基于温度传感器的水温控制系统的设计 - 图文

学号：2013*****

传感器原理及工程应用

课程报告

学 院 物理电子工程学院 专 业 应用物理 年 级 2013级 姓 名 余梦婷

论文题目 基于温度传感器的水温控制系统设计

2016年12月26日

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基于温度传感器的水温控制系统的设计

摘要：温度是工业控制对象主要被控参数之一，在温度控制中，由于受到温度被控对象特性（如惯性大、滞后大、非线性等）的影响，使得控制性能难以提高，有些工艺过程其温度控制的好坏直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度传感器系统是非常有价值的。为了实现高精度的水温测量和控制，本课题介绍了一种以Atmel公司的低功耗高性能CMOS单片机为核心，以PID算法控制以及PID参数整定相结合的控制方法来实现的水温控制系统，其硬件电路还包括温度采集、温度控制、温度显示、键盘输入以及RS232接口等电路。该系统可实现对温度的测量，并能根据设定值对温度进行调节，实现控温的目的。

【关键词】单片机AT89C51；温度控制；温度传感器PT1000；PID调节算法

第一章 前言

1.1 课题背景与意义

温度是表征物体冷热程度的一个物理量，对许多生产过程都具有重要意义，是生产 生活中非常重要的参数，它对作物的生长，商品的保存，家禽孵化及许多科学实验过程 都会产生重要的影响，温度传感器系统的设计是许多生产过程不可缺少的技术手段。 在现代化的工业生产中，温度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，人们都需要对各类加 热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用MCS-51单片机来对温 度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被 控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。目前，温度传感器系统在国 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传感器来讲，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。现在， 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。随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其 在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技 术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大以及本身的指令系统等诸 多优势，在各个领域、各个行业应用广泛。

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1.2 温度传感器系统的应用

盐浴炉温度传感器系统利用S型铂铑-铑热电偶检测温度，热电偶进行冷端补偿， 热电偶检测的信号通过放大、采样保持、模数转换再送单片机保存，采用分段查表法获 取各点温度。选用可控硅过零触发自动控制盐浴炉温度，控制周期为100个三相交流市 电周期，即2s。由单片机控制可按预设温度曲线进行加热，并可实时显示加温曲线。大 型粮库采用主机为PC上位机，从机为68HC08GP32为主控芯片的分机（下位机）。下 位机采用DALLAS的数字式温度传感器芯片DS1820，可以在三根线（电源线、地线信号线）上同时并联多个温度探测点。每个分机上可以连接10跟电缆，每根电缆上可 并联几十个点。分机利用了68HC08GP32的片内FLASH功能，实现了DS1820的序列 号在68HC08GP32中的动态存取，从而节省了大量存储器。温度数据保存在68HC08GP32 的片内RAM里并且利用了充分利用了68HC08GP32的片内的A/D实现了湿度数据的测 量，有的还用PLC来控制。总之温度传感器系统的控制方式是多种多样的。 1.3 课题设计任务

本文主要介绍单片机温度控制系统的设计过程，其中涉及系统结构设计、元器件的 选取和控制算法的选择、程序的调试和系统参数的整定。以AT89C51为CPU，温度信 号由PT1000和电压放大电路提供。电压放大电路用超低温漂移高精度运算放大器OP07 将温度--电压信号进行放大，用单片机控制SSR固态继电器的通断时间以控制水温，系 统控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在环境温度降低时实现自动控制， 以保持设定的温度基本不变，具有较好的快速性与较小的超调。

第二章 系统方案

2.1 温度传感器系统设计任务和要求

设计一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，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，系统设计具 体要求： 温度设定范围为40℃，目标温度的±5℃； 加热棒功率2KW，控制器为继电 器； 用十进制数码管显示水的实际温度。 2.2 水温控制系统部分

水温控制系统是一个过程控制系统，组成框图如图1所示，由控制器、执行器、被 控对象其反馈作用的测量变送组成。测变量是通过温度传感器Pt1000来传送的，控制 器是通过单片机来完成。

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图1 控制系统框图 2.2.1 CPU中央处理器

方案一：采用8031作为控制核心，使用最为普遍的器件ADC0804作模数转换，控 制上使用对加热棒加电对水槽里的水升温。此方案简易可行，器件价格便宜，但8031 内部没有程序存储器需扩展，增加了电路的复杂性。

方案二：此方案采用8951单片机实现，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。 进行数据转换，控制电路部分采用SSR固态继电器控制加热棒的通断，此方案电路简单 并且可以满足题目中的各项要求的精度。

比较两个方案可知，采用Atmel单片机来实现本题目，不管是从结构上，还是从工 作量上都占有很大的优势，所以最后决定使用AT89C51作为该控制系统的核心。根据温度变化慢，并且控制精度不易掌握的特点，设计了水箱温度自动控制系统，总体框图 如图2所示。温度控制采用改进的PID数字控制算法，显 示采用用3位LED静态显示。

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(2) 温度控制系统算法分析

图2 控制器设计总体框图

系统算法控制采用工业上常用的位置型PID数字控制，并且结合特定的系统加以算 法的改进，形成了变速积分PID—积分分离PID控制相结合的自动识别的控制算法。该 方法不仅大大减小了超调量，而且有效地克服了积分饱和的影响，使控制精度大大提高。 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。PID调 节器有三个可设定参数，即比例放大系数pK、积分时间常数iK、微分时间常数dK。比 例调节的作用是使调节过程趋于稳定，但会产生稳态误差；积分作用可消除被调量的稳 态误差，但可能会使系统振荡，甚至使系统不稳定； 微分作用能有效的减小动态偏差， 如图3所示。

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