水温自动控制系统的设计.doc

1、 水温控制系统 摘要:本文介绍了基于STC89C52单片机的自动水温控制系统的设计及实现过程。该系统具有实时显示、温度测量、温度设定并能根据设定值对环境温度进行调节实现控温的目的并且自动记录时间。关键词 ：STC89C52 实时 控温 时间一、设计任务设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升水。水温可以在一定范围内设定，并能实现在1070量程范围内对每一点温度的自动控制，以保持设定的温度基本保持不变。（1）可键盘设定控制温度值，并能用液晶显示，显示最小区分度为0.1；（2）可以测量并显示水的实际温度。温度测量误差在0.5 内；（3）水温控制系统应具有全量程（1070）内的升温、降温功能（

2、降温可用半导体制冷片、升温用800W以内的电加热器）；（4）在全量程内任意设定一个温度值（例如起始温度15内），控制系统可以实现该给定温度的恒值自动控制。控制的最大动态误差4，静态误差1，系统达到稳态的时间15min（最少两个波动周期）。（5）当设定温度突变（温度变化20）时，控制的最大动态误差2，系统达到稳态的时间8min（最少两个波动周期）； （7）温度控制的静态误差0.2（在最小稳态时间内）二、方案的论证对题目进行深入的分析和思考，可将整个系统分为以下几个部分：测温电路、控制电路、加热装置和制冷装置。2.1控制电路的方案选择方案一：采用运放等模拟电路搭建一个控制器，用模拟方式实现PID控

3、制，对于纯粹的水温控制，这是足够的。但是附加显示、温度设定等功能，还要附加许多电路，稍显麻烦。同样，使用逻辑电路也可实现控制功能，但总体的电路设计和制作比较烦琐。方案二：采用FPGA实现控制功能。使用FPGA时，电路设计比较简单，通过相应的编程设计，可以很容易地实现控制和显示、键盘等功能，是一种可选的方案。但与单片机相比，价格较高，显然大材小用。方案三：采用单片机最小系统同时完成控制、显示、键盘等功能，电路设计和制作比较简单，成本也低，是一种非常好的方案。 综上所述本设计采用方案三作为控制电路。2.2测温电路方案的选择方案一：采用热敏电阻作为测温元件。热敏电阻精度高，需要配合电桥使用，要实现精

4、度测量需要配上精密较高的电阻。此外还需要制作相应的调理电路。方案二：采用半导体集成温度传感器作为测温元件，半导体集成温度传感器应用也很广泛，它的精度、可靠性都不错，价格也适中，使用比较简单，是一个较好的选择。综上所述本设计采用方案二作为测温电路。2.3加热控制方案的论证首先要选择好加热装置。根据题目，可以采用热得快进行加热，控制热的快加热时间以达到设定的温度。由于热的快的余温较大，因此设定在与设定温度相差一度时停止加热。具体方案如下。方案一：在与设定温度相差三度时关闭热得快，但多次试验后发现由于所要设定的温度不同误差较大。方案二：在与设定温度相差一度时关闭热得快，因为在超过所设定温度时启动制冷

5、片进行调节，温度误差较小，精度较高。综上所述本设计采用方案二。 2.4 制冷控制方案的论证 方案一：采用通常冰箱所采用的制冷装置压缩机，但由于体积太大成本较高，控制起来较复杂并且一般的氟利昂压缩机对环境有污染，不适合小型电路的制作。 方案二：采用风扇进行制冷，但是风扇的相对制冷效果非常低，达不到题目所要求的时间限制并且功率大的风扇体积较大。 方案三：采用半导体制冷片进行制冷，半导体制冷片体积很小，相对效率较高，容易控制，对于制作小型电路非常适合，由于制冷片制冷时需要散热，采用风扇进行散热时效果不明显严重影响了制冷片的工作，因此采用水冷进行散热。三、电路设计与计算3.1单元电路的设计3.1.1温

6、度采集电路： 一种电路是采用单线数字温度传感器18B20，可直接输出数字量，单线器件和单片机的接口只需一根信号线，所以本设计的硬件电路十分简单，容易实现。使用读取温度暂存寄存器的方法能达到0.1C以上的精度。 18B20连接电路图如图1所示。图1另一种测温电路采用AD590集成温度传感器，AD590将温度转化为电流信号，但由于AD转换大都需要电压信号，因此还需要通过相应的调理电路，将电流信号转化为电压信号。AD590测温电路如图2所示。 图2 由于这个电路输出的是电压信号，不能直接被单片机利用，因此需经过一个A/D转换器，将电压信号转换为数字量。A/D转换器有很多类型，需要根据精度和转换速度来

