恒温水箱毕业设计
绪
（）课题研究背景
温度工业常见控参数特冶金化工建材食品加工机械制造等领域恒温控制系统广泛应加热炉热处理炉反应炉等温控系统电路中广泛采通热电偶热电阻PN结测温电路相应信号调理电路转换成A／D转换器接收模拟量采样／保持电路进行A／D转换终送入单片机相应外围电路完成监控传统信号调理电路实现复杂易受干扰易控制精度高文介绍单片机通数字温度传感器检测外部温度水箱进行恒温控制设计通控制继电器通断进控制电炉加热实现恒温控制系统采种新型编程温度传感器（DS18B20）需复杂信号处理电路A／D转换电路直接单片机完成数采集处理实现方便精度高根需种场合日常生活中常电烤箱微波炉电热水器烘干箱等需进行温度检测控制家电器采单片机实现温度控制仅具控制方便简单灵活等优点幅度提高控温度技术指标提高产品质量现恒温水箱控制系统设计进行介绍
（二）国外恒温控制技术发展现状趋势
着计算机控制技术发展恒温控制工业生产领域中广泛应取巨济社会效益领域控制环境目标成等素需针具体情况设计系统结构功取佳控制效果中恒温环境动化控制技术工业生产商业运营中重研究
1国外恒温控制发展现状趋势
70年代工业程控制需特微电子技术计算机技术迅猛发展动控制理设计方法发展推动国外恒温控制系统发展迅速智化适应参数整定等方面取科技成果方面日美国德国瑞典等国技术领先生产出批商品化性优异温度控制器仪器仪表
目前国外温度控制系统仪表正着高精度智化型化等方面快速发展然温度控制系统国行业应已十分广泛国生产温度控制器技术讲总体发展水然高国外日美国德国等先进国家相然着较差距
2国恒温控制发展现状趋势
国目前恒温控制技术方面总体技术水处20世纪80年代中期水成熟产品点位控制常规PID控制器适应般温度系统控制难控制滞复杂时变温度系统控制适应较高控制场合智化适应控制仪表领域国技术十分成熟形成商品化广泛应控制仪表较少国恒温控制等控制仪表行业国外着定差距
程量检测角度出发温度常见程变量非常重程变量直接影响燃烧化学反应发酵烘烤煅烧蒸馏浓度挤压成形结晶空气流动等物理化学程恒温控制技术工业领域应非常广泛具工况复杂参数变运行惯性控制滞等特点控制调节器求较高温度控制引起生产安全产品质量产量等系列问题恒温控制重控制温度常常会遇意想困难
着嵌入式系统开发技术快速发展领域广泛应电子产品型化智化求越越高作高新技术单片机体积价格低性高适范围身指令系统等诸优势领域行业广泛应
（三）设计务
1设计目
设计恒温水箱动调节控制系统水箱水温定范围工设定环境温度降低时实现动调节保持设定温度基变
利单片机STC89C52RC实现水温智控制水温够60℃左右实现恒定温度调节利数字温度传感器读出水温基础水温调节通键盘设定温度通LCD液晶显示实现时实前温度
2系统设计技术指标
设计恒温水箱控制系统包括电路控制电路该恒温水箱控制系统技术指标：
（1）预置时显示设定温度达定温度时显示实时温度精确05℃
（2）恒温箱温度预置误差范围恒温控制温度控制误差≤±1℃
（3）恒温水箱1KW加热棒加热
（4）升降温度通键盘控制10求控制时间5分钟
（5）启动运行指示温度低预置温度5℃时进行220V全加热
（6）较强抗干扰性升降温程线性没求
（7）具断电保存功相应保护功
3系统功
（1）温度进行设定必须0～100℃设定时实时显示出设定温度值
（2）加热1台1KW电炉实现果温度60℃时根设定温度值实际检测温度值差采取加热方式
（3）够保持实时显示水温显示位数4位分百位十位位数位（规定超90度百位没实现默认百位显示）
二恒温水箱控制系统总体方案设计
（）系统方案选择证
1位式模拟控制方案
方案传统位式模拟控制方案选模拟电路电位器设定定值反馈温度值设定值较决定加热加热特点电路简单易实现系统结果精度高调节动作频繁系统静差稳定受
环境影响实现复杂控制算法难数码显示者LCD液晶显示难键盘设定方案框图图211示
较
器
温度预置
信
号
放
继
电
器
加热装置
数
采
集
信号放
图211 位式模拟控制方案框图
2二位式模拟控制方案
方案采单片机系统实现单片机软件编程灵活度软件编程实现种控制算法逻辑控制单片机系统通温度传感器（ADC590）水箱水温进行检测模拟温度信号AD转换成数字信号数码显示者LCD液晶显示水温实际值键盘输入设定值实现印功方案选51单片机（部含4KBEEPROM）需外扩展存储器系统整体结构较简单种传统模拟控制方式模拟控制系统难实现复杂控制规律控制方案修改较麻烦方案二框图图212示
数
采
集
信号放
温度预置
限较
限较
信号处理
继电器
加热装置
图212 二位式模拟控制方案框图
3PID算法控制方案
