游泳池水温控制系统--

计算机控制技术课程答辩论文 I 游泳池水温控制系统设计 专业 自动化 学号 姓名 日期 2016 5 23 计算机控制技术课程答辩论文 II 游泳池水温控制系统设计 摘 要 本游泳池恒温控制系统选用 AT89C51 单片机作为控制器 利用 PID 和 PWM 技术实现对游泳池的水温控制 该控制系统主要由 CPU 主控制模块 主电 源模块 键盘处理模块 温度采集模块 继电器控制模块及 LED 显示模块构成 DS18B20 用来采集温度信号 其体积小 精度高 适用电压宽 抗干扰能力强 继电器控制两台电机的转动 分别对应控制热水阀和冷水阀 从而 实现水温 的实时控制 最后 采用共阳极数码管 LG5641A 动态显示水温 关键词 AT89C51 单片机 PID DS18B20 恒温 计算机控制技术课程答辩论文 III 目 录 第 1 章 绪论 5 1 1 选题的背景与意义 5 1 1 1 温度控制系统设计的背景 发展历史及意义 5 1 1 2 本设计的应用及意义 5 1 1 3 游泳池保温控制系统完成的功能 5 第 2 章 系统总体设计 7 2 1 方案的选择 7 2 1 1 方案一 7 2 1 2 方案二 7 2 2 系统总体设计 要求有框图 8 2 2 1 8 第 3 章 硬件设计 9 3 1 硬件选型 9 3 1 1 9 3 1 2 9 3 2 硬件电路设计 按模块 9 第 4 章 软件设计 10 4 1 系统流程 流程图 10 4 1 1 10 4 1 2 10 4 2 10 第 5 章 仿真结果 11 5 1 11 5 1 1 11 5 1 2 11 5 2 11 5 2 1 11 5 2 2 11 计算机控制技术课程答辩论文 IV 结 论 心得体会 12 参考文献 13 附 录 15 计算机控制技术课程答辩论文 5 第 1 章 绪论 1 1 选题的背景与意义 1 1 1 温度控制系统设计的背景 发展历史及意义 随着社会的发展 科技的进步 以及测温仪器在各个领域的应用 智能化已 是现代温度控制系统发展的主流方向 特别是近年来 温度控制系统已应用到人 们生活的各个方面 但温度控制一直是一个未开发的领域 却又是与人们息息相 关的一个实际问题 针对这种实际情况 设计一个温度控制系统 具有广泛的应 用前景与实际意义 单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛 在很多的电子产品中也用到了 温度检测和温度控制 随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样 各种适用于 不同场合的智能温度控制器应运而生 近年来 人类的生产和生活方式发生了巨大的变化 产生这一变化的重要原 因就是计算机技术的飞速发展 第一台计算机诞生至今仅仅几十年的时间 计算 机的性能已经大大提高 价格不断的下降 从而使之可以迅速而广泛地应用于人 类的生产和生活的各个领域 然而游泳池的温度控制的发展无疑得益于计算机技 术的发展 1 1 2 本设计的应用及意义 本设计以保质 节能 安全和方便为基准设计了一个游泳池保温控制器 根 据需要进行相应的数据分析和处理 由此完成对游泳池水温的采样和控制 通过 本设计掌握使用高级语言对单片机编程技术以及一线总线制在单片机方面的应用 及用单片机进行对继电器的控制 从而控制大功率的加热设备 提高实际工作技 能 本设计以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用 在很大程度上 提高了生产 生活中对游泳池温度的控制水平 1 1 3 游泳池保温控制系统完成的功能 本文设计一个游泳池恒温自动控制系统 游泳池中的水温可以在一定范围 计算机控制技术课程答辩论文 6 内由人工设定 并能在环境温度降低时实现自动调节 以保持与设定的温度一 致 利用单片机 AT89C51 实现水温的智能控制 采用数字温度传感器读出水温 并在此基础上将水温调节到键盘设定的温度 并通过数码管显示器实现当前温度 的实时显示 计算机控制技术课程答辩论文 7 第 2 章 系统总体设计 2 1 方案的选择 2 1 1 方案一 采用运放等模拟电路搭建一个控制器 用模拟方式实现 PID 控制 对于纯粹 的水温控制 这是足够的 但是附加显示 温度设定等功能 还要附加许多电路 稍显麻烦 同样 使用逻辑电路也可实现控制功能 但总体的电路设计和制作比 较烦琐 2 1 2 方案二 单片机为控制核心的控制系统 尤其对温度控制 它可达到核心的控制作用 并且可方便实现数码显示 键盘设定及利用 PID 算法来控制 PWM 波形的产生 进 而控制继电器的通断 最终实现游泳池的恒温控制 其所测结果精度也大大的得到了提高 利用 PID 算法来控制 PWM 波形的产生 并有效地控制数字脉冲的输出宽度 使固态继电器得到有效和有序的逻辑控制 不会使固态继电器产生误动作 论证选择方案三 2 2 系统总体设计 要求有框图 此方案是以单片机为控制核心的控制系统 尤其对温度控制 它可达到核心 的控制作用 并且可方便实现数码显示 键盘设定及利用 PID 算法来控制 