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前言温度是一种最基本的环境参数,日常生活和工农业生产中经常要检测温度。
传统的方式是采用热电偶或热电阻，但是由于模拟温度传感器输出为模拟信号，必须经过AD 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,制作成本较高。
近年来，美国DALLAS公司生产的DSI18B20为代表的新型单总线数字式温度传感器以其突出优点广泛使用于仓储管理、工农业生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中。
随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益繁多，数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。
其中，比较有代表性的数字温度传感器有DS1820、MAX6575、DS1722、MAX6635等。
智能温度传感器(亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE_）的结晶。
目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）,并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平。
为了准确获取现场的温度和方便现场控制，本系统采用了软硬件结合的方式进行设计，利用LED数码管显示温度，利用DS18B20检测当前的温度值，通过和设定的参数进行比较，若实测温度高于设定温度，则通过555定时器产生频率可变的报警信号，若实测温度低于设定温度，则加热电路自动启动，到达设定温度后停止。
在软件部分，主要是设计系统的控制流程和实现过程，以及各个芯片的底层驱动设计已达到所要求的功能。
温控系统设计摘要：温度是工业控制的主要被控参数之一。
可是由于温度自身的一些特点，如惯性大，滞后现象严重，难以建立精确的数学模型等，给控制过程带来了难题。
本文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。
PID控制是当今最通用的控制方法，大多数反馈回路采用该方法来进行控制。
PID控制器（亦称调节器）及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器。
在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的设计过程。
随着计算机技术的迅速发展，对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。
本设计就是借助MATLAB软件，主要运用Relay-feedback法，线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法，设计一个温控系统的PID控制器，并通过SIMULINK进行系统仿真，观察系统完善后在阶跃信号输入下的输出波形。
关键词： PID控制器；PID参数整定； MATLAB；SIMULINK第一章引言1.1 课题背景及意义在现实的控制系统中，任何闭环的控制系统都有它固有的特性，可以采用很多种数学形式来描述它，比如微分方程、传递函数、方块图、状态空间方程等等。
如果对系统不做任何的优化改造，系统很难达到最佳的控制效果，比如快速性要求、稳定性要求及准确性要求等[1]。
为了达到最佳的控制效果，我们通常会在闭环系统的中间加入PID控制器并通过调整PID 参数来改造系统的结构特性，使其达到理想的控制效果。
而在人们的日常生活，工业制造，制冷等领域，温度作为一种环境的重要因素，被人们广泛的作为参数来使用，从来保证各项工作有条不紊的进行，通过温度控制系统我们可以实现对温度的控制与调节，有着重大的应用意义，比如说粮仓的温度控制，恒温箱，火灾报警，冷库温度的调节等等。
所以说温度控制系统无论在我们的日常生活，还是工业制造与生产中都起着不可或缺的作用，因此做好对温控系统的研究对我们来说意义是重大的。
因此本设计针对温度设计了一个PID控制系统，并且通过调整PID参数来获得较理想的控制效果。
目录第一章设计背景及设计意义 (2)第二章系统方案设计 (3)第三章硬件 (5)3.1 温度检测和变送器 (5)3.2 温度控制电路 (6)3.3 A/D转换电路 (7)3.4 报警电路 (8)3.5 看门狗电路 (8)3.6 显示电路 (10)3.7 电源电路 (12)第四章软件设计 (14)4.1软件实现方法 (14)4.2总体程序流程图 (15)4.3程序清单 (19)第五章设计感想 (29)第六章参考文献 (30)第七章附录 (31)7.1硬件清单 (31)7.2硬件布线图 (31)第一章设计背景及研究意义机械制造行业中，用于金属热处理的加热炉，需要消耗大量的电能，而且温度控制是纯滞后的一阶惯性环节。
现有企业多采用常规仪表加接触器的断续控制，随着科技进步和生产的发展，这类设备对温度的控制要求越来越高，除控温精度外，对温度上升速度及下降速度也提出了可控要求，显而易见常规控制难于满足这些工艺要求。
随着微电子技术及电力电子技术的发展，采用功能强、体积小、价格低的智能化温度控制装置控制加热炉已成为现实。
自动控制系统在各个领域尤其是工业领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。
