智能水温控制系统Word文档格式.docx

智能水温控制系统Word文档格式.docx

《智能水温控制系统Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能水温控制系统Word文档格式.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。

1）温度设定范围为20~70oC，最小区分度为1oC，标定温度≤1oC。

2）用十进制数码管显示水的实际温度。

3）采用适当的控制方法，当设定温度突变（比如：

由50oC提高到60oC）时，减小系统的调节时间和超调量。

4）温度控制的静态误差≤1oC（达到发挥部分的要求）

5）在设定温度发生突变时，自动打印水温随时间变化的曲线。

二、

整个系统分为以下几个部分：

温度采样部分、控制电路部分、加热装置以及串口通信部分。

温度采样部分

采用温度传感器DS18B20,测温范围-55oC~+125oC，采用独特的单线接口方式，仅需一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，且在使用中不需要任何外围元件；

可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出远端引入。

此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。

采用STC89C52单片机作为主控芯片。

STC89C52是一个超低功耗，高性能的51内核的CMOS8位单片机，片内含8KB空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，具有512bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个I/O口，两个16位可编程定时计数器。

且该系列的51单片机支持串口下载和串口调试。

所以我们选择了方案2。

键盘显示部分

控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，所以此部分电路设计的好坏直接影响到电路的好坏。

设计的系统中，共三个按键：

菜单键和温度设定的“+”、“-”控制键。

对菜单键按键一次，进入温度设定状态，通过连按“+”、“-”控制键来设定温度，数码管显示设定的温度值；

对菜单键连按键两次，进入温度测量状态，数码管显示当前的实际水温。

加热装置的选择

采用螺旋加热管。

可将螺旋加热管固定到容器内部，通电加热时能使水在容器内形成对流，加热功率相对较高，加热较均匀，使得测量误差较小。

对温度控制的精度要求较高

串口通信部分

UART通信，是异步串口通信，在通信时只需要数据线，只需要知道发送数据的波特率，编程时设置好位长度即可。

UART通讯编程简单，通讯速度远比IIC快，可以直接使用RS485延伸通讯距离达到1km，通讯速度很容易做高。

所以本实验中，采用UART通信将数据传输给电脑。

软件算法的选择

采用经典PID控制算法和根据实验数据分区间控制的算法，对于温度系统来说，被控对象没有精确的数学模型。

用螺旋加热器加热使得水温具有热惯性，采用补氧设备往水里加入空气，使水的上下温差变得非常小，故检测的实时数据基本能完全体现500ml水的实际温度，所以经典PID控制算法中的P能满足设计要求，但必须根据实验数据进行调整。

三、系统总体方案设计

此方案采用STC89C52单片机系统实现，键盘输入温度设定值，用数字温度传感器DS18B20采集准确的温度，数码管显示设定温度值和水温实测值，加热装置采用固态继电器控制，当水温超过设定值时蜂鸣器报警。

图1温度控制系统框图

四、硬件电路设计

温度采集电路

一种电路是采用单线数字温度传感器DS18B20，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以上的精度。

18B20连接电路图如图2所示

图2温度采集电路

加热装置模块

由于本系统要控制加热管，功率较大，因此要借助功率电路。

使用继电器可以很容易的通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。

使用电磁继电器电路的实现十分简单，而且还可以实现较为精确的控制，是比较好的一种方式。

DS18B20测温芯片传送温度数据单片机的I/O口。

对加热管通断的控制采用SSR固态继电器，SSR是半导体继电器，所以较小的驱动功率即可使SSR工作。

它的使用非常简单，且响应时间短，对系统干扰小。

只要在控制台端加上一个TTL、CMOS电平或光耦，即可实现对继电器的开关。

其电路图如下所示。

图3图4

按键控制和显示模块

接KEY1，接KEY2，接KEY3。

KEY1:

菜单键，共有两种模式：

温度重新设置、当前所测温度。

KEY2:

温度设置“+”。

KEY3:

