模块三水温自动控制系统.docx
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模块三水温自动控制系统
项目三水温自动控制系统
第一节系统分析
1.1水温控制系统概述
温度控制无论在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源的浪费。
特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对水温的控制，把身边的水资源好好地利用起来。
以单片机为核心的水温自动控制系统，可以实时采集现场温度数据，并和目标温度进行比较，根据两者之差采用PID等控制算法调整是电热丝的功率实现水温的精确控制，从而提高生产效率，改善人民的生活水平。
1.2设计任务和主要内容
1.基本要求
一升水由1kW的电炉加热，要求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调整，以保持设定的温度基本不变。
2.主要性能指标
①温度设定范围：
，最小区分度为
。
②控制精度：
温度控制的静态误差
。
③用十进制数码显示实际水温。
3.扩展功能
①具有通信能力，可接收其他数据设备发来的命令，或将结果传送到其他数据设备。
②采用适当的控制方法实现当设定温度或环境温度突变时，减小系统的调节时间和超调量。
③温度控制的静态误差
。
第二节系统设计
温度测控系统结构框图如图3.1所示，设计中被控对象为lL净水，采用lkW电炉进行加热。
本设计主要以单片机为控制核心，利用PID控制算法进行水温度的恒温控制。
单片机系统由电源模块、温度测量模块、功率调节模块、人机接口模块和单片机核心模块五个部分组成，电源模块为系统提供±12V、+5V直流工作电源；温度测量模块完成对水的温度测量；功率调节模块实现对水的加热控制；人机接口模块实现温度值的设定、显示、单片机和PC之间的通信等功能。
下面分别讲述各模块的具体设计思想和应用功能。
模块一、电源模块
电源模块选用标准的开关电源模块，其中±12V直流电源的输出电流为1A，+5V直流电源的输出电流为500mA。
模块二、人机接口模块
人机接口模块由6位共阴式数码显示LED接口电路、4×4矩阵结构的16键键盘接口电路、和RS232串行通信接口转换电路三部分组成。
人机接口模块需完成温度的设定、显示和数据通信等功能，下面分别讲述这三方面功能的具体实现。
2．1温度显示
1．硬件原理
系统中通过键盘设定的温度和实际测量的温度均通过6位共阴式数码管进行显示，采用三个二合一的数码显示模块实现6位数码显示，数码显示电路采用动态显示方式以简化硬件结构。
显示电路如图3.2所示。
显示电路的字型码由并行IO口扩展芯片8255的PA口PA0~PA7输出，经反相驱动电路ULN2003反相驱动后接到数码管的段码线a、b、c、d、e、f、g、dp上。
显示电路的位码由并行IO口扩展芯片8255的PB口PB0~PB5输出，同样经反相驱动电路ULN2003反相驱动后接到数码管的位码线CM1~CM6上。
每片ULN2003提供7路反相驱动，第8根段码线dp由第二片ULN2003的第一路反相驱动控制。
动态显示电路的工作原理在前面章节中已经讲过，在此不再重复。
并行IO口扩展芯片8255的四个端口PA、PB、PC、PD经译码电路译码，端口地址分别为0x8000、0x8001、0x8002、0x8003。
在本系统中并行IO口扩展芯片8255的PA口、PC口作为通用的输出口、PB口作为通用的输入口。
因此在初始化8255时因向8255的命令控制端口PD口置0x82。
图3.2显示接口电路
2、显示驱动程序设计
①数据定义
在系统中设定一个长度为6的全局变量类型的数组dis_buf[]作为显示缓冲区，当显示“0”~“9”之间字符时在缓冲区中存放十六进制数0x00~0x09之间的数；当显示字符“0.”~“9.”之间字符时在缓冲区中存放十六进制数0x10~0x19之间的数；下标值从小到大的数组元素在数码管上的显示顺序为从右向左。
每次调用显示程序，都是将显示缓冲区中的全部数据逐一转换为相应的字型码送到对应的数码管上进行显示。
由于采用共阴的数码管，且显示驱动为反相驱动，因此显示程序应输出共阳式的字型码，字型码存放在字型码表table[]中。
显示字符、缓冲数据、字型码的三者对照关系见表3.1。
显示字符
缓冲数据
字型码
显示字符
缓冲数据
字型码
“0”
0x00
0xc0
“0.”
