基于51單片機(jī)的水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)基于51單片機(jī)的水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué) 生：汪凡，信息工程學(xué)院指導(dǎo)教師：朱嶸濤，信息工程學(xué)院一、題目來源題目來源于生產(chǎn)/社會(huì)實(shí)際。二、研究背景及其意義目的隨著社會(huì)主義現(xiàn)代化的發(fā)展，在科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天，人工智能起到不可忽視的作用。尤其是各種智能化的儀器、儀表在農(nóng)、工業(yè)的廣泛應(yīng)用給社會(huì)帶來了極大的便利。文章就是一個(gè)利用溫度來實(shí)現(xiàn)簡單智能控制的例子。它完成了從溫度的采集、轉(zhuǎn)換、顯示以及控制的一系列任務(wù)。由于篇幅關(guān)系，文章并未深入探討溫度的具體實(shí)例。例如根據(jù)溫度來控制熱

2、水器、電風(fēng)扇等與溫度有關(guān)的設(shè)備，提供了一個(gè)通過溫度來控制設(shè)備的基本思想和原理。測溫儀器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，智能化是現(xiàn)代溫控系統(tǒng)發(fā)展的主流方向，特別是今年來，溫度控制系統(tǒng)已應(yīng)用到生活的各個(gè)方面，但是溫度控制一直是一個(gè)未開發(fā)的領(lǐng)域，是與人們息息相關(guān)的一個(gè)問題。針對(duì)這種實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)際意義。 溫度是科學(xué)技術(shù)中最基本的物理量之一。物理、化學(xué)、生物等學(xué)科都離不開溫度，在工業(yè)生產(chǎn)等許多領(lǐng)域，溫度常常是表征對(duì)象和過渡狀態(tài)的重要物理量。各行各業(yè)對(duì)溫度的要求越來越高，可見溫度的測量和控制是非常重要的。 單片機(jī)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，在很多的電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢

3、測和溫度控制。隨著溫度控制器應(yīng)用越來越廣泛，各種試用于不同場和的溫度控制器應(yīng)運(yùn)而生。目前市場上經(jīng)銷的溫度控制系統(tǒng)大多是采用模擬電路及繼電器控制，存在電路繁瑣,可調(diào)節(jié)性差，受溫度影響大，響應(yīng)速度慢，有噪音等缺點(diǎn)，針對(duì)這些缺點(diǎn)我們對(duì)它進(jìn)行了再次設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)滿足題目要求的水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)需要解決以下兩個(gè)方面的問題：一是高精度的水溫測量電路及其數(shù)據(jù)處理的實(shí)現(xiàn)，另一個(gè)是控制方法及其控制電路實(shí)現(xiàn)的研究。數(shù)字控制方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬控制方法。目前，實(shí)現(xiàn)水溫的高精度控制常采用數(shù)字控制方法，可用的控制算法有開關(guān)控制、經(jīng)典PID控制、模糊控制等。為了追求控制系統(tǒng)具有最小的穩(wěn)態(tài)誤差、最好的動(dòng)態(tài)過程，即具有最小的超調(diào)量和最

4、短的穩(wěn)定時(shí)間，人們一直在不斷研究各種控制方法的應(yīng)用。單片機(jī)水溫控制系統(tǒng)，是用來控制電爐溫度，讓它的溫度始終保持在某一個(gè)范圍內(nèi)的恒溫值，為此對(duì)溫度的控制我們可采用很多種方法，以往的水溫控制系統(tǒng)都采用開關(guān)式控制方式，使用的是模擬式調(diào)節(jié)儀表，我們可通過一位式模擬控制方案，用電位器設(shè)定給定值，反饋的溫度值和設(shè)定值比較后，決定加熱或不加熱。其特點(diǎn)是電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)。但是存在著不足之處：系統(tǒng)所得結(jié)果的精度不高而且調(diào)節(jié)動(dòng)作頻率、系統(tǒng)靜差大，不穩(wěn)定。系統(tǒng)受環(huán)境影響大，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，不能用液晶顯示，不能用鍵盤設(shè)定。 單片機(jī)溫控系統(tǒng)多種多樣，針對(duì)不同的被控對(duì)象可以設(shè)計(jì)出不同的硬件電路。為了實(shí)現(xiàn)高精度的

5、溫度控制，我們采用了以AT89C51為控制核心的單片機(jī)控制系統(tǒng)，溫度實(shí)時(shí)控制采用的是多次測量取不同的PWM值來觸發(fā)可控硅從而調(diào)節(jié)加熱絲的有效功率。并用液晶顯示水的實(shí)際溫度，尤其對(duì)溫度控制，它可達(dá)到模擬控制所達(dá)不到的控制效果，并且可實(shí)現(xiàn)顯示、打印，鍵盤設(shè)定，遠(yuǎn)程控制，報(bào)警等功能，大大提高系統(tǒng)的智能化，也使得系統(tǒng)所測結(jié)果精度大大提高。并且為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,在軟硬件方面都采取了一定的措施。主程序主要處理系統(tǒng)初始化、掃描鍵盤、采樣溫度值和對(duì)采樣數(shù)值進(jìn)行數(shù)字濾波等工作。系統(tǒng)靈敏度高和抗干能力強(qiáng)，具備較高的測量和控制精度。該控制系統(tǒng)主要是針對(duì)控制水杯中的溫度而設(shè)計(jì)的，它具有檢測精度高、使用簡單、成本較