在现代化的工业生产中，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。
对工件的处理温度要求严格控制，计算机温度控制系统使温度控制指标得到了大幅度提高。
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。
因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。
水温控制系统摘要：本系统以MSP430F149超低功耗MCU为核心,以DS18B20为温度传感器进行温度检测，采用电热棒进行加热。
该控制系统可根据设定的温度，通过PID算法调节和控制PWM波的输出，控制电磁继电器的通断时间从而控制水温的自动调节。
该系统主要包括MSP430F149单片机控制器模块、DS18B20测温模块、键盘模块、继电器控制模块及LCD12864液晶显示模块等构成。
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。
关键词：MSP430 DS18B20 PID算法PWM LCD12864目录一、任务及要求 (1)1.1设计任务 (1)1.2要求 (1)1.2.1基本要求 (1)1.2.2发挥部分 (1)二、方案设计与论证 (2)2.1 温度检测电路方案选择 (2)2.2显示电路的方案选择 (2)2.3加热和控制方案选择 (2)2.4控制算法选择与论证 (3)三、系统硬件电路设计 (3)3.1系统结构框图 (3)3.2控制器模块 (3)3.3温度检测电路设计 (4)3.4加热控制电路设计 (5)3.5键盘及显示电路设计 (5)3.6电源电路设计 (6)四、软件设计 (6)4.1 PID算法设计 (6)4.2程序流程图 (8)4.2.1主程序框图 (8)4.2.2 LCD12864程序流程图 (9)4.2.3 PID程序流程图 (10)4.2.4 DS18B20水温检测程序流程图 (11)五、系统测试及分析 (12)5.1系统调试 (12)5.1.1控制模块的调试 (12)5.1.2 温度检测模块 (12)5.1.3 继电器的检测 (12)5.2测试结果及分析 (12)5.2.1测试仪器 (12)5.2.2测试方法 (13)5.2.3测试结果 (13)六、设计总结 (14)七、附录 (15)附录1 仪表器件清单 (15)附录2 水温控制系统原理图 (16)附录3 程序设计 (17)一、任务及要求1.1设计任务该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算输出控制加热装置以实现水温控制的全过程。
水温控制电路课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解并掌握水温控制电路的基本原理，包括温度传感器、比较器、继电器等元件的工作原理及相互关系。
2. 学生能够运用所学的电路知识，分析并设计简单的水温控制电路。
3. 学生了解并掌握水温控制电路在实际应用中的注意事项及安全操作要求。
技能目标：1. 学生能够正确使用万用表、示波器等工具，进行水温控制电路的搭建、调试和故障排查。
2. 学生通过实际操作，提高动手能力和团队协作能力，培养工程实践思维。
情感态度价值观目标：1. 学生在学习过程中，培养对电子技术的兴趣，增强探索精神和创新意识。
2. 学生能够关注水温控制电路在生活中的应用，认识到科技与生活的紧密联系，提高社会责任感和环保意识。
3. 学生通过课程学习，树立正确的价值观，认识到知识的力量，激发学习的内驱力。
课程性质：本课程属于电子技术实践课程，以理论为基础，实践为核心，注重培养学生的动手能力和创新能力。
学生特点：本课程针对初中年级学生，他们对电子技术有一定的好奇心，但知识水平和实践经验有限。
教学要求：结合学生特点，课程设计应注重理论联系实际，循序渐进，注重启发式教学，引导学生主动探究和实践。
通过课程学习，使学生达到上述课程目标，为后续相关课程打下坚实基础。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 水温控制电路原理介绍：- 温度传感器工作原理及其选用- 比较器的作用和种类- 继电器的工作原理和应用2. 水温控制电路设计与搭建：- 电路图设计方法- 元器件选型和参数计算- 电路搭建与调试3. 水温控制电路实际应用案例分析：- 家用热水器水温控制电路分析- 工业设备中水温控制电路应用案例4. 安全操作与注意事项：- 电路搭建过程中的安全常识- 常见故障分析与排查方法教学大纲安排如下：第一课时：水温控制电路原理介绍1.1 温度传感器工作原理及其选用1.2 比较器的作用和种类1.3 继电器的工作原理和应用第二课时：水温控制电路设计与搭建2.1 电路图设计方法2.2 元器件选型和参数计算2.3 电路搭建与调试第三课时：水温控制电路实际应用案例分析3.1 家用热水器水温控制电路分析3.2 工业设备中水温控制电路应用案例第四课时：安全操作与注意事项4.1 电路搭建过程中的安全常识4.2 常见故障分析与排查方法教学内容与课本紧密关联，按照教学大纲逐步推进，确保学生能够掌握水温控制电路的相关知识和技能。
基于PLC实现的水温控制XXX（陕西理工学院电气工程系自动化专业，2007级2班，陕西汉中723003）指导教师：XXX[摘要]针对工农业生产中现有的水温控制系统可靠性低、控制精度差、成本高等缺点。