0x10
0x40
“1”
0x01
0xf9
“1.”
0x11
0x79
“2”
0x02
0xa4
“2.”
0x12
0x24
“3”
0x03
0xb0
“3.”
0x13
0x30
“4”
0x04
0x99
“4.”
0x14
0x19
“5”
0x05
0x92
“5.”
0x15
0x12
“6”
0x06
0x82
“6.”
0x16
0x02
“7”
0x07
0xf8
“7.”
0x17
0x78
“8”
0x08
0x80
“8.”
0x18
0x00
“9”
0x09
0x90
“9.”
0x19
0x10
“A”
0x0a
0x88
“A.”
0x1a
0x08
“B”
0x0b
0x83
“B.”
0x1b
0x03
“C”
0x0c
0xc6
“C.”
0x1c
0x46
“D”
0x0d
0xa1
“D.”
0x1d
0x21
“E”
0x0e
0x86
“E.”
0x1e
0x06
“F”
0x0f
0x8e
“F.”
0x1f
0x0e
暗
0x20
0xff
－
0x21
0xbf
P
0x22
0x8c
Y
0x23
0x91
②程序流程
③程序代码
#include
/*头文件reg51.h中包含了单片机特殊功能寄存器定义,通过宏命令include可以将这些定义包含进来*/
#defineucharunsignedchar/*定义无符号字符型缩写数据类型名称uchar*/
#defineledlen6/*定义显示数据长度为6*/
#definePA_8255XBYTE[0x8000]
/*定义PA_8255代表在外部数据空间中地址为0x8000的8255的PA口*/
#definePC_8255XBYTE[0x8002]/*同上*/
#definePD_8255XBYTE[0x8003]
ucharidataledbuf[ledlen]={0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20};
/*在单片机内部间接寻求空间中定义显示缓冲区,初值为0x20*/
ucharcodetable[32]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,
0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x78,0x00,0x10,0x08,0x03,0x46,0x21,0x06,0x0e,0xff,0xbf,0x8c,0x91};
/*在程序存储器空间中定义字型码表*/
voiddelay（unsignedcharCNT）/*延时子程序,延时时间为CNTms*/
{
uchari;
while（CNT--!
=0）
for（i=200;i!
=0;i--）;
}
voiddisplayled（）
{
uchari,j;
ucharpos;
ucharled;
PD_8255=0x82;
pos=0x20;//从左边开始显示
for（i=0;iled=table[ledbuf[i]];
PA_8255=led;
PC_8255=pos;//显示一位八段管
delay
（1）;//延时1ms
pos>>=1;//位码右移1位
}
PC_8255=0;//关所有八段管
}
【例3.1】从左到右显示0,1,2,3,4,5
voidmain（void）/*循环调用显示程序，显示字符0，1，2，3，4，5*/
{
uchari;
for（i=0;i<6;i++）
ledbuf[5-i]=i;
displayled（）;
}
【例3.2】在右边的三位数码管上显示58，其它数码管上不显示任何内容。
2．2键盘输入
2．2．1独立式键盘输入
1.硬件原理
本系统中采用独立式键盘结构，电路如图3.4所示,设有减1、加1、功能、确认四个按键,这四个键分别接在8255的PB0、PB1、PB2、PB3引脚上。
当没有键按下时，PB0~PB3引脚上都是高电平“1”；当有键按下时，则该键按接的PB口引脚为低电平“0”。
例如按下“减1”键时，则PB0引脚为低电平“0”，其它引脚为高电平“1”。
单片机检测PB0~PB3的引脚电平情况，就可知道有没有键按下？
以及按下的是哪个键？
图3.4独立式键盘电路图
