青海民族大学大学生创新教育基地 2014年度“挑战杯”参赛项目
项目类别 项目名称： 项目编号： 项目负责人： 项目负责人电话： 项目所属部门： 项目团队名称： 项目指导教师：
大学生创新教育基地
2014年 11 月
水温加热控制系统
组员：张余焱，涂文欣，高睿
一、设计任务与要求
系统的基本任务与要求：
（1） 系统的基本要求：
一定量水由电炉加热, 要求温度可以在一定范围内由人工设定, 并能在环境温度降低时自动实现调整, 以保持设定的温度基本不变。
（2）主要性能指标
a. 温度设定范围：温度设定为30℃—70℃最小区分度为1℃； b.控制精度：温度控制的静态误差名1℃；
c.用十进制数码显示实际温度；
(3)扩展功能
a. 具有通信能力，可接收其他数据设备发朱的命令，或将结果传送到其他数据设备；
b. 采用适当的控制方法；当没定温度或环境温度突变时减小系统的调节时间和超调号
c. 能自动显示温度随时间变化的曲线。
系统组成
本系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从温度检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现温度控制的全过程。因此，以单片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。另外，单片机的使用特为实现温度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或无法实现的。根据设计任务基本要求，本系统应具有以下基本功能：
（1）可以进行温度设定，并自动调节温度给定的温度值。
（2）可以调整PID 控制参数，满足不同控制对象与控制品质要求。
（3）可以实时显示给定温度与温度实测值。
三、本电路总体设计包括五部分：
主机控制部分（89c52）、温度采样电路、温度控制电路、键盘和数字显示部分、微机控制及图形显示。
四、设计思路
采用单片机89c52为核心。采用了温度传感器AD590采集温度变化信号，A/D采样芯片ADC0804将其转换成数字信号并通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。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、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。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。另外，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交互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道路中往往是难以实现或无 法实现的。所以，采用以单片机为核心的直接数字控制系统。
五、系统总体设计框图
本系统以89c52单片机为核心，采用了温度传感器AD590，A/D采样芯片ADC0804，可控硅MOC3041及PID 算法实现对温度的精确控
制。系统由前向通道模块（即温度采样模块）、后向控制模块、系统主模块及键盘显示摸块等四大模块组成。系统框图如图
六、电路原理仿真图
七、温度采样电路
系统的信号采集电路主要由温度传感器（AD590）、基准电压（7812）及A/D转换电路（ADC0804）三部分组成。
AD590性能描述 测量范围在-50℃--+150℃，满刻度范围误差为±0.3℃，当电源电压在5—10V 之间，稳定度为1﹪时，误差只有±0.01℃ 。AD590为电流型传感器温度每变化1℃其电流变化1uA 在35℃和95℃时输出电流分别为308.2uA 和368.2uA 。
（2）ADC0804性能描述 ADC0804为8bit 的一路A/D转换器，其输入电压范围在0—5v ，转换速度小于100us ，转换精度0.39﹪。满足系统的要求。 （3）电路原理及参数计算 温度采样电路的基本原理是采用电流型温度传感器AD590将温度的变化量转换成电流量，再将电流量转换成电压量通过A/D转换器ADC0804将其转换成数值量 交由单片机处理。
采用经典PID 控制算法和根据实验数据分区间控制的算法，对于温度系统来说，被控对象没有精确的数学模型。热得快加热使得水温
具有有热惯性，而且检测的实时数据是检测点附近的实时温度并不能完全体现1升水的实际温度，所以经典PID 控制算法不能满足设计要求，还必须根据实验数据进行调整。这种控制算法基本能够满足设计要求，且通用性较强。
本设计采用PID 作为控制算法。 如图
图中三端稳压7812作为基准电压, 由运放虚短虚断可知运放的反向输入端Ui 的电压为零伏。
八、温度控制电路
此部分电路主要由光电耦合器MOC3041和双向可控硅BTA12组成。MOC3041光电耦合器的耐压值为400v ，它的输出级由过零触发的双向可控硅构成，它控制着主电路双向可控硅的导通和关闭。100Ω电
阻与0.01uF 电容组成双向可控硅保护电路。控制部分电路图如图
九、主机控制部分
此部分是电路的核心部分，系统的控制采用了单片机89C52。单片机89C52内部有8KB 单元的程序存储器及256字节的数据存储器。因此系统不必扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。
十、键盘及数字显示部分
在设计键盘/显示电路时，我们使用单片机2051做为电路控制的核心，单片机2051具有一个全双工的串行口采用串口，利用此串行口能够方便的实现系统的控制和显示功能。键盘/显示接口电路如图
图中单片机2051的P1口接数码管的8只引脚，这样易于对数码管的译码，使数码管能显示设计者所需的各数值、小数点、符号等等。
单片机2051的P3.3、P3.4、P3.5接3-8译码器74L138，译码器的输出端直接接八个数码管的控制端和键盘，键盘扫描和显示器扫描同用端口这样能大大的减少单片机的I/O，减少硬件的花费。
键盘的接法的差别直接影响到硬件和软件的设计，考虑到单片机2051的端口资源有限，所以我们在设计中将传统的4*4的键盘接成8*2的形式，如下图：
图中的接法已经完全用完了单片机的15个I/O口，有效的利用了单片机的资源。
