恒温水箱浴缸毕业设计.doc

成都大学学士学位论文 设计 I 恒温浴缸设计 摘要 温度是日常生活中无时不在的物理量 温度的控制在各个领域都有积极的意义 很多行业中 都有大量的用电加热设备 如用于热处理的加热炉 用于融化金属的坩锅电阻炉及各种不同用途的 恒温箱等 采用单片机对它们进行控制不仅具有控制方便 简单 灵活性大等特点 而且还可以大 幅度提高被控温度的技术指标 从而能够大大提高产品的质量 因此 智能化温度控制技术正被广 泛地采用 本次设计以恒温浴缸设计为中心 诠释了恒温水箱控制的思路 设计中采用经典的 8031 单片 机 配以 DS18B20 数字温度传感器 该温度传感器可通过键盘接口设置温度的高低值 单片机将检 测到的温度信号与输入的温度进行比较 由此作出判断是否启动加热装置 另外 还加入了常用的 共阳极数码管显示电路 使得整个设计更加完整 更加灵活 关键字 恒温箱 恒温浴缸 单片机 控制 Design of Constant Temperature Bath Abstract Temperature is the ever present in daily life physical quantities temperature control in various fields have positive significance A lot of businesses have a lot of electric heating equipment such as for heat treatment furnace for melting the metal crucible resistance furnace and a variety of different uses of the temperature boxes using SCM to control them is not only easy to control Simple flexibility and other characteristics but also can greatly improve the temperature was charged with technical indicators which can greatly improve product quality Therefore intelligent temperature control technology is being widely adopted The design of the constant temperature bath designed for adult center a heated tank control interpretation of the idea Design used in the classic 8031 together with the DS18B20 digital temperature sensor the temperature sensor can be set via the keyboard interface the temperature of the high and low values MCU will detect the temperature of the input signal and compare the temperature which to judge whether to start the heating device In addition also joined the common anode LED display circuit making the design more complete and more flexible Key words Incubators thermostat bath Monolithic Integrated Circuit control 成都大学学士学位论文 设计 II 目录 第第 1 1 章章 引言引言 1 1 1 