我们利用三菱FX0N60-MR型PLC构建了一个水温控制系统对这一问题进行了研究。
在整个控制系统中以电阻炉作为被控对象，以水温为被控变量，以三菱FX0N60-MR型PLC为控制器，输入部分外加光电耦合器，并用按键和数码管构建了人机接口设置目标温度；控制算法的选择经过对模糊控制和PID算法的实验对比，最终选择采用PID。
PLC程序利用梯形图编程语言进行编写。
在系统搭建完成后我们利用试凑法，通过大量实验对PID控制器的参数进行了优化，进过测试系统能够达到设计要求。
除此之外该系统还具有硬件结构简单、系统可靠性高、制作成本低廉、控制器参数易于调试等优点。
能够利用小型PLC实现对水温较高精度的控制。
[关键词]PLC 温度控制PIDPLC-based temperature control to achieveLiao zhong lin(Grade 07,Class2,Major Automation，Department of Electrical Engineering，Shaanxi University ofTechnology，Hanzhong 723003，Shaanxi)Tutor: Liu pei[Abstract] According to the existing water temperature in the industry and agriculture production control system reliability, low cost, high control precision poor shortcomings. We use mitsubishi FX0N60-MR type PLC has constructed a water temperature control system for this problem is studied. In the whole control system to resistance furnace as controlled object to water temperature as controlled variables, the mitsubishi FX0N60-MR type PLC as the controller, input part plus photoelectric couplers, buttons and digital tube and constructing the man-machine interface set target temperature; The choice of control algorithm based on fuzzy control and PID algorithm experimental, finally choosing PID. PLC program use ladder diagram programming language to write. After the completion of the structures in the system we use trail-and-error, through a large number of experiments of PID controller parameters are optimized, the test system can meet the design requirements. Besides this system also has the hardware structure is simple, system reliability high, production cost is low, and the controller parameters is easy to debug, etc. Can use small PLC to control the water temperature higher accuracy.[Key words] PLC temperature control PID目录绪论 (1)1．设计方案的论证 (2)1.1PLC的选型 (2)1.1.1常用PLC的特点比较 (2)1.1.2本设计PLC的选型 (3)1.2控制方案的选择 (3)1.2.1采用模糊控制的温度控制 (3)1.2.2采用PID算法的温度控制 (3)1.2.3 控制方案的选择 (4)2．硬件电路的设计 (5)2.1PLC硬件资源分配设计 (5)2.2温度传感器 (8)2.2.1 利用温度变送器采集 (8)2.2.2 利用DS18B20采集 (8)2.3输入部分电路设计 (10)2.3.1 设置输入部分电路设计 (10)2.3.2 AD转换结果输入部分电路设计 (10)2.4输出部分电路设计 (10)3．系统软件的设计 (13)3.1PLC编程语言简介 (13)3.2输入部分程序设计 (15)3.3显示部分程序 (15)3.4PID运算部分程序设计 (15)4．系统的调试 (19)4.1硬件调试 (19)4.2软件调试 (19)4.1软硬件联合调试 (19)4.3实验数据 (19)参考文献 (20)英语科技文献翻译 (21)附录 (34)附录A：源程序 (34)附录B：元器件清单 (37)附录C：电路总图 (38)附录D：实物图 (39)致谢 (40)绪论温度控制系统在各行各业的应用虽然很广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高。
