水温智能控制系统的设计 精品.doc

水温智能控制系统的设计引言单片机以其高集成度、体积小、质量轻、应用灵活且具有良好的性能价格比等优点在电子产品中的应用已经越来越广泛，因而适用于各种不同场合的温度测试控制装置应运而生，并发挥着极其重要的作用。在日常生活、工农业生产和科学实验中，有很多地方都需要对温度这个物理量进行测试和监控。一般情况下，当检测和控制的温度系统一旦确定时,其热惯性大小和散热等各项硬件条件就确定了。这时,影响系统热平衡的因素主要有:系统温度,设计温度,系统周围的环境温度,以及加热方式和调节方法等。目前已有的实现温度控制的方法有很多种,如:比例式、积分式及其组合的调节方法等等,其中有的方法达到热平衡需要的时间很长,但是其控温精度很高,而有的是达到热平衡的时间较短,但其控温精度却不够高,本文给出了用单片机结合传感器技术进行温度控制的设计方案。本方案结构简单，应用范围广，可以作为温度监控系统、恒温控制系统，如果稍加改进可以做生物培养液温度监控系统, 实验箱温度监控系统等等，且具有操作方便,控制灵活等优点。系统包括单片机基本系统、前向通道、后向通道、显示通道等四个主要的功能模块。1.概述1.1 系统概述本设计基本思路是:设定一定范围的水温,并能在环境温度降低时实现自动调整,以保持设定的温度基本不变。该系统采用一片80C51为控制器,前向通道为温度采集,D/A转换,后向通道为温度控制通道,并由LED构成显示通道。首先温度传感器将温度的变化转换成对应的电信号的变化,即将温度转换成电压并进行放大,然后进行A/D转换，此转换将模拟电压转化成为二进制数字电压信号,传送到80C51芯片，通过程序实现与设定的温度范围比较判断，根据比较结果进行温度控制,以保持恒定的水温,同时用数码管将实测温度显示出来。本设计控制电路执行部件由一个发光二极管来进行模拟显示，系统设定温度为40C90C（可根据实际需要设定）。当温度低于40C或高于90C，发光二极管发亮代表控制电路开始工作。1.2 总体设计方案方案1：全硬件设计。基本思想是利用热敏电阻感知温度,信号转化及放大电路使温度信号转化成电压信号,分压电路提供参考电压,运放LM324构成电压比较器,反相输入参考电压,正相输入信号电压(随温度改变的电压),当信号电压超过参考电压时,电压比较器输出电平发生跳变,从而给控制电路一个信号，控制电路根据收到的信号决定是否工作,以保持恒定的温度。方案2：软硬件结合。基本思想是根据设计思路编程，设定所需要的温度范围，利用硬件电路将温度转换成数字信号，传送给单片机，由单片机进行实测温度与设定温度的比较，将比较结果传送到控制电路，控制电路根据收到的信号决定是否工作,以保持恒定的温度。由于温度范围写入单片机内部，并且由软件来决定控制电路工作与否，在一定程度上可以大大减少误差，在操作上也比较方便。本设计是一个典型的检测、控制型应用系统，要求系统完成从水温检测、信号处理、输入运算到输出控制和显示以实现水温控制的全过程，因此，应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足控制应用类型的功能需要。另外，单片机的使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人机界面及多机通讯接口提供了可能，而这些功能也在常规数字逻辑电路中往往是难以实现或无法完成的，所以本设计将采用方案二。1.3 主要技术指标温度设定范围为：40C90C，最小区分度：1C；温度控制静态误差：小于等于1C；两位共阳极LED数码管显示，显示温度范围：35C99C。1.4 系统功能划分指标分配和框图构成根据系统功能和设计要求,为了简化系统硬件、降低硬件成本、提高系统灵活性和可靠性，有关温度运算、数码管显示及大部分控制过程都可用软件来完成，硬件的主要功能是温度的检测及输出信号的控制和温度的显示。系统总体设计方案方框图如图1所示。传感器单片机基本系统LED显示信号放大A/D 电炉功率放大图1 水温控制系统总体框图Fig.1 Overall block diagram of water temperature controlling system2.单元电路设计2.1 前向通道前向通道是信息采集的通道,主要包括传感器检测、信号放大、A/D转换等电路。