智能水温调节设备的设计和开发(附件)【字数：17432】
摘 要摘 要现代社会，科技的发展日新月异，用户对于智能化设备的需求与日俱增，因此，如何生产出更简洁，更方便使用的智能化设备成为生产厂商所追求的核心功能。长久以来，在水温调节领域，大多都通过使用人工手动的方式，也就是使用一个操纵阀门来进行温度调节，这种方式既不能实现用户对于特定水温的需求，也不便于用户使用。因此，一种新型的智能水温调节设备的开发设计具有很大的潜在市场空间。现在市场上流通的温度控制系统，大多数都采用常规PID模糊控制技术。通过PID算法对不确定的参数进行整定。随着计算机和PLC的发展，计算机和PLC与模糊ID 控制技术完美的结合，可以通过计算机控制 PLC 产生 PID 参数，控制被控对象以及反馈数据给计算机进行处理。而在一些规模不大的智能化控制系统中，所采用的是基于单片机进行程序控制的技术。本套智能水温调节设备是以单片机为控制中心，采用C语言编译。本套设备可以通过按键设定温度，采用DS18B20传感器进行水温检测。采用LCD1602液晶显示屏进行数据显示同时搭建蜂鸣器模块实现温度报警功能。相关实验数据表明，本套设备可成功实现特定温度范围出水。以单片机为核心的控制器对整个电路进行控制，从而实现对于温度的智能化调节过程。关键词水温调节、智能控制、温度检测、传感器、单片机
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究现状 2
1.3 选题目的 4
1.4 章节安排 4
第二章 需求分析 5
2.1 需求分析 5
2.1.1 非功能性需求分析 5
2.1.2 功能性需求分析 5
2.2 技术可行性分析 6
2.3 经济可行性分析 6
第三章 总体设计 7
3.1 功能设计 7
3.2 电路设计 7
3.2 方案设计 8
3.2.1 主控制器模块 8
3.2.2 温度测量模块 9
3.2.3 按键输入模块 9
3.2.4 温度显示模块 10
3.2.5 电源模块 11
第四章 详细设计 13
4.1 硬件器材选用 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
3
4.1.1 温度传感器 13
4.1.2 显示器 13
4.1.3 出水模块 14
4.1.4 蜂鸣器 14
4.1.5 继电器 14
4.2 软件设计 15
4.2.1 软件简介 15
4.2.2 软件开发 15
4.2.3 主程序流程图 19
4.2.4 显示程序流图 19
4.2.5 初始化程序流程图 20
4.2.6 读温度子程序流程图 21
第五章 设备调试实验 22
5.1 安装步骤 22
5.1.1 测试元件 22
5.2.2 焊接元件 22
5.2.3 粘合硬件 22
5.2设备组装调试 23
5.3实验数据 24
结论 25
致谢 26
参考文献 27
第一章 绪论
研究背景
现代科技水平在不断进步，科技的飞速发展给人们带来的改变体现在生活中的每一个细节。比如在水温调节领域，人们对于智能水温调节设备的需求越来越大。传统的水温调节设备，比如热水器的温度调节设备，采用手动人工的方式调节温度，在改变温度时常常需要用户自己去操控阀门，在某种程度上来说很不方便。
在此背景下，对温度控制系统进行设计开发，实现设备智能化成为现代厂商的核心追求。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。
温度控制技术在工业领域的应用随处可见。工厂在进行材料生产，模型铸造，钣金喷漆过程中都需对温度进行控制。同时温度控制广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等。温度控制的精度以及不同控制对象的控制方法选择都起着至关重要的作用，温度是生产质量的重要指标之一，也是保证加热设备安全的重要参数。同时，温度是影响传热过程和设备效率的主要因素。
在实际的生产实验环境下，由于系统内部与外部的热交换是难以控制的，其他热源的干扰也是无法精确计算的，因此温度量的变化往往受到不可预测的外界环境扰动影响。为了使系统与外界的能量交换尽可能符合人们的要求，就需要采取其他手段来达到这样一个绝热的目的。例如可以让目标系统外部环境的温度与其内部温度同步变化。根据热力学第二定律，两个温度相同的系统之间是达到热平衡的，这样利用一个与目标系统温度同步的隔离层，就可以把目标系统与外界进行热隔离。
在水温控制领域里，主要的技术应用还是在于PID模糊控制。即把常规的PID控制算法同数学中的模糊控制理论结合起来，利用比例微分和积分，对未知的水温参数进行综合整定。当然，以这种方式进行高精度温度控制的难度比较大，而且不同的应用环境也需要不同的控制策略。这需要进行更为深入的研究。
研究现状
温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等。恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某一给定值。从工业温度控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：?
