水温控制系统(16页).doc

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1、-水温控制系统学生姓名：设计时间：目 录摘要：引言一 总体方案设计1 总体方案论证2 硬件方案论证3 软件方案论证4 方案确定二 系统硬件设计1 系统硬件框图2 按键显示电路3 温度采集控制电路三 系统软件设计1 按键检测程序2 温度检测程序3 温度控制程序4 液晶显示程序四 系统参数计算1 温度采集参数2 硬件控制参数3 软件控制参数五 系统调试1 单片机系统调试2 软件调试六 总结参考文献附录摘 要 本系统以AT89C52单片机为核心，主要包括使用单总线温度转换芯片DS18B20传感器实时温度采集，按键操作，单片机控制，水温控制，液晶显示等部分。本系统通过DS18B20温度传感器对水温进行

2、采样，将采得的数字温度送给单片机，单片机对温度通过PID算法与PWM脉宽调制相结合的技术实现精确控制温度的目的。在通过控制双向可控硅，改变可控硅的导通和闭合从而控制电热丝的加热或制冷片的降温达到控制水温的目的。本系统还由按键显示和温度控制模块组成，通过模块间的通信完成温度的设定，实现实温的显示，水温的升降等功能。具有电路结构简单，系统可靠性强，操作简单方便等特点。引 言温度控制系统可以说是无所不在，热水器系统、空调系统、冰箱、电饭煲、电风扇等家电产品以至手持式高速高效的计算机和电子设备，均需要提供温度控制功能。及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制,在许多工业场合中都是重要的环节。对于不同

3、控制系统，其适宜的水质温度总是在一个范围。超过这个范围，系统或许会停止运行或遭受破坏，所以我们必须能实时获取水温变化。对于，超过适宜范围的温度能够报警。同时，我们也希望在适宜温度范围内可以由检测人员根据实际情况加以改变。单片机对对温度的控制是工业生产中经常使用的控制方法.自从1976年Intel公司推出第一批单片机以来，80年代单片机技术进入快速发展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展。单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各行各业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、彩电，单片机都可以大显其能。以单片机为核心的水温控制系统也应运而生。传统的温度采集电路相当复

4、杂，需要经过温度采集、信号放大、滤波、AD转换等一系列工作才能得到温度的数字量，并且这种方式不仅电路复杂，元器件个数多，而且线性度和准确度都不理想，抗干扰能力弱。现在常用的温度传感器芯片不但功率消耗低、准确率高，而且比传统的温度传感器有更好的线性表现，最重要的一点是使用起来方便。下面就让我们一起去探讨研究一种以单片机为核心，基于温度传感器的水温控制系统。一 方案设计1 方案论证由于单片机的应用越来越广泛，因此我们一开始就决定以现在比较流行的STC系列或AT 系列单片机为控制核心。最先注意的是STC系列单片机，因为我们有关于STC系列单片机的开发板，方便我们进行程序的读写和调试，我们就选择了ST

5、C89C51单片机。但是在后来的编程中注意到51单片机的中端和FLASH ROM可能不够用最后我们选择了STC89C52单片机。STC89C52单片机是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能的微处理器，拥有4路外部中端，6个中断源，3个16位定时器/计数器等，基本上能满足我们的一切要求。温度的采集与检测在系统中起到非常重要的作用，常规的温度采集我们选择铜热电阻作为温度传感器，将温度的变化转化为电压的变化，经过放大后送往A/D转换器转化为数字量以进行处理。本方案温度采集容易受外部环境影响并且硬件电路比较复杂，但测温的精度可达到0.1。另一种方案采用DS18B20数字温度传感器对

6、水温进行采样，无需进行AD转换。将采集的值直接送入单片机进行处理。DS18B20测温范围 55+125，固有测温分辨率0.5，支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温。但较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20 与微处理器间采用串行数据传送。因此， 在对DS18B20 进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在DS18B20 有关资料中均未提及1Wire上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此。当1Wire上所挂DS18B20超过8个时，就需要考虑