2．键盘扫描程序流程
键盘的硬件结构比较简单，但在系统中要保证键盘的可靠输入，则必需遵循一个较为复杂的处理过程，键盘的扫描过程一般包括以下几个步骤：
①查询是否有键控下
单片机检测8255的PB口PB0~PB3四个引脚是否全为高电平“1”？
如果全为“1”，则说明没有键按下；如果不全为“1”，则说明有键按下。
②查询按下键所在的位置
单片机将得到PB0~PB3的信号取反，PB0~PB3中的为1的位便是键所在的位置。
③求取键值
本系统中键值如表3.2所示。
表3.2键名、键值对照表
键名
没键按下
减1
加1
功能
确认
键值
0x00
0x01
0x02
0x04
0x08
注：
当没键按下时，键值为0。
④键的抖动处理
当用手按下一个键时，往往会出现所按键在闭合位置和断开位置之间跳几下才稳定到闭合状态的情况；在释放一个键时，也会出现类似的情况，这就是键抖动。
抖动的持续时间不一，通常不会大于10ms。
若抖动问题不解决，就会引起对闭合键的多次读入。
对于键抖动最方便的解决方法就是当发现有键按下后，不是立即进行扫描，而是延时10ms后再进行。
由于键按下的时间持续上百毫秒，延时后再扫描也不迟，扫描到键并求取键值后并不立即结束，还必须等键释放，在检测到键释放状态时才结束扫描，返回上一级程序。
根据以上描述，键盘扫描流程如图3.5所示。
3．键盘扫描程序
根据图3.5编写键盘扫描程序，如下所示：
#definePB_8255XBYTE[0x8001]/*8255PB口为键盘扫描口*/
ucharkeyscan（）
{
uchari,j;
i=PB_8255&0x0f;/*扫描键盘*/
if（i==0x0f）return（0）;/*没键时返回键值=0*/
displayled（）;/*调用显示程序延时去抖动*/
displayled（）;
displayled（）;
i=PB_8255&0x0f;
if（i==0x0f）return（0）;
j=~i&0x0f;
while（PB_8255&0x0f!
=0x0f）/*等键释放*/
{
displayled（）;
displayled（）;
displayled（）;
}
return（j）;/*返回键值*/
}
【例3.3】循环检测键盘，将扫到的键值显示在最右边的数码管上。
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
ucharidataledbuf[6]={0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20};
ucharkbscan（vold）;
voiddisplayled（void）;
voidmain（void）
{
ucharkey_val;
PD_8255=0x88;/*8255PA、PB、PC0~PC3口为输出；PC4~PC7为输入*/
while
（1）
{key_val=kbscan（）;
if（key_val!
=0xff）
ledbuf[0]=key_val;
}
}
【例3.4】结合键盘和显示设定水温控制系统的目标温度，设定值显示在最右边的数码管上，温度设定范围40℃~90℃,最小区分度为1℃。
1.主程序mian（）
1）变量说明
①全局变量key_flag是设定/修改标志单元。
初值为0，在按功能键后变为1，表示在修改个位数；再按一次功能键后变为2，表示在修改十位数；连续按功能键可循环切换。
在按确认键后又恢复成初值0。
②全局变量temp_set存储设定的目标温度值。
2）功能说明
①首先将显示缓冲置0x20，使得6个数码管全暗
②设置key_flag初值，初始化8255
③初始化完成后进入死循环，在循环中调用键盘扫描程序捕获按键，扫到键后调用温度设定子程序tmpset（），对按键进行处理，处理后再调用显示程序显示当前设定情况。
主程序的源程序如下所示：
ucharkey_flag,temp_set;
voidmain（）
{
uchari=0;
ucharj;
ledbuf[0]=0x00;
ledbuf[1]=0x04;
temp_set=40;
key_flag=0;
PD_8255=0x82;
while
（1）{
i=keyscan（）;
if（i!
