1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化水箱水温控制系统的设计一、课题研究意义及现状目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面发展。温度控制系统在国内外各行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、德国等发达国家相比，仍然有着较大的差距。为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和人们的生活水平，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对水箱水温进行检测、显示、控制，使之达到工艺标准，以单片机为核心设计的炉温控制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。自动控制系统在各个领域尤其是工业领
2、域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对工业及日常生活中的温度进行检测和控制系统的设计大体方案：本系统以 AT89S51 单片机为核心，主要包括传感器温度采集，A/D 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
3、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。二、课题研究的主要内容和预期目标本课题主要研究水温控制系统的基本原理和设计方法，并对传统的水温控制系统进行改进。主要内容：（1）学习水温控制系统的基本原理；（2）
4、研究水温控制系统的设计过程：数据的提取、分析、处理；（3）设计水温控制的PID算法；（4）用单片机语言实现算法。预期目标：（1）掌握水温控制系统的基本原理；（2）完成数据的提取、分析和处理；（3）完成水温控制的 PID 算法设计；（4）用单片机语言实现该算法；完成一篇毕业论文。三、课题研究的方法及措施本课题重点研究设备控制电路要实现水温的自动控制，首先，要准确的检测到水温；其次，把检测到信号转换成控制器件可识别的数字信号；再次，用单片机完成控制加热，保证温度不低于设定值。如果温度将高于设定值，关闭加热器件，使其自行冷却。保持温度在设定值，误差不高于0.1。根据单片机具有运行可靠、线性度好、维护
5、方便等优点，本课题选用单片机作为系统控制器。按键电路中，当人工设定温度后自动返回，显示当前的实际温度当无按键按F时，4秒后返回当前实际温度这样防加热器在加热过程中损坏显示功能是由3个数码管来完成，它们显示的数据分别代表个位、十位和小数点后一位所显示的数据由单片机以并行位选方式直接以BCD码送给数码管。系统设计图如下图所示：这样设计出来操作简便显示清晰。另外，在使用环境中存在很多干扰源，这些干扰会影响控制器的控制精度甚至影响控制器的正能工作，所以要采取措施尽量减少干扰源带来的负面影响。硬件方面的抗干扰措施有:在信号的传送过程中采用带有光电耦合器的接口电路，实现单片机系统与外设之间的电隔离，以消除
6、来自外设的各个方面的干扰。采用看门狗实现整个系统的监控，防止系统死循环。 四、课题研究进度计划毕业设计期限：自 2010 年 10 月 17 号至 2011 年 4 月 17 号2010 年 10 月 1 日至 2010 年 10 月 20 日:明确任务，查找资料，确定系统总体设计方案；2010 年 10 月 20 日至 2010 年 11 月 10 日:写文献综述，外文翻译；2010 年 11 月 10 日至 2010 年 12 月 1 日：完成开题报告，准备开题答辩；2010 年 12 月 1 日至 2011 年 2 月 20 日：完成电路设计和仿真；2011 年 2 月 20 日至 20
7、11 年 3 月 1 日：完成水温控制系统硬件和检测电路的设计；2011 年 3 月 1 日至 2011 年 3 月 10 日：完成控制系统的软件设计，同时通过实验模拟测试；2011 年 3 月 10 日至 2011 年 4 月 1 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 张迎新. 单片微型计算机原理、应用及接口技术M. 国防工业出版社, 2004，12 张志良. 单片机原理与控制技术M. 机械工业出版社, 2001，7.3 S D Markande,P M Joshi,S K Katti. Microcontrol
8、ler based Temperature Controller-implementationJ. IE(I) Journal-CP，2004，5,85(2) :712. 4 吴慎山.电子线路设计与实验M. 电子工业出版社，2005，9.5 周兴华.手把手教你学单片机M. 北京航空航天大学出版社，2005，9.6 明德刚DS18B20 在单片机温控系统中的应用J贵州大学学报(自然科学版)，2006，23(1)：1061097 黄祯祥,邓怀雄,郭延文,周书.MCS-51 单片机的温度控制系统J.现代电子技术，2005,8,197(6):2122.8 DSI8B20.Data sheets.200
