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简易水温控制系统

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简易水温控制系统 TYYGROUP system office room 【TYYUA16H-TYY-TYYYUA8Q8-一个简易水温控制系统的设计———控制算法设计摘要在工农业生产和日常生活中，对温度的检测与控制始终有着非常重要的实际意义和广泛的实际应用。

为了加深计算机控制理论的理解，故设计一个温度控制系统，该系统主要由温度信号采集与转换模块、主机控制模块、温度控制模块、液晶显示模块四部分组成，控制算法为PID算法。

系统可实现稳态误差小于1℃，最大超调小于1℃，并且调节时间较短，恒定效果好。

温度控制系统的对象存在滞后，它对阶跃信号的响应会推迟一些时间，对自动控制产生不利的影响，因此对温度准确的测量和有效的控制是此类工业控制系统中的重要指标。

温度是一个重要的物理量，也是工业生产过程中的主要工艺参数之一，物体的许多性质和特性都与温度有关，很多重要的过程只有在一定温度范围内才能有效的进行，因此，对温度的精确测量和可靠控制，在工业生产和科学研究中就具有很重要的意义。

本文阐述了过程控制系统的概念，介绍了一个基于数字传感器DS18B20和单片机STC89C52的简单温度控制系统，以电热水壶为被控对象，通过实验的方法建立温度控制系统的数学模型，采用了PID算法进行系统的设计，达到了比较好的控制目的。

该系统可通过液晶显示器LCD1602显示数据或字符，通过按键设定参数；通过DS18B20测温，实现电热杯水温控制；通过PL2303下载端口，实现单机和上位机的通讯。

实验表明该系统能够实现对温度的控制，具有一定的控制精度。

该系统测温电路简单、连接方便，可用于简单温度控制的场合。

关键词：单片机；温度传感器；液晶显示器；PID算法AbstractIn industrial and agricultural production and daily life, the testing and control of temperature has always had very important practical significance and extensive practical application. In order to deepen the understanding of the computer control theory, the design of a temperature control system, the system is mainly composed of temperature signal acquisition and conversion module, host control module, temperature control module, liquid crystal display module four parts, the control algorithm for PID algorithm. System can realize the steady state error is less than 1 ℃, the maximum overshoot less than 1 ℃, and the adjustment time is shorter, constant effect is good. Lagged temperature control system of the object, its response to the step signal will delay some time, produce adverse effect to the automatic control, so effective for accurate temperature measurement and control is an important indicator in the industrial control system. Temperature is an importantphysical quantities, it is also one of the main process parameters in industrial production process, many properties of objects and features are related to temperature, a lot of important process can only be effective in a certain temperature range, thus, accurate measurement and reliable control of temperature, in the industrial production and scientific research has the very vital significance. This paper expounds the concept of process control system, introduced a digital sensor DS18B20 and single chip microcomputer based STC89C52 simple temperature control system, electric kettle for controlled object, and through the experiment the method to establish the mathematical model of temperature control system, using PID algorithm to the design of the system, to achieve the better control. Through DS18B20, the temperature control of the electric heat cup is achieved. Through the PL2303 download port, the communication between the single machine and the above machine is achieved. The experiment shows that the system can control the temperature, and has certain control accuracy. The system is simple and easy to connect, which can be used for simple temperature control.Key words: single chip microcomputer;the temperature sensor;Liquid crystal display;PID algorithm目录一﹑设计任务与要求1.基本要求1L水由1kW的电路加热，要求水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度变化时实现自动调整，以保持在设定的温度。

2.主要性能指标(1).温度设定范围：10℃~100℃，最小分辨率为1℃。

(2).控制精度：温度控制的稳态误差<0.2℃.(3).能够实时显示当前水温(4).具有通信能力，可通过RS-232串口输出当前温度值至上位机。

(5).采用适当的控制方法，当设定温度或环境温度突变时减小系统的 调节时间和超调量。

二﹑方案论证由于水温控制系统的控制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热量传递都存在一定的阻力，因而可以将被控对象归于具有纯滞后的一阶惯性环节。

该系统可以采用以下几种控制方案： 1.输出开关量控制对于惯性较大的过程可简单地采用输出开关量控制的方法。

这种方法通过比较给定值与被控参数来控制输出的状态：通过控制加热回路的晶闸管的导通或关断来控制加热时间，控制过程简单易行，但容易引起反馈回路产生振荡。

因此这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。

控制设计PID 控制算法(常规PID ﹑微分先行PID ﹑中间反馈PID 等)，对给定值与被控参数的偏差进行PID 运算，输出控制量来控制加热回路。

三﹑系统设计 1.硬件设计图3-1 水温控制系统结构图⑵系统硬件总体设计框图图3-2 水温控制系统硬件总体设计框图⑶单元电路设计 ①单片机最小系统②温度传感器信号调理及A/D 转换电路 ③键盘接口电路④LCD1602液晶显示电路 ⑤驱动电路2.（⎥⎦⎢⎣DI P dt T u 0( （3-1）由上式可得PID 控制器的传递函数为：s T K sT K K s D D P I P P ++=1)( （3-2）其中，Kp 为比例增益，Ti 为积分时间，Td 为微分时间。

