水温控制系统毕业论文.doc

水温控制系统摘要 本系统以ti公司生产的msp430f149单片机为核心控制元件，运用bt137双向可控硅及光耦组成的电路，对热得快的加热水温进行控制，通过键盘的输入实现不同温度的设定，用lcd液晶显示器显示设定的温度及实测的温度，实测温度通过acd采样和热电偶实现。自制打印机，用两个步进电机分别控制温度的变化和时间的变化，自动打印温度随时间变化的曲线。 关键词：msp430f单片机 bt137双向可控硅 k型热电偶 打印水温变化曲线一、 任务与要求1.任务设计并制作一个水温自动控制系统，控制1l净水，容器为搪瓷容器。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。2.要求2.1基本要求(1)温度设定范围4090，最小区分度为1，标定温度小于等于1。(2)环境温度降低时（如用电风扇降温）温度控制的静态误差小于等于1。(3)用十进制数码管显示水的实际温度。2.2发挥部分(1)采用适当的控制方法，当设定温度突变(由40提高到60)时，减少系 统调节时间和超调量。(2)温度控制的静态误差小于等于0.2。(3)在设定温度发生突变(由40提高到60)时，自动打印水温随时间变化的曲线。二、 方案设计与论证根据题目的要求，系统的设计可分为七部分，分别为控制器最小系统、水温控制模块、水温测量模块、电机驱动打印曲线模块、键盘输入模块与lcd液晶显示模块、电源模块。以下图1为系统设计的总框架图： 图1 系统设计总框架图 1. 水温控制模块方案一：使用继电器控制加热器的工作。继电器采用的是机械动作，存在触点，因此吸合频率不能很高，且不能频繁动作。在控温精度要求比较高、系统惯性不是特别大地情况下，不宜采用继电器。方案二：采用双向可控硅bt137及光耦组成的电路，对热得快加热的水温进行控制。它以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。2. 水温测量模块方案一：采用可编程温度传感器ds18b20进行温度测量。其测温范围-55+125，以0.5递增。但如果采用此方案，发挥部分第二个要求“温度控制的静态误差小于等于0.2”则不可实现了。方案二：采用热敏电阻，通过有源电桥法的输入转换电路来测量水温。由于输出电压v(t)与温度t间不成线性关系式，不便于测量，且误差比较大，故不用此方案。方案三：采用热电偶，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，输出电压v(t)与温度t间成线性关系式，装配简单，更换方便，测量范围大（2001300,特殊情况下2702800，耐高温可达2800度。所以本实验用这种方法实现。3.电源模块方案一：整个系统采用同一个电源供电。电路连接比较简单，但由于电动机的启动时需要的瞬间电流较大，则给定脉冲驱动信号的电流波动也较大，对系统的稳定性会造成很大的干扰，故不用此方案。方案二：采用不同的电源供电。将强电加热热得快的交流电（220v）与几个控制模块的电源（直流电）完全分开(其中交流电零线用0欧电阻与保险管和直流电的地相连)。控制系统采用自制电源供电，其中电机驱动电源（9v）、小模块供电电源（5v）和单片机的供电电源（3.3v）。则可避免各种电气之间的干扰，提高了系统的稳定性。三、 硬件设计1.水温控制模块采用双向可控硅bt137来控制热得快加热水温。为了避免外界电气信号的干扰，在单片机与双向可控硅2p4m连接之间中采用了tlp521-2光电耦合芯片，通过光信号的传递来实现输入与输出间的电隔离功能，更好地保护了电路。图2 水温控制电路2.水温测量模块本系统采用k型热电偶对水的温度进行测量，输出电压v(t)与温度t间为线性关系。电路图如下。ina118为精密仪表放大器，精度高、功耗低，适合对各种微小信号进行放大；两个100k电阻和两个1uf电容构成二阶有源滤波。图3 水温测量电路3. 电机驱动模块 要打印水温随时间变化的曲线，采用两个步进电动机分别控制水温的变化和时间的变化。其中采用ta8435h芯片来驱动步进电机。步进电机的工作原理是：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。首先，让控制时间变化的电机匀速转动，其次，对于控制水温的电机，单片机根据控制要求输出不同的脉冲数，并通过ta8435驱动芯片控制步进电机的正反转，便可实现打印水温随时间变化的曲线。为了避免外界电气信号的干扰，在单片机与驱动芯片信号连接之间中采用了tlp521-4光电耦合芯片，通过光信号的传递来实现输入与输出间的电隔离功能，可以更好的保护电路。图4 电机驱动电路四、 软件程序实现1. 总程序流程图如右图5所示，为系统总程序流程图2. 水温检测及控制算法水温控制部分，由单片机根据要求控制双向可控硅bt137的关断来控制热得快加热水温。当检测到的水温比设定值大，则给其一个低电平，让双向可控硅断开，不加热；否则，让双向可控硅导通，加热水温，并且在检测到的水温与设定值接近时，采用停一段时间再加热一段时间的方法来减小超调量。水温检测部分，通过热电偶对水的温度进行检测。通过不断的检测与加热，反馈比较，最终实现对水温度的控制。图5 系统总程序流程图3. 自动打印水温随时间变化算法 自制打印机，用两个步进电机分别控制温度的变化和时间的变化，自动打印温度随时间变化的曲线。让控制时间的电机带动卷着的长纸条一直做匀速转动，而控制温度变化的电机根据要求带动齿条移动。在控制上，让采样到的当前值与前一时刻的温度值比较，若，则让电机正转；反之，则让其反转；当两者相等时，则齿条停止移动。其中，采样频率为200hz，在程序的实现上，让单片机采集20次温度值，再取其平均值。五、 试验结果与分析通过键盘的输入设定水温初值，让热敏电阻检测水温，反馈到单片机上，经过相应的处理，根据不同的要求，控制单向可控硅的关断来控制热得快是否继续加热水。其检测结果如下表1所示。 表1： 测试结果数值次数 设定值/ 最高温度/ 最低温度/稳定温度/ 误差/ 超调量/ 1 66.6 67.24 65.9266.180.42 0.64 2 67.7 68.5 66.867.610.09 0.8 3 77.7 78.3 77.077.20.5 0.5 4 67.868 67.64 67.50.3 0.2 5 5050.6349.850.30.30.63由检测结果可以看出，误差控制在1以内，超调量也小于1。误差分析如下：（1） 加热器通断使电压发生跃变，引起单片机供电电压变化，产生采样误差。（2） 实测的水温与标定的温度有一定的误差。（3） 同一时刻，不同检测点的温度差。（4） 加热时水量多少对超调量有一定影响。六、 结语本系统实现了通过键盘的输入可设定水温初值，通过adc采样和热电偶实时检测水的温度，单片机根据不同的要求，控制双向可控硅的开关来控制加热装置，最终达到实际水温与设定值相等，误差范围小于1。七、参考资料1沈建华.msp430系列16位超功耗单片机原理与应用m. 北京：清华大学出版社，2006.2康华光.电子技术基础m