基于温度传感器ds18b20的水温控制系统(电子设计大赛)

水温控制系统(C 题)重庆大学光电工程学院 参赛队员:吴 蔡 傅摘要 本水温控制系统是基于 MSP430单片机为主控芯片,键盘输入设定温度，并在LCD1602上显示设定温度和实时温度。通过 DS18B20温度传感器对水温进行采样,将采得的数字温度信号送给单片机,单片机对温度进行 PID算法,通过改变加热控制方波的占空比达到精确控制温度的目的。本水温控制系统的静态误差0.2C，当设定的温度比实时温度高 0.12C时，则启动风扇降温，10 分钟左右到达稳定状态。本系统能够很精确地实现水温控制，是一个很好的水温控制方案。关键字 MSP430 PID 算法 DS18B20 温度传感器Abstract:The temperature control system is based on the MSP430 microcontroller as the master chip, control temperature is set through keyboard and the LCD1602 display the control temperature and the real-time temperature. Temperature sensor DS18B20 samples the water temperature and sents the digital signal to the microcontroller, the microcontroller on the temperature of PID algorithm changes the duty cycle of heating control square wave to achieve precise control of temperature. The temperature control system of static error 0.2 C.when the set temperature higher than the real-time temperature 0.12 C, then the fan starts to cool , reaching the steady state cost about 10 minutes. The system can achieve a very precise temperature control, this temperature control is a good program.Keywords: MSP430 PID algorithm temperature sensor DS18B20摘要 .11 方案论证与比较 .41.1 温度传感器的比较与选择 41.2 控制器的选择 41.3 加热器的比较与选择 41.4 显示器的比较与选择 52 系统设计 52.1 总体设计 52.2 单元电路设计 62.2.1 温度传感器电路设计 62.2.2 键盘电路设计 72.2.3 电热杯加热电路设计 82.2.4 风扇冷却电路设计 82.2.4 液晶显示电路设计 93 软件设计 103.1 总体设计 103.2 主函数 .103.3 温度获取函数 113.4 端口 1 中断函数 123.5 键盘扫描函数 133.6 液晶显示函数 143.7 信号控制函数 154 系统测量 165 结束语 16参考文献 16附录 .171 方案论证与比较1.1 温度传感器的比较与选择方案一、AD590 是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的 b-e 结压降的不饱和值 VBE 与热力学温 度 T 和通过发射极电流 I 的下述关系实现对温度的检测具有线性好,精度适中,灵敏度高,体积小,使用方便等优点。AD590D 的输出形式有电流和电压两种形式，要将温度传感器采集的温度值经过 AD 转换，然后送入单片机进行处理。方案二、采用 DS18B20 数字温度传感器对水温进行采样，无需进行 AD 转换。将采集的值直接送入单片机进行处理。DS18B20 测温范围 55+125，固有测温分辨率0.5，支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，最多只能并联 8 个，实现多点测温。在市面上 AD590 比 DS18B20 贵几倍，同时 AD590 的外围电路比 DS18B20 的复杂，就这价格和电路实现难易的考虑，本系统选择方案二。1.2 控制器的选择方案一、采用最简单的 51 单片机处理温度数据、键盘的输入和 LCD 的显示。利用 51单片机的优点是价格便宜，使用比较方便，缺点是接口少，使用时需扩展，外围电路比较多，运算处理速度不高，功耗高。方案二、利用 MSP430 对温度数据等进行处理，处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富、方便高效的开发环境。对于实现本系统的功能绰绰有余。综合比较以上两个方案，本系统选择方案二。1.3 加热器的比较与选择方案一、将搪瓷器皿直接放在加热炉上进行加热，方便简单，很容易实现，但是缺点是对于加热一升水能源浪费比较大，不能完全有效地利用加热炉，同时加热炉功率较大，不能很好地精确地控制水温。方案二、用电热杯对一升水进行加热，电热杯功率较小（300W） ，能够实现很好地精确控制，同时电热杯使用方便，体积小，质量轻，价格便宜。综合比较上面两个方案，本系统选择方案二。1.4 显示器的比较与选择方案一、采用 TFT_LCD 作为显示温度值的器件。每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息，是目前最好的 LCD 彩色显示设备之一。方案二、采用 LCD1602 作为显示温度值的器件。LCD1602 是工业字符型液晶，能够同时显示 16x2 个字符，1602 采用标准的 16 脚接口，其中包括 8 根数据线，三根控制线，电源、地、就液晶驱动电压引脚。