由于水温变化是一个相对缓慢的过程,因此前向通道中没有使用采样保持电路。按设计要求,水温控制静态误差1C,水温设定范围为40C90C,而对水温的检测范围应适当大于此范围,设为35C99C,则系统控制的总误差应不大于1/(99-35)100%=1.56%,分配到前向通道的信号采集总误差应不大于系统总误差的1/2,即精度应为0.78%,可以采用8位A/D转换器实现。如图2所示。图2 系统前向通道Fig.2 Systematic forward passageway在图2中，水温经温度传感器AD590和信号放大器OP-07产生0-5V的模拟电压信号送入ADC0804的输入端，ADC0804将模拟量转换为数字量，通过系统总线送入单片机进行运算处理，前向通道设计包含以下几个方面：(a)传感器选择温度传感器的种类较多。热电偶由于热电势较小，因而灵敏度较低；热敏电阻由于非线性而影响其精度；铂电阻温度传感器由于成本高，在一般小系统中很少使用。AD590是美国Analog Devices 公司生产的二端式集成温度电流传感器，具有体积小重量轻线形度好性能稳定等一系列优点。它的测温范围为-50+150C，满刻度范围误差为0.3C，当电源电压在510V之间，稳定度为1%时，误差只有0.01C,完全适合用于本设计对水温测量的要求。另外，AD590是温度电流传感器，对于提高系统抗干扰能力也有很大的帮助，因此本设计选用AD590作为温度传感器。需要注意的是，在使用AD590一类的传感器时，为了避免器件与被测液体的直接接触，应将传感器装入保护套管中，或将器件用聚四氟乙烯硬质乙烯树脂等材料密封，以避免被测液体对传感器的腐蚀和对测量精度产生影响。(b)信号转换和放大电路图(2)中三端稳压器AD581提供10V标准电压，它与运算放大器和电阻R1、VR1、R2、VR2组成信号转换与放大电路，将35C99C温度转换为05V的电压信号并进行放大。由于水温变化相对缓慢,因此信号转换与放大电路对运算放大器的带宽没有要求。另一方面,AD590在35C和99C时输出电流分别为308.2uA和372.2uA, 而运算放大器的输入失调电流及其零点漂移相对较小，可忽略不记。因此可采用通用型的运算放大器OP07。(c)A/D转换器模数转换器（简称A/D转换器，ADC）用来将模拟量转换成数字量。n位模数转换器输出n位二进制数，它正比于加在输入端的模拟电压。实现模数转换的方法有很多，常用的有并联型ADC，逐次积分型ADC和双积分ADC等。并联型ADC的速度最快，但成本过高，且精度不宜做高；双积分型ADC精度高，抗干扰能力强，但速度太慢，适合转换缓慢变化的信号；逐次逼近型ADC有较高的转换精度，工作速度中等，成本低等优点，因此获得广泛的应用。在本设计中，由于前向通道总误差为0.78%，系统对信号采集的速度要求也不高，故选用价格低廉的8位逐次逼近型A/D转换器ADC0804，该转换器转换速度为1OOus,转换精度为0.39%，对应误差为0.234C。ADC0804的信号连接如图2所示。其中：CLKR和CLKIN两端外接一个电阻，一个电容，即可产生A/D转换所需要的时钟信号；片选由8051的P2.0控制；A/D转换器的INTR与80C51的P3.5相连，单片机以查询方式获取A/D转换器转换完毕的信息。2.2单片机基本系统单片机基本系统(如图3所示)是整个控制系统的核心,它完成整个系统的信息处理及协调控制功能。将读入温度的转换数值与设定的温度数值进行比较判断，根据结果输出不同的控制信号，同时将实测温度值转化为十进制数显示出来。由于系统对控制速度,精度及功能要求都无特别之处,因此可以选用目前广泛使用的MCS-51系列单片机80C51。图3 单片机基本系统与后向通道Fig.3 MCU basically systematic and backward passageway 本设计以单片机基本系统以MCS-51系列单片机80C51为核心。80C51是8位（数据线是8位）单片机，片内有256BRAM及4KBEPROM。中央处理器单元实现运算和控制功能。内部数据存储器共256个单元，访问它们的地址是00HFFH，其中用户使用前128个单元（00H7FH），后128个单元被特殊功能寄存器占用。内部的2个16位定时/计数器用作定时或计数。并可用定时或计数的结果实现控制功能。