水温控制系统设计与总结报告
水温控制系统设与总结报告
摘 要 本设计是制作一水温测试系统采用单片机89C51完成对水温的控制。采用DS1820温度传感器对水温进行测量 系统能够实现在一定范围内人工设定、
自动控制温度等性能。同时还扩展具有报警提示、时间提示加热状态提示过
温保护等功能增强了系统的实用性。经实验测试表明该系统各项功能几乎已
经达到题目的要求。
关键词测温控制报警电路保护 Take off Want This design is to manufacture one water temperature test system,
adopting a machine 89 C51s to complete the control toward the water
temperature.Adopt the temperature of DS1820 spreads the feeling machine
to carry on the diagraph to the water temperature, the system can carry https://www.doczj.com/doc/c318361758.html,
out to set in the certain scope wife work, the automatic control
temperature etc. function.Still expand to have to report to the police
to hint at the same time, time hint, heating the appearance to hint, over
protection etc. function, strengthenned the function of the system.Was
express by the experiment test, various functions of that system almost
have already attained the request of the topic.
Keyword:Measure control, report to the police, the electric circuit
protection
目 录 1. 系统设计------------------------------------------------------------------------------
1.1 设计任务及要求--------------------------------------------------------------------
1.2 总体方案设计、比较-------------------------------------------------------------
1.2.1 控制方案的确定-----------------------------------------------------------------
1.2.2 键盘输入与显示模块-----------------------------------------------------------
1.2.3 测温模块--------------------------------------------------------------------------
1.2.4 报警与状态显示模块-----------------------------------------------------------
1.2.5 电源模块--------------------------------------------------------------------------
2.单元电路的设计------------------------------------------------------------------------
2.1 控制模块的设计--------------------------------------------------------------------
2.2
键盘与显示最小系统的设计-----------------------------------------------------
2.3 测温电路的设计--------------------------------------------------------------------
2.4 报警与状态指示模块的设计-----------------------------------------------------
2.5 电源模块的设计--------------------------------------------------------------------
3.软件设计------------------------------------------------------------------------------
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3.1 开发软件简介------------------------------------------------------------------------
3.2 键盘输入与显示模块--------------------------------------------------------------
3.3 测温控制电路的设计-------------------------------------------------------------- https://www.doczj.com/doc/c318361758.html,
4.系统测试---------------------------------------------------------------------------------