6、低和工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，所以具有一定的應(yīng)用前景。它也不僅可應(yīng)用于科研水中的溫度檢測與控制，也可應(yīng)用于實(shí)際孵蛋房、豆芽菜房等生產(chǎn)工作間恒溫控制的場合。三、閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱 1 嚴(yán)潔.單片機(jī)原理及其接口技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2010，65-1052 范紅剛.51單片機(jī)自學(xué)筆記.北京航空航天大學(xué)出版社，20093 高云.基于MSP430的溫室多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).農(nóng)機(jī)化研究，2009，No.84 常鐵原，王欣，陳文軍. 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì).電子技術(shù)應(yīng)用，2008，No.115 葉紅海，李麗敏.基于單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).2008，No.46 彭偉.單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)1

7、00例.電子工業(yè)出版社，2009，46-48，104-1107 楊居義，楊曉琴，王益斌等.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo).清華大學(xué)出版社，2009，135-1418 劉剛，秦永左，朱杰斌.單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京大學(xué)出版社，2006，76-98，134-1559 林祝亮，武林，楊金華.基于雙單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì).儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，No.610 元增民，張文希.單片機(jī)原理與應(yīng)用基礎(chǔ).國防科技大學(xué)出版社，2006，205-26611 王琳，商周，王學(xué)偉.數(shù)據(jù)采集的發(fā)展及應(yīng)用.電測與儀表，2004，No.464 四、國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向 溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)是專門為農(nóng)業(yè)溫室、農(nóng)業(yè)、環(huán)境控

8、制、氣象觀測開發(fā)生產(chǎn)的環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)。 科學(xué)家成功開發(fā)了一系列計(jì)算機(jī)軟件，硬件，實(shí)現(xiàn)了溫室供水，施肥和環(huán)境自動(dòng)化控制。英國農(nóng)業(yè)部對(duì)溫室發(fā)展也很重視，科學(xué)家們先后進(jìn)行了溫室環(huán)境與作物生理，溫室環(huán)境因子的計(jì)算機(jī)優(yōu)化，溫室節(jié)能，溫室自動(dòng)控制，溫室作物栽培與產(chǎn)后處理的研究。另外，國外溫室正致力于高科技發(fā)展。遙測技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，控制局域網(wǎng)已逐漸應(yīng)用予溫室的控制與管理中。世界發(fā)達(dá)國家如荷蘭，美國，英國等大力發(fā)展集約化的溫室產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)研制成功對(duì)溫室內(nèi)溫度，濕度，光照，氣體交換，滴灌，營養(yǎng)液循環(huán)等實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的現(xiàn)代化高科技溫室，甚至于育苗，移栽，清洗，包裝等也實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，自動(dòng)化。 從目前的研究情況來

9、看，我國的溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)科研水平跟國外比仍有較大差距，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是尚未建立溫室結(jié)構(gòu)的國家標(biāo)準(zhǔn)，研究者給出的控制系統(tǒng)大都有較強(qiáng)針對(duì)性。由于溫室結(jié)構(gòu)千差萬別，執(zhí)行機(jī)構(gòu)各不相同，對(duì)于控制系統(tǒng)的優(yōu)劣缺乏橫向可比性。二是缺乏與我國氣候特點(diǎn)相適應(yīng)的溫室自動(dòng)控制軟件。目前我國引進(jìn)溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)大多投資大，運(yùn)行費(fèi)用過高，并且控制系統(tǒng)中所側(cè)重考慮的環(huán)境參數(shù)與我國的氣候特點(diǎn)存在矛盾，如荷蘭由于溫度變化很小，故降溫，通風(fēng)問題考慮很少，而采光問題考慮得較多，如果將這種溫室應(yīng)用于我國新疆地區(qū)，肯定不合適，因?yàn)樾陆臏夭钭兓蟆Ｈ俏覈C合環(huán)境控制技術(shù)的研究剛剛起步，目前仍然停留在研究單個(gè)環(huán)境因子調(diào)控

10、技術(shù)的階段，而實(shí)際上，溫室內(nèi)的日照量，氣溫，地溫，空氣濕度，土壤濕度，CO濃度等環(huán)境因素，是在相互影響，相互制約的狀態(tài)中對(duì)作物的生長產(chǎn)生影響的，環(huán)境因素的空間變化，時(shí)間變化都很復(fù)雜。此外，優(yōu)化值的設(shè)定是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，作物生長是多因素綜合作用的結(jié)果，當(dāng)我們改變某一環(huán)境因子時(shí)，常會(huì)把其他環(huán)境因子變到一個(gè)不適宜的水平，因此，將溫室內(nèi)的物理模型，作物的生長模型，溫室生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)模型結(jié)合起來，進(jìn)行作物生長環(huán)境參數(shù)的優(yōu)化研究，開發(fā)一套與我國溫室生產(chǎn)現(xiàn)狀相適應(yīng)的環(huán)境控制軟件是很重要的。五、主要研究內(nèi)容、需重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題及解決思路1.主要要求（1）溫度設(shè)定范圍為4090，最小區(qū)分度為1，標(biāo)定溫度1。（2）

