论文总字数：21574字

摘 要

随着国民经济的发展，温度控制系统的应用范围也越来越广泛.以前在我们的认知里，所知道的温度控制能应用的范围仅局限于农业生产和工业制造中，人们利用温控系统可以在农业中用于控制大棚的温度，保证让大棚内的植物可以在恒定设置的温度中正常生长，更好的提高了粮食作物的产量和质量。温控系统在工业中的影响也更为巨大，应用范围也更加广泛，例如在制造一些高精度的模具仪器时，对温度的要求都非常大，在研制一些催化剂时，也需要对温度进行精准控制。然而现在，温控系统不仅仅用于一些大规模的生产制造中，它已经慢慢渗透到我们生活中的每个角落中，例如走过水族馆时看到鱼缸里的水温加热器，超市里售卖的恒温保温杯，还有我们每天淋浴时使用的热水器，这些都是利用到了温度控制原理。正是有了这一原理，才能让我们有机会在鱼缸中看到生活在热带地区的海洋生物，在冬天喝到温热的水，在淋浴时选择自己喜欢的温度。所以温控系统的不断发展，方便了我们的生产生活，让我们的生活更加高质量更加便捷。

本次课题设计所用到的单片机为STM32单片机，用它来做控制核心，并结合PID-PWM作为算法控制的设计原理。使用积分调节保证系统的快速性，微分调节可提高控制精度。应用了DS18B20 芯片的防水型水温探测传感器来采集和感知所测量的温度。并让其把测量到的数据以数字信号的方式传送给单片机，让他进行处理，由此来完成温度控制的目标。

关键字：STM32单片机；PID算法；DS18B20；水温控制

Intelligent water temperature monitoring system based on STM32 and PID-PWM

Abstract

With the development of the national economy, the application range of temperature control systems has become more and more extensive. It can not only be used in industry and agriculture, but also can be used in a wide range of people's lives. In various application fields, the temperature accuracy requirements are extremely strict. In industry, there are a large number of power station boilers and heating boilers, and most of the boilers are in production conditions such as high energy consumption, large waste and environmental pollution. The use of temperature control systems can improve thermal efficiency, reduce energy consumption and protect the environment. The environment for crops, which can effectively increase crop yields. In people's daily life, people can also use the temperature control system to control the temperature of bath water, etc., to facilitate people's lives.

This design introduces the design scheme and basic principles of the temperature control system with STM32 single-chip microcomputer as the control core, PID algorithm and PWM control. The use of integral adjustment ensures the rapidity of the system, and the differential adjustment can improve the control accuracy. The water-proof water temperature detection sensor using the DS18B20 chip collects temperature signals. And let it be transmitted to the single-chip microcomputer for processing by a digital signal, so as to achieve the goal of temperature control.

Keywords: STM32, PID algorithm, DS18B20, water temperature control

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引 言 1

1.1水温监测系统的选题背景和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3论文主要研究内容 2

1.4章节主要安排 2

第二章 方案设计 4

2.1方案的设计要求 4

2.2主控系统 4

2.3主要功能部件的选取 4

2.3.1主控芯片的选择 4

2.3.2控制模块选择 5

2.3.3按键的选择 5

2.3.4显示模块选择 5

2.3.5电源模块的选择 6

2.3.6报警模块选择 6

第三章 系统硬件设计 7

3.1系统硬件结构 7

3.2系统温度采集模块 7

第四章 系统的软件设计 16

4.1软件介绍 16

4.2总流程图 16

4.3DS18B20读写温度程序设定 17

4.4按键扫描程序 19

4.5报警程序的设计 20

4.6PID-PWM算法 22

4.6.1PID算法 22

4.6.2PWM算法 24

第五章 调试 25

5.1系统调试 25

5.2硬件调试 25

第六章 结束语 29

致谢 30

参考文献 31

附录 32

第一章 引 言

1.1水温监测系统的选题背景和意义

人们生活在大自然中，任何的生活和生产都离不开温度，温度是一种基本的物理特性，它代表着物体的冷热程度。尤其是在我国的工农业生产中，温度的控制是否精确直接影响到生产的安全、质量和产量。温度控制系统在我国近些年的发展十分迅猛，对我们百姓的生活的生产提供了很多便利，不仅如此，在提高居民生活质量的同时，在对于城市建造和发展中，也起着至关重要的地位。随着工业生产和日常生活中对温度控制的要求越来越高，在食品加工，化工冶炼、建材、机械石油等工业中或在各种加热炉热处理等方面都经常用得到温度检测和控制技术，具有举足轻重的作用。现如今的温控系统已经不仅局限于大规模的机器制造，工业制造和农业生产的范围，在人民生活中的每个不起眼的角落，都可以看到温度控制的缩影，例如一些爱养鱼的人们都知道，热带鱼对水温的要求比较高，于是必须在鱼缸中放有水温加热控制器对水温进行加热控制，这样才能保证鱼可以在合适的温度中生长^[1]。这就类似于用在农业生产中大棚中的温控设备，保证大棚里的农作物无论在什么季节都可以在恒温的大棚中优质生长，不仅保证了农作物的品质，也保证了农作物的产量^[2]。水温控制用于人们生活中的产品可不止如此，还有很多更加便捷人们生活的产品如雨后春笋般出现。还有很多这样方便人们生活的小设计层出不穷，这些产品都离不开温度控制。温度控制已经在不同的领域范围中为我们的生活和社会的发展提供了很多的便捷和经济效益。之前保温杯的出现极大的便捷了人们的生活，可现如今恒温杯的出现逐渐产生了代替保温杯的趋势。恒温杯，顾名思义是让杯子里的水温恒定在某个特定的温度。如何实现这一现象，当然是需要依靠水温控制系统，当水在杯子中的时间过久时，再好的保温杯都不能保证水温可以不变，这时加一个水温控制系统，设定一个特定的温度，当水温低于这一温度时，加热器自动为其加热，加热到特定温度时停止。上述所说到的一些产品所用的温度控制都是采用了水温调控。由此可见水温的调节监控系统对人们的生活有着很大的影响。

水温控制系统在国内各行各业的应用范围已经十分广阔，主要控制方式是以“点位”控制及常规的PID控制器为主，基本控制原理采用的是PID算法及PWM控制为温度控制系统，使用积分调节保证系统的快速性，微分调节可提高控制精度。应用了DS18B20 芯片的防水型水温探测传感器收集温度信号。并让其由是数字信号的方式传送给单片机进行处理，由此来达到温度控制的目标。系统控制精度达到0.1℃,温度波动小于0.5℃。控制精度高，抗干扰能力强，适用范围广，适用环境复杂等特点。这为我们温度监测控制方面的研究提供了重要的帮助。

1.2国内外研究现状

国外研究概况：自70年代以来，国外恒温控制由于其需要对工业进行控制，于是在温控智能化和自适应参数的自整定方面做成很大研究。尤其是在一些领先的国家例如日本、德国、美国、瑞典等国家都生产了性能很好的温控器。并且他们也正朝着高精度，小型化智能化方向发展。虽然温控技术的研究在我国得到了很大的重视，但相比较于国外的温控技术和控制器而言，发展水平仍需要提高。

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