9、1，http:/9 黄祯祥，邓怀雄.郭延文.基于 MCS-51 单片机的温度控制系统 J.现代电子技 术,2005,(06);2122. 10 吴炜，常义林一种 MPEG2 媒体同步控制算法J.系统工程与电子技术2005，27(1)：173177.11 贾杰，常义林，杨付正323 同步控制实现研究J.通信学报，2004，25(5)J：677412 张炎，赵延 . 基于单片机和模糊控制的水温自动控制系统J. 仪表技术与传感器 2007.4.7172. 13 宋乐鹏，柳果. 基于 PLC 控制的加热炉温度控制系统J. 自动化技术与应用.2007.10：121122.14 杨恒玲，胡燕瑜.基于单片机
10、的水温模糊控制系统 J.科技创新导报,2009.32：4347.毕业论文文献综述电气工程及自动化温度控制系统的设计方案摘要：温控系统电路中，常用的是通过热电偶、热电阻或 PN 结测温电路经过相应的信号调理电路，转换成 AD 转换器能接收的模拟量，再经过采样保持电路进行 AD 转换，最终送入单片机及其相应的外围电路，完成监控。关键词：MCS51 单片机；温度传感器；PID 算法1 前言在现代温度控制系统广泛用于冶金、化工、建材、食品、机械等工业中 1。温度是极为重要而又普遍的热工参数之一，目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面发展。温度控制系统在国内外各行业的应用虽然已经十
11、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、德国等发达国家相比，仍然有着较大的差距。为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和人们的生活水平，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对水箱水温进行检测、显示、控制，使之达到标准。如何更快、更准确的控制所需的温度是水箱水温控制技术的关键。实现温控的方法有很多，如油浴恒温法、比例式、积分式及其组合的调节方法等，有的方法达到热平衡需要的时间很长，但其控温精度很高，而有的方法达到热平衡的时间短，其控温精度较低 2。温度检测和温度控制是单片机在电子产品中的主要应用之一。很多行业中都有大量的用电加热设备，如用于热处理
12、的加热炉，用于融化金属的坩锅电阻炉及各种不同用途的温度箱等，采用单片机对它们进行控制不仅具有体积小、价格低廉、可靠性高、控制方便、简单、灵活性大等特点，而且还可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量。因此，受到广大工程技术人员的重视 345。2 温度控制系统的现状目前,典型的温度测控系统是由模拟式温度传感器、A /D 转换电路和单片机组成。自动化程度和可靠性较高,使用方便,得到了广泛应用。但是由于模拟式温度传感器输出为模拟信号,必须经过 A /D 转换环节获得数字信号后才能与单片机等微处理器接口,使得硬件电路结构复杂,成本较高 6。而以 DS18B20（DS18B20 是
13、Dallas 公司继 DS1820 后推出的一种改进型智能数字温度传感器，与传统的热敏电阻相比，只需一根线就能直接读出被测温度值，并可根据实际需要来编程实现 912 位数字的度数方式）为代表的新型单总线数字式温度传感器集温度测量和 A /D 转换于一体,直接输出数字量,与单片机接口几乎不需要外围元件,使得硬件电路结构简单,广泛使用于距离远,节点分布多的场合。具有较强的推广应用价值 78。 2.1 PID 控制及其应用不同水温控制系统的控制方法也不尽相同，工业生产过程中，采用最多的控制方式依然是开关控制或 PID 控制方式。开关控制的特点是可以使系统以最快的速度向平衡点靠近，但在实际应用中却很容
14、易造成系统在平衡点附近振荡，使得精度不高。而 PID 控制具有广泛的实用性，稳态误差小，但误差较大时，系统容易出现积分饱和，从而导致系统出现很大的超调量，甚至出现失控现象。系统采用开关控制和 PID 控制相结合的方法，其具体控制过程为：当温度大时利用开关迅速减小温差，以缩小调节时间；当温差小于某一值后采用 PID 控制，以使系统快速稳定并保持系统无静差。在这种控制方法中，PID 控制在较小温差时开始进这样可有效避免数字积分器的饱和。PID 参数和被控制对象关系密切，要精确得到被控对象模型比较困难，为此，采用离线模糊整定的方法来确定 PID 参数，即给出一组 PID 参数的初值，测得相应的数据，
15、按使这几个量减小的方向调节 PID 参数，用整定后的参数控制该系统，再根据输出的调节时间、超调量及稳态误差，调节 PID 参数，如此反复，求得一组使系统性能最优的 PID 参数 9。2.2 采用单片机控制DS18B20 为代表的新型单总线数字式温度传感器集温度测量和 A /D 转换于一体,直接输出数字量,与单片机接口几乎不需要外围元件,使得硬件电路结构简单,广泛使用于远距离传输和测量, DS18B20 在 40 90C 范围内, 固有测温分辨率为 0.1。水温实时控制采用继电器控制电热丝和风扇进行升温、降温控制。系统具备较高的测量精度和控制精度，能完成升温和降温控制图 1 为温度控制系统框图。