摘要本例是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出、控制电炉加热以实现水温控制的全过程。
因此，应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。
本设计采用80C51单片机通过对前向通道的分析，控制电路的加热过程，该过程用到AD590温度传感器，通过8279可编程的键盘显示接口芯片来设定温度范围，由LED显示控制温度，到达所设定的温度后由蜂鸣器和报警灯发出警报信号。
本设计采用的是以单片机为核心的直接数字控制系统（DDC）。
关键字：水温；控制；单片机；8051；AD590 ；8279；ADC0809SummaryA whole process for is a typical examination, control type applying system, it requesting system completing from the water temperature examining, signal handles, input, carries calculating exportation, control electric stove heating to realizing water temperature controling.Therefore, at the request of regard single a microcomputer as the core constitute an appropriation calculator application system, to satisfy examination, control application the function of the type.This design adopts an analysis for the single a machine passes to ex-ly facing the passage, the heating process of the control electric circuit, that process uses to spreads to feel to the temperature of AD590 machine, pass 8279 programmable keyboard manifestations connect a temperature for setting up temperature scope, from LED manifestation control temperature, arriving setting up empress from the machine of 蜂鸣 with report to the police thelight send out the alert signal.This design adoption of regard single a machine as the direct arithmetic figure control system of the core.( DDC)Key word:Water temperature;Control;Single amachine;8051;AD590;8279;ADC0809目录摘要 (3)1、绪论........................................................... (3)2、设计任务与要求 (3)2.1、基本要求 (3)2.2、主要性能指标 (3)2.3、创新部分 (4)3、方案比较 (4)3.1、比例控制（P控制） (4)3.2、比例积分控制（PI控制） (4)3.3、比例积分加微分控制（PID）控制 (4)4、系统设计 (5)4.1、单片机系统 (5)4.2、前向通道 (5)4.3、后向通道 (5)4.4、人机对话通道 (5)4.5、远程通讯 (6)5、硬件开发 (6)5.1、系统配置与接口扩展 (6)5.2、本设计所用的主要的芯片和器件 (10)6、软件开发、划分程序模块、编写程序流程图 (18)6.1、主程序 (18)6.2、键盘输入中断服务程序 (18)6.3、修改PID参数子程序 (18)6.4、设定温度子程序 (19)6.5、运行子程序 (19)6.6、定时中断服务程序 (19)6.7、连机调试 (19)7、心得体会 (20)8、参考文献 (20)附录：水温控制系统原理总图1、绪论普通热水器的加热常常需要较长的时间。
该作品设计有远程通讯的能力，可实现远程的控制与检测。
利用此项功能人们在下班回家之前，便可进行洗浴用水的提前加热，回到家即可洗上舒服的热水澡。
避免了长时间的等待。
如果长时间不用水，恰巧本人又不在家，可利用此远程通讯的功能通过因特网、手机短信和移动／固定电话等网络，在任何时间、任何地点远程操作家里的热水器，实现远程关断，以达到科学合理用电，节约能源的目的。
另外，该作品还具有随环境温度变化，能自动的进行水温调整的功能，使水温能长时间保持一定的稳定性。
满足了人们日常生活和生产过程中对水温的特定要求。
总之，该产品既能有助于人们生活和生产条件的改善，又能有效的节约电能，也迎合了建设节约型社会的要求，有着良好的市场前景。
2、设计任务与要求2.1、基本要求一升水由1KW的电热炉加热，要求水温可以人为设定,并能够自动保持设定温度。
2.2、主要性能指标2.2.1温度设定范围：0℃～100℃。
2.2.2控制精度：0.1℃。
