计算机控制技术课程设计说明书快热式家用电热水器设计学生姓名：刘转园学号：08050444X04学院：信息商务学院专业：电气工程及其自动化指导教师：张颖2011年12月中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计任务书2011/2012 学年第一学期学院: 信息商务学院专业: 电气工程及其自动化学生姓名: 刘转园学号：08050444X04 设计题目:快热式家用电热水器设计起迄日期: 2011年12月12日~2011年12月23日指导教师: 石喜玲系主任:王忠庆下达任务书日期:2011年12月12日课程设计任务书1．设计目的：本设计包括确定控制任务、系统总体方案设计、硬件系统设计、软件程序的设计等，使学生进一步学习与理解计算机控制系统的构成原理、接口电路与应用程序，巩固与综合专业基础知识和相关专业课程知识，提高学生运用理论知识解决实际问题的实践技能。

2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：设计快热式家用电热水器控制系统，其设计要求如下：(1)用2位数码管显示出水温度，温度检测显示范围为00～99℃，精确度为±1℃。

(2)设置3个功率档位指示灯，1-4档1个灯亮，5-8档2个灯亮，9档3个灯全亮。

0档灯不亮，无功率输出。

(3)设置3个轻触按钮，分别为电源开关键、“+”键和“-”键加热功率为0-9档，按“+”键依次递增至9档，按“-”键依次递减至0档。

(4)出水温度超过65℃时停止加热，并蜂鸣报警，温度降到45℃以下恢复。

(5)内胆温度超过105℃时停止加热，防止干烧。

3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：1．根据题目要求的指标，通过查阅有关资料，确定系统设计方案，并设计其硬件电路图。

2．画出电路原理图，分析主要模块的功能及他们之间的数据传输和控制关系。

3．软件设计，给出流程图及源代码并加注释。

4．用proteus软件绘制硬件电路原理图及调试软件进行仿真分析。

课程设计任务书4．主要参考文献：1. 顾德英. 计算机控制技术（第二版）.北京邮电大学出版社,20052. 李顺增，吴国东.微机原理及接口技术. 机械工业出版社，20043.李朝青.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社.20055．设计成果形式及要求：1. 电路原理图2. 软件流程图和程序清单3. 编写课程设计报告。

6．工作计划及进度：2011 12月12日~ 12月14日查找资料，确定方案12月15日~ 12月17日设计硬件电路，绘制电路原理图12月18日~ 12月21日软件设计，并调试通过12月22日~ 12月23日编写课程设计报告，答辩或成绩考核系主任审查意见：签字：年月日目录摘要 (1)第一章前言 (2)1.1课题背景与意义 (2)1.2温度控制系统的应用 (2)第二章系统方案 (3)2.1水温控制系统设计任务和要求 (3)2.2水温控制系统部分 (3)2.2.1 CPU中央处理器 (3)2.2.2温度控制系统算法分析 (4)2.3控制方式 (5)第三章系统硬件设计 (6)3.1总体设计框图及说明 (6)3.2外部电路设计 (6)3.2.1 温度采集电路 (6)3.2.2 温度控制电路 (6)3.3 单片机系统电路设计 (8)3.3.1系统框图 (8)3.3.2 A/D转换路 (8)3.3.3 键盘设置电路 (9)3.3.4数码显示电路 (9)第四章系统程序 (10)第五章结论 (10)参考文献 (11)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控制系统是非常有价值的。

为了实现高精度的水温测量和控制，本文介绍了一种以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。

第一章前言1.1课题背景与意义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。

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，温度控制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控制器来讲，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。

1.2温度控制系统的应用盐浴炉温度控制系统利用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来控制总之温度控制系统的控制方式是多种多样的。

第二章系统方案2.1 水温控制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55℃，目标温度的±10℃；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。

测量变送试通过温度传感器Pt1000来传送的。

控制器是通过单片机来完成。

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。

图2 控制器设计总体框图2.2.2 温度控制系统算法分析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p K 、积分时间常数i K 、微分时间常数d K 。

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； 图3 比例积分微分控制 微分作用能有效的减小动态偏差。

如图3所示。

由图4可知PID 调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值w 与实际t y输出值y 进行比较构成偏差e=w-y 。

并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。

其动态方程为：dt t de K dt t e K t e K t u di p )()()()(⎰++=（其中Kp 为比例放大系数；Ki 为积分时间常数；Kd 为微分时间常数）PID 调节器的离散化表达式为；)]1()([)()()(--++=k e k e T K k Te K k e K k u di p其增量表达形式为（T 为采样周期）：)1()()(--=∆k u k u k u)]2()1(2)([/)()]1()([-+--++--=k e k e k e T K k Te K k e k e K d i p图4 模拟PID 控制2.3 控制方式该控制系统是把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定量进行比较（综合），并利用控制器形成的控制信号通过执行机构SSR 对控制对象进行控制，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，减小输出量的误差，达到控制目的。

在此控制系统中单片机就相当于常规控制系统中的运算器控制器，它对过程变量的实测值和设定位之间的误差信号进行运算然后给出控制信息，单片机的运算规则称为控制法则或控制算法。

第三章系统硬件设计3.1 总体设计框图及说明本系统是一个简单的单回路控制系统，总体框图如图2所示。

单片机系统是整个控制系统的核心，AT89C51可以提供系统控制所需的I/O 口、中断、定时及存放中间结果的RAM电路；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；信号的滤波可由软件实现，以简化硬件、降低硬件成本。