4.1 测试使用的仪器---------------------------------------------------------------------
4.2 指标测试和测试结果-------------------------------------------------------------
4.2.1 测试结果与分析-----------------------------------------------------------------
5.结束语--------------------------------------------------------------------------------------
参考文献-------------------------------------------------------------------------------------
附录1 元器件名细表---------------------------------------------------------------------
附录2 程序清单 ------------------------------------------------------------------------
附录3 硬件电路原理图------------------------------------------------------------------
1. 系统设计 1.1 设计任务及要求
1设计任务 设计并制作一个水温控制系统,控制对象为0.5L净水。容器为搪瓷器皿。水温
可以在一定范围内人工设定(如图一),并能够实现自动控制温度范围设定为
40~90℃,最小区分为1℃,标定温度≤1℃。温度控制的静态误差≤1℃。 2设计要求
1.基本要求
(1).控制功能如图一
图一 输入控制温度曲线
室温
90℃ 75
℃ 10分钟
15分钟
15分钟 https://www.doczj.com/doc/c318361758.html,
(2).由键盘设定温度
(3).显示十进制温度 2.发挥部分 (1).时间的显示
(2).通信功能
(3).报警提示
(4).过温保护、电保护
(5).可以根据情况自行添加
1.2 总体方案比较、设计与论证 设计制作一个水温自动控制系统控制对象为0.5L的净水要求温度设定范
围40
90℃最小区分度为1℃温度控制的静态误差小于等于1℃。本设计利
用单片机进行数据的采集、处理及温度的控制并通过HD7279驱动单片机进行
键盘的输入及显示。单片机运算能力强编程灵活自由度大可用软件编程实现
各种算法和逻辑控制实现方便、精度高占用的口资源少成本较低可根据
不同需要用于各种场合。
据要求方案的系统模块分为控制模块、键盘输入与显示模块、测温模块、报
警与状态显示模块、电源模块。总体框图如下
系统模型框图 1.2.1 控制方案的确定
方案一 PID控制算法
单
片
机
键盘 显示
测温模块
控制模块
INPUT
OUTPUT
报警模块 https://www.doczj.com/doc/c318361758.html,
PID控制就是比例、积分和微分控
制。在模拟控制中PID算法的表达式为
u=KE+dt
de
Tddte
Tt01
1 1-1
式中u——调节器的输出信号
e——偏差信号给定值与检测值之差
K——调节器的比例系数
T1——调节器的积分时间
Td——调节器的微分时间
数字PID控制算法是以模拟PID 调节器控制为基础的因此为了实现数字控
制必须对上式1-1进行离散化处理。用数字形式的差分方程替代连续系统
的微分方程。离散化后的PID算式为
ui=K[ei+uo
eiei
T
Td
ej
Ti
Ti
j
)]1(0 (1-2)
上式称为位置式PID控制算式。
采
用调功法控制水温的办法实质上是控制能量守恒根据上升到某一特定温
度和下降到某一特定温度的时间比来决定稳定在该温度所需的电热杯通断时间。
单片机在接收按键中断后判断输入数据采用分段PID算法控制温度调节和稳
定。分段PID控制将40℃90℃均匀分成5℃的温度段不同温度段的加热惯
性不同测试每段的加热时间和自然降温时间然后算出维持的温度的比例关系
定出维持温度的控制量。段内根据温差进行细调以及温度差的差进行趋势的预
测与调节。 方案二 模糊控制 模糊控制的基本思想就是利用计算机来实现人的控制经验。它仿照人的思维
进行模糊控制把由输入通道采样得到的精确量变成模糊推理需要的模糊量。这
种模糊化工作由模糊化接口完成。当系统水温与其设定的误差的量程范围-1℃—
+1℃即[-1+1]。而每一个输入信号都有相应的论域在该论域上定义模糊化
后表示信号大小的模糊子集。在每一个采样时刻模糊化接口把输入信号的物理
值转化为相应论域上的点比如水温误差为0.6℃则对应于离散论域上则的点。
该算法不仅麻烦而且实现起来有一定的难度。
方案三 利用固体继电器实现水温的智能控制 采用固体继电器SSR控制。SSR实际上是使用发光管触发的过零触发的
可控硅是一个电子开关无触点的继电器。利用开关闭合与断开时间的长短来
控制加温的时间 因为无触点所以可以通过大电流而不产生拉弧工作寿命
与开关次数无关。 技术成熟可靠触点容量相对较大成本低几乎零功耗
发热量小而且稳压稳流。
方案四 采用光耦合双向可控硅控制 https://www.doczj.com/doc/c318361758.html,
光耦合双向可控硅内部为一硅光敏双向可控硅还带有过零触发检测器以保
证电压接近零时触发可控硅。典型光耦合双向可控硅为MOC3041/3042/3043。但
它成本高、控制相对复
杂、容量小、功耗大、发热严重。
综上所述选择方案三。
1.2.2键盘与显示方案确定 方案一 该方案采用静态扫描法即直接将键盘作单片机的输入数码管作输
出该方案占用单片机的口资源较多硬件电路复杂需利用软件进行消抖动及
闪烁等问题现实中不实用。模型图如下 方案二 该方案是动态扫描。可以利用驱动芯片如HD7279驱动键盘和数码