11、環(huán)境溫度降低時(shí)（例如用電風(fēng)扇降溫）溫度控制的靜態(tài)誤差1。（3）用液晶顯示器顯示水的實(shí)際溫度。（4）采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)設(shè)定溫度突變（由40提高到60）時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。2.發(fā)揮部分（1）具有遠(yuǎn)程溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠傳輸、預(yù)置和顯示功能，無線傳輸距離至少20米（空曠地區(qū)）；（2）增加多點(diǎn)溫度檢測功能（至少8點(diǎn)），并能實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的定點(diǎn)和巡回檢測兩種功能；（3）具有溫度標(biāo)定、校準(zhǔn)功能；（4）具有溫度傳感器失效判斷與顯示報(bào)警功能；3關(guān)鍵問題由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化自適應(yīng)

12、參數(shù)自整定等方面取得成果。在這方面以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問題。盡管溫度控制很重要，但是要控制好溫度常常會(huì)遇到意想不到的困難。由于溫度控制具有工況復(fù)雜參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn),它對(duì)控制調(diào)節(jié)器要求較高。4.解決思路 模糊邏輯控制（FLC）是人工智能領(lǐng)域中形成最早、應(yīng)用最廣的一個(gè)重要分支，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難以用傳統(tǒng)理論建立模型的問題。目前FLC已經(jīng)成功地應(yīng)用與各種溫度控制上。模糊控制與一般的自

13、動(dòng)控制的根本區(qū)別是，不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，而是運(yùn)用模糊理論將人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、思維推理，其控制過程的方法與策略是由所謂模糊控制器來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于多變量、非線性和時(shí)變的大系統(tǒng)，系統(tǒng)的復(fù)雜性和控制技術(shù)的精確性形成了尖銳的矛盾。模糊控制對(duì)那些難以獲得數(shù)學(xué)模型或模型非常粗糙的工業(yè)系統(tǒng)，如那些大滯后、非線性等復(fù)雜工業(yè)對(duì)象實(shí)施控制有獨(dú)特優(yōu)勢，但靜態(tài)誤差不易控制.模糊控制偏偏含有大量專家經(jīng)驗(yàn),實(shí)際實(shí)現(xiàn)比較困難,它絕不可以代替經(jīng)典的自動(dòng)控制，而是擴(kuò)展了一般的自動(dòng)控制。在一些實(shí)際過程中，人們也常把模糊控制與一般的自動(dòng)控制結(jié)合在一起應(yīng)用，并且已研制出神經(jīng)模糊網(wǎng)絡(luò)的家電產(chǎn)品，將模糊控制技術(shù)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等人工

14、智能中一些新技術(shù)相結(jié)合，向著更高層次的研究和應(yīng)用發(fā)展。采用模糊控制其優(yōu)點(diǎn)是不需要粗確知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而且適用于有較大滯后特性的控制對(duì)象。缺點(diǎn)是靜態(tài)誤差不易控制，因含有大量專家經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際實(shí)現(xiàn)比較困難。模糊控制比傳統(tǒng)的PID控制等方法,在強(qiáng)時(shí)變、大時(shí)滯、非線性系統(tǒng)中的控制效果有著明顯的優(yōu)勢。將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于家電產(chǎn)品在國外已是很普遍的現(xiàn)象。單片機(jī)是家用電器常用的控制器件,把二者結(jié)合起來,可使控制器的性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的目的?；谀：刂萍夹g(shù)的單片機(jī)控制的電熱水器,是對(duì)傳統(tǒng)的電熱水器開關(guān)控制的改造,具有達(dá)到設(shè)定溫度的時(shí)間短、穩(wěn)態(tài)溫度波動(dòng)小、反應(yīng)靈敏、抗干擾能力強(qiáng)、節(jié)省電能等優(yōu)點(diǎn)，將成為以后發(fā)展的主流。六、完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）所必須具備的工作條件6.1所必須具備的工作條件：51單片機(jī)書籍：手把手教你學(xué)51單片機(jī)、單片機(jī)C語言應(yīng)用100例、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備：一臺(tái)PC機(jī)器、穩(wěn)壓直流電源、逐漸逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809、單片機(jī)AT89C52、標(biāo)準(zhǔn)RS-232C接口、LED發(fā)光二極管若干、8個(gè)LED顯示管、 程序下載線、4*4鍵盤一個(gè)。編程及仿真軟件：Keil C uVision3、Proteus 7.4、程序在線下載軟件 。6.2解決的辦法：在校圖書館借閱相關(guān)圖書資料，向?qū)W校實(shí)驗(yàn)室借用實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器材。七、預(yù)期成果將編寫好的程序加載到單片機(jī)開發(fā)板上進(jìn)行