2.2.3良好的人机交互界面：用十进制数码管显示实际温度，键盘设定要求的温度值，声光报警系统。
2.2.4良好的通讯能力,可接受其他数据设备发来的命令以实现远程控制，或将结果传送到其它数据设备。
3、方案比较由于水温控制系统的对象具有热储存能力大，惯性也较大的特点，水在容器内的流动或传送都存在一定的阻力，因而可以将它归于具有纯滞后的一阶大惯性环节，所以它对任何信号的响应都会延迟一些时间，故可采用以下方案控制：3.1、比例控制（P控制）比例控制的特点是控制器的输出与偏差成比例，输出量的大小与偏差之间有对应关系。
当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡过程时间短，但过程终了存在余差。
因此它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统。
应用时还应注意经过一段时间后需将累积误差消除。
3.2、比例积分控制（PI控制）由于比例积分控制的特点是控制器的输出与偏差的积分成比例，积分的作用使过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。
虽然加大比例度可使稳定性提高，但又使过渡过程时间加长。
因此，PI控制适用于滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统，它是工程上应用最广泛的一种控制方法。
3.3、比例积分加微分控制（PID）控制比例积分加微分控制的特点是微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成例，它对克服对象的惯性有显著的效果。
在比例基础上加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差。
因此，PID 控制适用于负荷变化大、惯性较大、控制品质要求又很高的控制系统。
在PID三种作用中，微分作用主要用来减少超调，克服震荡，使系统趋向稳定，加快系统的动作速度，减少超调时间，用来改善系统的动态特性；积分作用主要用来消除静差，改善系统的静态特性；比列作用可对偏差做出及时响应。
若能将三种作用的强度配合适当，可以使控制器快速，平稳，准确，从而获得满意的控制效果。
但实际PID在控温中，只能精确的控制一个温度点，它克服了传统控温中的热惯性问题，有效的解决了系统温度的在控温点的温度的漂移。
对于复杂的系统，要求系统温度可设定，设定温度范围较大，控温精度较高的条件下。
有效的解决一上问题还有一定的难度。
也就是说单只用PID调节，在可设定的系统中，PID只解决了控温中的热惯性问题，没有解决掉准确性的问题，为了提高准确性，必须在系统中添加不同的补充参数，补充参数要与系统可设定的参数有一定关系，实际编程中，如果温度点超过200点，可采用查表的补偿方式，超过两百，就需要分段查表，当然还有更好的办法，如果系统的工作环境温度变化较大，引起系统散热性异同，就需要进行温度补偿。
4、系统设计根据系统总体方案，系统由4个主要功能模块组成，总体框图如图4.1所示。
4.1、单片机系统单片机系统是整个控制系统的核心，它完成整个系统的信息处理及协调控制功能，由于系统对控制速度、精度及功能要求都无特别之处，因此可选用目前广泛使用MCS-51系列单片80C51。
80C51可以提供系统控制所需的中断、定时及存放中间运算结果的RAM电路，因此单片机基本系统中还有复位电路和晶振电路。
4.2、前向通道前向通道是信息采集的通道，主要包括传感器、信号放大、A/D转换等电路。
由于水温变化是一个相对缓慢的过程，因此前向通道中没有使用采样保持电路。
另外，信号的滤波可由软件实现，以简化硬件、降低硬件成本。
4.3、后向通道后向通道是用以实现控制信号输出的通道，单片机系统产生的控制信号经功率放大电路控制电热炉的输入功率，以实现控制水温的目的。
4.4、人机对话通道人机对话通道主要由键盘、LED显示、报警灯和蜂鸣器组成。
为了完成设定水温、修改PID运算参数和报警等功能，键盘可由10个数字键及6个功能键组成。
LED显示由3位数码管组成，分别显示给定温度和实测温度，显示范围为0.0℃～99.9℃。
4.5、远程通讯为了使系统能够实现远程显示和控制。
我们采用串行通讯的方式，并通过RS-232接口线路与微机系统进行连接，以实现远程通讯的任务。
5、硬件开发5.1、系统配置与接口扩展5.1.1单片机基本系统单片机基本系统以MCS-51系列单片机80C51为核心，它的好处在于不需要扩展内存，可以减少连线的麻烦。
(80C51的简介)5.1.2前向通道部分（1）温度传感器根据本设计的要求，我们选用美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源—AD590。
它的主要特性如下：①流过器件的电流（mA) 等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：Ir/T=1mA/K式中：Ir－流过器件（AD590）的电流，单位为mAT－热力学温度，单位为K②AD590的测温范围为－55℃～+150℃。
③AD590的电源电压范围为4V ～30V 。
电源电压可在4V~6V 范围变化，电流变化1μA ，相当于温度变化1K 。
AD590可以承受44V 正向电压和20V 反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
④输出电阻为710M Ω。
⑤精度高。
