单片机水温控制系统设计论文.doc

摘要本设计基于计算机控制技术、传感器技术、智能控制技术、机电一体化论文分析了自动定量水温控制器的硬件电路、主控系统、信息感知单元、驱动单元等模块的理论设计与调试过程，并结合实际调试过程的分析，详细阐述了自动定量水温控制器参数的规划与实现。本设计在特色部分论文分析了以SPCE061A芯片为主，基于概率分析检测单元的设计与实现，串行扫描方式实现的人机接口，数据传输，水位控制和温度控制等内容。本设计的理论设计方案、调试方法、测试数据分析方法及设计中的特色与创新点等对相关领域的设计与实现有一定的参考意义。AbstractThe design of computer-based control technology、Sensor technology、Intelligent Control Technology、MechatronicsThesis of automatic quantitative analysis of the hardware circuit temperature controller、Control systems, information-aware unit, drive unit, such as the theory of modular design and debugging process, and in light of the actual debugging process analysis, detailed quantitative automatic temperature controller parameters of the planning and implementation. Part of the design characteristics of this thesis in an analysis of SPCE061A chip to the main detection unit based on the probability analysis of the design and realization of the realization of the serial scanning of man-machine interface, data transmission, the water level control and temperature control and so on. The design theory design, testing methods, test data analysis methods and design features and innovation in related fields such as design and implementation of a certain reference value.目录1.7 按键控制单元111.8 算法目录3一、方案设计41.1 主控单元51.2 温度检测单元51.3 高度检测单元71.4电机驱动单元81.5液晶显示单元101.6 A/D转换单元10111.9软件单元12 二、特色与创新19 三、调试过程及测试数据分析203.1 调试仪器仪表203.2 调试数据及分析20参考文献21原理图22一、方案设计 本实验采用双闭环结构，分别利用温度传感器、压力传感器进行数据的闭环采集，进而进行系统的闭环控制。题目对水温控制的任务要求较易，根据题目的示意图及要求，我们可以将加水过程分成4个阶段第一阶段：从起点开始，用测量冷水和热水箱中水温温度的方案，行进速度为 ml/s，以便于对水位高度的准确测量；第二阶段：从零点开始加水，应用测量温度和高度的控制方案。这样，既能够保证C杯中水温的高度连续变化，又能使我们很好控制水流量速度。第三阶段：根据事先设定好的数值进行加水任务。第四阶段：当水温到了设定的高度既要保证水位高度又要保证水温。用两个电机向容器中加水，既要保证水温是可控的，还要保证水位的高度和我们设定的值是相符的，提高系统的稳定性和可靠性。 根据题目的设计要求，有A、B、C三个水容器，A为供热水容器，B为供冷水容器，C为冷热水混合容器。我们把设计分为八个相对独立的部分，这样降低了设计的复杂度，使得整体条理更为清晰。这八个部分是：主控单元、温度检测单元、高度检测单元、电机驱动单元、液晶显示单元、A/D转换单元、按键控制单元、软件单元。1、1主控单元本次电子设计大赛用的是一种基于凌阳单片机为核心的水温控制系统的设计，温度传感器芯片采用DALLAS公司生产的DS18B20芯片。见1.1图 主控芯片采用凌阳SPCE061A单片机它具有以下主要特性：工作速度：0.32MHz49.152MHz（2.6V3.6V）；2K字SRAM和32K字FLASH仅占一页存储空间；32位可编程的多功能I/O端口；两个16位定时器/计数器；低电压复位/监测功能；内置有在线仿真接口。图1.1 SPCE061A1.2温度检测单元DS18B20温度传感器 DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如下: DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。以单总线温度传感器DS18B20为核心，以SPCE061A芯片控制器制作的结构简单、测温准确、具有一定控制功能的智能温度控制器，它的体积更小、适用电压更宽、更经济，它的测量温度范围为55125，在1085范围内，精度为0.5，DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5。见图1.2.图1.2 温度检测单元1.3高度检测单元压力传感器原理：压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境；本设计使用CS5532A/D转换芯片，将压力传感器采集的压力信号转换为数字信号，通过液晶实时显示水位高度。WTP803 悬臂梁式称重(测力)传感器 产品特点及结构：采用合金钢材质，焊接密封。主要适用电子台秤、汽车衡量等接线方法 输入(电源) + ： 红色；输入(电源) - ： 黑色；输出(信号) + ： 绿色；输出(信号) - ：白色图1.3高度检测单元 1.4 电机驱动单元1.4.1电机的选择，驱动电路的选择水箱采用双电机分离驱动方式。直流电动机体积小，效率高，出力大，起动转矩大，过载能力强，动态特性好，控制方便。电机型号选择时在体积，功率和转速基本条件满足的前提下主要还考虑伺服性能；综上几点要求我们选用了 L 171 955 651型微型直流电机。 