7、微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。并且连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。但经过多次实际情况研究和对软件的考虑最后决定采用DS18B20进行温度采集。控制电路相对来说是比较难以决定的部分，一种是采用继电器，一种是采用可控硅。由于我们自身兴趣的问题我们最先选择的是可控硅，继电器以前在做产品时用过，但可控硅从我们开始学它到现在可控硅给我们的感觉就是很神秘，我们迫不及待的想揭开它神秘的面纱！可控硅的优点是无触点，开断无涌流，开端速度快，可以控制过零开断。缺点是成本高，控制相对复杂，容量小，功耗大，发热严重。继电器的优点是技术成熟可靠，触点容量相对较大，成本低，

8、几乎零功耗，发热量小。缺点是开断时会产生涌流，由于反应稍慢，无法用于很精细开断控制电路中，如移向调压等，并且寿命不长。最后经过多次探讨多次试验我们决定用可控硅和继电器相结合的方法，用可控硅控制电热丝的作用，用继电器控制制冷片的作用。由于我们功能的要求我们按键部分选择两个独立按键，并且拥有第二功能。而显示部分根据功能的要求我们直接使用了1602液晶显示屏，能满足我们产品的要求。2 方案确定 最终我们选择以STC89C52单片机为核心，以DS18B20温度传感器采集实际数字温度反馈到单片机，通过单片机显示到液晶显示屏上。再通过两个独立按键，一个增加按键一个按键来预设温度，当预设温度大于或小于实际温

9、度时，单片机通过PID算法和PWM脉宽调制实现加热丝的加热或制冷片的制冷，并且液晶显示屏上会显示预设温度和加热或制冷。二 系统硬件设计1 系统方案框图图2-1 总体设计框图2 单片机电路单片机电路图采用6MHZ晶振，按键复位。电路图如下：图2-2 单片机最小系统图3 按键显示电路 该电路采用两个独立按键，分别接在单片机的P3.0，P3.1口。液晶显示采用1602液晶显示屏，单片机P0端口作为数据输入端口，P2.0,P2.1，P2.2作为1602的控制端口。电路图如下：图2-3 按键显示电路4 温度采集控制电路 该电路采用DS18B20温度传感器直接与单片机P3.7端口相连。P2.0端口通过光耦

10、与可控硅相连起到保护可控硅防止干扰的作用，可控硅在和电热丝相连控制电热丝的工作。P2.1端口通过三极管驱动与继电器相连，继电器与制冷片相连，用继电器来控制制冷片的工作。电路图如下：图2-4 温度采集控制电路三 系统软件设计1 系统程序框图 3-1 总程序框图2 按键检测处理程序2.1 按键检测流程图图3-2 按键检测流程图2.2 按键处理流程图图3-3 按键处理流程图3 温度检测控制程序3.1 温度检测流程图图3-4 温度检测流程图3.2 温度控制流程图图3-5 温度控制流程图4 液晶显示程序四 系统参数测试 五 系统调试1 硬件调试 在硬件调试过程中由于最先完成的是1602液晶显示模块，我们

11、最先调试的是液晶显示模块。一个人焊接电路，焊接完成后由一个人在从新检查电路。在检查电路中检查出有漏接的地方，并且在液晶屏上不能显示出温度，经过再次检查电路发现有元器件管脚接错的并且显示屏的分辨率没调清楚，经过几次调试和修改最终完成了该模块。随后调试的是按键，控制加热模块，按键的调试没出现什么问题，但在控制加热时可控硅一直不能够导通，经过反复检测电路并没有发现什么错误，开始对各个元器件和电路原理进行检测，最后发现是我们用的可控硅是单向可控硅并不是双向可控硅，因此我们必须对可控硅的电源进行整流是电源能过零点并且消除负电压，使可控硅导通后可以截止。在检测DS18B20的上拉电阻是否接好，另外要注意的