使用方便，价格适中。由于本系统只需要显示温度值，对分辨率和颜色方面要求不高，所以综合价格和系统需求考虑，本系统选择方案二。2 系统设计2.1 总体设计该系统控制核心采用 MSP430F149 单片机，采用 4x4 矩阵键盘作为设定温度的输入，采用 LCD1602 显示数据，采用 DS18B20 单线温度传感器，单片机通过控制两个继电器，达到分别控制风扇和电热杯的目的。图 1 总体设计框架图2.2 单元电路设计2.2.1 温度传感器电路设计图 2DS18B20 采用一总线技术，在使用时需在外部接一个上拉电阻（取经验值 4.7K） ，在总线闲置时为高电平。信息通过单总线接口将数字温度值送入单片机进行处理和显示。DS18B20 的特性：(1) 电压范围为 3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。(2) 温度使用范围为-55C +125C，在-10C + 85C 时精度为0.5C。(3) 可编程的分辨率为 912 位，对应的课分辩温度为 0.5C、0.25C、0.125C和 0.0625C，可实现高精度测量。(4) 具有负电压特性。2.2.2 键盘电路设计图 3键盘的行列线接入单片机的 P1 口，当有键按下时就会产生中断信号（P1 口的每一个位都可以产生中断信号） ，然后进入中断程度，对键盘进行扫描，确定按键的值。表一 键盘功能键表行列 一 二 三 四I 1 2 3 4II 5 6 7 8III 9 0 确定IV 清除 2.2.3 电热杯加热电路设计图 4当单片机 P5.5 脚输出高电平时，三极管 8050 导通，从而固态继电器打到 NO 端，电热杯与 220V 交流电形成通路，对水进行加热。二级管 IN4148 固态继电器起着保护作用。2.2.4 风扇冷却电路设计图 5当实时温度比设定的温度高出 0.12C时，P5.7 输出高电平，导通 8050，从而使固态继电器打到 NO端是风扇工作，对水降温。风扇由 5V直流电源驱动。2.2.4 液晶显示电路设计图 6P3.0、P3.1、P3.2 接 LCD1602 的三个控制引脚，P4 口作为 LCD1602 的数据接口。通过对控制引脚的控制，从而实现温度显示的功能。3 软件设计3.1 总体设计总程序一共包含五个 c文件，程序结构框图如图 7所示：3.2 主函数主函数流程图如图 8 所示开始系统初始化键盘初始化LCD 初始化I/O 端口初始化温度获取函数图 8 主函数流程图main.c系统初始化调用各种初始化函数端口 1（键盘）中断循环执行温度获取函数ds18b20.c温度获取函数写入各种控制命令读取温度转换结果将数字温度转换为 BCD 码keypad.c键盘初始化按键判断获取键值延时消抖lcd1602.c液晶初始化显示单个字符显示多个字符显示一个字符串control.c显示键盘输入的温度实时与设定温度进行比较PID 算法获取控制信号看门狗定时控制加热时间图 7 总程序结构框图3.3 温度获取函数温度获取函数流程图如图 9 所示YN传感器初始化发送 skip 命令初始化成功否开始发 送温度转换命令延 时发送 skip 命令发 送读 ScratchPad 命令读 取温度转换结果将二进制温度转换为可显示的十进制数逐位显示温度确定键按下否 温度比较函数返回YN图 9 温度获取函数流程图3.4 端口 1 中断函数端口 1（键盘）中断函数如图 10 所示中断开始中断返回数字键键值判断及获取函数键值性质逐位显示在 LCD1602 上将输入温度转换为二进制数置位标志位各种控制信号初始化键盘初始化清除键确定 键图 10 端口 1 中断函数3.5 键盘扫描函数键盘扫描函数流程图如图 11 所示图 11 键盘扫描函数流程图3.6 液晶显示函数液晶显示函数流程图如图 12 所示图 12 液晶显示函数流程图3.7 信号控制函数信号控制函数流程图如图 13 所示图 13 信号控制函数流程图4 系统测量经过系统对温控系统加热的过程录像，然后加热时间段每 5 秒记一次数，到达 60 度是每 2 秒记一个数据，最后将获得的数据在 MATLAB 中画出相应图。图 14 温控响应图图 15 局部放大图表 2 峰值时间 稳定时间 超调量6.93min 7.30min 2.8%5 结束语由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。参考文献1 曹磊MSP430 单片机 C 程序设计与实践北京航空航天出版社，2007.52 张德丰MATLAB 控制系统设计与仿真电子工业出版社，2009.63 杨邦文新型继电器实用手册人民邮电出版社，2004.64 岂兴明 唐杰51 单片机编程基础与开发实例详解人民邮电出版社， 2008.115 杨素行模拟电子技术基础简明教程高等教育出版社，2008.46 阎石数字电子技术基础高等教育出版社，2009.12附录附录 1 系统总电路图附录 2 元件清单# Designator LibRef Description Comment1 C1, C3 CAPACITOR POL Capacitor 10uf2 C2, C4, C7 CAP Capacitor 1043 C5, C6 CAP Capacitor 33pF4 D1 LED LED5 D2, D3 DIODE Diode IN41486 F1 FENGSHAN FENGSHAN7 J1 CON4 Connector USB8 JP1 HEADER 7X2 JTAG9 K1, K2 RELAY-SPDT RELAY-SPDT10 L1 LCD1602 LCD160211 MSP430F149IPM1 MSP430F149IPM MSP430F149IPM MSP430F149IPM12 Q1, Q2 NPN1 NPN Transistor 805013 R1 RES2 RES214 R2 RES2 4.7K15 R3 RES_DLS RES_DLS16 R4 RES2 00017 R5 RES2 100K1