方案采单片机控制核心控制系统尤温度控制达核心控制作方便实现液晶显示键盘设定利PID算法控制PWM波形产生进控制电炉加热实现恒温控制测结果精度提高利PID算法控制PWM波形产生效控制数字脉输出宽度继电器效序逻辑控制会继电器产生误动作
加单片机软件编程灵活度软件编程实现种控制算法逻辑控制通数字温度传感器采集实际水温温度直接进行LCD液晶显示键盘输入设定值部含4KBEEPROM需外扩展存储器系统整体结构更简单方案三框图图213示
键盘设定
数采集
单片机
STC89C52RC
电源电路
LCD液晶显示
继电器
加热装置
图213 方案三基单片机控制方框图
数字PID调整
复位电路
光指示电路
方案方案二传统模拟控制方式模拟控制系统难实现复杂控制规律控制方案修改较麻烦方案三采单片机控制核心控制系统利PID控制原理PWM技术实现水箱水温控制基样控制原理PWM技术优越性温度控制系统中达采控制系统达控制效果方便实
现LCD液晶实时显示键盘设定直接驱动继电器测量结果准确性精度非常高三种方案较证设计采方案三利单片机增量式PID控制算法采集温度数进行处理控制量利增量式PID控制算法控制PWM波形产生进行控制继电器控制加热棒进行加热实现水箱水温恒温控制
（二）恒温水箱控制系统工作原理
根恒温水箱控制系统设计务求确定系统总体方案现该方案具体原理进行详细介绍采闭环控制结构进行控制具体控制图图221示
单片机
STC89C52RC
电源
键盘输入
驱动电路
LCD液晶显示
继电器控制电路
加热捧
水箱
温度传感器DS18B20
图221 恒温控制原理图
系统采闭环负反馈控制方式进行控制通数字温度传感器检测水箱水温温度采集数直接送单片机进行处理数字式温度传感器极短时间采集模拟量转换成数字量样处理数直接送数字PID模块进行调整控制PWM波形产生然检测数预先设定温度值进行较根差值控制控制继电器通断采取加热方式进行加热升温外设置温度实时显示装置时显示预先设定温度值实际检测温度值
三恒温水箱控制系统硬件设计
（）CPU控模块设计
1STC89C52RC单片机简介
STC89C52RC种带4K字节闪存编程擦读存储器低电压高性CMOS8位微处理器俗称单片机STC89C52RC种带4K字节闪存编程擦读存储器单片机单片机擦读存储器反复擦100次该器件采ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造工业标准MCS51指令集输出脚相兼容功8位CPU闪速存储器组合单芯片中ATMELSTC89C52RC种高效微控制器STC89C52RC单片机嵌入式控制系统提供种灵活性高价廉方案
2晶振电路复位电路设计
单片机部带时钟电路需片外通XTAL1XTAL2引脚接入定时控制单元（晶体振荡电容）构成稳定激振荡器复位电路采键电复位通复位端电阻+5V电源实现保证复位信号高电持续时间2机器周期实现复位电路图311示
图311 晶振电路复位电路图
装图
（二）电源电路设计
系统采双电源输出分+5V+12V输出+5V系统供电电源12V继电器工作供电电源装置直流稳压电源采通常桥式全波整流电容滤波三端固定输出集成稳压器件进行设计集成稳压芯片均装充分裕量散热片系统供电电源电路图321示
图321 电源电路
（三）温度采集模块设计
1DS18B20特点
（1）单线接口方式微处理器连接时仅需条口线实现双通讯
（2）中需外围元件
（3）数线供电电压范围：+30～+55 V
（4）测温范围：55 ～+125℃固测温分辨率05℃
（5）通编程实现9～12位数字读数方式
（6）户设定非易失性报警限值
（7）支持点组网功DS18B20联惟三线点测温
（8）负压特性电源极性接反时温度计会发热烧毁正常工作
2DS18B20单片机接口电路
DS18B20引脚图单片机接口电路图331示
图331 DS18B20电路
（四）继电器模块工作指示模块设计
1继电器模块
继电器种电控制器件具控制系统（称输入回路）控制系统（称输出回路）间互动关系通常应动化控制电路中实际电流控制电流运作种动开关电路中起着动调节安全保护转换电路等作继电器电路图341示
图342 工作指示电路
图341 继电器电路
2工作指示模块
系统设计四路恒温水箱控制系统路路时更明显知道工作状态设计工作指示灯设计电路图342示
（五）键盘扫描模块设计
图351 键盘功分布
键盘模块设计4*4键盘9键K1设置K2左移K3右移K4移K5移K6加1K7减1K8确认K9开关键盘功分布图351示硬件设计电路图352示
设置
开关
确认
+