温度设置“-”。

图5

系统上电后，数码管全部显示为当前所测温度值，根据按KEY1次数,若按键一次，进入温度设定状态，通过连按“+”、“-”控制键来设定温度，数码管显示设定的温度值；

若连按两次，进入温度测量状态，数码管显示当前的实际水温。

由于温度变化范围是40~70oC，所以选用两个数码管显示温度。

数码管采用共阳极，经过1KΩ的电阻限流后与单片机连接，由单片机I/O口P3对数码管进行位选。

蜂鸣报警电路

蜂鸣器通过一个三极管来驱动，这里选用PNP型三极管，电路图如下

图6

通信模块

系统设计要求控制系统能同PC联机通信，以利用PC图形处理能力打印显示温度曲线，故使用了STC89C52的异步串行端口UART实现与PC通信。

由于STC89C52串行口电平和PC不一致，（STC89C52的I/O为TTL电平，PC串行口为RS232电平），使用一片MAX232为进行电平转换驱动。

通信速率为9600波特率。

数据5秒传输一次。

电路图如图7所示，MAX232的RXD1和TXD1分别接STC89C52的（TXD）和（RXD）。

图7串行通信电路

UART模块提供了一个全双工标准通信口，用于完成STC89C52与外设之间的串行通信。

根据RS-232的标准，STC89C52单片机也是按照字节传输数据的。

UART还可以带缓冲接收数据，即可以在读取缓存器数据之前接收新的数据。

但是，如果新的数据被接收到缓存器之前一直未从中读取，先前的数据会发生数据丢失。

SBUF用于接收和发送数据的缓存，向该单元写入数据，将发送的数据送入缓存器；

读该单元取数据，可以从缓存器读出接收到的单字节数据。

UART模块的接收管脚Rx和发送管脚Tx分别与和共用。

五、系统软件设计

任何一个系统的软件设计都离不开硬件电路的连接，本课题硬件设计的高度模块化决定了软件设计的模块化。

本程序结构包括：

主控程序模块、键盘扫描及处理子程序、LED显示子程序、采样数据处理子程序、PID算法子程序、串口通信并打印曲线图等子程序几个部分。

结构框图如图8。

主控程序模块在整个结构中充当管理者，管理所有子程序的调用，就相当于个人计算机的操作系统。

它主要负责初始化各个I/O口，等待键盘事件的发生，并作出相应的处理。

并在适当的时候调用数据采样程序，并将采样到的数据与键盘设定值比较。

再通过PID计算后用以控制继电器的开断，从而控制加热管的输出功率，来达到水温的调整，并将实测的水温数据上传给电脑，利用PC图形处理能力打印显示温度曲线。

图8程序结构图

程序流程图及部分程序

主程序

程序按照模块化设计，所有功能都可通过调用子程序完成，主程序较简单，流程图如图9所示。

/***********************************

本设计系统是18b20温度报警系统数码管显示，可设置温度上限高温报警和下限低温报警，报警温度可精确到1度，并具有掉电保存功能，数据保存在单片机内部EEPOM中，进入设置界面后如果没有键按下系统会在15秒后自动退出设置界面，人性化的按键设置，按键还具有连加、减功能。

**********************************/

voidmain（）

{

UART_init（）;

time_init（）;

0℃-100℃0℃-100℃

12℃0℃-100℃

2

1℃1℃量的设定，由于加热管的加热惯性，会导致温度加热过快超过设定温度值。

对于本系统来说参数设定只能使用经验凑试。

调试的时候一定要耐心，细心。

2.串口通信部分的程序设计，由于第一次接触这方面的内容，串口通信过程中出现了各种问题，经过不断的尝试和参考相关资料，最终基本上达到了题目要求中的发挥部分要求。

团队的协同合作是相当重要的，有时候1+1>

2的作用。

总的来说通过这次设计实验，学到了很多东西，无论是动手能力，分析问题的能力都得到了提高，重要的是建立了对于电子设计信心，增强了对于电子设计兴趣。

最大的体会还是理论运用到实践还是有很大差距，理论学得再好到了实际运用的时候还是会出现很多问题，这些问题通过多实践积累经验可以得到解决。

总之本次系统设计让我们收获颇丰。

八、参考文献

1．《可编程序控制器模拟量及PID算法应用案例》，曹辉编著，北京:

高等教育出版社,2008

2．《2011版全国大学生电子设计竞赛硬件电路设计精解》，陈永真等著，北京：

电子工业出版社，2011

3．《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，

4．《基于VC++6．0的数据可视化串口通信》叶艳艳，樊峰，陈西曲，武汉工业学院学报，（31）

5．《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.

九、电路图附录