电子设计竞赛水温控制系统程序+电路图+报告喜欢就拿去Word文档格式.docx

电子设计竞赛水温控制系统程序+电路图+报告喜欢就拿去Word文档格式.docx

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0.5℃。

2.降低功耗。

测量温度点供电电压5V时，发射功耗≤15mA，待机功耗≤10uA。

3.能够按照温度变化情况改变采样速率（当20秒内温度大于5℃时，加大采样密度到每10次），主机报警。

4.其他。

水温控制系统

摘要：

为了完成水温控制系统的设计，我们介绍了STC89C51单片机的自动

温控制系统的设计及实现过程。

该系统具有实时显示，设定温度显示，温度调节，温度测量并能根据设定值对水的温度进行调节和控温的目的，控制算法基于数字PID算法。

关键词：

PID，继电器，制冷片，风扇，加热器，PT100温度传感器，0P07

Abstract：

Inordertocompletethewatertemperaturecontrolsystemdesign,weintroducedtheSTC89C51SCMautomatictemperaturecontrolsystemdesignandimplementationprocess.Thesystemhasreal-timedisplay、settemperature、temperatureregulation、temperaturemeasurementandcanaccordingtovalueofwatertemperatureregulationandtemperaturecontrolpurposes,controlalgorithmwasbasedonthePIDalgorithm.

Keyword：

PID,Relay,Coolingplate,Fan,Heater,PT100temperaturesensor,0P07

1系统方案

1.1方案论证

（1）方案一：

此方案是采用传统的模拟控制方法（方案框图如图2-1-1），选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或者不加热。

器特点是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定。

系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法，而且不易实现对系统的控制及对温度的显示，人机交换性能差。

图2-1-1模拟控制框图

（2）方案二：

采用单片机AT89C51为核心。

（方框图如图2-1-2），采用了温度传感器PT100采集温度变化信号，用OP07放大变化信号，12位A/D采样芯片TLC2543将其转换成数字信号并通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。

使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过PID算法使系统具有，反应速度快，控制精度高的特点。