温度控制系统设计的背景 1 1 2 温度控制系统的发展现状及趋势 1 1 2 1 国外恒温控制的发展现状及趋势 1 1 2 2 国内恒温控制的发展现状及趋势 2 1 3 恒温浴缸设计的现状及意义 2 第第 2 2 章章 恒温浴缸总体方案设计恒温浴缸总体方案设计 3 2 1 设计方案 3 2 1 1 温度控制方面 3 2 1 2 浴缸测温点分布方面 3 2 1 3 水循环控制方面 3 2 1 4 按摩方式方面 3 2 2 方案论证 4 2 3 系统总框图 4 第第 3 3 章章 恒温浴缸结构设计恒温浴缸结构设计 5 3 1 浴缸缸体结构设计 5 3 1 1 浴缸缸体材料选取 5 3 1 2 浴缸缸体形状设计 6 3 1 3 浴缸缸体颜色选取 6 3 2 浴缸其它零部件设计 6 3 2 1 浴缸管道设计 6 3 2 2 浴缸管道管接头设计 7 3 2 3 浴缸水龙头设计 7 3 2 4 浴缸支撑底座设计 7 3 2 5 浴缸进出水水泵选取 7 3 2 6 浴缸加热元件的选取 8 3 2 7 浴缸按摩喷头选取 10 3 2 8 加热箱的设计与安装 10 3 3 浴缸各部分受力分析 11 3 3 1 缸体受力分析 11 3 3 2 水泵与缸体连接螺钉的强度分析 11 第第 4 4 章章 恒温浴缸控制系统硬件设计恒温浴缸控制系统硬件设计 12 4 1 单片机系统的简介 12 4 1 1 单片机对片外存储器的连接 12 4 1 2 单片机工作复位方式 13 4 1 3 单片机的中断系统 13 4 1 4 单片机对 8155 I O 口的控制 14 成都大学学士学位论文 设计 III 4 1 5 单片机对 A D 的接口 15 4 2 温度检测电路的设计 15 4 2 1 温度传感器的选择 15 4 2 2 单片机接口设计 19 4 2 3 8031 对 DS18B20 的控制 20 4 2 4 DS18B20 的测温流程 20 4 3 加热控制电路的设计 20 4 4 键盘接口电路的设计 21 4 5 显示接口电路的设计 22 4 5 1 显示器的选取 22 4 5 2 显示电路的设计 22 4 6 主电源电路的设计 23 4 7 系统总电路图 24 第第 5 5 章章 恒温浴缸控制系统软件设计恒温浴缸控制系统软件设计 25 5 1 加热装置的工作流程分析 25 5 2 系统的主程序设计 25 5 3 T0 中断程序的设计 26 5 4 温度传感器驱动子程序 27 5 5 采样子程序 27 5 6 系统抗干扰设计 28 5 6 1 电源抗干扰措施 29 5 6 2 输入输出通道的抗干扰措施 29 5 6 3 软件抗干扰措施 30 第第 6 6 章章 结束语结束语 31 6 1 总结 31 6 2 展望 31 致谢致谢 32 参考文献参考文献 33 附录附录 A A 使用说明使用说明 34 附录附录 B B 元件清单元件清单 35 附录附录 C C 部分源程序部分源程序 36 C 1 主程序 36 C 2 显示子程序 37 C 3 键盘子程序 37 成都大学学士学位论文 设计 第 1 页 第一章 引言 1 1 温度控制系统设计的背景 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 温度是科学技术中最基本的物理量之一 物理 化学 生物等学科都离不开温度 在工业生产 和实验研究中 像电力 化工 石油 冶金 航空航天 机械制造 粮食存储 酒类生产等领域内 温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一 比如 发电厂锅炉的温度必须控制在一定的 范围之内 许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行 一个舒适的浴缸 也必须 将温度始终控制在一个恒定范围内 才能保证使用者的舒适度 炼油过程中 原油必须在不同的温 度和压力条件下进行分馏才能得到汽油 柴油 煤油等产品 没有合适的温度环境 许多电子设备 就不能正常工作 粮仓的储粮就会变质霉烂 酒类的品质就没有保障 因此 各行各业对温度控制 