1、水溫監控及水位越線報警系統（本科E題）摘 要：該設計為以單片機為核心，設計一個水溫控制及水位越限報警系統。水溫可以在一定范圍（4090）內由人工設定，并能在環境溫度變化時實現自動調整，以保持設定溫度基本不變。控制方法采用了基于能量控制觀點、具有模糊控制思想的控制，使系統可以通過簡便的控制就能做到恒溫、精度高(靜態誤差0.5)得要求，而且參數對系統的依賴性弱，參數調整方便。水位能被控制在一定的范圍內，并能通過上下限進行報警及放水和進水。此外，本系統還可以通過PC機進行溫度監控和水位報警。關鍵詞：單片機 模糊自動控制 PID算法 上位機第一章 系統設計和結構原理1.1 本系統設計要求與實現的功能一

2、、任務設計并制作一個水溫監控系統，控制對象為不小于1升凈水，容器為帶進和出水口的搪瓷器皿或其它有一定隔熱功能的容器。水溫可以在一定范圍內由人工設定，由自制控制器通過注入冷水和電熱器加熱進行自動控制，以保持設定的溫度基本不變，并能實時顯示溫度；為防止容器中的水燒干或溢出，需要有水位過低或超高報警功能。二、要求1基本要求（1）溫度設定范圍為4090，最小區分度為1，標定溫度1。（2）受環境緩變的干擾影響（例如人工加入熱水升溫，用電風扇或人工加入冷水降溫）溫度控制的靜態誤差1，溫度調節時間不大于1min/10。（3）能夠顯示水的實際溫度。（4）當容器內水位小于所設定的下限或高于所設定的上限時，監控裝

3、置會發出報警，并停止放水或進水。2發揮部分（1）采用適當的控制方法，當設定溫度突變（大于20）時，系統的調節時間不大于30s/10和超調量不大于5。（2）溫度控制的靜態誤差0.2。（3）可以通過上位PC機進行溫度監控，如設定、顯示溫度及其變化曲線和水位報警。1.2 設計思路溫度傳感器DS18B20+水位檢測電路鍵盤 控制與設值加熱/散熱（開關）LCD液晶顯示+蜂鳴報警 51單片機圖 1.1水溫控制系統圖該水溫控制系統主要由單片機控制系統主模塊、溫度采樣模塊（數字溫度傳感器采樣電路）、自動控制模塊（單片機控制繼電器電路）、液位檢測模塊、鍵盤顯示模塊等四部分組成，其總體設計框圖如上圖所示。1.2

4、系統組成及原理 經過方案比較與論證，最終確定的系統組成方框圖1.2水溫控制系統組成框圖所示。AT59S52單片機加熱控制電路220V熱得快加熱。降溫控制電路12V風扇散熱。DS18B20不銹鋼溫度傳感器1L水容器1602LCD液晶顯示；4X4鍵盤設置；蜂鳴器報警；圖 1.2水溫控制系統組成框圖AT59S52單片機最高液位檢測電路加水系統。最低液位檢測放水系統。浮片檢測高低導通1L水容器蜂鳴報警；1.3水位越限報警系統組成框圖本控制系統主要完成水溫數據采集、溫度設置、水溫顯示和水溫控制等功能。其中智能模糊控制由單片機完成，并采用規則自整定PID控制算法進行過程控制。整個系統的核心是模糊控制器，A

5、T89S52單片機是控制器的主體模塊。DS18B20傳感器輸出的溫度信號經水溫采樣系統進入單片機，且4X4設置按鍵可將設定溫度送入單片機，單片機再根據設定溫度的輸入，并通過模糊控制算法計算控制量，然后將輸出控制信號通過繼電器開關控制加熱和散熱系統。同時利用水的浮力來檢測水位，及時控制水的溫度上升和下降。第二章 單元電路設計2.1 相關元器件的選擇2.2.1 數字化溫度傳感器DS18B20本設計采用溫度芯片DS18B20。DS18B20是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器，具有3引腳TO92小體積封裝形式。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾強、易配微處理器等優點，特別適合構成多點溫度測

6、控系統，可直接將溫度轉化成串行數字信號進行處理. 一、DS18B20的主要特性1、適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數據線供電。2、獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊。3、DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內。4、溫范圍55125，在-10+85時精度為0.5。5、可編程的分辨率為912位，對應的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實現高精度測溫。6、在9位分辨率時最多在93.75ms內把溫度轉換為數字，1

7、2位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數字，速度更快。7、測量結果直接輸出數字溫度信號，以一線總線串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。2.2.2 強電控制開關選擇1HRS4H-S-DC5V繼電器（控制大功率220V交流電器工作）2. HRS1H-S-DC5V繼電器（控制小功率直流電器，例如散熱風扇）2.2.3 其他器件1、熱得快；（電爐）；2、風扇；3、抽水器和水閥；2.3 系統單元電路設計2.3.1最小水溫+LCD12864系統板圖2-3.1AT89S52單片機與DS18B20原理圖2.3.2強電控制模塊 圖2-3.1單片機控制220V強電電器原理圖2.

