南陽理工學院
計算機與資訊工程學院
軟硬體專業綜合課程設計總結報告
題目基於微控制器的水溫控制系統設計
姓名： 攸曉曼
學號： 1206644034
專業： 通訊工程
指導教師： 馬永紅
起止日期： 13.11.18—14.01.10
南陽理工學院
計算機與資訊工程學院
軟硬體專業綜合課程設計任務書
目錄目錄 3
1 引言 1
2 方案設計 1
2.1水溫控制系統概述 2
2.2控制方法選擇 2
2.3系統組成 3
2.4硬體方案論證 3
3.硬體電路設計 4
3.1 微控制器控制部分 5
3.2 系統溫度控制 6
3.3 顯示器的選擇 6
4.系統軟體的設計 8
4.1 鍵盤和顯示 9
4.2水溫測量 9
4.3 a/d轉換模組 9
5.系統硬體與軟體的除錯 11
5.1微控制器基本系統除錯 11
5.2軟體除錯 12
5.3測試方法 13
5.4 軟硬體的聯合測試執行 13
5.5.**程式到微控制器 13
6.總結 14
參考文獻 15
附錄 16
1 引言
目前市場上太陽能熱水器的控制系統大多存在功能單
一、操作複雜、控制不方便等問題，很多控制器只具有溫度和水位顯示功能，不具有溫度控制功能．即使熱水器具有輔助加熱功能,也可能由於加熱時間不能控制而產生過燒，從而浪費電能。本文設計的太陽能熱水器控制系統以mcs-51微控制器為檢測控制中心單元，採用dsl2887實時時鐘，不僅實現了時間、溫度和水位三種引數實時顯示功能，而且具有時間設定、溫度設定與控制功能。控制系統可以根據天氣情況利用輔助加熱裝置(電加熱器)使蓄水箱內的水溫達到預先設定的溫度，從而達到24小時**熱水的目的。
實際應用結果表明，該控制器和以往顯示儀相比具有價效比高、溫度控制與顯示精度高、使用方便和效能穩定等優點，提高了我國太陽能應用領域控制水平，具有可觀的經濟效益和社會效益。水溫控制系統的基本要求的要求如下：
1.一公升水由1kw的電爐加熱，要求水溫可以在一定範圍內由人工設定，並能在環境溫度降低時實現自動調整，以保持設定的溫度基本不變。
2.主要效能指標
a.溫度設定範圍：30-90℃，最小區分度為1℃。
b.控制精度：溫度控制的靜態誤差≤1℃。
c.用十進位制數碼顯示實際水溫。
d.能列印實測水溫值。
3.擴充套件功能
a.具有通訊能力，可接受其他資料裝置發來的命令，或將結果傳送到其他資料裝置。
b.採用適當的控制方法實現當設定溫度與環境溫度突變時，減小系統的調節時間和超調量。
c.溫度控制的靜態誤差≤1℃。
d.能自動顯示水溫隨時間變化的曲線。
2 方案設計
2.1水溫控制系統概述
本文介紹的是乙個以51微控制器為控制核心的水溫控制系統，此系統通過人機互動設定控制溫度，採用增量型pid演算法，通過脈寬調變控制電爐加熱，最終實現水溫的恆定。該系統具有溫度超調量小、調節時間短、靜態誤差小、測量精確、恆定溫度與設定溫度偏差小等優點，且控制方便、顯示直觀、效能穩定、可靠性高。
2.2控制方法選擇
由於水溫控制系統的控制物件具有熱儲存能力大，慣性也較大的特點。水在容器內的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，因而可以歸於具有純滯後的一階大慣性環節。一般來說，熱過程大多具有較大的滯後，它對任何訊號的響應都會推遲一段時間，使輸出與輸入之間產生相移。
對於這樣一些存在大的滯後特性的過渡過程控制，一般來說可以採用以下幾種控制方案：
（1）輸出開關量控制：
對於慣性較大的過程可以簡單地採用輸出開關量控制的方法。這種方法通過比較給定值與被控引數的偏差來控制輸出的狀態：開關或者通斷，因此控制過程十分簡單，也容易實現。
但由於輸出控制量只有兩種狀態，使被控引數在兩個方向上變化的速率均為最大，因此容易硬氣反饋迴路產生振盪，對自動控制系統會產生十分不利的影響，甚至會因為輸出開關的頻繁動作而不能滿足系統對控制精度的要求。因此，這種控制方案一般在大慣性系統對控制精度和動態特性要求不高的情況下採用。
（2）比例控制（p控制）
比例控制的特點是控制器的輸出與偏差成比例，輸出量的大小與偏差之間有對應關係。當負荷變化時，抗干擾能力強，過渡時間短，但過程終了存在餘差。因此它適用於控制通道滯後較小、負荷變化不大、允許被控量在一定範圍內變化的系統。
使用時還應注意經過一段時間後需將累積誤差消除。
a.比例積分控制（pi控制）