图352 4*4键盘电路
四恒温水箱控制系统软件设计
（）工作流程
次设计恒温水箱医疗卫生科研专院校实验室等领域蒸馏干燥浓缩恒温加热化学药品生物制品检查血渍生物实验恒温培养进行消毒系统默认预定温度60℃设置温度值起杀菌消毒作效减少源消耗
电复位电阻丝先处停止加热状态直接启动运行运行程中系统断检测前温度送显示器显示达预定值停止加热温度降限（预定值低5℃）时启动加热样断重复述程温度保持预定温度范围运行程中时改变设定温度温度设定生效系统新设定温度运行
（二）建立数学模型
控制算法控制器操作方式控制器程变量实测值设定值间误差信号响应温度控制工业领域应非常广泛具工况复杂参数变运行惯性控制滞等特点控制调节器求较高温度控制引起生产安全产品质量产量等系列问题长期国外科技工作者温度控制器进行广泛深入研究产生批温度控制器性成熟应广泛PID调节器智控制PID调节器适应控制等处控制器特性进行分析便选择适合控制方法应改造加PID控制具原理简单易实现适面广控制参数相互独立参数选定较简单等优点理证明程控制典型象──阶滞＋纯滞二阶滞＋纯滞控制象PID控制器种优控制调节规律连续系统动态品质校正种效方法参数整定方式简便结构改变灵活（PIPD…）控制框图图421示
图421 PID控制框图
（三）程序模块
1程序
程序完成系统初始化调温度模块程序预置值合法性进行检查预置温度显示调键盘扫描模块等正常执行完三子程序返回初始化进入状态程序流程图见图431示
开 中 断
调温度传感器数采集子程序
调键盘扫描处理子程序
调显示子程序
关 中 断
开 始
初 始 化
图431 程序流程图
2温度传感器驱动子程序
根DS18B20通讯协议单片机控制DS18B20完成温度转换必须三步骤：次读写前DS18B20进行复位复位成功发送条ROM指令发送RAM指令样DS18B20进行预定操作复位求单片机数线拉500us然释放DS18B20收信号等16～60us左右发出60～240us存低脉CPU收信号表示复位成功
系统DS18B20进行操作包括两子程：
（1）读取DS18B20序列号机首先发复位脉等收返回存脉发出搜索器件序列号命令读取DS18B20序列号
（2）启动DS18B20作温度转换读取温度值机收返回存脉发出跳器件序列号命令着发出温度
转换命令次复位收返回存脉发送DS18B20序列号读出数程序流程图432示
发送读暂存器命令读取温度值
读取48位ID号
启动温度转换
开 始
返 回
初 始 化
图432 温度传感器驱动子程序流程图
3键盘扫描处理程序
键盘模块处理通键进行操作具体流程图433示
键扫描
开始
相关功键？
设置相关标志位
返回程序
否
图433键盘扫描处理流程图
4温度检测控制子程序
读取18B20实时数设定值较开始进行加热加热程中需进行2秒次踪检测检测实时数设定值较根较结果进行方式加热具体流程图434示
调键设定温度值进行开始加热
检测实际温度设定温度相等否？
全加热
Y
PID调整加热
N
隔2秒检测1次
相差5℃否？
N
Y
图434 温度检测控制流程图
读18B20调显示子程序
初始化
开始
五系统调试
（）硬件调试
1系统测试环境
（1）环境温度28摄氏度
（2）测试仪器 数字万表
（3）数字温度计0100℃
2测试方法
（1）水箱中存放2L净水放置1KW加热棒开控制电源系统工程进入准备工作状态
（2）温度计标定测温系统分水温稳定40℃50℃60℃70℃80℃90℃观察系统测量温度值实际温度值校准系统测量误差1℃
（3）动态测试：设定温度60℃系统低温开始进入升温状态开始记录数观察超调量调节时间稳态误差系统进入稳态电风扇吹凉观察系统抗扰力设定温度90℃系统低温开始进入升温状态开始记录数观察超调量调节时间稳态误差系统进入稳态电风扇吹凉观察系统抗扰动力
（4）检验系统显示恒温控制设定等功
3继电器测试
（1）测触点电阻
万表电阻档测量常闭触点动点电阻阻值应0常开触点动点阻值穷区出常闭触点常开触点
（2）测线圈电阻
万表R×10Ω档测量继电器线圈阻值判断该线圈否存着开路现象
（3）测量吸合电压吸合电流
找调稳压电源电流表继电器输入组电压供电回路中串入电流表进行监测慢慢调高电源电压继电器闭合导通时立记该吸合电压吸合电流求准确试次求均值
（4）测量释放电压释放电流
述样连接测试继电器发生吸合逐渐降低供电电压继电器进入断开状态时记时电压电流尝试次取均释放电压释放电流般情况继电器释放电压约吸合电压10～50％果释放电压太（110吸合电压）正常样会电路稳定性造成威胁工作
（二）软硬调试