16、单片机温度显示报警电路温度传感器驱动电路按键继电器图 1 温度控制系统框图单片机在整套温度控制中发挥着至关重要的作用，它是这个控制系统的核心，引导指挥着整套系统的运作顺序。所以选择单片机型号也应慎之以慎。需要经过对水箱水温性能的分析，控制系统实际需要的点数，以及考虑到今后水箱的扩展的需要，合理选定单片机型号。另外由于水箱长时间工作，因此需要解决水箱的自检的问题。故需考虑加入传感器以及各种保护装置，以保证其能够按照单片机程序正常工作。2.3 采用 PLC 控制应用在对温度控制系统的方案中，除了单片机控制以外还可以通过 PLC 来控制。传统的加热电气控制系统普遍采用续电器控制技术，由于采用固定接线
17、的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。随着计算机控制技术的发展，传统续电器的控制技术必然被基于计算机技术而产生的 PLC 控制技术所取代。而 PLC 本身优异的性能使基于 PLC 控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便 10。图 2 所示是加热炉温度控制系统的基本构成，它由 PLC 主控系统、移相触发模块整流器 SCR、加热炉、传感器等 5 个部分组成。该加热炉温度希望稳定在 100工作（其它温度同样可以照此方法设计）。图 2 加热炉温度控制系统基本组成加热炉温度控制实现过程是：首先传感器将加热炉的温度转化为电压信号，PLC 主控系
18、统内部的 A/D 将送进来的电压信号转化为 PLC 可可识别的数字量，然后 PLC 将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行处理，给移相触发模块，再给三相整流电路（SCR）一个触发脉冲（即控制脉冲），这样通过 SCR 的输出我们控制了加热炉电阻丝两端的电压，也即加热炉温度控制得到实现 11 12。其中 PLC 主控系统为加热炉温度控制系统的核心部分起重要作用。3 总结温度控制系统在实际生活和生产中具有重要作用，涉及到各个领域，例如：工业控制领域、家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统温度控制方法无法或者是难以解决的问题，取得了令人瞩目的成效，引起了越来越多的研究人员和相关领域的广大工程技
19、术人员的极大兴趣。同时也应该看到，温度控制系统的应用虽然已经取得了很大的进展，但是就我国目前的状况来看，尚缺乏重大的突破，由于它的发展历史还不长，理论上的系统性和完善性，技术上的成熟性和规范性都还是不够的，有待人们的进一步提高。本文主要介绍温度控制系统的相关概念，通过对概念的理解，明白了温度控制的工作特点和工作方式等。已经在工业控制领域，家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或难以解决的问题，取得了令人瞩目的成果。但就我国目前的状况来看，上缺乏 尚缺乏重大的突破，因此温度控制无论在理论和应用上都有待于进一步的升入研究和讨论。参考文献1 黄祯祥,邓怀雄,郭延文,周书.MCS-5
20、1 单片机的温度控制系统 J. 现代电子技术,2005,(06).2122. 2顾春阳，任玲，王广林，基于单片机的水箱温度自动测控系统设计J. 计算机工程 2009,3：248256.3吴炜，常义林一种 MPEG2媒体同步控制算法J. 系统工程与电子技术 2005，27(1)：173177.4贾杰，常义林，杨付正323 同步控制实现研究J.通信学报，2004，25(5)：67745张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术M.国防工业出版社,2004，1.6明德刚DS18B20 在单片机温控系统中的应用J贵州大学学报(自然科学版)，2006，23(1)：1061097黄祯祥,邓怀雄,郭延文,周
21、书.MCS-51 单片机的温度控制系统J.现代电子技术，2005,8,197(6):2122.8张志良. 单片机原理与控制技术M.机械工业出版社,2001，7.9张炎，赵延 . 基于单片机和模糊控制的水温自动控制系统J. 仪表技术与传感2007.4.7172. 10吴慎山，电子线路设计与实验M.电子工业出版社，2005，9.11宋乐鹏，柳果. 基于 PLC控制的加热炉温度控制系统J. 自动化技术与应用.2007.10： 121122.12杨恒玲，胡燕瑜. 基于单片机的水温模糊控制系统J.科技创新导报.2009.32：4347.毕业设计（20_ _届）水箱水温控制系统的设计摘 要本文以单片机为主控制器，设计了一个水箱的温度控制系统，水的温度要求可以在 40-90范围任意设定，精确到 0.1。系统主要分为数字显示、按键