PWM 波 形的产生 进而控制继电器的通断 最终实现游泳池的恒温控制 其所测结果精 度也大大的得到了提高 利用 PID 算法来控制 PWM 波形的产生 并有效地控制 数字脉冲的输出宽度 使固态继电器得到有效和有序的逻辑控制 不会使固态继 电器产生误动作 单片机可以将数字温度传感器采集到的实际水温温度值直接用数码管显示 还能用键盘输入设定值 其系统框图如图 2 1 所示 计算机控制技术课程答辩论文 8 图 2 1 PID 控制系统框图 计算机控制技术课程答辩论文 9 第 3 章 硬件设计 3 1 硬件选型 3 1 1 CPU 主控模块的选型 CPU 主控制模块采用 AT89C51 单片机 把数字温度传感器采集到的温度信号 与原预先设定值进行比较 然后根据其差值通过 PID 调节进行整定 控制继电器 的通断 进而控制冷水还是热水电机的转动 能用键盘输入数据以及温度信号的 实时显示 主电源模块采用整流桥进行 AC DC 电源变换 电容用 470uf 5v 0 1uf 100uf 5v 的构成稳压谐波调节电路 稳压器采用三端稳压集成电路 LM7805 由于单片机供电电压 5V 故继电器采用 5V SPDT OMRON 继电器即可满足设 计要求 3 1 2 温度采集元件的选型 温度采集采用 DS18B20 温度传感器 DS18B20 是一种新型的 一线器件 其体积更小 更适用于多种场合 且适用电压更宽 更经济 DALLAS 半导体 公司的数字化温度传感器 DS18B20 是世界上第一片支持 一线总线 接口的温 度传感器 温度测量范围为 55 125 摄氏度 可编程为 9 位 12 位转换精度 测温分辨率可达 0 0625 摄氏度 分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在 EEPROM 中 掉电后依然保存 3 2 硬件电路设计 按模块 计算机控制技术课程答辩论文 10 3 2 1 主电源电路 图 3 1 主电源电路 为防止电源之间的相互干扰 需对电路进行独立供电 本系统采用双电源输 出一个正常之用 一个应急备用 因此电源电路设计输出两路为 5V 的稳压电源 同时主电路的开关元件为固态继电器 其直流侧的供电电源可选择为 5V 由 于固态继电器内部带有光耦 其直流侧与交流侧相互隔离 因此其直流侧的供电 电源可与数字电路的 5V 电源共用 另外 DS18B20 也用 5V 的稳压电源供电 另外一个 5V 的稳压电源用来备用 当遇到系统断电时可以把那个备用的稳压 电源来应急 这样就给系统增加了一道应急保险 本装置的直流稳压电源采用通 常的桥式全波整流 电容滤波 三端固定输出的集成稳压器件进行设计 系统的 供电电源电路如图 2 所示 3 2 2 按键输入电路 在按键模块电路中有 4 个按键 温度设定范围是 24 到 29 可通过温度 上限加一减一按钮改变设定温度上限 温度下限加一减一按钮改变温度下限 电 路如图 3 2 计算机控制技术课程答辩论文 11 图 3 2 按键输入电路 3 2 3 继电器模块 图 3 3 继电器模块 图 3 3 是一个控制电机的电路图 单片机通过 P3 1 和 P3 4 口的输出控制 继电器的开合并进行通讯 其中 P3 1 口的输出控制继电器 RL1 的开合进而控 制 COLDWATER 电机的转动 决定向游泳池中加入冷水来降温 P3 4 口的输出 控制继电器 RL2 的开合进而控制 HOTWATER 电机的转动 决定向游泳池中加 入热水来升温 计算机控制技术课程答辩论文 12 3 2 4 显示模块 本电路采用共阳极数码管 LG5641A 进行动态显示 用 P2 0 P2 7 口 作为位选控制 P0 0 P0 7 口传输要显示的数据 数据线和位选线直接接 AT89C51 单片机的 I O 口即可 因为 I O 口输出电流很小并且加上了上拉电阻 这样可以对 LED 进行驱动 它的电压值足以驱动 LED 本设计就是采用动态显 示电路 其电路如图 3 4 所示 图 3 4 显示模块 计算机控制技术课程答辩论文 13 第 4 章 软件设计 4 1 系统流程 流程图 系统的软件主要是采用 C 语言 对单片机进行变成实现各项功能 主程序对 模块进行初始化 而后调用读温度 处理温度 显示 键盘等模块 用的是循环 查询方式 来显示和控制温度 主程序的主要功能是负责温度的实时显示 读出 并处理 DS18B20 的测量的当前温度值并负责调用各子程序 其程序流程如图 4 1 系统程序流程图 图 4 1 系统程序流程图 4 2 各部分程序流程图 4 2 1 计算温度子程序 读出温度子程序的主要功能包括初始化 判断 DS18B20 是否存在 若存在则进 行一系列的读操 作若不存在则返回 其程序流程图如图 4 2 所示 计算机控制技术课程答辩论文 14 图 4 2 读程序流程图 4 2 2 按键处理子程序 按键处理子程序主要是负责参数的设置 主程序每循环一次都要对按键进行 扫描 判断是否有输入键按下则进行一系列的按键输入操作 其程序流程框图如 图 4 3 所示 计算机控制技术课程答辩论文 15 图 4 3 程序流转程序图 4 2 3 