80C51有4个8位并行口（P0、P1、P2、P3），用以实现地址输出及数据输入/输出。片内还有一个时钟振荡器，外部只需接入石英晶体即可振荡。80C51采用40引脚双列直插式封装（DIP）方式。2.3 后向通道后向通道（如图3左上角线框内所示）是实现控制信号输出的通道。根据系统总误差要求,后向通道的控制精度也应控制在0.78%之内。本设计中后向通道由一个发光二极管模拟显示。当温度低于或高于被测范围时，发光二极管发光；当温度在被测范围内时，二极管熄灭。对本设计而言当被测温度在40C90C之间时发光二极管是暗的，当被测温度大于90C或者小于40C是发光二极管是亮的。2.4 显示通道图4 显示通道Fig.4 Demonstrate passageway显示通道(如图4所示)主要由两位数码管构成的LED显示器组成,显示实测温度,显示范围为35C99C。LED数码管也称半导体数码管，是目前数字电路中最常用的显示器件，它是以发光二极管作笔段并按共阴极或共阳极方式连接后封状而成的。本设计中P3.0控制个位,P3.1控制十位，数码管选用共阳极。3.软件设计3.1总体方案以80C51为核心，P0口为信号输入端口，P1口为信号输出端口，P3.4为输出控制端口。首先读入ADC0804输出的信号，运用合适的计算方法将输入信号转换成相应的十进制数值，然后先在数码管上显示实测温度，再将实测温度与设定温度进行比较判断输出相应的控制信号。3.2 程序流程开始启动A/D转换 读取数据 进行转换并显示与设定温度比较输出控制信号结束图5 程序流程图Fig.5 Routine flow chart程序见附录2。3.3 模块说明转换模块将ADC0804提供的数字信号转换成十进制数值,具体转化表见附录1。显示模块将转换后的十进制数值在数码管上显示出来,数码管选用共阳极,使用动态显示,先显示个位再显示十位。P3.0控制数码管个位的显示，P3.1控制十位的显示，当P3.0为高电平P3.1为低电平时选通代表个位的数码管，当P3.1为高电平P3.0为低电平时选通代表十位的数码管。比较输出模块将转换后的十进制数值与设定温度范围40C90C作比较。若在40C90C之间，P3.4输出高电平，发光二极管暗；若大于90C或者小于40C,P3.4输出低电平，发光二极管亮。4.制作与调试4.1 硬件电路的布线与焊接为了操作和维修方便，本设计将电源及主控制部分分开单独安装，分为三个部分，三个电路板分别为前向通道，单片机基本系统包括后向通道，显示通道三个部分。此外还增加了若干插座，以便各部件的连接。硬件电路制作包括印刷线路板制作、焊接和系统连接等几个方面，印刷线路板的设计是在计算机上利用protel软件进行辅助设计。4.2 硬件调试依次对单片机基本系统、显示通道、前向通道、后向通道分别进行调试。调试时可利用仿真器对接口地址进行读写操作，静态地测试电路各部分的连接是否正确；对于动态过程可以编写简短的调试程序配合硬件电路的调试。4.2.1单片机基本系统调试(a)晶振电路将仿真器晶振开关打到外部，如果仿真器出现死机现象，说明用户系统晶振有问题，此时应用示波器观察单片机时钟信号输入端是否有振荡信号，或检查晶振电路各器件参数。(b)复位电路按下复位按钮应使系统处于复位状态，否则用万用表检查复位电路各点信号和器件参数。4.2.2前向通道调试(a)静态工作点调试加热水温并用温度计测试，当水温为35C时调整VR1阻值，使运放OP07输出电压为0V。当水温为99C时调整VR2阻值，使OP07输出为5V。在35C99C范围内任取若干点测试运放OP07的输出电压。(b)A/D转换器调试在35C99C范围内选取若干个测试点，用仿真器向ADC0804写任意数，以启动A/D转换。从ADC0804读取转换结果，与测试值比较。结果不正确，须检查ADC0804与80C51的连线是否正确，还要检查ADC0804参考电压是否是5V。4.2.3后向通道调试(a)静态调试用仿真器在P3.4上输出低电平，发光二极管变亮，在P3.4上输出高电平，发光二极管熄灭。如果输出不正常,应按信号输出顺序分别检查各部分的连接及焊接情况。(b)动态调试系统设计中P3.4控制输出,温度高于90C或者低于40C ,P3.4均应输出低低电平。编写简短调试程序,在P3.4上周期性地输出一定占空比的脉宽调制波形,用示波器观察二极管的明暗情况。