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基于51单片机的水温自动控制系统的设计

学 生：汪凡，信息工程学院 指导教师：朱嵘涛，信息工程学院

一、题目来源

题目来源于生产/社会实际。

二、研究背景及其意义目的

随着社会主义现代化的发展，在科学技术突飞猛进的今天，人工智能起到不可忽视的作用。尤其是各种智能化的仪器、仪表在农、工业的广泛应用给社会带来了极大的便利。文章就是一个利用温度来实现简单智能控制的例子。它完成了从温度的采集、转换、显示以及控制的一系列任务。由于篇幅关系，文章并未深入探讨温度的具体实例。例如根据温度来控制热水器、电风扇等与温度有关的设备，提供了一个通过温度来控制设备的基本思想和原理。

测温仪器在各个领域的应用，智能化是现代温控系统发展的主流方向，特别是今年来，温度控制系统已应用到生活的各个方面，但是温度控制一直是一个未开发的领域，是与人们息息相关的一个问题。针对这种实际情况，设计一个温度控制系统，具有广泛的应用前景和实际意义。 温度是科学技术中最基本的物理量之一。物理、化学、生物等学科都离不开温度，在工业生产等许多领域，温度常常是表征对象和过渡状态的重要物理量。各行各业对温度的要求越来越高，可见温度的测量和控制是非常重要的。 单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用越来越广泛，各种试用于不同场和的温度控制器应运而生。

目前市场上经销的温度控制系统大多是采用模拟电路及继电器控制，存在电路繁琐,可调节性差，受温度影响大，响应速度慢，有噪音等缺点，针对这些缺点我们对它进行了再次设计。实现满足题目要求的水温自动控制系统需要解决以下两个方面的问题：一是高精度的水温测量电路及其数据处理的实现，另一个是控制方法及其控制电路实现的研究。数字控制方法远远优于模拟控制方法。目前，实现水温的高精度控制常采用数字控制方法，可用的控制算法有开关控制、经典PID控制、模糊控制等。为了追求控制系统具有最小的稳态误差、最好的动态过

程，即具有最小的超调量和最短的稳定时间，人们一直在不断研究各种控制方法的应用。

单片机水温控制系统，是用来控制电炉温度，让它的温度始终保持在某一个范围内的恒温值，为此对温度的控制我们可采用很多种方法，以往的水温控制系统都采用开关式控制方式，使用的是模拟式调节仪表，我们可通过一位式模拟控制方案，用电位器设定给定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。其特点是电路简单，易于实现。但是存在着不足之处：系统所得结果的精度不高而且调节动作频率、系统静差大，不稳定。系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用液晶显示，不能用键盘设定。

单片机温控系统多种多样，针对不同的被控对象可以设计出不同的硬件电路。为了实现高精度的温度控制，我们采用了以AT89C51为控制核心的单片机控制系统，温度实时控制采用的是多次测量取不同的PWM值来触发可控硅从而调节加热丝的有效功率。并用液晶显示水的实际温度，尤其对温度控制，它可达到模拟控制所达不到的控制效果，并且可实现显示、打印，键盘设定，远程控制，报警等功能，大大提高系统的智能化，也使得系统所测结果精度大大提高。并且为了保证系统稳定运行,在软硬件方面都采取了一定的措施。主程序主要处理系统初始化、扫描键盘、采样温度值和对采样数值进行数字滤波等工作。系统灵敏度高和抗干能力强，具备较高的测量和控制精度。该控制系统主要是针对控制水杯中的温度而设计的，它具有检测精度高、使用简单、成本较低和工作稳定可靠等特点，所以具有一定的应用前景。它也不仅可应用于科研水中的温度检测与控制，也可应用于实际孵蛋房、豆芽菜房等生产工作间恒温控制的场合。

三、阅读的主要参考文献及资料名称

[1] 严洁.单片机原理及其接口技术.机械工业出版社，2010，65-105 [2] 范红刚.51单片机自学笔记.北京航空航天大学出版社，2009

[3] 高云.基于MSP430的温室多路数据采集系统.农机化研究，2009，No.8

[4] 常铁原，王欣，陈文军. 多路数据采集系统的设计.电子技术应用，2008，No.11 [5] 叶红海，李丽敏.基于单片机的多路数据采集系统的设计与实现.2008，No.4 [6] 彭伟.单片机C语言程序设计实训100例.电子工业出版社，2009，46-48，104-110 [7] 杨居义，杨晓琴，王益斌等.单片机课程设计指导.清华大学出版社，2009，135-141 [8] 刘刚，秦永左，朱杰斌.单片机原理及应用.北京大学出版社，2006，76-98，134-155

[9] 林祝亮，武林，杨金华.基于双单片机的多路数据采集系统设计.仪器仪表学报，2006，No.6

[10] 元增民，张文希.单片机原理与应用基础.国防科技大学出版社，2006，205-266 [11] 王琳，商周，王学伟.数据采集的发展及应用.电测与仪表，2004，No.464

四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向

温室自动控制系统是专门为农业温室、农业、环境控制、气象观测开发生产的环境自动控制系统。

科学家成功开发了一系列计算机软件，硬件，实现了温室供水，施肥和环境自动化控制。

英国农业部对温室发展也很重视，科学家们先后进行了温室环境与作物生理，温室环境因子的计算机优化，温室节能，温室自动控制，温室作物栽培与产后处理的研究。另外，国外温室正致力于高科技发展。遥测技术，网络技术，控制局域网已逐渐应用予温室的控制与管理中。世界发达国家如荷兰，美国，英国等大力发展集约化的温室产业，已经研制成功对温室内温度，湿度，光照，气体交换，滴灌，营养液循环等实现计算机自动控制的现代化高科技温室，甚至于育苗，移栽，清洗，包装等也实现了机械化，自动化。

从目前的研究情况来看，我国的温室自动控制系统科研水平跟国外比仍有较大差距，主要表现在以下几个方面：一是尚未建立温室结构的国家标准，研究者给出的控制系统大都有较强针对性。由于温室结构千差万别，执行机构各不相同，对于控制系统的优劣缺乏横向可比性。二是缺乏与我国气候特点相适应的温室自动控制软件。目前我国引进温室自动控制系统大多投资大，运行费用过高，并且控制系统中所侧重考虑的环境参数与我国的气候特点存在矛盾，如荷兰由于温度变化很小，故降温，通风问题考虑很少，而采光问题考虑得较多，如果将这种温室应用于我国新疆地区，肯定不合适，因为新疆的温差变化大。三是我国综合环境控制技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单个环境因子调控技术的阶段，而实际上，温室内的日照量，气温，地温，空气湿度，土壤湿度，CO浓度等环境因素，是在相互影响，相互制约的状态中对作物的生长产生影响的，环境因素的空间变化，时间变化都很复杂。此外，优化值的设定是一项复杂的工作，作物生长是多因素综合作用的结果，当我们改变某一环境因子时，常会把其他环境因子变到一个不适宜的水平，因此，将温室内的物理模型，作物的生长模型，