12、是，由单片机输出的控制信号比较小，需要进行放大才能驱动继电器工作，否则就不能实现降温过程，通常选用8050三极管来进行放大。还有220V交流电接头和加热丝接头必须接正确，否则导致电路烧坏。都检测后没问题后电路应该不会在出错。2 软件调试 硬件电路检查没有问题后但还还是实现不了设计要求，可能是我们软件编程的问题，我们首先检查了初始化程序，然后是读温度程序，显示程序，以及可控硅，继电器控制程序，对这些分段程序，我们首先注意的各程序间的联系，调用关系，以及1602和18B20的内部时序。在检查中发现1602的时序有错误，1602的复位时序出现了错误，18B20的温度转换时的等待时序出现错误，经过我们

13、的修改使程序正常运行。发现没问题后我们检查源程序生成的代码是否烧入到单片机中，如果这一过程出错，那不能实现设计要求也是情理之中的。最后最重要的硬件与软件调试相结合，先见检测内部程序的端口是否与硬件电路的接口一致。在我们仔细检查各个程序的模块设计和硬件电路之间的联系，最后发现温度传感器的程序端口和硬件端口不一致。可控硅之所以不导通是因为我们硬件和软件对电平的要求不一致，外部硬件电路的电平不能达到单片机的电平，最后经过修改电路完成了整个系统的调试。-第 16 页-六 总结段腾龙总结这次模拟全国电子设计竞赛我主要是负责硬件的设计焊接及调试的工作，考虑到加热器和制冷器的余温当达到设定温度之后可能会再使

14、水温升高或降低，为了使系统保持一定的精确度我们必须考虑到器件余温的影响。经过反复的讨论研究，我们一致决定加热和制冷都采用PWM控制，这样不仅能使水温控制达到一定的精确度而且也能对提高加热制冷的速度。当温差大时PWM波的就会变大温差小时就将占空比降低从而精确快速的控制水温。由于水的密度会随着温度的不同而变化，而加热棒制冷器又不是均匀分布在水中，为了使温度测试更准确必须水的密度相同因此在水中加入了一个搅拌器这样就会使水在温度密度上完全成为了一个整体。电路设计中为了精确控制加热而加热器又是一个大功率器件因此必须用弱电控制强电，我们首先向到时继电器，然而继电器的工作频率又有一定的限制最后商讨决定用晶闸

15、管来控制加热，用继电器控制制冷。在仅知晶闸管理论的情况下我们尝试着将它应用到实际设计之中，晶闸管的首次应用确实有不少的困难与挫折，电路仿真和实际的应用差别太大，经过将近一天调试终于调试成功。本次设计中我们三人的合作不是太默契，首先硬件设计和软件设计不太符合，导致软硬件结合的时候没有实现功能，经过调试最终实现功能，但是却浪费了不少时间。这次虽是模拟竞赛但是我们学到的还真不少，在以后的过程中我们先要好好沟通之后再开始工作，我们是一个团队，只有沟通好才能工作好。刘富强总结分组后作为我们第一次一起做一个产品确实遇到许多问题，之间的配合缺少默契，讨论时总是会有一些分歧，组员间配合少，缺少必要的交流沟通。

16、首先是感觉自己的工作做得不到位，在软件和硬件之间没有起到很好的协调作用。在要做的产品方案没有完全确定就让开始做，导致做硬件时出现很多问题，也使最后的软件和硬件的调试中出现很多问题，浪费了大量的时间。同时也意识到自己还存在许多不足，许多知识点不是忘记就是感觉很模糊，以至于在做产品时自己不得不去花时间去看一些以前学过的东西，既浪费了自己的时间也不没能很好的帮助团队。在这深深的做自我检讨，并承诺在以后的培训中一定会更加努力克服自己的不足。在这次产品中自己也学到了很多东西，首先自己通过这个产品学到了很多硬件和软件的知识，充实了自己，同时也意识到了自己的不足，能让自己在以后的培训中更加努力。也意识到对于一个产品是否能顺利完成任务，实现设计要求，在工作中必须意识到自己一个团队中，并且在工作过程中必须认真耐心，不能有一点马虎，否则遗漏一个小的问题就会导致整个设计的失败。