通系统硬件软件调试基达该控制系统原设定求数字温度传感器读温度进行LCD液晶5110显示够10分钟通控制继电器通断进行加热达预定温度值温度差5℃时通PID调整控制数字脉宽度继电器产生效动作进行220V交流电加热达预定温度果温度差5℃时进行PID调整加热达原预定温度实验数字表511示表512示
表511实验数字
水量L
设置温度℃
实际温度℃
误差℃
时间S
2
30
304
04
53
2
40
405
05
126
2
50
504
04
188
2
60
603
03
255
2
70
704
04
337
2
80
802
02
386
2
90
905
05
445
表512实验数字
水量L
设置温度℃
实际温度℃
误差℃
时间S
3
30
305
05
75
3
40
404
04
148
3
50
504
04
207
3
60
605
05
273
3
70
703
03
346
3
80
803
03
405
3
90
904
04
473
总结
次设计新型PID调节恒温水箱基单片机控制中心恒温系统利温度传感变送器采样温度信号输入单片机中单片机作核心控制器根测量温度设定温度差值增量式PID算法生成控制信号控制继电器通电断电整系统结构紧凑芯片少控制精度高响应速度快体积成低系统硬件采单片机中心结构充分利单片机片扩展硬件资源满足技术求前提限度减硬件系统体积具备定扩展升级力键盘显示电路采串行方式减单片机口线口线单片机成减成开支电源电路采流行开关稳压电源济实惠性稳定
软件系统实现传感器动识障动诊断PID控制参数整定动调整等高级功极方便户全面达技术求设计程中软硬件作量优化设计实际应表明标定新型PID恒温控制器控温准确性重复性性均达设计指标次设计中基PID算法温度控制系统采典增量式PID算法某角度说种算法优传统控制算法具更稳定控制精度更高等优点控制量输出采数字式PWM变换免DA转换器减成简单易行程序编写程中特注意机交互性种功实现键盘控制理程序增量式PID运算程序深思熟虑精心设计系统操作界面更容易理解时键盘输入控制温度然定程度增加程序复杂性时系统温度更容易设定外加EPROM系统够掉电重启动继续完成加热
然系统时存处缺点选择增量式PID算法时速度相较慢单片机没采速度更快工控机定程度降低采样频率采STC89C52RC方面系统更紧凑时系统扩展性降低外采典增量式PID控制算法然算法简单果采更先进算法模糊PID控制精度会更高
致 谢
月毕业设计终画句号现回想起做毕业设计整程颇心中苦甜乐趣中通动手实现恒温水箱温度控制系统设计功基符合设计求然已完成次毕业设计感谢整毕业设计程中帮助老师学
首先衷心感谢指导老师朱浩亮治学严谨学识渊博品德高尚易学设计期间仅传授做学问正确态度传授做准终生受益理学阶段文选题资料查询开题研究撰写环节悉心指导帮助帮助毕业设计进展利想机会朱浩亮老师帮助老师表示衷心感谢时三年帮助关心老师学表示衷心感谢
回顾毕业设计期间日日夜夜机会摆脱生活烦恼浮躁静心钻研潜心研究取初步研究成果感欣慰欣慰余关心支持学领导学朋友表示真挚谢意感谢关心支持窗谊手足情终生难忘师生情血浓水感情陪伴度生前进成长阶梯
天努力必定换明天丰收未学研究程中更加丰厚成果答谢关心帮助支持领导老师学朋友
次帮助表示诚挚谢意谢谢
参考文献
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[2]．候玉宝51系列单片机设计仿真北京：电子工业出版社2008年
[3]．李群芳单片机微型计算机接口技术北京：电子工业出版社2007年
[4]．谢瑞串口技术全北京：清华学出版社2003年
[5]．孟庆昌等C语言程序设计北京：民邮电出版社2003年
[6] 姚富安．电子电路设计实践[M]济南：山东科学技术出版社2001年
[7] 武卫华 基模糊整定PID温度系统研究[J] 电子质量2003年
[8] 汪孝国王婉丽．高精度PID温度控制器[J]电子动化2000年
[9] 催东剑．点恒温动控制系统设计[J]．电工技术2003年
[10] 康华光．电子技术基础（第四版）[M]北京：高等教育出版社1998年
[11] 耿长清．单片机应技术[M]北京：化学工业出版社2002年
[12] 夏红赏星耀 PID参数整定方法综述 浙江科技学院学报 2003年
[13] 陈富安．单片机编程应技术[M]．北京：电子工业出版社2003年
[14] 戴永 微机控制技术[M] 湖南湖南学出版社2004年
[15] 朱卫华洪镇南．热处理炉群温控系统设计[J]．电工技术2003年
附录A(系统总路图PCB图)
图A1 电源模块继电器模块电路图
