基于51单片机的水温自动控制系统的设计

基于51单片机的水温自动控制系统的设计学生：汪凡，信息工程学院指导教师：朱嵘涛，信息工程学院一、题目来源题目来源于生产/社会实际。二、研究背景及其意义目的随着社会主义现代化的发展，在科学技术突飞猛进的今天，人工智能起到不可忽视的作用。尤其是各种智能化的仪器、仪表在农、工业的广泛应用给社会带来了极大的便利。文章就是一个利用温度来实现简单智能控制的例子。它完成了从温度的采集、转换、显示以及控制的一系列任务。由于篇幅关系，文章并未深入探讨温度的具体实例。例如根据温度来控制热水器、电风扇等与温度有关的设备，提供了一个通过温度来控制设备的基本思想和原理。测温仪器在各个领域的应用，智能化是现代温控系统发展的主流方向，特别是今年来，温度控制系统已应用到生活的各个方面，但是温度控制一直是一个未开发的领域，是与人们息息相关的一个问题。针对这种实际情况，设计一个温度控制系统，具有广泛的应用前景和实际意义。温度是科学技术中最基本的物理量之一。物理、化学、生物等学科都离不开温度，在工业生产等许多领域，温度常常是表征对象和过渡状态的重要物理量。各行各业对温度的要求越来越高，可见温度的测量和控制是非常重要的。单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用越来越广泛，各种试用于不同场和的温度控制器应运而生。目前市场上经销的温度控制系统大多是采用模拟电路及继电器控制，存在电路繁琐,可调节性差，受温度影响大，响应速度慢，有噪音等缺点，针对这些缺点我们对它进行了再次设计。实现满足题目要求的水温自动控制系统需要解决以下两个方面的问题：一是高精度的水温测量电路及其数据处理的实现，另一个是控制方法及其控制电路实现的研究。数字控制方法远远优于模拟控制方法。目前，实现水温的高精度控制常采用数字控制方法，可用的控制算法有开关控制、经典PID控制、模糊控制等。为了追求控制系统具有最小的稳态误差、最好的动态过程，即具有最小的超调量和最短的稳定时间，人们一直在不断研究各种控制方法的应用。单片机水温控制系统，是用来控制电炉温度，让它的温度始终保持在某一个范围内的恒温值，为此对温度的控制我们可采用很多种方法，以往的水温控制系统都采用开关式控制方式，使用的是模拟式调节仪表，我们可通过一位式模拟控制方案，用电位器设定给定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。其特点是电路简单，易于实现。但是存在着不足之处：系统所得结果的精度不高而且调节动作频率、系统静差大，不稳定。系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用液晶显示，不能用键盘设定。单片机温控系统多种多样，针对不同的被控对象可以设计出不同的硬件电路。为了实现高精度的温度控制，我们采用了以AT89C51为控制核心的单片机控制系统，温度实时控制采用的是多次测量取不同的PWM值来触发可控硅从而调节加热丝的有效功率。并用液晶显示水的实际温度，尤其对温度控制，它可达到模拟控制所达不到的控制效果，并且可实现显示、打印，键盘设定，远程控制，报警等功能，大大提高系统的智能化，也使得系统所测结果精度大大提高。并且为了保证系统稳定运行,在软硬件方面都采取了一定的措施。主程序主要处理系统初始化、扫描键盘、采样温度值和对采样数值进行数字滤波等工作。系统灵敏度高和抗干能力强，具备较高的测量和控制精度。该控制系统主要是针对控制水杯中的温度而设计的，它具有检测精度高、使用简单、成本较低和工作稳定可靠等特点，所以具有一定的应用前景。它也不仅可应用于科研水中的温度检测与控制，也可应用于实际孵蛋房、豆芽菜房等生产工作间恒温控制的场合。三、阅读的主要参考文献及资料名称[1]严洁.单片机原理及其接口技术.机械工业出版社，2010，65-105[2]范红刚.51单片机自学笔记.北京航空航天大学出版社，2009[3]高云.基于MSP430的温室多路数据采集系统.农机化研究，2009，No.8[4]常铁原，王欣，陈文军.多路数据采集系统的设计.电子技术应用，2008，No.11[5]叶红海，李丽敏.基于单片机的多路数据采集系统的设计与实现.2008，No.4[6]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例.电子工业出版社，2009，46-48，104-110[7]杨居义，杨晓琴，王益斌等.单片机课程设计指导.清华大学出版社，2009，135-141[8]刘刚，秦永左，朱杰斌.单片机原理及应用.北京大学出版社，2006，76-98，134-155[9]林祝亮，武林，杨金华.基于双单片机的多路数据采集系统设计.仪器仪表学报，2006，No.6[10]元增民，张文希.单片机原理与应用基础.国防科技大学出版社，2006，205-266[11]王琳，商周，王学伟.数据采集的发展及应用.电测与仪表，2004，No.464四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向温室自动控制系统是专门为农业温室、农业、环境控制、气象观测开发生产的环境自动控制系统。科学家成功开发了一系列计算机软件，硬件，实现了温室供水，施肥和环境自动化控制。英国农业部对温室发展也很重视，科学家们先后进行了温室环境与作物生理，温室环境因子的计算机优化，温室节能，温室自动控制，温室作物栽培与产后处理的研究。另外，国外温室正致力于高科技发展。遥测技术，网络技术，控制局域网已逐渐应用予温室的控制与管理中。世界发达国家如荷兰，美国，英国等大力发展集约化的温室产业，已经研制成功对温室内温度，湿度，光照，气体交换，滴灌，营养液循环等实现计算机自动控制的现代化高科技温室，甚至于育苗，移栽，清洗，包装等也实现了机械化，自动化。