8、3.3 水位檢測模塊 圖2-3.3水位檢測原理圖2.3.4 系統4X4控制按鍵單元電路設計第三章 系統軟件設計3.1.1 水溫監控系統主程序流程圖開始初始化LCD12364,AT89S52,DS18B20 抽樣，待機讀入預設溫度值FFDS18B20轉換結果送入PID單元PID計算Pout1降溫加熱Pout-1-1=Pout1放水加水Pout-1-1=Pout=1關閉水閥，保持水位YYNNN第四章 水溫自動控制的PID算法研究與設計4.1 PID算法介紹在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為Proportional比例、Integral積分、Derivative微分控制，簡稱PID控制，又

9、稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、 積分、微分計算出控制量進行控制的比例（P）控制 :比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。比例作用大，可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例，使系統的穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。積分（I）控制 : 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積 分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使

10、穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進入穩態后無穩 態誤差。 微分（D）控制 :在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。具有比例+微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。模糊控制比傳統的PID等控制方法，在強時變、大時滯、非線性系統中的控制效果有著明顯的優勢。將模糊控制技術應用于家電產品在外國已是很普遍的現象。單片機是家用電器常用的控制器件，把二者結合起來，可使控制器的性能指標達到最優的目的。基于模糊控制技術的單片機控制的水溫控制系統，具有達到設定溫度的時間短、穩態

11、溫度波動小、反應靈敏、抗干擾能力強、節省電能等優點。4.2 水溫PID模糊數據的MATLAB仿真設計模糊PID參數選定:通過對水溫控制系統的多次實際加熱/減溫的測量結果看到，本控制系統是一個非線性系統，但在一段區域里仍然可以視為線性，所以通過觀察測量數據和多次模擬結果，最后確定把PID參數分為五個模糊子集，通過測量得到的當前溫度T,在子集中找到對應溫度的PID參數,代入PID增量式運算: PID系數水溫范圍KpKiKdT=60:607-2060T=70:507-1070T=80:256-1080T=90:56-5第五章 系統測試實驗5.1 測試環境與相關檢測儀器測試地點：梧州學院電磁學實驗室；

12、裝水容器：不銹鋼鍋（1.6L）；環境室溫：2531；測試水溫：2224；鋪助水溫檢測儀器：勝利VC890C+萬用表（含有溫度檢測功能）；5.2 水溫自動控制的工作穩定度的測試隨機抽樣測試結果(單位：/)起始溫度設定溫度到達設定溫度時間（秒）超調量靜態誤差35.440.078+20.843.553.048+2.40.957.367.046+1.90.769.379.048+1.90.581.890.030+1.40.440.550.055+2.10.852.362.050+1.60.573.284.043+1.40.436.847.069+1.90.949.159.0 52+1.50.762.5

13、73.055+1.70.474.284.0 44+1.30.338.149.079+2.10.951.061.058+1.30.865.776.049+1.20.677.288.041+1.20.4第六章 結束語這次大賽設計使用AT89S52單片機和DS18B20等數字化自動程度高的器件，在外圍電路中加入。通過此次參加廣西取電子設計大賽，了解進行一項相對比較大型的科技設計所必不可少的幾個階段。畢業設計能夠從理論設計和工程實踐相結合、鞏固基礎知識與培養創新意識相結合、個人作用和集體協作相結合等方面全面的培養學生的全面素質。我們經過這次系統的競賽設計，熟悉了對一項課題進行研究、設計和實驗的詳細過程

14、。這些在我們在將來的工作和學習當中都會有很大的幫助。 6.1 自我評定與改進 在此次的電子設計大賽預選中。也暴露了很多關于自身學習的問題。例如：知識方面：很多專業知識有所欠缺，許多模擬電路的基礎知識不扎實；還有在電子制作時，不太注意制作成本的問題還有很多制作的不足和程序的不完善，但畢竟是我們第一次的電子制作，以后我們會更加努力學習專業知識和鞏固基礎，完善自身，為學院爭光！6.2 謝辭本廣西電子設計預選賽。在此次比賽過程中，遇到有關單片機與上位機（PC機）通信的技術壁壘，遇到了不小的挫折；后在請教指導老師何高明，發現了自身的知識面的不足與許多細節問題，不足并完善了許多高級語言編程問題。還有很多像韋寧、藍偉斌，鄒木春等老師的指導幫助下，最后我們終于攻克了難題！指導老師以淵博的知識、豐厚的經臉和時時鼓勵我們，老師產謹的教學態度和科研精神令我們敬佩;老師的和藹可親、精益求精、平易近人讓我們領略了為人師表的崇高;老師的正直、坦率讓我懂得了如何為人處事。在此，我們組向指導老師致以最誠摯的敬意和衷心的感謝。我們還要感謝電子設計