的要求都越来越高 可见 温度的测量和控制是非常重要的 如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题 这 类控制对象惯性大 滞后现象严重 存在很多不确定的因素 难以建立精确的数学模型 从而导致控制 系统性能不佳 甚至出现控制不稳定 失控现象 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 传统的继电器调温电路简单实用 但由于继电器动 作频繁 可能会因触点不良而影响正常工作 控制领域还大量采用传统的PID控制方式 但PID控制 对象的模型难以建立 并且当扰动因素不明确时 参数调整不便仍是普遍存在的问题 而采用数字温 度传感器DS18B20 因其内部集成了A D转换器 使得电路结构更加简单 而且减少了温度测量转换 时的精度损失 使得测量温度更加精确 数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行 通信 大大减少了接线的麻烦 使得单片机更加具有扩展性 由于DS18B20芯片的小型化 更加可 以通过单跳数据线就可以和主电路连接 故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头 探入到狭小 的地方 增加了实用性 更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测 1 2 温度控制系统的发展现状及趋势 随着计算机控制技术的发展 恒温控制己在工业生产领域中得到了广泛应用 并取得了巨大的 经济和社会效益 在不同的领域内 由于控制环境 目标 成本等因素 需要针对具体情况来设计 系统结构和功能 以取得最佳的控制效果 其中 恒温环境的自动化控制技术在工业生产 商业运 营中是一个重要研究课题 1 2 1 国外恒温控制的发展现状及趋势 自 70 年代以来 由于工业过程控制的需要 特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展 以及自动控制理论和设计方法发展的推动下 国外恒温控制系统发展迅速 并在智能化 自适应参 数的自整定等方面取得了很大的科技成果 在这方面以日本 美国 德国 瑞典等国技术领先 并 且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表 目前 国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化 小型化等方面快速发展 虽然温度控制 系统在国内各行各业的应用已经十分广泛 但从国内生产的温度控制器及技术来讲 其总体发展水 平仍然不高 同国外的日本 美国 德国等先进国家相比 仍然有着较大的差距 成都大学学士学位论文 设计 第 2 页 1 2 2 国内恒温控制的发展现状及趋势 我国目前在恒温控制技术这方面总体技术水平处于 20 世纪 80 年代中后期水平 成熟产品主要 以 点位 控制及常规的 PID 控制器为主 它只能适应一般温度系统控制 难于控制滞后 复杂 时变的温度系统控制 在适应于较高控制场合的智能化 自适应控制仪表领域内 国内技术还不十 分成熟 形成商品化并广泛应用的控制仪表较少 因此 我国在恒温控制等控制仪表行业与国外还 有着一定的差距 从过程量的检测角度出发 温度是最常见的过程变量之一 它是一个非常重要的过程变量 因 为它直接影响燃烧 化学反应 发酵 烘烤 煅烧 蒸馏 浓度 挤压成形 结晶以及空气流动等 物理和化学过程 而恒温控制技术在工业领域应用非常广泛 由于其具有工况复杂 参数多变 运 行惯性大 控制滞后等特点 它对控制调节器要求较高 其温度控制不好就可能引起生产安全 产 品质量和产量等一系列问题 尽管恒温控制很重要 但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难 随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用 人们对电子产品的小型化和 智能化要求越来越高 