青海民族大学大学生创新教育基地 2014年度“挑战杯”参赛项目
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大学生创新教育基地
2014年 11 月
水温加热控制系统
组员：张余焱，涂文欣，高睿
一、设计任务与要求
系统的基本任务与要求：
（1） 系统的基本要求：
一定量水由电炉加热, 要求温度可以在一定范围内由人工设定, 并能在环境温度降低时自动实现调整, 以保持设定的温度基本不变。
（2）主要性能指标
a. 温度设定范围：温度设定为30℃—70℃最小区分度为1℃； b.控制精度：温度控制的静态误差名1℃；
c.用十进制数码显示实际温度；
(3)扩展功能
a. 具有通信能力，可接收其他数据设备发朱的命令，或将结果传送到其他数据设备；
b. 采用适当的控制方法；当没定温度或环境温度突变时减小系统的调节时间和超调号
c. 能自动显示温度随时间变化的曲线。
系统组成
本系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从温度检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现温度控制的全过程。因此，以单片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。另外，单片机的使用特为实现温度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或无法实现的。根据设计任务基本要求，本系统应具有以下基本功能：
（1）可以进行温度设定，并自动调节温度给定的温度值。
（2）可以调整PID 控制参数，满足不同控制对象与控制品质要求。
（3）可以实时显示给定温度与温度实测值。
三、本电路总体设计包括五部分：
主机控制部分（89c52）、温度采样电路、温度控制电路、键盘和数字显示部分、微机控制及图形显示。
四、设计思路
采用单片机89c52为核心。采用了温度传感器AD590采集温度变化信号，A/D采样芯片ADC0804将其转换成数字信号并通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。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、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。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。另外，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交互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道路中往往是难以实现或无 法实现的。所以，采用以单片机为核心的直接数字控制系统。
五、系统总体设计框图
本系统以89c52单片机为核心，采用了温度传感器AD590，A/D采样芯片ADC0804，可控硅MOC3041及PID 算法实现对温度的精确控
制。系统由前向通道模块（即温度采样模块）、后向控制模块、系统主模块及键盘显示摸块等四大模块组成。系统框图如图
六、电路原理仿真图
七、温度采样电路
系统的信号采集电路主要由温度传感器（AD590）、基准电压（7812）及A/D转换电路（ADC0804）三部分组成。
AD590性能描述 测量范围在-50℃--+150℃，满刻度范围误差为±0.3℃，当电源电压在5—10V 之间，稳定度为1﹪时，误差只有±0.01℃ 。AD590为电流型传感器温度每变化1℃其电流变化1uA 在35℃和95℃时输出电流分别为308.2uA 和368.2uA 。
（2）ADC0804性能描述 ADC0804为8bit 的一路A/D转换器，其输入电压范围在0—5v ，转换速度小于100us ，转换精度0.39﹪。满足系统的要求。 （3）电路原理及参数计算 温度采样电路的基本原理是采用电流型温度传感器AD590将温度的变化量转换成电流量，再将电流量转换成电压量通过A/D转换器ADC0804将其转换成数值量 交由单片机处理。
采用经典PID 控制算法和根据实验数据分区间控制的算法，对于温度系统来说，被控对象没有精确的数学模型。热得快加热使得水温
具有有热惯性，而且检测的实时数据是检测点附近的实时温度并不能完全体现1升水的实际温度，所以经典PID 控制算法不能满足设计要求，还必须根据实验数据进行调整。这种控制算法基本能够满足设计要求，且通用性较强。
本设计采用PID 作为控制算法。 如图
图中三端稳压7812作为基准电压, 由运放虚短虚断可知运放的反向输入端Ui 的电压为零伏。
八、温度控制电路
此部分电路主要由光电耦合器MOC3041和双向可控硅BTA12组成。MOC3041光电耦合器的耐压值为400v ，它的输出级由过零触发的双向可控硅构成，它控制着主电路双向可控硅的导通和关闭。100Ω电
阻与0.01uF 电容组成双向可控硅保护电路。控制部分电路图如图
九、主机控制部分
此部分是电路的核心部分，系统的控制采用了单片机89C52。单片机89C52内部有8KB 单元的程序存储器及256字节的数据存储器。因此系统不必扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。
十、键盘及数字显示部分
在设计键盘/显示电路时，我们使用单片机2051做为电路控制的核心，单片机2051具有一个全双工的串行口采用串口，利用此串行口能够方便的实现系统的控制和显示功能。键盘/显示接口电路如图
图中单片机2051的P1口接数码管的8只引脚，这样易于对数码管的译码，使数码管能显示设计者所需的各数值、小数点、符号等等。
单片机2051的P3.3、P3.4、P3.5接3-8译码器74L138，译码器的输出端直接接八个数码管的控制端和键盘，键盘扫描和显示器扫描同用端口这样能大大的减少单片机的I/O，减少硬件的花费。
键盘的接法的差别直接影响到硬件和软件的设计，考虑到单片机2051的端口资源有限，所以我们在设计中将传统的4*4的键盘接成8*2的形式，如下图：
图中的接法已经完全用完了单片机的15个I/O口，有效的利用了单片机的资源。