基于单片机的智能温度控制系统的设计Word下载.docx

1、（2）加热装置有效功率控制模块根据题目，可以使用电热炉进行加热，控制电热炉的功率即可以控制加热的速度。当水温过高时，关掉电热炉进行降温处理，让其自然冷却。在制作中，我们装设一个小电风扇，当水温超高时关闭电炉开启风扇散热，当需要加热时开启电炉关闭风扇。由于加热的功率较大，考虑到简化电路的设计，我们直接采用220V电源。对加热装置控制模块有以下两种方案：采用可控硅来控制加热器有效功率。可控硅是一种半控器件，应用于交流电的功率控制有两种形式：控制导通的交流周期数达到控制功率的目的；控制导通角的方式控制交流功率。由交流过零检测电路输出方波经适当延时控制双向可控硅的导通角，延时时间即移相偏移量由温度误差

2、计算得到。可以实现对交流电单个周期有效值周期性控制，保证系统的动态性能指标。该方案电路稍复杂，需使用光耦合驱动芯片以及变压器等器件。但该方案可以实现功率的连续调节，因此响应速度快，控制精度高。采用继电器控制。使用继电器可以很容易实现地通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。继电器无需外加光耦，自身即可实现电气隔离。这种电路无法精确实现电热丝功率控制，电热丝只能工作在最大功率或零功率，对控制精度将造成影响。通过比较，我们选择方案一。（3）温度采集模块题目要求温度静态误差小于等于0.2，温度信号为模拟信号，本设计要对温度进行控制和显示，所以要把模拟量转换为数字量。该温度采集模块有以下三种

3、方案：利用热电阻传感器作为感温元件，热电阻随温度变化而变化，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值相应的温度值。最常用的是铂电阻传感器，铂电阻在氧化介质中，甚至在高温的条件下其物理，化学性质不变。由铂电阻阻值的变化经小信号变送器XTR101将铂电阻随温度变化的转换为420mA线形变化电路，再将电流信号转化为电压信号，送到A/D转换器ADC0809.即将模拟信号转换为数字信号。该方案线性度优于0.01。采用温度传感器AD590K。AD590K具有较高精度和重复性，良好的非线性保证0.1的测量精度。加上软件非线性补偿可以实现高精度测量。AD590将温度转化为电流信号，因此要加相应的调理电路

4、，将电流信号转化为电压信号。送入8为A/D转换器，可以获得255级的精度，基本满足题目要求。 方案三：采用数字温度传感器DS18B20。DS18B20为数字式温度传感器，无需其他外加电路，直接输出数字量。可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单。基于以上分析和现有器件所限，温度采集模块选用方案三。DS18B20与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分

5、辨率等方面带来了令人满意的效果。（4）键盘与显示模块 根据题目要求，水温要由人工设定，并能实时显示温度值。对键盘和显示模块有下面两种方案：采用液晶显示屏和通用矩阵键盘。液晶显示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强,并可灵活的现实多种状态。采用三位LED七段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。按键采用单列3按键进行温度设定。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。根据以上论述，51单片机资源丰富，根据需要，我们选用方案一。1.

6、3.2 系统各模块的最终方案根据以上分析，结合器件和设备等因素，确定如下方案：1. 采用AT89C51单片机作为控制器，分别对温度采集、LCD显示、温度设定、加热装置功率控制。2. 温度测量模块采用数字温度传感器DS18B20。此器件经软件设置可以实现高分辨率测量。3. 电热丝有效功率控制采用光隔离器和双向可控硅控制。4. 显示用LCD液晶显示实时温度值。系统的基本框图如图1.1所示。CPU（AT 89C51）首先写入命令给DS18B20，然后DS18B20开始转换数据，转换后通过89S52来处理数据。数据处理后的结果就显示到数码管上。另外由键盘设定温度值送到单片机，单片机通过数据处理发出温度

7、控制信息到继电器。1.1系统基本框图2系统硬件设计2.1温度采集部分设计本系统采用半导体温度传感器作为敏感元件。传感器我们采用了DS18B20单总线可编程温度传感器,来实现对温度的采集和转换，DQ接上拉电阻，与单片机P2.6口相连，直接与单片机通讯，大大简化了电路的复杂度。DS18B20的测温电路如图2.1所示。图2.1 DS18B20测温电路2.2 矩阵键盘的设计由于控制键位较多，方便程序设计，硬件安全可靠，我们设计44矩阵键盘，与单片机P1口相连，电路如图2.2所示。图2.2 矩阵键盘电路2.3液晶显电路我们用单片机P0口作为1602的数据传输口，P2.0为数据命令选择端、P2.1读写、P

8、2.2使能端。硬件电路如图2.3所示。图2.3 液晶硬件电路图2.4 水温升温将温控制. 本设计中涉及到了强电部分，因此对电炉的控制我们用moc3041和bt13电路如图2.4，对风扇我们采用继电器，电路如图2.5.图2.4 电炉控制图图2.5 风扇电路图3系统软件设计3.1读取DS18B20温度模块子程序每次对DA18B20操作时多要按造DS18B20工作过程中的协议进行。初始化- RoM操作命令- 存储器操作命令- 处理数据 程序流程图如图3.1所示。3.2数据处理子程序由于DS18B20转换后的代码并不是实际的温度值，所以要进行数据处理。由于本程序采用的是0.0625的精度，小数部分的值