图A2 电源模块继电器模块PCB图
图A3 键盘模块电路图
图A4 键盘模块PCB图
图A5 控制模块液晶显示模块电路图片
图A6 控制模块液晶显示模块PCB图
附录B(实物图)
图B1 键盘模块实物图
图B2 PCU模块LCD液晶显示模块实物图
图B3 恒温水箱系统实物图
图B4 恒温水箱系统工作界面1
图B5 恒温水箱系统工作界面2
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绪
（）课题研究背景
温度工业常见控参数特冶金化工建材食品加工机械制造等领域恒温控制系统广泛应加热炉热处理炉反应炉等温控系统电路中广泛采通热电偶热电阻PN结测温电路相应信号调理电路转换成A／D转换器接收模拟量采样／保持电路进行A／D转换终送入单片机相应外围电路完成监控传统信号调理电路实现复杂易受干扰易控制精度高文介绍单片机通数字温度传感器检测外部温度水箱进行恒温控制设计通控制继电器通断进控制电炉加热实现恒温控制系统采种新型编程温度传感器（DS18B20）需复杂信号处理电路A／D转换电路直接单片机完成数采集处理实现方便精度高根需种场合日常生活中常电烤箱微波炉电热水器烘干箱等需进行温度检测控制家电器采单片机实现温度控制仅具控制方便简单灵活等优点幅度提高控温度技术指标提高产品质量现恒温水箱控制系统设计进行介绍
（二）国外恒温控制技术发展现状趋势
着计算机控制技术发展恒温控制工业生产领域中广泛应取巨济社会效益领域控制环境目标成等素需针具体情况设计系统结构功取佳控制效果中恒温环境动化控制技术工业生产商业运营中重研究
1国外恒温控制发展现状趋势
70年代工业程控制需特微电子技术计算机技术迅猛发展动控制理设计方法发展推动国外恒温控制系统发展迅速智化适应参数整定等方面取科技成果方面日美国德国瑞典等国技术领先生产出批商品化性优异温度控制器仪器仪表
目前国外温度控制系统仪表正着高精度智化型化等方面快速发展然温度控制系统国行业应已十分广泛国生产温度控制器技术讲总体发展水然高国外日美国德国等先进国家相然着较差距
2国恒温控制发展现状趋势
国目前恒温控制技术方面总体技术水处20世纪80年代中期水成熟产品点位控制常规PID控制器适应般温度系统控制难控制滞复杂时变温度系统控制适应较高控制场合智化适应控制仪表领域国技术十分成熟形成商品化广泛应控制仪表较少国恒温控制等控制仪表行业国外着定差距
程量检测角度出发温度常见程变量非常重程变量直接影响燃烧化学反应发酵烘烤煅烧蒸馏浓度挤压成形结晶空气流动等物理化学程恒温控制技术工业领域应非常广泛具工况复杂参数变运行惯性控制滞等特点控制调节器求较高温度控制引起生产安全产品质量产量等系列问题恒温控制重控制温度常常会遇意想困难
着嵌入式系统开发技术快速发展领域广泛应电子产品型化智化求越越高作高新技术单片机体积价格低性高适范围身指令系统等诸优势领域行业广泛应
（三）设计务
1设计目
设计恒温水箱动调节控制系统水箱水温定范围工设定环境温度降低时实现动调节保持设定温度基变
利单片机STC89C52RC实现水温智控制水温够60℃左右实现恒定温度调节利数字温度传感器读出水温基础水温调节通键盘设定温度通LCD液晶显示实现时实前温度
2系统设计技术指标
设计恒温水箱控制系统包括电路控制电路该恒温水箱控制系统技术指标：
（1）预置时显示设定温度达定温度时显示实时温度精确05℃
（2）恒温箱温度预置误差范围恒温控制温度控制误差≤±1℃
（3）恒温水箱1KW加热棒加热
（4）升降温度通键盘控制10求控制时间5分钟
（5）启动运行指示温度低预置温度5℃时进行220V全加热
（6）较强抗干扰性升降温程线性没求
（7）具断电保存功相应保护功
3系统功
（1）温度进行设定必须0～100℃设定时实时显示出设定温度值
（2）加热1台1KW电炉实现果温度60℃时根设定温度值实际检测温度值差采取加热方式
（3）够保持实时显示水温显示位数4位分百位十位位数位（规定超90度百位没实现默认百位显示）
二恒温水箱控制系统总体方案设计
（）系统方案选择证
1位式模拟控制方案
方案传统位式模拟控制方案选模拟电路电位器设定定值反馈温度值设定值较决定加热加热特点电路简单易实现系统结果精度高调节动作频繁系统静差稳定受
环境影响实现复杂控制算法难数码显示者LCD液晶显示难键盘设定方案框图图211示
较
器
温度预置
信
号
放
继
电
器
加热装置
数
采
集
信号放
图211 位式模拟控制方案框图
2二位式模拟控制方案