4.3程序调试4.3.1转换程序仿真ZHUANH: CLR C MOV B，#4 ；4放入寄存器B MOV A，R0 ；R0放入寄存器A ADD A，#1 JNC ZHUANH1 ；进位不为1跳转到ZHUANH1 MOV R0，#99 AJMP ZHUANH2 ；直接跳转到ZHUANH2ZHUANH1: DIV AB ADD A，#35 MOV R0，A RETZHUANH2: RET(a)转换算法:35C 99C 00H FFH35C时设置为00000000H(十进制的0),99C时设置为11111111H(十进制的240),35C到99C之间相差64C。 256/64=4则所测数字量对应的十进制数值为D,温度为T,则T=(D+1)/4+35(b)仿真过程:假如给R0置00010011,查表1可知为十进制的19,T=(19+1)/4+35=40,通过计算显示温度应该为40C。运用51系列仿真系统在电脑上直接给R0置00010100,运算结果为40C,表明此段仿真程序正确。4.3.2输出程序仿真BJSC: CLR C SETB P3.4 ；先让发光二极管暗 MOV A，R0 CJNE A，#90，BJSC1 ；转化后的实测温度与90度比较BJSC1: JNC BJSC3 CJNE A,#40，BJSC2 ；转化后的实测温度与40度比较BJSC2: JC BJSC3 JNC BJSC5BJSC3: JC BJSC4 CLR P3.4 AJMP BJSC5BJSC4: CLR P3.4BJSC5: RET温度在40C与90C之间时,P3.4应输出高电平。在仿真程序上给R0置35,P3输出为00(00000000)此时P3.4输出为低电平,后向控制电路开始工作,发光二极管亮;在仿真程序上给R0置50,P3输出为11(00001011),此时3.4输出为高电平,发光二极管暗。4.3.3 显示程序仿真XIANSHI: CLR A MOV R3，A MOV A，R0 MOV R2，A MOV R7，#8LOOP: CLR C MOV A，R2 RLC A MOV R2，A MOV A，R3 ADDC A，R3 DA A MOV R3，A DJNZ R7，LOOPMOV A, R3MOV R4, A MOV R7，#100DELAY1: MOV R6，#100DELAY2: MOV R5，#100DELAY3: MOV A，R3 MOV R4, ACLR P3.1MOV R1, #100DJNZ R1, $SETB P3.0 ；选通显示个位的数码管MOV R1, #100DJNZ R1, $ MOV A, #0F0H ANL A, R4 SWAP A ADD A, #31 MOVC A, A+PC MOV P1, A MOV A, R3 MOV R4, ACLR P3.0MOV R1, #100DJNZ R1, $SETB P3.1 ；选通显示十位的数码管 MOV R1, #100DJNZ R1, $ MOV A，#0FH ANL A，R4 ADD A，#9 MOVC A，A+PC MOV P1，A DJNZ R5，DELAY3 DJNZ R6，DELAY2DJNZ R7，DELAY1RETDB 0C0H，0F9H，0A4H，0B0H，99HDB 92H，82H，0F8H，80H，90H查表1可知十进制11与37C相对应,所以数码管应显示37C。直接在程序中给R0写入11,运行结果为37C，证明此段程序正确。结论本设计是一个单片机控制系统，温度能保持在一定范围内，系统稳定可靠，在日常生活、工农业生产和科学实验中都有较广的使用价值。单片机技术使传统的温度控制具有了智能化。由于温控系统的功能受软件控制,因此可以根据应用场合方便地调整温度控制算法以满足要求。另外随着微电子技术的进步,在温控系统设计中优先选择了大规模的专用集成电路,这样能使硬件清晰简单,压缩了装置体积,还大大减少了误差,有效的提高了装置的精度和抗干扰性能。附录1ADC转化后的水温信号对应的十进制数对应的十六进制数显示的温度数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附录2ORG 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