=0）tmpset（i）;
displayled（）;//显示当前设定值
}
}
2．温度设定子程序tempset（）
1）输入输出参数
入口参数：
扫到的按键的键值key；
出口参数：
①每次输入或修改的中间结果保存在显示缓冲单元ledbuf[0]、ledbuf[1]中；
②确认后的最终结果保存在全局变量temp_set中。
2）功能说明
设定两位十进制数形式的目标温度值，具体过程如下：
判断key的值，根据不同的值分别作如下处理：
1如果是8则表明检测到确认键，清修改标志单元key_flag置和小数点，温度设定值temp_set=ledbuf[0]+ledbuf[1]×10，并判别temp_set的值是否在40~90之间？
如果不在则temp_set仍为原来的值。
2如果是4则表明检测到功能键，修改标志单元key_flag的值和小数点位置，小数点的作用相当于光标。
3如果是2则表明检测到加1键，则根据key_flag的值情况，对相应的显示缓冲单元中的内容进行加1；若加1后大于9则归0。
4
如果是1则表明检测到减1键，则根据key_flag的值情况，对相应的显示缓冲单元中的内容进行减1；若减1后小于0则回到9。
请读者根据以上叙述，画出子程序tempset的流程图，并上机调试程序。
voidtempset（unsignedcharkey）
{
uchartemp_t;
switch（key）{
case0x08:
/*确认键处理*/
key_flag=0;/*修改标志清0*/
ledbuf[0]=ledbuf[0]&0x0f;/*清小数点位*/
ledbuf[1]=ledbuf[1]&0x0f;
temp_t=ledbuf[0]+ledbuf[1]*10;/*计算温度设定值*/
if!
（（temp_t>90）||（temp<40））temp_set=temp_t;/*如果设定值正确则保存*/
break;
case0x04:
/*功能键处理*/
switch（key_flag）{
case0x00:
case0x02:
key_flag=0x01;/*置温度个位标志值*/
ledbuf[0]|=0x10;/*点亮个位小数点（相当于光标）*/
ledbuf[1]&=0x0f;/*灭十位小数点（相当于光标）*/
break;
case0x01:
key_flag=0x02;/*置温度个位标志值*/
ledbuf[1]|=0x10;/*点亮十位小数点（相当于光标）*/
ledbuf[0]&=0x0f;/*灭个位小数点（相当于光标）*/
break;
default:
break;
}
break;
case0x02:
/*加1键处理*/
switch（key_flag）{
case0x00:
break;
case0x01:
ledbuf[0]++;/*个位加1*/
if（ledbuf[0]==0x1a）ledbuf[0]=0x10;/*加到十归0*/
break;
case0x02:
ledbuf[1]++;/*十位加1*/
if（ledbuf[1]==0x1a）ledbuf[1]=0x10;
break;
default:
break;
}
break;
case0x01:
/*减1键处理*/
switch（key_flag）{
case0x00:
break;
case0x01:
ledbuf[0]--;/*个位减1*/
if（ledbuf[0]==0x0f）ledbuf[0]=0x19;/*减过0回9*/
break;
case0x02:
ledbuf[1]--;/*十位减1*/
if（ledbuf[1]==0x0f）ledbuf[1]=0x19;
break;
default:
break;
}
break;
default:
break;
}
}
2．2．2距阵式键盘输入
1．硬件原理
在单片机系统中距阵式键盘应用比较广泛，因此下面讲一下距阵式键盘的有关情况，假如系统中采用4×4距阵键盘作为输入设备，距阵键盘的连接情况如图3.6所示。
图3.6键盘阵列图
从图中可以看到8255PC口的低4位PC0~PC3作为行扫描输出线;8255PC口的高4位PC4~PC7作为列检测输入线。
在距阵式键盘中判断是否有键按下？
以及按下的是哪一个键？
通常采用逐行扫描的方法，其过程如下：