管该方法接口和外围电路比较简单且占用口线少显示稳定工作可靠加
之它可以节省CPU处理键盘和显示器的时间提高CPU的工作效率具有较高的性
价比。
模型图如下
综上所述选择方案二采用HD7279A芯片进行驱动键盘的输入和显示。
1.2.3 测温模块 方案一 在一些温控系统中广泛采用的是通过热电偶、热电阻或PN结测温
电路经过相应的信号调理电路转换成AD转换器能接收的模拟量再经过采
样保持电路进行AD转换最终送入单片机及其相应的外围电路完成监控。
HD7279 芯片
键 盘
数码管
单
片
机
P0口
单片机
P1.P2口
八路
数码
管
键盘
https://www.doczj.com/doc/c318361758.html,
但是由于传统的信号调理电路实现复杂、易受干扰重复性、可靠性都比较差
不易控制且精度不高。
方案二 采用一种新型的单总线可编程温度传感器——DS18B20用它直接与
单片机完成温度的采集和转换以及算法的要求无需复杂的信号调理电路和A
D转换电路大大简化了电路的复杂度实现方便、精度高可根据不同需要
用于各种场合。
综上所述选择方案二采用DS18B20温度传感器。
1.2.4 报警与状态显示模块 方案一 采用可编程逻辑器件完成。通过FPGA进行预分频产生两种声音的频
率每隔0.5秒交替输出一个高电平编辑VHDL程序模块即可实现声音报警功能。
这种办法是利用软件实现报警功能成本高严重浪费资源。
方案二 采用单片机和分立元器件实现。在51单片机的一个口上接上三极管驱
动蜂鸣器
电路利用单片机内部的记数器控制响停时间。状态显示也是在单片机的口上接
上发光二极管此方法不仅简单实用而且成本低。系统框图如下。
报警系统框图 综上所述选择方案二。
1.2.5 电源模块 因电路中单片机需要5V的直流电压因此需要设计稳压电源。
方案一 采用开关电源来实现。以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路
称为开关电源。如常用的集成芯片有TL494LM2576等所构成的电路输出电
压稳定但是电路复杂抗干扰能力不好
。
方案二 采用线性电源来实现。此方案常用的稳压芯片有78、79系列等经过
变压、整流、滤波后进行稳压电路结构简单输出相对也比较稳定而且成本
低实用性强。
单
片
机 三极管驱动
蜂鸣器 https://www.doczj.com/doc/c318361758.html,
由于系统中对稳压电源的要求不是很高我们决定采用方案二。 2. 单元电路的设计 2.1 控制电路的设计 本次设计中选用Atmel公司的AT89C51单片机。它片内含有4KB Flash ROM
8位CMOS8位数据总线工作电压范围为2.76V实际使用+5V供电。它
有一个可编程的全双工串行通信接口能同时进行串行发送和接收。它具有低功
耗、高性能、运算能力强编程灵活自由度大及性价比高灵活性高且价廉等优
点而且可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。
利用单片机的P2.3口来控制流有不同电流的电热杯通过继电器来转达控
制意图。当测量到的温度小于90℃时单片机给出信号使继电器闭合利用软
件的实现对电热杯进行加温反之使继电器断开。利用单片机送出不同的脉冲
以软件来实现升温和保稳时间。
C51管脚图 控制电路原理图
2.2键盘输入与显示电路设计
本部分采用动态扫描法利用HD7279芯片驱动键盘和数码管。HA7279A是比
高公司生产的一种智能键盘和LED专用控制智能显示驱动芯片。它和微处理器之
间采用串行接口无需外围元件便可直接驱动内部含有译码器可直接
接受BCD码或16进制码并同时具有2种译码方式此外还具有多种控制指令
如消影、闪烁等。
如电路图本部分HD7279占用单片机P2的四个口其中选片信号 cs接P2.3口
时钟信号CLK接P2.2口数据信号串行通讯DAT接P2.1口key为按键有效输
出端平时为高电平当检测到有效按键时此引脚为低电平。使用键盘时电
路中需连接两只20K的上拉电阻使用数码管时8只200Ω电阻不能省去。 https://www.doczj.com/doc/c318361758.html,
左图为HD7279管脚图
键盘输入与显示电路原理图 2.3 测温电路的设计 本系统采用了DS18B20单总线可编程温度传感器,来实现对温度的采集和转
换DS18B20可编程温度传感器有3个管脚。如左图GND为接地线DQ为数据
输入输出接口通过一个较弱的上拉电阻与单片机相连。VDD为电源接口既
可由数据线提供电源又可由外部提供电源范围3O55 V。本文使用外
部电源供电。温度测量范围为55℃125℃可编程为9位12位A/D转换精
度测温分辨率可达0.0625℃被测温度用符号扩展的16
位数字量方式串行输出
相当于普通温度传感器与A/D的集成单片机只需一根端口线就能与DS18B20通
信可节省大量的引线、电路和资源而且价格便宜体积小使系统设计更灵
活、方便。 https://www.doczj.com/doc/c318361758.html,
DS18B20管脚图左 测温模块原理图右 右图中只需占用单片机的一个口资源P3.4当DS18B20接收到温度转换
命令后开始启动转换。转换完成后的温度值以16位带符号扩展的二进制补码
形式存储在高速暂存存储器中单片机可以通过单线接口读出数据读数据时低
位在前高位在后数据格式以0.0625
℃/LSB形式表示DS18B20完成温度转
换后把测得的温度值与RAM中的THTL字节内容作比较若TTH或T
TL
则将该器件内的报警标志位复位并对主机发出的报警搜索命令作出响
应。本系统中温度的采集是分段完成的有严格的时隙概念。因此DS18B20
的读/写时序很重要而系统对DS18B20的各操作也必须按协议进行。由于
DS18B20转换后的代码并不是实际的温度值所以要进行计算转换在进行温
度的显示。
2.4报警与状态模块的设计 利用C51单片机的的P0口进行三极管驱动蜂鸣器当温度高于90℃时P1.3