方案采单片机系统实现单片机软件编程灵活度软件编程实现种控制算法逻辑控制单片机系统通温度传感器（ADC590）水箱水温进行检测模拟温度信号AD转换成数字信号数码显示者LCD液晶显示水温实际值键盘输入设定值实现印功方案选51单片机（部含4KBEEPROM）需外扩展存储器系统整体结构较简单种传统模拟控制方式模拟控制系统难实现复杂控制规律控制方案修改较麻烦方案二框图图212示
数
采
集
信号放
温度预置
限较
限较
信号处理
继电器
加热装置
图212 二位式模拟控制方案框图
3PID算法控制方案
方案采单片机控制核心控制系统尤温度控制达核心控制作方便实现液晶显示键盘设定利PID算法控制PWM波形产生进控制电炉加热实现恒温控制测结果精度提高利PID算法控制PWM波形产生效控制数字脉输出宽度继电器效序逻辑控制会继电器产生误动作
加单片机软件编程灵活度软件编程实现种控制算法逻辑控制通数字温度传感器采集实际水温温度直接进行LCD液晶显示键盘输入设定值部含4KBEEPROM需外扩展存储器系统整体结构更简单方案三框图图213示
键盘设定
数采集
单片机
STC89C52RC
电源电路
LCD液晶显示
继电器
加热装置
图213 方案三基单片机控制方框图
数字PID调整
复位电路
光指示电路
方案方案二传统模拟控制方式模拟控制系统难实现复杂控制规律控制方案修改较麻烦方案三采单片机控制核心控制系统利PID控制原理PWM技术实现水箱水温控制基样控制原理PWM技术优越性温度控制系统中达采控制系统达控制效果方便实
现LCD液晶实时显示键盘设定直接驱动继电器测量结果准确性精度非常高三种方案较证设计采方案三利单片机增量式PID控制算法采集温度数进行处理控制量利增量式PID控制算法控制PWM波形产生进行控制继电器控制加热棒进行加热实现水箱水温恒温控制
（二）恒温水箱控制系统工作原理
根恒温水箱控制系统设计务求确定系统总体方案现该方案具体原理进行详细介绍采闭环控制结构进行控制具体控制图图221示
单片机
STC89C52RC
电源
键盘输入
驱动电路
LCD液晶显示
继电器控制电路
加热捧
水箱
温度传感器DS18B20
图221 恒温控制原理图
系统采闭环负反馈控制方式进行控制通数字温度传感器检测水箱水温温度采集数直接送单片机进行处理数字式温度传感器极短时间采集模拟量转换成数字量样处理数直接送数字PID模块进行调整控制PWM波形产生然检测数预先设定温度值进行较根差值控制控制继电器通断采取加热方式进行加热升温外设置温度实时显示装置时显示预先设定温度值实际检测温度值
三恒温水箱控制系统硬件设计
（）CPU控模块设计
1STC89C52RC单片机简介
STC89C52RC种带4K字节闪存编程擦读存储器低电压高性CMOS8位微处理器俗称单片机STC89C52RC种带4K字节闪存编程擦读存储器单片机单片机擦读存储器反复擦100次该器件采ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造工业标准MCS51指令集输出脚相兼容功8位CPU闪速存储器组合单芯片中ATMELSTC89C52RC种高效微控制器STC89C52RC单片机嵌入式控制系统提供种灵活性高价廉方案
2晶振电路复位电路设计
单片机部带时钟电路需片外通XTAL1XTAL2引脚接入定时控制单元（晶体振荡电容）构成稳定激振荡器复位电路采键电复位通复位端电阻+5V电源实现保证复位信号高电持续时间2机器周期实现复位电路图311示
图311 晶振电路复位电路图
装图
（二）电源电路设计
系统采双电源输出分+5V+12V输出+5V系统供电电源12V继电器工作供电电源装置直流稳压电源采通常桥式全波整流电容滤波三端固定输出集成稳压器件进行设计集成稳压芯片均装充分裕量散热片系统供电电源电路图321示
图321 电源电路
（三）温度采集模块设计
1DS18B20特点
（1）单线接口方式微处理器连接时仅需条口线实现双通讯
（2）中需外围元件
（3）数线供电电压范围：+30～+55 V
（4）测温范围：55 ～+125℃固测温分辨率05℃
（5）通编程实现9～12位数字读数方式
（6）户设定非易失性报警限值
（7）支持点组网功DS18B20联惟三线点测温
（8）负压特性电源极性接反时温度计会发热烧毁正常工作
2DS18B20单片机接口电路
DS18B20引脚图单片机接口电路图331示
图331 DS18B20电路
（四）继电器模块工作指示模块设计
1继电器模块
继电器种电控制器件具控制系统（称输入回路）控制系统（称输出回路）间互动关系通常应动化控制电路中实际电流控制电流运作种动开关电路中起着动调节安全保护转换电路等作继电器电路图341示