①查询是否有键控下
首先单片机向行扫描口PC0~PC3输出全为“0”扫描码0xf0，然后从列检测线PC4~PC7输入列检测信号，只要有一列信号不为“1”，即PC口不为0xf0，则表示有键按下。
接着要查出按下键所在的行、列位置。
②查询按下键所在的行列位置
单片机将得到的信号取反，PC4~PC7中的为1的位便是键所在的列。
接下来要确定键所在的行，需进行逐行扫描。
单片机首先使PC0接地，PC，l~PC3为“1”，即向PC口发送扫描码0xfe，接着输入列检测信号，若为全“1”，表示不在第一行。
接着使PC1接地，其余为“1”。
再读人列信号…。
这样逐行发“0”扫描码，当输入列检测信号不全为“1”时，当前行便是按下键所在的行，将该行扫描码取反保留，当各行都扫描以后仍没有找到，则放弃扫描，认为是键的误动作。
③对得到的行号和列号译码，求得键值
本系统中键值key_val=行号×列号，键值如表3.3所示。
表3.3键名、行号、列号、键值对照表
键名
行号
列号
键值
键名
行号
列号
键值
0
0
0
0x00
8
2
0
0x08
1
0
1
0x01
9
2
1
0x09
2
0
2
0x02
.
2
2
0x0a
3
0
3
0x03
删除
2
3
0x0b
4
1
0
0x04
+
3
0
0x0c
5
1
1
0x05
-
3
1
0x0d
6
1
2
0x06
*
3
2
0x0e
7
1
3
0x07
确认
3
3
0x0f
④键的抖动处理
键抖动处理和独立式键盘相似，请读者自行分析。
2．键盘扫描程序处理流程
单片机系统中键盘处理程序流程通常有程控扫描法、定时扫描法、中断扫描法，水温控制系统的温度变化比较慢，因此系统实时性要求不是很高，键盘处理可采用程控扫描法。
键盘扫描处理流程如图3.7所示。
3．键盘扫描程序
下面是按图3.7编写的键扫描程序，函数名为kbscan（），扫描函数的返回值为键值，若无键按下，返回值为0xff。
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#definePC_8255XBYTE[0x8002]
#definePD_8255XBYTE[0x8003]
voiddisplayled（void）;
voiddlms（void）
{uchari;
for（i=200;i>0;i--）{}
}
ucharkbscan（void）／*键扫描函数*／
{ucharrow,col,key_val;
PC_8255＝0xf0;／*发全“0”行扫描码，列线输入*／
if（（PC_8255&0xf0）!
=0xf0）／*若有键按下*／
{displayled（）;／*通过调用显示程序实现延时去抖动*／
if（PC_8255&0xf0）!
＝0xf0）
{row＝0xfe;／*逐行扫描码*／
while（（row&0x10）!
＝0）
{PC_8255＝row;／*输出行扫描码*／
if（（PC_8255&0xf0!
＝0xf0）／*本行有键按下*／
{col=（PC_8255&0xf0）|0x0f;
key_val=（~row）*（~col）-1;
while（（PC_8255&0xf0）!
=0xf0）/*等键释放*/
displayled（）;
return（key_val）;／*返回键值=行号×列号*／
}
else
row＝（row<<1）|0x01;／*行扫描码左移—位*／
}
}
}
return（0xff）；／*无键按下，返回值为0xff*／
}
模块三、温度测量
3．1水温测量原理
用来测量温度的传感器种类很多，热敏电阻器就是其中之一。
许多热敏电阻具有正温度系数（PTC），也就是说温度上升时它的电阻值会升高。
在所有被动式温度传感器中，热敏电阻的灵敏度（即温度每变化一度时电阻的变化）最高，但热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。
热敏电阻与温度的准确关系为
，式中R0为温度为T0时的电阻值，T0为基准温度（298.15K即25℃）,β为材料系数。
当温度变化范围很小时，公式可以近似表示为
，当温度变化
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