7、进行选择。本设计可采用最常用的A/D芯片之一AD0809的应用电路。也可直接选用带有A/D的单片机，这样可以省去A/D电路的制作，简化了电路，提高了可靠性。带A/D的单片机有很多型号，如常用的PIC16C711内含有4路8位A/D，C8051F020内含一组8路12位A/D和一组8路8位A/D，凌阳SPCE061A单片机内含有8路10位A/D。3.1.2控制、键盘、显示电路： 这部分实际上是一个单片机最小系统的基本电路，可选用最常用的51系列单片机，足够满足系统的要求。键盘可以选用常用的44扫描键盘，不过在这个设计中只需要35个按键即满足要求。本着简单实用的原则，选择了5个按键，分别用作设置选

8、择、温度加、温度减、计时器，温度比较。在显示方面，选用了常用的显示容量为162个字符的液晶显示模块。通过相应的软件编程，可以实现比较美观和丰富的显示界面。模块连接电路图如图3和图4所示。 图3：显示电路 图4：按键电路 3.2总体电路设计本着简单、实用的原则，这里最后选用了一个比较典型的硬件方案：测温电路选用DS18B20集成数组测温电路；控制芯片采用常见的STC89C52；显示方式采用162字符液晶显示器1602；键盘采用4独立按键；3.3软件流程图 本设计为了实现对1L水的温度的测量并用液晶显示，使待测水温的静态误差在1C范围以内。温度设定范围为1070C,最小区分度为0.1C。同时当水温

9、达到设定值时在环境温度降低时温度控制的静态误差1C。 主程序流程图如图5所示，实现对范围、温度值的设定，执行、显示实时温度。开始按键扫描液晶模块初始化 有键输入？ 第一个键？ 设定显示位置 设定温度加 第二个键？ 第三个键？ 设定温度减NNYYYY 第五个键？YNNY已经设定好温度？比较调用温度数据采集比较与控制子程序调用液晶显示子程序显示温度YN图5：系统主程序流程图12五、测试使用的主要仪器仪表：PC机（Lenovo）;数字万用表（DT-9205B,GDM-8245);水银温度计；51单片机开发系统。5.1传感器标定由于18b20出场的测温精度可达0.1C，基本能够达到设计要求。在此使用了

10、测温精度为1C煤油温度计测量水温。静态温度测量之前经多次试验后发现18b20与温度计之间温度总是相差大约两度，在总体测量之前采用软件进行温度补偿2度。测量方式：断开系统的加热装置，装入一定温度的水，保持环境温度和其测量条件不变，利用标准的温度计测量水温，于系统给出的温度相比较。测量仪器：煤油温度计，800W热得快，半导体制冷片，环境温度30.5C。测量结果：如下表所示 表1标准温度（度）35.538.046.349.852.057.460.064.567.7测量温度（度）35.338.146.549.652.057.260.364.467.8误差（度）0.20.10.20.20.00.20.3

11、0.10.1误差分析：由于热得快加热时，加热区主要集中在其上部，造成受热不均，热得快对两者的距离和测量点又不能取到完全相同。在此误差均在0.3(C)以内，且大部分在0.2（C）且没有规律性，所以不再软件补偿温度值5.2动态温控测量测量方式：接上系统的加热装置，装入1L室温的水，设定控温温度。记录调节时间、超调温度、稳态温度波动幅度等。测量仪器： 800W热得快，半导体制冷片，环境温度30.5C。测量结果：如下表所示。在此仅以数值的方式给出测量结果，略去升温曲线。调节时间按温度进出设定温度0.5C范围时计算。 表2 设定温度 （度） 40 45 55 60超调温度(度) 40.8 44.6 54