计算温度子程序 计算温度子程序将 RAM 中读取值进行 BCD 码的转换运算 并进行温度值正负的判 定 其程序流程图如图 4 4 所示 图 4 4 计算温度子程序图 计算机控制技术课程答辩论文 16 第 5 章 仿真结果 5 1 仿真介绍 因本系统是利用单片机进行系统控制 所以需采用单片机仿真工具 Proteus 进行仿真 Proteus 软件具有和其它 EDA 工具一样的原理布图 PCB 自动或人工 布线及电路仿真的功能外 其电路仿真是互动的 针对微处理器的应用 还可以 直接在基于原理图的虚拟原型上编程 并实现软件源码级的实时调试 如有显示 及输出 还能看到运行后输入输出的效果 Proteus 为使用者建立了完备的电子 设计开发环境 用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿 真 是一款非常优秀的单片机仿真软件 可以使用 Keil c51 和 Proteus 进行联调 使调试和仿真更为方便 5 2 水温控制系统仿真效果 5 2 1 水温低于下限值 设定温度下限值为 24 在水温 24 及以下时 发光二极管闪烁报警 继 电器 RL2 接通 HOTWATER 电机转动 向游泳池中加入热水升温 仿真图如 图 5 1 所示 图 5 1 水温低于设定温度下限值 计算机控制技术课程答辩论文 17 5 2 2 水温处于正常值 温度介于上下限之间 发光二极管不闪烁 两个电机都停止转动 不进行任 何动作 仿真图如图 5 2 所示 图 5 2 水温处于正常值 5 2 3 水温高于上限值 设定温度上限为 29 水温为 29 及以上时 达到温度上限值 发光二极 管闪烁 继电器 RL1 接通 COLDWATER 电机转动 向游泳池中加入冷水降 温 仿真图如图 5 3 所示 图 5 3 水温高于设定温度上限值 计算机控制技术课程答辩论文 18 结 论 心得体会 本文设计的游泳池恒温自动控制系统 是以单片机为控制核心的恒温系统 该系统利用数字温度传感器 将采样到的温度信号输入到单片机 再由单片机 根据测量温度与设定温度的差值和 PID 算法生成控制信号 控制固态继电器的通 断 整个系统结构紧凑 所用芯片少 控制精度高 响应速度快 体积小 成本 低 在键盘 显示电路上都采用了串行方式 减小了单片机口线的使用 减小了 成本开支 虽然在主电源电路未采用流行的开关稳压电源 但经济实惠 性能稳 定 计算机控制技术课程答辩论文 19 参考文献 1 1 催东剑 多点恒温自动控制系统设计 J 电工技术 2003 7 2 2 吴炳胜 王桂梅 80C51 单片机原理与应用 M 北京 冶金工业出 版社 3 3 蔡自兴 智能控制 M 北京 电子工业出版社 2004 4 4 汪孝国 王婉丽 高精度 PID 温度控制器 J 电子与自动化 2001 5 5 肖亮 陶学恒 新型的智能化液位温度测量系统 J 仪表技术与传 感器 2005 8 6 6 诸静 模糊控制原理与应用 M 北京 机械工业出版社 1995 7 7 耿长清 单片机应用技术 M 北京 化学工业出版社 2002 8 8 赵晶 PROTEL 高级应用 M 人发邮电出版社 2002 12 224 226 9 9 夏红 赏星耀 PID 参数自整定方法综述 J 浙江科技学院学报 2003 4 10 10 于海生等 微型计算机控制系统 M 清华大学出版社 1998 计算机控制技术课程答辩论文 20 附 录 硬件电路总图 软件程序 sbit TMDAT P1 0 void DS1820 DelayCount unsigned char Coun data unsigned char Count Count Coun while Count 0 Count Count Coun while Count 0 Count 复位 DS18B20 void DS1820 Reset void TMDAT 0 DS1820 DelayCount 412 TMDAT 1 DS1820 DelayCount 16 等待 DS18B20 应答 计算机控制技术课程答辩论文 21 unsigned char DS1820 Answer void data unsigned int i data unsigned char j while TMDAT i if i 0 return aban return i 0 xffff j 3 while TMDAT i if i 0 if j 0 return aban return else j i 0 xffff DS1820 DelayCount 16 return done return 等待 DS18B20 应答 读取位 bit DS1820 Readbit void data int i 0 bit dat TMDAT 0 i i i i TMDAT 1 i i i i i i i i dat TMDAT DS1820 DelayCount 8 DS1820 DelayCount 32 return dat 读取字节 unsigned char DS1820 Readbyte void 