作为高新技术之一的单片机以其体积小 价格低 可靠性高 适用范围大以 及本身的指令系统等诸多优势 在各个领域 各个行业都得到了广泛应用 1 3 恒温浴缸的发展现状及意义 现如今市场中的浴缸多为普通浴缸 没有温度控制系统等 但凡有一些高级浴缸 也是价格昂 贵 恒温浴缸市场仍有待发展 浴缸是人们享受生活 放松自我的一种方式 如果能够将浴缸的温 度控制得比较精确 对于使用者也是一种舒适度的提高 成都大学学士学位论文 设计 第 3 页 第二章 恒温浴缸总体方案设计 2 1 设计方案 2 1 1 温度控制方面 对于温度控制的方法有很多 如单片机控制 PLC 控制 模拟 PID 调节器和数字 PID 调节器等 等 而 PID 调节器的算法复杂 其成本也相对较高 方案一 利用单片机实现恒温控制 利用单片机实现温度恒定的控制 系统主要包括现场温度采集 实时温度显示 加热控制参数 设置 加热电路控制输出 报警装置和系统核心 8031 单片机作为微处理器 温度采集电路以数字 形式将现场温度传至单片机 单片机结合现场温度与用户设定的目标温度 按照已经编程固化的模 糊控制算法计算出实时控制量 以此控制量控制场效应管开通和关断 决定加热电路的工作状态 使温度逐步稳定于用户设定的目标值 在温度达到设定的目标温度后 由于冷却温度降低 单片机 通过检测到的温度与设置的目标温度比较 作出相应的控制开启加热电阻丝 方案二 利用 PLC 实现恒温控制 这种恒温控制 采用 PLC 控制实现电热丝加热全通 间断导通和全断加热的自控式方式 来达 到温度的恒定 智能型电偶温度表将置于被测对象中 热电偶的传感器信号与恒定温度的给定电压 进行比较 生成温差 自适应恒温控制电路根据差值大小控制电路的断开 2 1 2 浴缸测温点分布方面 方案一 多点测温方案 在浴缸内壁上下多点分布测温点 然后将每个测温点测得的数据分别放大 并输入 A D 转换器 进行整合 通过单片机对测得的温度与设定温度进行比较分析 方案二 单点测温方案 在内壁底部靠近排水的位置设定一点作为测温点 然后将测得的温度数据放大输入到单片机中 2 1 3 水循环控制方面 方案一 采用单一水泵控制水循环方案 本方案只需要采用一个水泵将热水箱中的热水送往浴缸槽内 浴缸槽中多余的水通过限水口自 动流入热水箱中 此方案节约成本 而且能耗低 方案二 采用双水泵控制水循环方案 本方案采用两个水泵分别对热水箱和浴缸槽之间进行水循环控制 能够保证热水箱中水位高度 以使加热电阻不至于干烧 2 1 4 按摩方式方面 按摩浴缸的按摩方式可以分为 漩涡式按摩 气泡式按摩 混合式按摩 成都大学学士学位论文 设计 第 4 页 方案一 漩涡式按摩方案 漩涡式按摩是最传统式的水力按摩法 强力的喷嘴把水和空气从浴缸旁射出 产生双重的效果 对血液循环 淋巴组织和排除废物等都有显著的功能 漩涡式按摩所产生的漩涡能舒适地按摩身体 方案二 气泡式按摩方案 气泡式按摩采用高水量静音可调喷嘴 3 8 喷嘴 在 18psi 帕斯卡 的压力下 空气开关在完全 打开的情况下 喷嘴出水量为 14gpm 加仑 分钟 该喷嘴可以产生约 10000 个小气泡 较小的气 泡不容易快速上浮到水面而破裂 所以喷嘴射出的水流力量强劲却又非常柔和 该气泡式按摩喷嘴 的按摩出水量的大小可调 同时该喷嘴可从正面打开 清洁喷嘴内部污垢 系统由气泡泵通过浴缸 底部的气泡喷嘴 产生大量的气泡包裹全身 轻柔抚触身体 能令脊柱骨和颈部感受到舒适 好让 肌肉和身心都得以松弛 方案三 混合式按摩方案 混合式按摩是将漩涡式按摩和空气式按摩合二为一 旁边的漩涡式喷嘴能排除淋巴内的废物 而空气式的喷嘴则能产生臭氧和喷泉的效果 此中按摩方案综合了上述两种按摩的优点 2 2 方案论证 对于温度控制方案二 采用的 PLC 实现恒温控制 由于其 PLC 成本高 且 PLC 外围系统配置 复杂 不利于我们的设计 由于数字调节和运算量大 相反对于 8031 单片机只要选择合适的参数 对于温度的控制精度往往能达到比较好的效果 对于温度控制方案一 采用单片机实现恒温控制 该方案成本低 可靠性高 抗干扰性强 对 于系统动态性能与稳定性要求不是很高的场合时非常合适的 