（2）控制系统模型分析 建立微分方程:M*C*dT/dt=W0*k(t)-β*M*C*(T(s)-T0) 将上式经拉普拉斯变换得：在假设室温为0℃的条件下，将上式经拉普拉斯变换推导出被控对象（即水温）的数学模型为：G(s)=T(s)/K(s)= W0/MC*s+-β*MC= W0/MC/s/β+1 （3-3） 各项参数为： W0——900（瓦） (kg)C--------4200(J/kg*C) β所以，G(s)=1000s+1PID 控制器的传递函数为：采用试凑法进行参数整定，控制器的参数按先比例、再积分、后微分的顺序进行，步骤如下： 令PID 调节器的Ti=∞,Td=0，使其成为纯比例调节器。

比例度按经验数据设置，整定纯比例控制系统的比例度。

加入积分作用。

在加积分作用之前，应将比例度加大为原来的倍。

将积分时间IT 由大到小调整。

加入微分作用，这时可将比例度调到原来的数值或者更小一些。

再将微分时间由小到达调整，直到过渡过程曲线达到满意为止。

通过试凑法得到PID 参数为： Kp=20000,Ti=30000,Td=5000. MATLAB 仿真结果图3-7 PID 控制框图图3-8仿真结果图四、实验结果实验中烧水高度为，设定温度为83度。

PID 参数调节结果是P=70，I=4，D=0，超调量为℃，上升时间为626s,稳态误差2℃，扰动加水 cm ，加水后温度降落℃，恢复时间200S 。

电热水杯温度上升曲线如下图： 五、结论本系统以AT89C51单片机为控制核心，利用DS18B20采集温度并配合PID 控制算法提高了水温的控制精度，使用PID 控制算法和移相触发可控硅调节方式实施自动控制系统，具有控制参数精度高、反映速度快和稳定性好的特点。

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智能仪器设计一个水温控制系统

智能仪器设计一个水温控制系统

设计一个水温控制系统一：设计要求一升水由1kW 的电炉加热，要求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。

二：主要性能指标 温度设定范围：40～90℃，最小区分度为1℃；控制精度：温度控制的静态误差≤1℃；用十进制数码显示实际水温；三：总体论证控制方法选择水温控制系统的控制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热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节；比例积分加微分控制(PID 控制)微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果；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；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。

计算机是一种采样控制，只能根据采样时刻的偏差计算控制量，不能像模拟控制一样连续输出控制量，不能连续控制，因此控制算法里必须加入离散化处理后的积分环节和微分环节。

本系统中，PID 控制器的输入时实测温度和期望值的偏差，输出是PWM 波的脉宽。

由于温度具有热惯性的特点，以及避免出现超调现象，所以加入比例环节，而且比例系数不能太大，同时为了配合时间，可以当温差大于10时不进行PIDty运算，当温差进入10度范围内时，开启定时器进行PID控制。

PID控制流程图：方案选择结合本例题设计任务与要求，由于水温系统的传递函数事先难以精确获得，因而很难判断哪一种控制方法能够满足系统对控制品质的要求；但从以上对控制方法的分析来看，PID控制方法最适合本例采用：一方面，由于可以采用单片机实现控制过程，无论哪一种控制方法都不会增加系统硬件成本，而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案；另一方面，采用PID的控制方式可以最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。

系统组成就控制器本身而言，控制电路可以采用经典控制理论和常规模拟控制系统实现，也可以采用以单片机为核心的智能电子系统实现水温的自动控制；单片机的使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人机界面及多机通讯接口提供了可能，而这些功能在常规数字逻辑电路中往往是难以实现或无法实现的；所以本例将采用以单片机为核心的直接数字控制系统。