图342 工作指示电路
图341 继电器电路
2工作指示模块
系统设计四路恒温水箱控制系统路路时更明显知道工作状态设计工作指示灯设计电路图342示
（五）键盘扫描模块设计
图351 键盘功分布
键盘模块设计4*4键盘9键K1设置K2左移K3右移K4移K5移K6加1K7减1K8确认K9开关键盘功分布图351示硬件设计电路图352示
设置
开关
确认
+
图352 4*4键盘电路
四恒温水箱控制系统软件设计
（）工作流程
次设计恒温水箱医疗卫生科研专院校实验室等领域蒸馏干燥浓缩恒温加热化学药品生物制品检查血渍生物实验恒温培养进行消毒系统默认预定温度60℃设置温度值起杀菌消毒作效减少源消耗
电复位电阻丝先处停止加热状态直接启动运行运行程中系统断检测前温度送显示器显示达预定值停止加热温度降限（预定值低5℃）时启动加热样断重复述程温度保持预定温度范围运行程中时改变设定温度温度设定生效系统新设定温度运行
（二）建立数学模型
控制算法控制器操作方式控制器程变量实测值设定值间误差信号响应温度控制工业领域应非常广泛具工况复杂参数变运行惯性控制滞等特点控制调节器求较高温度控制引起生产安全产品质量产量等系列问题长期国外科技工作者温度控制器进行广泛深入研究产生批温度控制器性成熟应广泛PID调节器智控制PID调节器适应控制等处控制器特性进行分析便选择适合控制方法应改造加PID控制具原理简单易实现适面广控制参数相互独立参数选定较简单等优点理证明程控制典型象──阶滞＋纯滞二阶滞＋纯滞控制象PID控制器种优控制调节规律连续系统动态品质校正种效方法参数整定方式简便结构改变灵活（PIPD…）控制框图图421示
图421 PID控制框图
（三）程序模块
1程序
程序完成系统初始化调温度模块程序预置值合法性进行检查预置温度显示调键盘扫描模块等正常执行完三子程序返回初始化进入状态程序流程图见图431示
开 中 断
调温度传感器数采集子程序
调键盘扫描处理子程序
调显示子程序
关 中 断
开 始
初 始 化
图431 程序流程图
2温度传感器驱动子程序
根DS18B20通讯协议单片机控制DS18B20完成温度转换必须三步骤：次读写前DS18B20进行复位复位成功发送条ROM指令发送RAM指令样DS18B20进行预定操作复位求单片机数线拉500us然释放DS18B20收信号等16～60us左右发出60～240us存低脉CPU收信号表示复位成功
系统DS18B20进行操作包括两子程：
（1）读取DS18B20序列号机首先发复位脉等收返回存脉发出搜索器件序列号命令读取DS18B20序列号
（2）启动DS18B20作温度转换读取温度值机收返回存脉发出跳器件序列号命令着发出温度
转换命令次复位收返回存脉发送DS18B20序列号读出数程序流程图432示
发送读暂存器命令读取温度值
读取48位ID号
启动温度转换
开 始
返 回
初 始 化
图432 温度传感器驱动子程序流程图
3键盘扫描处理程序
键盘模块处理通键进行操作具体流程图433示
键扫描
开始
相关功键？
设置相关标志位
返回程序
否
图433键盘扫描处理流程图
4温度检测控制子程序
读取18B20实时数设定值较开始进行加热加热程中需进行2秒次踪检测检测实时数设定值较根较结果进行方式加热具体流程图434示
调键设定温度值进行开始加热
检测实际温度设定温度相等否？
全加热
Y
PID调整加热
N
隔2秒检测1次
相差5℃否？
N
Y
图434 温度检测控制流程图
读18B20调显示子程序
初始化
开始
五系统调试
（）硬件调试
1系统测试环境
（1）环境温度28摄氏度
（2）测试仪器 数字万表
（3）数字温度计0100℃
2测试方法
（1）水箱中存放2L净水放置1KW加热棒开控制电源系统工程进入准备工作状态
（2）温度计标定测温系统分水温稳定40℃50℃60℃70℃80℃90℃观察系统测量温度值实际温度值校准系统测量误差1℃
（3）动态测试：设定温度60℃系统低温开始进入升温状态开始记录数观察超调量调节时间稳态误差系统进入稳态电风扇吹凉观察系统抗扰力设定温度90℃系统低温开始进入升温状态开始记录数观察超调量调节时间稳态误差系统进入稳态电风扇吹凉观察系统抗扰动力
（4）检验系统显示恒温控制设定等功
3继电器测试
（1）测触点电阻
万表电阻档测量常闭触点动点电阻阻值应0常开触点动点阻值穷区出常闭触点常开触点
（2）测线圈电阻
万表R×10Ω档测量继电器线圈阻值判断该线圈否存着开路现象