在这种前提下 通过单片机对偏差进 行模糊控制运算 对调节加热可达到控制温度恒定 对于测温点布置 由于本次恒温浴缸设计个人能力有限 所设计的浴缸暂且采用单点测温方案 对于水循环控制 为了保证浴缸使用过程中的安全性 所以本浴缸系统采用方案二 对于按摩方式 由于本次设计的时间和精力有限 所以选取了应用较广泛的漩涡式按摩方案 综合各方面的意见 本设计采用单片机来实现温度的控制 采用耽搁测温点采集温度 运用双 水泵控制系统水循环 并使用漩涡式按摩法对人体进行按摩 2 3 系统总框图 本系统的电路设计方框图如图 2 1 所示 成都大学学士学位论文 设计 第 5 页 单 片 机 LED 显示 键盘 加热装置 及 水循环 放 大 光电隔离 传感 器 电阻丝 控 制 机 构 图 2 1 恒温浴缸电路总体设计系统框图 成都大学学士学位论文 设计 第 6 页 第三章 恒温浴缸结构设计 3 1 浴缸缸体结构设计 3 1 1 浴缸缸体材料选取 浴缸 Bath crock 是一种水管装置 供沐浴或淋浴之用 通常装置在家居浴室内 现代的浴缸 大多以亚加力 亚克力即 PMMA 亦有以包上陶瓷的钢板和铸铁 甚至木材制造 3 1 1 1 亚加力 PMMA 材料特点 以合成树脂材料亚克力为原料制成 PMMA 的密度大约在 1150 1190 kg m3 质地相当轻巧 优点 由于亚克力材料柔软便于加工 故该类浴缸造型和色泽相当丰富 消费者的选择面 更大 亚克力浴缸保温效果较高 冬天可长时间保温 重量较轻 便于运输和安装 表面的划痕可 以进行修复 缺点 表面容易挂花 3 1 1 2 包上陶瓷的钢板材料特点 钢板浴缸坚固耐久 通常由厚度为 1 5 3mm 的钢板制成 故分量较铸铁浴缸轻许多 表面光洁 度相当高 钢板搪瓷浴缸可见面瓷层厚度应不小于0 13m 优点 价格较便宜 质地轻巧 便于安装 缺点 由于生产工艺的缘故 钢板浴缸的造型单调 保温效果很差 浴缸注水噪声较大 市面上不少钢板浴缸采用的钢板厚度不足 在承重情况下会下沉 表面的搪瓷层在运输和使用过程 中如受到过度撞击会发生爆釉现象 导致缸体生锈而无法使用 3 1 1 3 包上陶瓷的铸铁材料特点 铸铁是一种极其耐用的材料 以它为原料生产的浴缸通常可以使用 50 年以上 在国外不少铸 铁浴缸都是传代使用的 铸铁浴缸的表面都经过高温施釉处理 光滑平整 便于清洁 铸铁搪瓷浴 缸离边缘 25mm 以上部位厚度应不小于 0 64mm 优点 经久耐用是铸铁浴缸的最大优点 此外它色泽温和 注水噪声小 便于清洁 缺点 由于制作成本高 故铸铁浴缸的价格普遍较高 造型较为单调 色彩选择也不多 保温性一般 由于材质的缘故 分量沉重 安装运输不易 3 1 1 4 木质材料特点 由木板拼接而成 外部由铁圈箍紧 拥有木材的自然颜色和气味 有反璞归真的情趣 优点 保温性强 缸体较深 可以完全浸泡身体的每一个部分 可以按照实际要求定做 缺点 价格较高 平时需要进行保养维护以防漏水变形 3 1 1 5 缸体材料选取 本次设计的浴缸缸体选取应用最多的亚加力材料 1 采用 PMMA 浇铸缸体的工艺条件如下 干燥处理 PMMA 具有吸湿性因此加工前的干燥处理是必须的 建议干燥条件为 90 成都大学学士学位论文 设计 第 7 页 2 4 小时 熔化温度 240 270 模具温度 35 70 注射速度 中等 2 化学和物理特性 PMMA 具有优良的光学特性及耐气侯变化特性 白光的穿透性高达92 PMMA 制品具有很 低的双折射 特别适合制作影碟等 PMMA 具有室温蠕变特性 随着负荷加大 时间增长 可 导致应力开裂现象 PMMA 具有较好的抗冲击特性 3 防滑 将浴缸底面尾端部分经过表面处理之后 不仅能够防滑 而且防油污的能力大大加强 常见 的是磨砂面 珍珠雅银面 漩涡面 本设计采用漩涡面表面处理方式 3 1 2 浴缸缸体形状设计 一直以来 大部份浴缸皆属长方形 近年由于亚加力加热制浴缸逐渐普及 开始出现各种不同 形状的浴缸 比如圆形 椭圆 三角形等等 本次设计的是单人独立式浴缸 所以浴缸缸体的形状 依然采用长方形 1 浴缸的外围尺寸为 1800 900 