由於比例積分控制的特點是控制器的輸出與偏差的積分成比例，積分的作用使得過渡過程結束時無餘差，但系統的穩定性降低。雖然加大比例度可以使穩定性提高，但又使過渡時間加長。因此，pi控制適用於滯後較小、負荷變化不大、被控量不允許有餘差的控制系統，它是工程上使用最多、應用最廣的一種控制方法。
b.比例積分加微分控制（pid控制）
比例積分加微分控制的特點是微分的作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成正比例,它對克服物件的容量滯後有顯著的效果。在比例基礎上加上微分作用，使穩定性提高，再加上積分作用，可以消除餘差。因此，pid控制適用於負荷變化大、容量滯後較大、控制品質要求又很高的控制系統。
結合本例題設計任務與要求，由於水溫系統的傳遞函式事先難以精確獲得，因而很難判斷哪一種控制方法能夠滿足系統對控制品質的要求。但從以上對控制方法的分析來看，pid控制方法最適合本例採用。另一方面，由於可以採用微控制器實現控制過程，無論採用上述哪一種控制方法都不會增加系統硬體成本，而只需對軟體作相應改變即可實現不同的控制方案。
因此本系統可以採用pid的控制方式，以最大限度地滿足系統對諸如控制精度、調節時間和超調量等控制品質的要求。
2.3系統組成
就控制器本身而言，控制電路可以採用急經典控制理論和常規模擬控制系統實現水溫的自動團結。但隨著計算機與超大規模積體電路的迅速發展，以現代控制理論和計算機為基礎，採用數字控制、顯示、a/d與d/a轉換，配額後執行器與控制閥構成的計算機控制系統，在過程控制過程中得到越來越廣泛的應用。
由於本例是乙個典型的檢測、控制型應用系統，它要求系統完成從水溫檢測、訊號處理、輸入、運算到輸出控制電爐加熱功率以實現水溫控制的全過程。因此，應以單片微型計算機為核心組成乙個專用計算機應用系統，以滿足檢測、控制應用型別的功能要求。另外，微控制器的使用也為實現水溫的智慧型化控制以及提供完善的人機互動介面及多機通訊介面提供了可能，而這些功能在常規數字邏輯道路中往往是難以實現或無法實現的。
所以，本例採用以微控制器為核心的直接數字控制系統（ddc）。
2.4硬體方案論證
系統的硬體接el電路包括：控制器實時時鐘介面電路、蓄水箱溫度和水位檢測介面電路、設定鍵和序列顯示介面電路、看門狗和復位接el電路以及繼電器輸出介面電路等。
方案一：
8031晶元內部無rom，需要外擴程式儲存器,由此造成電路焊接的困難，況且使用8031還需要另外購買其他的晶元，如a/d轉換及定時/計數器（pwm）等晶元，從而造成成本較高，價效比低。
方案二：
89c51晶元內部有rom，且片內rom全部採用flashrom，它能於3v的超低壓工作，與mcs-51系列微控制器完全相容，但是其不具備isp**程式設計技術，需把程式編寫好以後再放到程式設計器中燒寫，才可以進行硬體電路的除錯，倘若程式編寫出現問題，除錯電路就比較麻煩，而且其晶元記憶體也只有4kb。
方案三：
at89c2051、at89c51微控制器是最常用的微控制器，是一種低損耗、高效能、cmos八位微處理器。at89c2051與mcs-51系列的微控制器在指令系統和引腳上完全相容，而且能使系統具有許多mcs-51系列產品沒有的功能，功能強、靈活性高而且**低廉。at89s51可構成真正的微控制器最小應用系統，縮小系統體積，增加系統的可靠性，降低了系統成本。
只要程式長度小於4k，四個i/o口全部提供給擁護。系統執行中需要存放的中間變數較少，可不必再擴充外部ram。
經比較應採用此方案。
2.5溫度測量模組選擇
方案一：用熱敏電阻：通過電阻的變化來獲得電壓的變化，起**雖然便宜但是精度不是很高。對於乙個精度要求高的系統不宜採用。
方案二：用a/d590：通過ad590溫度感測器採集溫度，由於ad590是電流感測器，經過電阻轉換為電壓。雖然**較高但是精度高。
經比較，我們選擇方案二
3.硬體電路設計
系統硬體電路分為控制電路,溫度測量和液晶顯示電路等。鍵盤和水量檔位裝置的基本結構由以下幾個部分組成（如圖2所示）：
圖2系統硬體模組
3.1 微控制器控制部分
微控制器是整個讀寫裝置的核心部分，主要負責資料處理，它不僅要控制射頻讀卡處理模組完成對射頻識別卡的讀寫，還要負責通過串列埠介面與上位機或其他應用系統進行通訊以及鍵盤、顯示模組等其他外部模組的控制。本文設計的讀寫器系統的微控制器採用的是at89s52。
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