计算机控制技术课程答辩论文 22 data unsigned char i j dat 0 for i 1 i 8 i j DS1820 Readbit dat j 1 return dat 写一个字节 void DS1820 Writebyte unsigned char dat data signed char i 0 data unsigned char j bit testb for j 1 j 1 if testb TMDAT 0 i i i i i i i i TMDAT 1 DS1820 DelayCount 8 DS1820 DelayCount 32 else TMDAT 0 DS1820 DelayCount 8 DS1820 DelayCount 32 TMDAT 1 i i i i i i i i 读操作开始 unsigned char DS1820 StartTem void EA 0 DS1820 Reset 计算机控制技术课程答辩论文 23 if DS1820 Answer aban return EA Ea return aban return DS1820 Delayms 1 DS1820 Delayms 4 DS 1820 Writebyte 0 xcc DS1820 Writebyte 0 x55 for i 0 i 8 i DS1820 Writebyte DS1820 temp i DS1820 Writebyte 0 x44 EA Ea return done return 读所有传感器 int DS1820 ReadTem void data unsigned char a b data int y3 data float y4 data unsigned char i EA 0 DS1820 Reset if DS1820 Answer aban return EA Ea return 0 xffff DS1820 Delayms 4 DS1820 Writebyte 0 xcc 跳过匹配传感器 DS1820 Writebyte 0 x55 for i 0 i 8 i DS1820 Writebyte run inf system index DS1820 temp i DS1820 Writebyte 0 xbe 读取温度 for i 0 i 9 i run inf system index DS1820 temp i DS1820 Readbyte if CRC 9 0 EA 1 return 0 xffff 计算 CRC a run inf system index DS1820 temp 0 b run inf system index DS1820 temp 1 DS1820 Reset y3 b 0 i rtc io temp 0 相当于汇编中的 RRC rtc sc 1 rtc sc 0 temp temp 1 功能 从 DS1602 读取 1Byte 数据 unsigned char uc RTOutputByte void unsigned char i rtc io 1 for i 8 i 0 i temp temp 1 相当于汇编中的 RRC temp 7 rtc io rtc sc 1 rtc sc 0 return temp 功能 往 DS1602 写入数据 void write1302 unsigned char ucAddr unsigned char ucDa bit ea ea EA EA 0 rtc rs port rtc sc 0 rtc rs port rtc rs bit v RTInputByte ucAddr 地址 命令 v RTInputByte ucDa 写 1Byte 数据 rtc sc 1 rtc rs port EA ea 计算机控制技术课程答辩论文 25 功能 读取 DS1602 某地址的数据 unsigned char read1302 unsigned char ucAddr unsigned char ucDa bit ea ea EA EA 0 rtc rs port rtc sc 0 rtc rs port rtc rs bit v RTInputByte ucAddr 地址 命令 ucDa uc RTOutputByte 读 1Byte 数据 rtc sc 1 rtc rs port EA ea return ucDa 功能 设置初始时间 void Set1302 pTime S time temp unsigned char i 0 x80 write1302 0 x8e 0 x00 控制命令 WP 0 写操作 write1302 i time temp sec i 2 write1302 i time temp min i 2 write1302 i time temp hou i 2 write1302 i time temp day i 2 write1302 i time temp mon i 2 write1302 i 0 x02 i 2 write1302