12、.7 60.3误差(度) 0.8 -0.4 -0.3 0.35.3测试结果分析由以上测量可见，系统性能基本上达到了所要求的指标。静态测温的精度主要有DS18B20决定。DS18B20的精度比较高，这里采取了读取温度寄存器办法，测温精度能够达到0.1C，可以达到比较好的精度。在控温指标中，影响系统性能的因素非常多。最关键的是加热系统本身的物理性质。由于传感器必须加上防水设施，因此温度传感器难免会有迟滞，热得快本身的延迟，水对流传热等因素也会造成测温的延时，这些都会直接影响系统的控制性能。硬件调试问题电路采用三路继电器控制，一路控制加热，两路控制冷片制冷，在制作板子时，由于两路电源输入距离很近，随

13、意在测试工作时，加热电路不能正常工作，仔细检查电路没有问题，考虑到干扰问题，将输入端分开链接，问题解决。其他电路：18B20控制电路，按键电路上电测试，均能正常工作。5.4 结论 整个系统的设计思想是提高静态控温精度，减小调节时间和超调量。整个系统综合有如下几个特点：1. 通过DS18B20集成温度传感器减少了A/D转换电路，简化了电路结构。3 在电路设计中充分考虑了系统的可靠性和安全性。通过精心调试达到基本功能指标，动态性能也达到较好的要求。六、心得通过硬件和软件的设计，制作出了水温控制系统，本次比赛的大部分指标都已实现，通过此次自己努力学习、认真设计，从资料的搜集，方案分析和确定，在电路板

14、的制作与程序的编写等过程中我们掌握了很多技术，在单片机编程和焊接电路板及工艺等方面都有了很大的进步。在此期间充分的锻炼了我们的自学能力，也有了永不轻言放弃的毅力。同时也明白其实并不要在乎学了多少，重要的是所学的在实践中如何应用以及用到什么样的程度。本次设计的硬件电路部分比较简单，大部分功能都是由软件程序来实现的，在编程的过程中，我学会了许多C语言的编程技巧，学会了使用指针，使程序更加灵活；另外还学会了代码的优化技巧，逐渐养成了良好的编程习惯，写出了高质量的程序代码，为今后的学习工作打下了良好的基础。七、 参考文献1 51单片机C语言常用模块与综合系统设计实例精讲（的第2版），于永等著，北京：电

15、子工业出版社，2008.102全国大学生电子设计竞赛单片机应用技能精解，蓝和慧等著，北京：电子工业出版社，2009.43全国大学生电子设计竞赛系统设计，黄智伟编著，北京：北京航空航天大学出版社，2006.124深入浅出ARM7LPC213x/214x上册，周立功等著，北京：北京航天航空大学出版社，2006.15模拟电子技术基础，童诗白，华成英著，北京：高等教育出版社，2000.6数字电子技术基础，阎石著，北京：高等教育出版社，2005.八、 附录附录1 水温控制系统总电路图 图6： 水温系统总电路图附录2 部分c语言程序/*/*键盘扫描函数*/*/void keyscan()if(s1=0)/

16、是否按下delay(5);/消抖if(s1=0)s1num+;while(!s1);/确认键按下是否抬起（如果按下即s1=0那么/为/真继续执行，若抬起则while语句为假，向下执行if(s1num=1)lcd_wcmd(0x80+0x40+3);/将光标移到秒的位置lcd_wcmd(0x0c);/显示光标和光标闪烁由1602说/明if(s1num=2)lcd_wcmd(0x80+0x40+0);lcd_wcmd(0x0c);if(s1num=3)s1num=0;lcd_wcmd(0x0c);if(s1num!=0)if(s2=0)delay(5);if(s2=0)while(!s2);if(

17、s1num=1)/在秒的位置上闪烁xiao+;if(xiao=10)xiao=0;disp_tmphou(3,xiao);lcd_wcmd(0x80+0x40+3);if(s1num=2)da+;if(da=71)da=0;write_sfm(0,da);lcd_wcmd(0x80+0x40+0);if(s3=0)delay(5);if(s3=0)while(!s3);if(s1num=1)xiao-;if(xiao=-1)xiao=9; disp_tmphou(3,xiao);lcd_wcmd(0x80+0x40+3);if(s1num=2)da-;if(da=-1)da=70;write_sfm(0,da);lcd_wcmd(0x80+0x40+0);if(s4=0)/是否按下delay(5);/消抖if(s4=0)while(!s4);/*打开中断*/*/ TMOD=0x01;/用定时器0的方式1/然后装初值TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;EA=1;/开总中断ET0=1;/开定时器0的中断TR0=1;/启动定时器/*/ 实物图