（3）测量吸合电压吸合电流
找调稳压电源电流表继电器输入组电压供电回路中串入电流表进行监测慢慢调高电源电压继电器闭合导通时立记该吸合电压吸合电流求准确试次求均值
（4）测量释放电压释放电流
述样连接测试继电器发生吸合逐渐降低供电电压继电器进入断开状态时记时电压电流尝试次取均释放电压释放电流般情况继电器释放电压约吸合电压10～50％果释放电压太（110吸合电压）正常样会电路稳定性造成威胁工作
（二）软硬调试
通系统硬件软件调试基达该控制系统原设定求数字温度传感器读温度进行LCD液晶5110显示够10分钟通控制继电器通断进行加热达预定温度值温度差5℃时通PID调整控制数字脉宽度继电器产生效动作进行220V交流电加热达预定温度果温度差5℃时进行PID调整加热达原预定温度实验数字表511示表512示
表511实验数字
水量L
设置温度℃
实际温度℃
误差℃
时间S
2
30
304
04
53
2
40
405
05
126
2
50
504
04
188
2
60
603
03
255
2
70
704
04
337
2
80
802
02
386
2
90
905
05
445
表512实验数字
水量L
设置温度℃
实际温度℃
误差℃
时间S
3
30
305
05
75
3
40
404
04
148
3
50
504
04
207
3
60
605
05
273
3
70
703
03
346
3
80
803
03
405
3
90
904
04
473
总结
次设计新型PID调节恒温水箱基单片机控制中心恒温系统利温度传感变送器采样温度信号输入单片机中单片机作核心控制器根测量温度设定温度差值增量式PID算法生成控制信号控制继电器通电断电整系统结构紧凑芯片少控制精度高响应速度快体积成低系统硬件采单片机中心结构充分利单片机片扩展硬件资源满足技术求前提限度减硬件系统体积具备定扩展升级力键盘显示电路采串行方式减单片机口线口线单片机成减成开支电源电路采流行开关稳压电源济实惠性稳定
软件系统实现传感器动识障动诊断PID控制参数整定动调整等高级功极方便户全面达技术求设计程中软硬件作量优化设计实际应表明标定新型PID恒温控制器控温准确性重复性性均达设计指标次设计中基PID算法温度控制系统采典增量式PID算法某角度说种算法优传统控制算法具更稳定控制精度更高等优点控制量输出采数字式PWM变换免DA转换器减成简单易行程序编写程中特注意机交互性种功实现键盘控制理程序增量式PID运算程序深思熟虑精心设计系统操作界面更容易理解时键盘输入控制温度然定程度增加程序复杂性时系统温度更容易设定外加EPROM系统够掉电重启动继续完成加热
然系统时存处缺点选择增量式PID算法时速度相较慢单片机没采速度更快工控机定程度降低采样频率采STC89C52RC方面系统更紧凑时系统扩展性降低外采典增量式PID控制算法然算法简单果采更先进算法模糊PID控制精度会更高
致 谢
月毕业设计终画句号现回想起做毕业设计整程颇心中苦甜乐趣中通动手实现恒温水箱温度控制系统设计功基符合设计求然已完成次毕业设计感谢整毕业设计程中帮助老师学
首先衷心感谢指导老师朱浩亮治学严谨学识渊博品德高尚易学设计期间仅传授做学问正确态度传授做准终生受益理学阶段文选题资料查询开题研究撰写环节悉心指导帮助帮助毕业设计进展利想机会朱浩亮老师帮助老师表示衷心感谢时三年帮助关心老师学表示衷心感谢
回顾毕业设计期间日日夜夜机会摆脱生活烦恼浮躁静心钻研潜心研究取初步研究成果感欣慰欣慰余关心支持学领导学朋友表示真挚谢意感谢关心支持窗谊手足情终生难忘师生情血浓水感情陪伴度生前进成长阶梯
天努力必定换明天丰收未学研究程中更加丰厚成果答谢关心帮助支持领导老师学朋友
次帮助表示诚挚谢意谢谢
参考文献
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[15] 朱卫华洪镇南．热处理炉群温控系统设计[J]．电工技术2003年
附录A(系统总路图PCB图)
图A1 电源模块继电器模块电路图
图A2 电源模块继电器模块PCB图
图A3 键盘模块电路图
图A4 键盘模块PCB图
图A5 控制模块液晶显示模块电路图片
图A6 控制模块液晶显示模块PCB图
附录B(实物图)
图B1 键盘模块实物图
图B2 PCU模块LCD液晶显示模块实物图
图B3 恒温水箱系统实物图
图B4 恒温水箱系统工作界面1
图B5 恒温水箱系统工作界面2
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