水箱加水过程中要求被控电机能够调速控制， 一种能在高频工作的低功率驱动电路包括一输出驱动电路和用于驱动输出驱动电路的一对预驱动电路。基于场效应管的直流电机驱动控制电路设计，以N沟道增强型场效应管为核心，基于H桥PWM控制原理，设计了一种直流电机调速驱动控制电路，满足大功率直流电机驱动控制。实验表明该驱动控制电路具有结构简单、驱动能力强、功耗低的特点。 整个电机控制电路由下图所示的闭合环路构成，PWM输出脉冲信号控制电机的运转速度，从而控制流量。 图1.4电机驱动单元1.5液晶显示单元图1.5液晶模块带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集1.6 A/D转换单元CS5532 是高集成度的模数转换器，由于运用了电荷平衡技术，其性能可以达到24 位。CS5532是双通道的AD转换器，其封装形式有20脚双列直插式和20线贴片式，本设计选用20脚双列直插式。图1.6 模数转换单元1.7 按键控制单元 设置几个按键用来优化硬件系统的功能，用来设定系统的开始、运行、水温、水位高度等；同时又设置了一个温度传感器，用来检测管中的水温，传回相关的信息给主控制板，从而使检测系统增加了闭环控制，减少系统的滞后时间常数，可以使整个装置更加易于操作和控制，从而使整个硬件电路变得更加简单，便于检查电路装置。1.8 算法设A杯温度TA、质量MA. 设B杯温度TB、质量MB设C杯温度TC、质量MC可列写下式方程： TA*MA+TB*MB=TC*MC MA+MB=MC解之得： MA=(TC-TB)MC/(TA-TB) MB=(TA-TC)MC/(TA-TB) 水位高度： h=(100*MC)/5591.9软件单元 汇编语言作为传统的编程语言，具有执行效率高的优点，但其本身是低级语言，编程效率较低，可移植性和可读性差，维护极不方便。而C语言以其结构化，容易维护，容易移植的优势满足开发的需要。凌阳公司最新推出的SPCE061A芯片，片内有32KB FLASH和2KB RAM,使得片内可储存量增加，控制能力增强。且有易于上手的特点，使我们能顺利的用C语言开发SPCE061A系统。kongzhi1()/控制子函数 含占空比子函数 while(1)dushu(); kongzhi2()/控制子函数 含占空比子函数unsigned int i;dushu();sheshuiwei=(559*gao)/100;dodushu();while(shui!=0);dox1=sheshuiwei*(shewendu-wendu2)/(wendu1-wendu2);/热水需要加多少dushu();zhankongbi2();if(shui=0)dushu();while(shui(x1*4)/5);dox1=sheshuiwei*(shewendu-wendu2)/(wendu1-wendu2);/热水需要加多少dushu();zhankongbi4();while(shuix1);/* dox1=sheshuiwei*(shewendu-wendu2)/(wendu1-wendu2);/热水需要加多少dushu();zhankongbi2();while(shuix1); */zhankongbi1();dox2=sheshuiwei*(wendu1-shewendu)/(wendu1-wendu2);/冷水需要加多少dushu();zhankongbi3();while(shui-x1)(x2*4/5);dox2=sheshuiwei*(wendu1-shewendu)/(wendu1-wendu2);/冷水需要加多少dushu();zhankongbi5();while(shui-x1)270)/if(wendu3(shewendu-40)/zhankongbi6();/if(eeee1=270)/if(eeee3=0)if(flagg4=1) if(wendu3(gao/2)if(wendu3=(shewendu-10)&(wendu3=shewendu)zhankongbi7();if(gao1=gao)yyy5=1;/yyy6=1;while(yyy5=1)zhankongbi1();while(1)eeee3=1;dushu(); zhankongbi6()*P_IOB_Data=*P_IOB_Data|0x0030;/将指高*P_TimerA_Ctrl=0x01b2;/占空比为6/16*P_TimerB_Ctrl=0x0132;/占空比为5/16zhankongbi7()*P_IOB_Data=*P_IOB_Data|0x0030;/将指高*P_TimerA_Ctrl=0x0132;/占空比为5/16*P_TimerB_Ctrl=0x01b2;/占空比为6/16zhankongbi1()*P_IOB_Data=0xffcf;/电机AB均停转zhankongbi2()*P_IOB_Data=0x0010;/将指高*P_TimerA_Ctrl=0x0274;/占空比为9/16/*P_TimerB_Ctrl=0x01c4;/占空比为7/16zhankongbi3()*P_IOB_Data=0x0020;/将指高*P_TimerB_Ctrl=0x0244;/占空比为9/16zhankongbi4()*P_IOB_Data=0x0010;/将指高*P_TimerA_Ctrl=0x01b4;/占空比为6/16zhankongbi5()*P_IOB_Data=0x0020;/将指高*P_TimerB_Ctrl=0x0184;/占空比为6/16初始化I/O口初始化液晶初始化5532初始化18B20输出PWM波控制电机开始检测温度和高度是否与C杯温度相同显示C杯温度结束是否与C杯高度相同显示C杯高度自动定量水温控制器流程图二、特色与创新本设计基于SPCE061A芯片并采用PWM脉宽和74LS08与门组合控制电机的设计与实现、水温与高度比例控制等方面具有一定的特色与创新。同时，新颖的按键设定界面程序可以灵活对水温、水位以及整个程序流程做出设定和调整，并通过液晶相应显示，让人耳目一新。直流调速可以选用电压调速， 脉频调速(PFM)，脉宽调速(PWM). 电压调速一般调试比较复杂，功率损失大，故不用此方案。脉频调速(PFM)一般用于大电机。而脉宽调速(PWM)简单可靠。PWM输出脉冲信号经双H桥功率驱动电路，后接至左右电机，控制水箱加水控制。由于要达到比较高的控制要求，我们采用闭环反馈电机调速三、调试过程及测试分析3.1 调试仪器仪表设计及测试中所用的仪器及工具主要有：测温度：用DS18B20测试水的温度，以便为系统进行水温、流量的调节提供可靠的数