水温控制系统设计

水温控制系统设计

常用测温及温度控制用NTC热敏电阻有MF51系列、MF54系列、MF55系列等,因此,信号调理部分电阻 的选择是在选定热敏电阻后来进行的。
c.电路外围电路所用元件参数计算
电路的设计以选定的热敏电阻系数入手，然后计算出所需要的电压增益，以ＭＦ58系列热敏电阻为例说明计算方法。
经查，在 时，电阻值为 的热敏电阻分段如表3-1：
单位：
０
29.394
5
23.319
10
18.659
15
15.052
20
12.229
25
10.000
30
8.225
35
6.802
40
5.654
45
4.721
50
3.958
55
3.330
从上表知，在常温（ ）时，热敏电阻的阻值为10Ｋ 。
由设计要求，当环境温度为下降至20 ，系统要加热；当温度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ升为50 时，停止加热，故查表3-1得：
由图3-2，由运放 组成的放大器为同相比例运算
放大电路，其电压增益 ，即
这样， ，其中 热敏电阻上的电压。
电路的设计思想是这样的：设热敏电阻 在环境温
度为 时阻值为 则 = ，这样
当选用负温度系数电阻时（关于这点，以后再详细介绍），环境温度越高，则热敏电阻的阻值愈小，设环境温度为 时，其阻值为 ，则此时 ) 这样由于温度变化引起的热敏电阻变化，就通过运算放大器转换成了电信号。
温度显示模块的任务是将环境温度（20℃~50℃）在数码管上显示出来，其方法时将热敏电阻随温度的变化值转换成相应的电压值，然后通过三位半LED专用A/D转换显示芯卡ICL7107及共阳极数码管组成的译码显示电路将环境温度显示出来（显示温度范围：20℃—50℃）
水温控制系统方案讲解课件

水温控制系统方案讲解课件

联调结果展示
展示联调过程中的实时 数据和曲线，包括温度 、流量、压力等参数的 变化情况。
数据对比
将联调数据与理论计算 值或历史数据进行对比 ，分析偏差原因和影响 因素。
数据分析
采用统计和分析方法对 联调数据进行处理，提 取关键指标和规律，为 系统优化提供依据。
06
项目总结与未来展望
本次项目成果回顾以及经验教训分享
03
硬件平台搭建与测试验证
关键硬件组件选型及原因阐述
传感器
选择DS18B20温度传感器，其测量范围广、精度高，适用于本系 统。
控制器
选用STM32F103C8T6微控制器，具有丰富的外设接口和强大的数 据处理能力，满足系统需求。
执行器
采用继电器模块控制加热棒和散热风扇，实现水温的调节。
电路原理图设计及PCB制作流程
处理等。
实现方法
利用编程语言和开发工具，将设 计好的算法转化为可执行的程序
代码。
系统稳定性、精度和效率评估指标
稳定性评估指标
选用合适的稳定性评估指标，如系统阻尼比、相 位裕量等，对系统稳定性进行评估。
精度评估指标
采用误差绝对值、误差百分比等指标，对系统控 制精度进行评估。
效率评估指标
考虑系统调节时间、能耗等因素，选用合适的效 率评估指标，对系统效率进行评估。
传感器测试
使用万用表检测DS18B20温度传感器输出信号是否准确，确保温 度采集无误。
控制器程序烧录与调试
将编写好的控制程序烧录到STM32F103C8T6微控制器中，通过串 口通信进行调试，确保程序运行正常。
执行器测试
分别测试继电器模块控制加热棒和散热风扇的功能是否正常，确保 水温调节有效。
水温控制报警系统

水温控制报警系统

水温控制报警系统摘要：本系统采用温度传感器ＲMF51-583、LM324放大器和报警系统为核心进行设计，实现浴室水温控制，并当水温达到预警温度进行报警。

本系统由温度传感器RMF51-583进行水温监测，通过调节电阻可以调节水温控制范围。

并且能进行水温范围测量，显示其大致温度。

当水温不超出预警温度时加热，超出预警温度时报警，从而达到浴室水温控制要求。

具体方案设计：1 、设计任务和要求：设计任务：设计一个浴室水温控制报警系统。

该系统能够将水温控制在一个合适的范围内，可以通过手动实现对水温范围的改变，并且超出某一温度值时自动报警。

设计要求：1）要求系统能够通过对两根电阻丝实现对水温的控制。

假设水温范围是T1~T2(T!<T2),T为实际温度,当T1<T2时,两根电阻丝都通电加热;当T1<T<T2时,仅一根电阻丝通电加热;当T>T2时,两根电阻丝都不通电,并且报警。

2）要求系统能大致显示水温温度。

3）要求电路在T1、T2温度点不能出现跳闸现象，即电阻丝不能进行短时间内反复在通电和不通电的状态之间转换。

4）要求电路能够显示出电阻丝的通电与否。

5）要求能够手动调节水温控制的范围。

6）要求画出系统框图与设计电路图，并写出详细的设计过程。

2 、系统组成框图水温控制电路的总体框图如图（1）所示，它是由水温监测电路、水温范围测量电路、电阻丝开关电路、工作指示电路、水温显示电路、报警电路和电源电路七部分构成的。

水温监测电路水温范围测量电路电阻丝开关电路工作指示电路水温显示电路报警电路电源电路水温监测电路的功能是利用温度传感器的特性监测水温的变化，同时将温度信号转化为电信号。

水温范围测量电路的功能是利用比较器的原理实现水温范围的确定，同时利用迟滞比较器特性避免跳闸现象。

电阻丝开关电路的功能是利用发光二极管将电阻丝通电与否显示出来。

水温显示电路是利用电流表改装的表头显示水温监测到的温度。

报警电路是当水温达到一定程度时报警。