水温监控及水位报警系统大赛论文.doc

水温监控及水位越线报警系统（本科E题）

摘 要：该设计为以单片机为核心，设计一个水温控制及水位越限报警系统。水温可以在一定范围（40~90℃）内由人工设定，并能在环境温度变化时实现自动调整，以保持设定温度基本不变。控制方法采用了基于能量控制观点、具有模糊控制思想的控制，使系统可以通过简便的控制就能做到恒温、精度高(静态误差＜0.5℃)得要求，而且参数对系统的依赖性弱，参数调整方便。水位能被控制在一定的范围内，并能通过上下限进行报警及放水和进水。此外，本系统还可以通过PC机进行温度监控和水位报警。

关键词：单片机 模糊自动控制 PID算法 上位机

第一章 系统设计和结构原理
1.1 本系统设计要求与实现的功能
一、任务
设计并制作一个水温监控系统，控制对象为不小于1升净水，容器为带进和出水口的搪瓷器皿或其它有一定隔热功能的容器。水温可以在一定范围内由人工设定，由自制控制器通过注入冷水和电热器加热进行自动控制，以保持设定的温度基本不变，并能实时显示温度；为防止容器中的水烧干或溢出，需要有水位过低或超高报警功能。
二、要求
1．基本要求
（1）温度设定范围为40～90℃，最小区分度为1℃，标定温度≤1℃。
（2）受环境缓变的干扰影响（例如人工加入热水升温，用电风扇或人工加入冷水降温）温度控制的静态误差≤1℃，温度调节时间不大于1min/10℃。
（3）能够显示水的实际温度。
（4）当容器内水位小于所设定的下限或高于所设定的上限时，监控装置会发出报警，并停止放水或进水。
2．发挥部分
（1）采用适当的控制方法，当设定温度突变（大于20℃）时，系统的调节时间不大于30s/10℃和超调量不大于5℃。
（2）温度控制的静态误差≤0.2℃。
（3）可以通过上位PC机进行温度监控，如设定、显示温度及其变化曲线和水位报警。

1.2 设计思路

温度传感器
DS18B20
+水位检测电路
键盘
控制与设值

加热/散热
（开关）
LCD液晶显示+蜂鸣报警

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单片机

图 1.1水温控制系统图
该水温控制系统主要由单片机控制系统主模块、温度采样模块（数字温度传感器采样电路）、自动控制模块（单片机控制继电器电路）、液位检测模块、键盘显示模块等四部分组成，其总体设计框图如上图所示。

1.2 系统组成及原理
经过方案比较与论证，最终确定的系统组成方框图1.2水温控制系统组成框图所示。

AT59S52单片机

加热控制电路
220V热得快加热。
降温控制电路
12V风扇散热。
DS18B20不锈钢温度传感器

1L
水
容器

1602LCD液晶显示；4X4键盘设置；

蜂鸣器报警；

图 1.2水温控制系统组成框图

AT59S52单片机

最高液位检测电路
加水系统。
最低液位检测
放水系统。
浮片检测高低导通

1L
水
容器

蜂鸣报警；

1.3水位越限报警系统组成框图
本控制系统主要完成水温数据采集、温度设置、水温显示和水温控制等功能。其中智能模糊控制由单片机完成，并采用规则自整定PID控制算法进行过程控制。整个系统的核心是模糊控制器，AT89S52单片机是控制器的主体模块。DS18B20传感器输出的温度信号经水温采样系统进入单片机，且4X4设置按键可将设定温度送入单片机，单片机再根据设定温度的输入，并通过模糊控制算法计算控制量，然后将输出控制信号通过继电器开关控制加热和散热系统。同时利用水的浮力来检测水位，及时控制水的温度上升和下降。

第二章 单元电路设计
2.1 相关元器件的选择
2.2.1 数字化温度传感器DS18B20
本设计采用温度芯片DS18B20。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。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰强、易配微处理器等优点，特别适合构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号进行处理.
一、DS18B20的主要特性
1、适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
2、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
3、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
4、温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为0.5℃。
5、可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。
6、在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。
7、测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

2.2.2 强电控制开关选择
1．HRS4H-S-DC5V继电器（控制大功率220V交流电器工作）
2. HRS1H-S-DC5V继电器（控制小功率直流电器，例如散热风扇）

2.2.3 其他器件
1、热得快；（电炉）；
2、风扇；
3、抽水器和水阀；

2.3 系统单元电路设计

2.3.1最小水温+LCD12864系统板

图2-3.1  AT89S52单片机与DS18B20原理图

2.3.2强电控制模块

图2-3.1  单片机控制220V强电电器原理图

2.3.3 水位检测模块

图2-3.3水位检测原理图

2.3.4 系统4X4控制按键单元电路设计

第三章 系统软件设计

3.1.1 水温监控系统主程序流程图
开始
初始化LCD12364,AT89S52,DS18B20
抽样，待机
读入预设温度值FF

DS18B20转换结果送入PID单元
PID计算
Pout>1
降温

加热
Pout<-1
-1<=Pout<=1
关闭热得快和风扇
Y
Y
N
N
N

3.1.2 水位越限报警系统主程序流程图
开始
初始化LCD12364,AT89S52
取信号，待机
读入上下水位IO口收发导通信号

将信号送入选择单元
状态判断
Pout>1
放水

加水
Pout<-1
-1<=Pout<=1
关闭水阀，保持水位
Y
Y
N
N
N

第四章 水温自动控制的PID算法研究与设计

4.1 PID算法介绍
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为Proportional比例、Integral积分、Derivative微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的