从目前的研究情况来看，我国的温室自动控制系统科研水平跟国外比仍有较大差距，主要表现在以下几个方面：一是尚未建立温室结构的国家标准，研究者给出的控制系统大都有较强针对性。由于温室结构千差万别，执行机构各不相同，对于控制系统的优劣缺乏横向可比性。二是缺乏与我国气候特点相适应的温室自动控制软件。目前我国引进温室自动控制系统大多投资大，运行费用过高，并且控制系统中所侧重考虑的环境参数与我国的气候特点存在矛盾，如荷兰由于温度变化很小，故降温，通风问题考虑很少，而采光问题考虑得较多，如果将这种温室应用于我国新疆地区，肯定不合适，因为新疆的温差变化大。三是我国综合环境控制技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单个环境因子调控技术的阶段，而实际上，温室内的日照量，气温，地温，空气湿度，土壤湿度，CO浓度等环境因素，是在相互影响，相互制约的状态中对作物的生长产生影响的，环境因素的空间变化，时间变化都很复杂。此外，优化值的设定是一项复杂的工作，作物生长是多因素综合作用的结果，当我们改变某一环境因子时，常会把其他环境因子变到一个不适宜的水平，因此，将温室内的物理模型，作物的生长模型，温室生产的经济模型结合起来，进行作物生长环境参数的优化研究，开发一套与我国温室生产现状相适应的环境控制软件是很重要的。五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路1.主要要求（1）温度设定范围为40～90℃，最小区分度为1℃，标定温度≤1℃。（2）环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差≤1℃。（3）用液晶显示器显示水的实际温度。（4）采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，减小系统的调节时间和超调量。2.发挥部分（1）具有远程温度数据的准确可靠传输、预置和显示功能，无线传输距离至少20米（空旷地区）；（2）增加多点温度检测功能（至少8点），并能实现多路数据的定点和巡回检测两种功能；（3）具有温度标定、校准功能；（4）具有温度传感器失效判断与显示报警功能；3．关键问题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，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，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。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。尽管温度控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。由于温度控制具有工况复杂参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。4.解决思路模糊逻辑控制（FLC）是人工智能领域中形成最早、应用最广的一个重要分支，适用于结构复杂且难以用传统理论建立模型的问题。目前FLC已经成功地应用与各种温度控制上。模糊控制与一般的自动控制的根本区别是，不需要建立精确的数学模型，而是运用模糊理论将人的经验知识、思维推理，其控制过程的方法与策略是由所谓模糊控制器来实现。对于多变量、非线性和时变的大系统，系统的复杂性和控制技术的精确性形成了尖锐的矛盾。模糊控制对那些难以获得数学模型或模型非常粗糙的工业系统，如那些大滞后、非线性等复杂工业对象实施控制有独特优势，但静态误差不易控制.模糊控制偏偏含有大量专家经验,实际实现比较困难,它绝不可以代替经典的自动控制，而是扩展了一般的自动控制。在一些实际过程中，人们也常把模糊控制与一般的自动控制结合在一起应用，并且已研制出神经模糊网络的家电产品，将模糊控制技术与人工神经网络、专家系统等人工智能中一些新技术相结合，向着更高层次的研究和应用发展。采用模糊控制其优点是不需要粗确知道被控对象的数学模型，而且适用于有较大滞后特性的控制对象。缺点是静态误差不易控制，因含有大量专家经验，实际实现比较困难。模糊控制比传统的PID控制等方法,在强时变、大时滞、非线性系统中的控制效果有着明显的优势。将模糊控制技术应用于家电产品在国外已是很普遍的现象。单片机是家用电器常用的控制器件,把二者结合起来,可使控制器的性能指标达到最优的目的。基于模糊控制技术的单片机控制的电热水器,是对传统的电热水器开关控制的改造,具有达到设定温度的时间短、稳态温度波动小、反应灵敏、抗干扰能力强、节省电能等优点，将成为以后发展的主流。六、完成毕业设计（论文）所必须具备的工作条件6.1所必须具备的工作条件：51单片机书籍：《手把手教你学51单片机》、《单片机C语言应用100例》、《数字电子技术》、《模拟电子技术》实验设备：一台PC机器、稳压直流电源、逐渐逼近式A/D转换器——ADC0809、单片机AT89C52、标准RS-232C接口、LED发光二极管若干、8个LED显示管、程序下载线、4*4键盘一个。编程及仿真软件：《KeilCuVision3》、《Proteus7.4》、《程序在线下载软件》。6.2解决的办法：在校图书馆借阅相关图书资料，向学校实验室借用实验设备与器材。七、预期成果将编写好的程序加载到单片机开发板上进行调试，最终能实现水温自动控制。八、工作的主要阶段、进度与时间安排第一阶段：2016年9月1日－2017年10月25日，查阅文献资料，掌握整体思想，完成开题报告；第二阶段：2016年10月26日－2017年1月31日，完成概要设计和详细设计；第三阶段：2017年3月1日－2017年5月5日，绘制电路原理图和编写程序；第四阶段：2017年5月6日－2017年5月14日，系统测试，撰写论文；第五阶段：2017年5月15日－2017年6月2日，完善论文，制作PPT。九、指导教师审查意见