9、，可以用后四位代表的实际数值乘以0.0625，得到真正的数值，数值可能带几个小数位，所以采取四舍五入，保留一位小数即可。也就说，本系统的温度精确到了0.1度。首先程序判断温度是否是零下，如果是，则DS18B20保存的是温度的补码值，需要对其低8位（LS Byte）取反加一变成原码。处理过后把DS18B20的温度复制到单片机的RAM中，里面已经是温度值的Hex码了，然后转换Hex码到BCD码，分别把小数位，个位，十位的BCD码存入RAM中。数据处理子程序流程图如图3.2所示。图3.1 读取DS18B20温度子程序流程图图3.2 数据处理子程序流程图3.3键盘扫描子程序图3.3 键盘子程序流程图3

10、.4主程序流程图总模块流程图如图3.4所示。本软件设计采用循环查询来处理各个模块，温度是缓慢变化量所以可以满足性能要求。4. 系统测试4.1 静态温度测试测试方式：由于条件的限制，采用模拟加热方式进行测试。测量仪器：空调温度显示屏测试结果如表4.1所示：表4.1 测试结果数据标准温度/2022252728测量温度/19.822.124.726.827.6误差/0.20.10.30.44.2动态温控测量加热方式用体温对传感器DS18B20进行加热。设定控制温度，记录超调温度，稳态误差。超调温度与加热的功率有关，这里不再测量。测量结果如表4.2所示：表4.2 测试结果数据设定温度/29303335

11、超调温度/1.30.91.10.6稳态误差/4.3结果分析有以上的测量结果可见，系统基本上达到了所要求的指标，静态测温的精度主要由DS18B20来决定。在控温指标中，影响系统的性能的因素很多。最关键的是加热系统本身的物理性质及控制算法。由于条件的限制，在本设计中采用体温进行测试。附录1.参考文献1刘勇 编 数字电路 电子工业出版社 20042陈正振 编 电子电路设计与制作 广西交通职业技术学院信息工程系 20073杨子文 编 单片机原理及应用 西安电子科技大学出版社 2006 王法能 编4单片机原理及应用 科学出版社 20045全国大学生电子设计竞赛培训系列教程 高吉祥 主编附录2.源代码#d

12、efine uchar unsigned char#define uint unsigned intunsigned char key_value;/bit dir=1;unsigned char pwm=30;float temperature; /存放键盘返回unsigned char t2,*pt/用来存放温度值,测温程序就是通过这个数组与主函数通信的uchar key_flag=0;/定义有键按下的标志#include reg52.huser.hhardware.clcd.cds18b20.hkey.cvoid main（）LCD_Initial（）;sys_init（）;setds1

13、8b20（TH,TL,RS）;/设置上下限报警温度和分辨率delay_18B20（100）;Init_DS18B20（）;while（1）pt=ReadTemperature（）;/读取温度,温度值存放在一个两个字节的数组中,temper_LCD（）;/实测温度转化为ACSII码,并送液晶显示缓冲区LCD_Print（0,0,TempBuffer0）;LCD_Print（0,1,TempBuffer1）;key_value=kbscan（）;if（key_flag=1）key_command（key_value）;alarm=1;delay_20ms（20）;alarm=0;else alar

14、m=0;useralarm（）;void timer1（void） interrupt 3TH1=（65536-pwm*100）/256;TL1=（65536-10000）%256;#include /液晶显示程序/Port Definitions*sbit LcdRs= P20;sbit LcdRw= P21;sbit LcdEn = P22;sfr DBPort = 0x80;/P0=0x80,P1=0x90,P2=0xA0,P3=0xB0.数据端口void lcd_delay（unsigned char t） unsigned char i,j;for（i=0;it;i+）for（j=0

15、;jchar code tab44= .,1,4,7,/7,8,9, E UP0,2,5,8,/4,5,6, D downF,3,6,9,/1,2,3 , C SETB,CDE; /0到F的16个键植/A .,0,F +/- ,B OKvoid delay（unsigned char a）unsigned char i;while（a-）for（i=100;i0;i-）;unsigned char kbscan（） /键盘扫描unsigned char hang,lie,key;key_flag=0;P1=0x0f;if（P1!=0x0f）delay（10）;delay_20ms（3）;key

16、_flag=1;switch（P1&0x0f）case 0x0e:lie=0;break;case 0x0d:lie=1;case 0x0b:lie=2;case 0x07:lie=3;P1=0xf0;0xf0）case 0xe0:hang=0;case 0xd0:hang=1;case 0xb0:hang=2;case 0x70:hang=3;while（P1!=0x0f）;key=tabhanglie;return （key）;else return（key_value）;void settmper（void）LCD_Write（0,1）;GotoXY（0,0）;Print（H_Tmp:）;2;while（key_flag=0） key_value=kbscan（）;if（key_value!&key_value!） break;else key_value=kbscan（）;get_hti=key_value;LCD_Write（1,key_value+0x30）;GotoXY（0,1）;L_Tmp:get_lti=key_value;