口给出高电平经三极管驱动蜂鸣器发声延长一段时间后停止报警。电路中
的二极管是分别判断
温度状态刚开始快速加温时第一个二极管亮其余二极管不亮当温度达
到90℃时第二个二极管发光其余二极管不亮经过延时15分钟后温度下
降到75℃时第三个二极管发光其余的不亮。此电路简单明了有实用。 https://www.doczj.com/doc/c318361758.html,
报警与状态指示模块原理图 2.5 电源模块的设计 在设计中有的模块需直流电源供电因此我们设计了直流温压电源。先将电力部门提供
的是220V50HZ的工频交流电进行整流变成单向脉冲电流再通过滤波去除脉动成分
在经7805三端稳压集成电路稳压后即构成了5V的直流稳压电源。该电源电路工作的稳
定性结构简单、成本较低。
直流稳压电源电路 3.软件的设计 3.1开发软件简介 系统软件的设计是在Windows XP环境下采用MedWin软件进行对单片机
各项功能的编程。MedWin是万利电子有限公司Insight系列仿真开发系统的高性
能集成开发环境。集编辑、编译/汇编、在线及模拟调试为一体VC风格的用户
界面完全支持Franklin/Keil C扩展OMF格式文件支持所有变量类型及表达
式配合Insight系列仿真器是开发80C51系列单片机的理想开发工具。利用
该软件进行编程实现系统的设计要求。
⑴ 温度的设定 即设定控
制温度为40--90℃。 ~220V
https://www.doczj.com/doc/c318361758.html,
⑵ 控制参数的设定 即继电器通断时间及温度的设定
⑶ 温度的设置 即通过键盘设定所需水的温度及显示保持时间。
⑷ 数据的处理 即处理DS18B20输出的数进行二——十进制转换送显
示。
3.2键盘输入与显示模块
我们可以很轻松看到我们执行的流程是在软件的出始化后在键盘上输入上阶温
度和下阶温度后就会知道的根据软件设计的流程加温、恒温及保温。同时还自动
的及时提示系统运行的状态指示是人们及时的知道此时此刻它在干什么在执
行什么。
3.3测温控制电路的设计
1.程序的流程图 开
始
初始化
按键否
显示数据
输入温度值
加 温 https://www.doczj.com/doc/c318361758.html,
在我们温度控制系统的流程中最重要的无非就是温度控制和恒温、保温控
制了。我们的上阶温度和下阶温度都是从键盘上输入的这样使我们的系统更好
的靠近人性化设计从而能够给很到的温差范围很大的东西食物加热
恒温、和保温的时间也可以从键盘上输入也可以在它的默认的时间下工作。
另外也有状态指示灯报警系统给你提示从而是人们及时季节它的工作状态
具体的程序如下
开始
初 始 化
判断是否达到
上阶温度
设置温度范围
恒 温 控 制
延迟15分钟
降 温 控 制
判断是否达到
下阶
保 温 控 制 https://www.doczj.com/doc/c318361758.html,
4.系统测试 4.1 测试使用的仪器 数字万用表、
仿真机
计算机
温度计
4.2实验数据如下
实际的温度度 显示的温度度 测得的时间分 误差
35 33.5 1.5
40 38 2
45 45 2.8
50 42.2 4.4
55 45.6 3.9
60 51.1 5.7
65 54.3 6.4
70 58.1 7.4
75 62.6 8.2
80 66.8 8.9
85 71.1 10.3
90 74.7 10.9
95 79.3 11.5
100 83.5 11.4
5. 结束语 本系统以单片机AT89C51芯片为核心部件利用测温技术键盘显示、控
制模块、报警功能等构成整个系统。在设计电路时力求硬件线路简单充分发挥
软件编程方便灵活的特点来满足系统设计的要求。因为我们组实力有限发挥
部分没能完全做好。
在本次设计过程中遇到了许多的问题和各种困难但通过我们的不屑努力
最终完成了作品因此我们深刻地体会到共同 和团队精神的重要性提高了
自己解决问题的能力。
https://www.doczj.com/doc/c318361758.html,
参考文献 1 杨宁胡学军. 单片机与控制技术 北京北京航空航天大学出版社2005年
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3 黄
智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计 北京北京航空航天大学出版社2005年
4全国大学生电子设计竞赛组委会.第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编。北京
北京立功大学出版社2003年 第1版
5何立民。51系列单片机以内功用系统设计 北京北京航空航天大学出版社1990年
6 赵同贺 电源的设计与应用 北京人民邮电出版社 2007年
7 松井邦彦 传感器使用电路设计与制作 北京科学出版社 2005年
8黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计 北京北京航空航天大学出版社2005年
附 录
附录1 元器件名细表 https://www.doczj.com/doc/c318361758.html,
元 件 名 称 型 号数 量备注
电热杯一只GX-500A-D11无
固体继电器GTJ2-5A1无
温度传感器DS18B201无
七段数码管TBA5011H8共阳
键盘按钮16
变压器1
电解电容35V/2200UF4
电解电容35V/1000UF3
电容1044
78051
78151
单片机 89C511
键显控制72791
22013
3.3K1
20K2
蜂鸣器1
驱动门电路74061
三端稳压管
电阻
附录2 程序清单
https://www.doczj.com/doc/c318361758.html,
附录3 硬件电路原 https://www.doczj.com/doc/c318361758.html,
https://www.doczj.com/doc/c318361758.html,