该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制（电炉加热，制冷片降温）以实现水温控制的全过程。

　　　　　　　　　　　　　　　图2-1-2单片机控制框图

比较两种方案，方案二明显的改善了方案一的不足及缺点，并具有人机界面友好，操作简单，控制温度精度高的特点。

因此本设计电路采用方案二。

2理论分析与计算

2.1测量与控制方法

2.1.1温度采集电路

1.PT100使用桥式输入

2.放大器第一级差分输入，第二级同相放大

3.采样放大电压输出范围：

0到2.4V

2.1.2A/D转换器

采用TLC2543是IT公司的12位串行模数转化器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。

由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源，且价格适中，分辨率较高。

（以下是TLC2543的封装）

2.1.3PT100温度传感器

PT100温度传感器为正温度系数热电阻传感器，主要技术参数如下：

①测量范围：

-200℃～+850℃；

②允许偏差值℃：

A级，B级；

③响应时间＜30s；

④最小置入深度：

热电阻的最小置入深度≥200mm；

⑤允通电流≤5mA。

另外，PT100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。

鉑热电阻的线性较好，在0～100摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。

鉑热电阻阻值与温度关系为：

①-200℃＜t＜0℃时，；

②0℃≤t≤850℃时，；

式中，A=0.00390802；

B=-0.000000580；

C=0.0000000000042735。

可见PT100在常温0～100摄氏度之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：

，当温度变化1℃，PT100阻值近似变化0.39。

2.1.4OP07放大器

　　Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±

2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面

第一级放大倍数U01=-（U1-U2）*R1/R5=9

第二级放大倍数U02=（R9+R10）/R9=3.6

总放大倍数U=U01*U02=32.4

2.1.5HD7279

　　HD7279A是一片具有串行接口的，可驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。

2.1.6继电器电路

考虑到单片机系统通过继电器使用低电压控制市电，因此为了整个系统的安全，在继电器模块的市电输入端加入3A保险丝，当电路出现短路时，将会跳闸，以确保设备的安全。

3电路设计

3.1键盘及液晶

4程序设计

4.1程序流程图

对液晶12864处理

说明：

界面1：

显示水温控制系统，绍兴文理学院元培学院

界面2：

显示设定温度，PID的KP,KI,KD值

界面3：

显示设定温度值，当前温度值，温控等。

通过按键改变设定温度，也可以通过按键退出设定温度值。

通过按键可以控制温控是否启动。

当当前温度小于设定温度，可以进行开启温控，进行加热，最终达到设定温度。

当通过按键把设定温度值下降，可以再通过按键启动冷却装置，使温度下降到设定温度，之后也启动温控。

同时在温控时，通过按键可以画出升温或下降温度的曲线。

通过按键可以让界面2与界面3的切换。

5理论计算

PID算法参数KP:

5KI:

0.005KD:

6结果分析

本次水温控制系统硬件上，使用电容滤波；

软件上软件使用去极值采样滤波。

在闭环控制环节中加入了经典应用PID调节。

经过多次采样测量。

有以下实验结果。

1.当起始温度为30摄氏度时，启动控制，设定温度为50摄氏度。

达到稳定所需时间为6分钟。

动态误差小于2摄氏度。

静态误差小于正负0.2摄氏度

2.当温度为50摄氏度时，开启降温功能，控制温度下降到40摄氏度。

调节所需时间为5分钟。

动态误差0.3度。

静态误差0.2度

3.当温度稳定到60摄氏度时，加入室温的冷水200ml，温度调节的时间为5分钟。

动态误差为0.4度。

静态误差为0.2

4.本系统已实现温度随水温实时曲线

根据测量的数据，本系统具有比较高的滤波性质，且精度较高，在加热和降温时采样依然稳定精确。

参考文献

[1]穆秀春,王宇.Altium[M].1.电子工业出版社,2011.

[2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛[M].2.北京航空航天大学出版社,2011.

[3]邓建国,陈南,钱聪,等.电子设计指南[M].1.高等教育出版社,2006.

附录

1.完整原理图

2.部分程序代码

以上为水温控制系统完整原理图

主核心代码：

TLC2543：

PID:

unsignedintread2543（unsignedcharport）

{

unsignedintad=0;

unsignedchari;

clock=0;

d_cs=1;

d_in=0;

d_cs=0;

port<

<

=4;

for（i=0;

i<

12;

i++）

if（d_out）

ad|=0x01;

clock=1;

delay_t（3）;

if（port&

0x80）

d_in=1;

else

d_in=0;

clock=0;

ad<

=1;

port<

}

ad>

>

return（ad）;

AD采样：

unsignedintadwendu（）

unsignedintwendutt,a,b,wendu1,wendu2;

unsignedcharcounti;

unsignedintwendu_tempt,wenduhe=0;

wendu_tempt=wendu;

wenduhe=0;

a=read2543（）*k;

if（a>

=200&

a<

299）

a=a+（float）（a-200）*0.03-8;

elseif（a>

=300&

&

399）

a=a+（float）（a-300）*0.03-3;

=400&

450）

a=a+（float）（a-300）*0.03;

elseif（a>

=450&

a<

499）

a=a+（float）（a-450）*0.04;

=499&

599）

a=a+（float）（a-499）*0.06+2;

=599&

699）

a=a+（float）（a-599）*0.06+8;

=699&

799）

a=a+（float）（a-699）*0.06+14;

b=a;

wendu1=a;

wendu2=b;

wenduhe=wenduhe+wendu1;

wenduhe=wenduhe+wendu2;

for（counti=0;

counti<

10;

counti++）

wendutt=read2543（）;

wendutt=wendutt*k;

if（wendutt>

wendutt<

wendutt=wendutt+（float）（wendutt-200）*0.03-8;

elseif（wendutt>

wendutt=wendutt+（f