51单片机水温控制系统设计+电路原理图+闭环数字控制的程序框图
1、设计及内容1.1 设计题目水温控制系统的设计
1.2 设计任务设计一个水温控制系统，对象的传递函数：G(s)= ,炉子为电炉结构，单相交流220V供电。温度设定值：室温~100℃，可以根据要求任意调节。
1.3 设计要求
画出电路原理图，包括：给定值、反馈、显示的电路及主电路；
阐述电路的工作原理；
采用对象为大滞后的算法，求出u(k);
画出闭环数字控制的程序框图
2、设计综述
2.1 系统设计
根据设计任务的要求、特性以及设计方案的可实现性，本文选用以单片机MCS51为控制器核心的闭环数字控制。其基本的控制原理为：典型的闭环数字控制系统框图如下所示：
图1 根据上图可以看出，我们要完成通过单片机来控制水温的工作，主要完成的工作包括：控制器与外围芯片所组成的控制器的设计、给定量的输入电路、执行机构的实现以及测量变送环节的实现。
控制原理可以概括为：控制人员通过给定电路给出设定温度值到控制器。当采样周期到达时，由测量变送环节测量实际温度，经过放大电毕业论文http://www.751com.cn 路将温度值转换为0—4V的电压信号，再由A/D转换芯片（这里选用ADC0809）将电压值转换成数字量，经单片机采集后与设定温度进行比较，根据偏差信号进行PID控制运算，得出相应控制输出量，将控制输出量输出到D/A，将数字量转换层模拟电压量之后，作用于执行机构进行加热，从而控制电阻炉内温度，使电阻炉的实际温度向着给定温度变化并最终达到给定温度。
2.2 设计书安排
接下来将分为两个部分详细介绍以单片机MCS51为控制器核心的闭环数字温度控制系统的实现过程，分别为：硬件设计和算法及软件设计。
其中硬件设计部分主要包括各个单元硬件电路的实现（原理图），并且简述了选择过程及其工作的原理。软件设计部分包括控制系统的概要程序框图、相关重要子程序框图，以及闭环数字控制算法的理论推导过程及其程序框图。
3、硬件设计
3.1 控制器单元
控制器单元实现所需的主要芯片和器件包括：MCS51、DAC0832、ADC0809、74LS373、74LS138、6M石英晶振以及8位的拨码盘。
MCS51作为控制核心，拥有强大的逻辑计算和数据存储、处理功能，主要完成对其他芯片的控制以及闭环数字控制算法的实现；DAC0832是一个八位的数字-模拟转换器，完成将由51输出的0~256数字量转换成0~15V模拟电压值的功能；ADC0809为8通道的模拟-数字转换器，可以将0~5V的模拟电压量转换为0~256的数字量；74L373为输出缓冲器，作为地址锁存器使用；74LS138为一个3-8译码器，是为了完成在寻址过程中对扩展芯片地址的译码过程；6M石英晶振为单片机时钟信号；8为拨码盘作为输入接口。
控制单元为整个控制器系统的核心，为主电路部分。其原理图如图2所示，主要分为四个部分：MCS51的最小系统、扩展A/D的实现、扩展D/A的实现以及扩展拨码盘的实现。
根据单片机相关知识可知，要是单片机能够独立工作必须有相关的外围电路，而在外围电路最简单时候的单片机系统成为最小系统。由于选用的MCS51有内部ROM，不需要在扩展，所以要构成最小系统只需加上复位电路、振荡电路以及基本的供电电压即可。时钟信号采用外部时钟，由6M石英晶振提供。复位电路结构如图中所示，由R1、C1、R2以及一个开关组成，取值由经验所得。
图2在单片机工作时候，其P0口分时作为数据线和地址线，用于传送数据线和底八位地址。故而需要一个地址锁存器，这里选用74LS373，只需要将P0作为其输入，单片机的ALE信号作为控制信号即可。
另一方面，需要扩展A/D和D/A芯片，首先需要考虑的就是为它们分配地址，故而需要用到地址译码器，这里用芯片74LS138。根据译码器连线的不同即可实现地址的分配工作。如图2中连线所示，ADC0809模拟通道IN7的地址为XX7FH，DA0832的地址为XX77H。地址分配完毕之后，需要用单片机的控制信号去控制各个芯片的启动的停止，连线如图2中所示。值得注意的一点是，ADC0809的时钟信号是由单片机的ALE关键输出信号经过二分平后得到，即为500KHz。1709