制器8279与数码管及地址译码器74LS138组成，可编程/显示器件8279实现对按键的扫描、消除抖动、提供LED的显示信号，并对LED显示控制。用8279和键盘组成的人机控制平台，能够方便的进行控制单片机的输出。方案二：采用单片机AT89S52与4X4矩阵组成控制和扫描系统，并用89S52的P1口对键盘进行扫描，并用总线的方式在P0口接1602液晶来显示水温和设定值，这种方案既能很好的控制键盘及显示，又为主单片机大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，价格便宜的特点。3.3控制电路部分方案一：采用8031芯片，其内部没有程序存储器，需要进行外部扩展，这给电路增加了复杂度。方案二：采用2051芯片，其内部有2KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器。但由于系统用到较多的I/O口，因此此芯片资源不够用。方案三：采用AT89S52单片机，其内部有4KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器，而且它的I/O口也足够本次设计的要求。4.发展趋势4.1国外温度控制系统发展趋势目前，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。已经形成了比较成熟的系统理论，得到了非常广泛的发展。4.2我国温度控制系统现状温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内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、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，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。参考文献[1]康华光.电子技术基础（模拟部分）（第五版）[M].武汉：华中科技大学出版社,2007.[2]李俊婷，石文兰，高楠.参数自整定模糊PID在温度控制中的应用[J].无线电工程,2007,(7):12-15.[3]刘绿山，刘建群，李仕勇.基于AT89S52单片机的温度控制系统[J].微计算机信息,2007,23(6):34-37.[4]李朝清.PC机及单片机数据通信技术[M].北京：北京航空航天大学出版社,2006.[5]谢自美.电子线路综合设计[M].武汉：华中科技大学出版社,2007.[6]全国大学生电子设计竞赛组委会编.《第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编》（2001）[M].北京：北京理工大学出版社,2006.设计思路、实现方法以及手段1.设计思路硬件系统模块分为：控制核心模块，温度检测模块，显示模块，继电器模块，键盘输入模块和串行通信模块，首先通过温度检测模块获得温度数据，传给控制核心，控制很小进行数据处理后的结果就通过显示模块进行显示，在温度突变时通过串行通信模块自动打印温度曲线。软件系统采用的是循环查询方式，来显示和控制温度，此系统包括主控制程序、PID算法及温度控制程序、中断控制子程序、显示及按键处理程序。2.实现方法及手段以控制核心选用AT89S52，采用PID算法控制温度，提高系统的稳定性及精度。温度信号由DS18B20提供。用单片机控制SSR固态继电器的通断时间以控制水温，AT89S52首先写入命令给DS18B20，然后DS18B20开始转换数据，转换后通AT89S52来处理数据，数据处理后的结果就显示到1602液晶上；通过串行通信模块还可以将温度随时间变化曲线打印出来。指导教师意见签名时间年月日