（1）定值开关温度控制法?
所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置；若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。?
（2）PID线性温度控制法?
1922年美国人在对船舶自动导航的研究中，提出了基于输出反馈的比例积分微分控制器的设计方法[1]，标志了PID控制的诞生。随后，PID控制器就以其结构简单、对模型误差具有鲁棒性以及易于操作等特点，在大多数控制过程中能够获得满意的控制性能，到了20世纪40年代就已在过程控制中得到了广泛的应用。?
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究现状 2
1.3 选题目的 4
1.4 章节安排 4
第二章 需求分析 5
2.1 需求分析 5
2.1.1 非功能性需求分析 5
2.1.2 功能性需求分析 5
2.2 技术可行性分析 6
2.3 经济可行性分析 6
第三章 总体设计 7
3.1 功能设计 7
3.2 电路设计 7
3.2 方案设计 8
3.2.1 主控制器模块 8
3.2.2 温度测量模块 9
3.2.3 按键输入模块 9
3.2.4 温度显示模块 10
3.2.5 电源模块 11
第四章 详细设计 13
4.1 硬件器材选用 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
3
4.1.1 温度传感器 13
4.1.2 显示器 13
4.1.3 出水模块 14
4.1.4 蜂鸣器 14
4.1.5 继电器 14
4.2 软件设计 15
4.2.1 软件简介 15
4.2.2 软件开发 15
4.2.3 主程序流程图 19
4.2.4 显示程序流图 19
4.2.5 初始化程序流程图 20
4.2.6 读温度子程序流程图 21
第五章 设备调试实验 22
5.1 安装步骤 22
5.1.1 测试元件 22
5.2.2 焊接元件 22
5.2.3 粘合硬件 22
5.2设备组装调试 23
5.3实验数据 24
结论 25
致谢 26
参考文献 27
第一章 绪论
研究背景
现代科技水平在不断进步，科技的飞速发展给人们带来的改变体现在生活中的每一个细节。比如在水温调节领域，人们对于智能水温调节设备的需求越来越大。传统的水温调节设备，比如热水器的温度调节设备，采用手动人工的方式调节温度，在改变温度时常常需要用户自己去操控阀门，在某种程度上来说很不方便。
在此背景下，对温度控制系统进行设计开发，实现设备智能化成为现代厂商的核心追求。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。
温度控制技术在工业领域的应用随处可见。工厂在进行材料生产，模型铸造，钣金喷漆过程中都需对温度进行控制。同时温度控制广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等。温度控制的精度以及不同控制对象的控制方法选择都起着至关重要的作用，温度是生产质量的重要指标之一，也是保证加热设备安全的重要参数。同时，温度是影响传热过程和设备效率的主要因素。
在实际的生产实验环境下，由于系统内部与外部的热交换是难以控制的，其他热源的干扰也是无法精确计算的，因此温度量的变化往往受到不可预测的外界环境扰动影响。为了使系统与外界的能量交换尽可能符合人们的要求，就需要采取其他手段来达到这样一个绝热的目的。例如可以让目标系统外部环境的温度与其内部温度同步变化。根据热力学第二定律，两个温度相同的系统之间是达到热平衡的，这样利用一个与目标系统温度同步的隔离层，就可以把目标系统与外界进行热隔离。
在水温控制领域里，主要的技术应用还是在于PID模糊控制。即把常规的PID控制算法同数学中的模糊控制理论结合起来，利用比例微分和积分，对未知的水温参数进行综合整定。当然，以这种方式进行高精度温度控制的难度比较大，而且不同的应用环境也需要不同的控制策略。这需要进行更为深入的研究。
研究现状
温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等。恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某一给定值。从工业温度控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：?
（1）定值开关温度控制法?
所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置；若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。?
（2）PID线性温度控制法?
1922年美国人在对船舶自动导航的研究中，提出了基于输出反馈的比例积分微分控制器的设计方法[1]，标志了PID控制的诞生。随后，PID控制器就以其结构简单、对模型误差具有鲁棒性以及易于操作等特点，在大多数控制过程中能够获得满意的控制性能，到了20世纪40年代就已在过程控制中得到了广泛的应用。?
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