比例（P）控制 :比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

积分（I）控制 : 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。

微分（D）控制 :在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

模糊控制比传统的PID等控制方法，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外国已是很普遍的现象。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水温控制系统，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。

4.2 水温PID模糊数据的MATLAB仿真设计
模糊PID参数选定:
通过对水温控制系统的多次实际加热/减温的测量结果看到，本控制系统是一个非线性系统，但在一段区域里仍然可以视为线性，所以通过观察测量数据和多次模拟结果，最后确定把PID参数分为五个模糊子集，通过测量得到的当前温度T,在子集中找到对应温度的PID参数,代入PID增量式运算:

PID系数
水温范围
Kp
Ki
Kd
T<=60:
60
7
-20
60<T<=70:
50
7
-10
70<T<=80:
25
6
-10
80<T<=90:
5
6
-5

第五章 系统测试实验

5.1 测试环境与相关检测仪器
测试地点：梧州学院电磁学实验室；
装水容器：不锈钢锅（1.6L）；
环境室温：25~31℃；
测试水温：22~24℃；
铺助水温检测仪器：胜利VC890C+万用表（含有温度检测功能）；

5.2 水温自动控制的工作稳定度的测试

随机抽样测试结果(单位：/℃)
起始温度
设定温度
到达设定温度时间（秒）
超调量
静态误差
35.4
40.0
78
+2
0.8
43.5
53.0
48
+2.4
0.9
57.3
67.0
46
+1.9
0.7
69.3
79.0
48
+1.9
0.5
81.8
90.0
30
+1.4
0.4
40.5
50.0
55
+2.1
0.8
52.3
62.0
50
+1.6
0.5
73.2
84.0
43
+1.4
0.4
36.8
47.0
69
+1.9
0.9
49.1
59.0
52
+1.5
0.7
62.5
73.0
55
+1.7
0.4
74.2
84.0
44
+1.3
0.3
38.1
49.0
79
+2.1
0.9
51.0
61.0
58
+1.3
0.8
65.7
76.0
49
+1.2
0.6
77.2
88.0
41
+1.2
0.4

第六章 结束语
这次大赛设计使用AT89S52单片机和DS18B20等数字化自动程度高的器件，在外围电路中加入……。
通过此次参加广西取电子设计大赛，了解进行一项相对比较大型的科技设计所必不可少的几个阶段。毕业设计能够从理论设计和工程实践相结合、巩固基础知识与培养创新意识相结合、个人作用和集体协作相结合等方面全面的培养学生的全面素质。我们经过这次系统的竞赛设计，熟悉了对一项课题进行研究、设计和实验的详细过程。这些在我们在将来的工作和学习当中都会有很大的帮助。

6.1 自我评定与改进
在此次的电子设计大赛预选中。也暴露了很多关于自身学习的问题。例如：知识方面：很多专业知识有所欠缺，许多模拟电路的基础知识不扎实；还有在电子制作时，不太注意制作成本的问题……还有很多制作的不足和程序的不完善，但毕竟是我们第一次的电子制作，以后我们会更加努力学习专业知识和巩固基础，完善自身，为学院争光！

6.2 谢辞
本广西电子设计预选赛。在此次比赛过程中，遇到有关单片机与上位机（PC机）通信的技术壁垒，，遇到了不小的挫折；后在请教指导老师何高明，发现了自身的知识面的不足与许多细节问题，不足并完善了许多高级语言编程问题。还有很多像韦宁、蓝伟斌，邹木春等老师的指导帮助下，最后我们终于攻克了难题！
指导老师以渊博的知识、丰厚的经脸和时时鼓励我们，老师产谨的教学态度和科研精神令我们敬佩;老师的和蔼可亲、精益求精、平易近人让我们领略了为人师表的崇高;老师的正直、坦率让我懂得了如何为人处事。在此，我们组向指导老师致以最诚挚的敬意和衷心的感谢。我们还要感谢电子设计大赛过程中所有我们真诚帮助的老师和同学，及学院对我们的大力支持。

参考文献：
[1] 戴 佳.51单片机C语言应用程序设计.北京：电子工业出版社，2007.11
[2] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程. 北京：电子工业出版社，2005.11
[3] HRS4H继电器 使用手册.PDF 中国, 2000.9
[4] LCD12854液晶 数据手册.PDF 中国, 2002.9
[5] DS18b20传感器 数据手册.PDF 美国: Analog Dallas, 2003.8

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