640mm 2 浴缸的内部尺寸为 顶边 1500 x700mm 底边 1150 x560mm 满水容量达 320 升 由于人体 的密度和水相差不大 近似将其看成相同 所以 一个 60 的正常人在浴缸中所占用的体积大约 为 60L 3 接口尺寸 浴缸进水口尺寸为 DN20 浴缸排水口尺寸为 DN40 浴缸溢流口尺寸 为 DN20 4 坡度 浴缸底面朝排水口倾斜的坡度 应为21mm m 36mm m 5 缸体内壁厚度 10mm 6 缸体内壁底面有 2 的倾角 排水口处为低端 以便排水的时候能将水完全排出 3 1 3 浴缸缸体颜色选取 浴缸最常见的颜色是白色 亦有其他例如粉色等色调 本设计采用平淡的淡黄色有助于人的视 觉放松 3 2 浴缸其它零部件设计 3 2 1 浴缸管道设计 本浴缸设计的水管道选用现在应用最广泛的 PVC U 材料水管 其特点有 1 轻便 PVC U 材料的比重只有铸铁的 1 10 运输 安装简易 降低成本 2 抗化学性优越 PVC U 具有优良的抗酸碱性能 除接近饱和点强酸碱或强Oxidising agents atmaximun 外 3 不导电 PVC U 材料不能导电 也不受电解 电流的腐蚀 应此无需二次加工 4 不能燃烧 也不助燃 没有消防顾虑 5 安装简易 成本低廉 切割及联接都很简易 使用 PVC 胶水联接实践证明可靠安全 操作简便 成本低廉 成都大学学士学位论文 设计 第 8 页 6 耐用 抗候性优良 也不能被细菌及菌类所腐化 7 阻力小 流率高 内壁光滑 流体流动性损耗小 加以污垢不易附着在平滑管壁 保 养较为简易 保养费用较低 3 2 2 浴缸管道管接头设计 本次浴缸设计需要用到的管接头如表 3 1 所示 表 3 1 各管接头类型 管接头名称材质公称直径 mm数量 个国标 90 管接头PVC U 管 2011JB T 3878 1 1985 U 型管接头PVC U 管 20 201 直通管接头PVC U 管 202JB T 3878 6 1985 异径三通管接头PVC U 管 20 20 101JB T 3878 2 1985 其中 U 型软管管接头需去厂家定做 3 2 3 浴缸水龙头设计 水龙头的阀芯有 钢球阀芯和陶瓷阀芯 钢球阀芯有很好的抗耐压能力 但缺点是起密封作用的橡胶圈易损耗 很快会老化 和钢球阀 芯相比 陶瓷阀芯更为耐热耐磨 同时陶瓷阀芯本身就具有良好的密封性能 因此能达到很高的耐 开启次数 不会因阀芯磨损造成水嘴滴漏 采用陶瓷阀芯的龙头 手感上也更舒适 顺滑 且开启 关闭迅速 3 2 4 浴缸支撑底座设计 浴缸支撑底座如图 3 1 所示 图 3 1 浴缸支撑底座示意图 1 底座外围尺寸为 1000 400 50 其中顶面与底面有 2 的倾角 2 底座材料选用不锈钢板 用胶水将其与浴缸内壁下底面相连接 其中较高一端端面与正对 面的浴缸侧面壁距离为 500mm 3 2 5 浴缸进出水水泵选取 成都大学学士学位论文 设计 第 9 页 根据缸体的设计可知 浴缸靠近喷嘴处的水管内径为 d 10mm PVC U 管壁粗糙度系数 n 0 014 管底坡度 i 0 0024 由 给水排水管道系统 P44 的公式可知 当管径 d 10mm 的管道按 照最大设计充满度时 最大设计充满度 55 0 d h 查 给水排水管道系统 P51 表 3 5 可得 时 过水截面上的水力要素为 55 0 2222 m0004 0 m01 0 4426 0 d4426 0 A 0 0027m0 01m0 2649d2649 0 R sm825 29sm0027 0 014 0 1 n 1 2 1 2 1 6 1 6 1 RC 从而得 sm3182 0 sm0024 0 0027 0 825 29i RC min5734 9 sm00016 0sm0004 0 3182 0 3 LAQ 由此可知 要使浴缸能达到指定的按摩功能 所选的水泵的最小流量应为 9 5734L min 本次设计采用成都新为诚科技有限公司生产的微型水泵 中流量自吸水泵 型号为 CSP24120 1 泵的技术参数如下表 3 2 所示 表 3 2 泵的技术参数 2 泵的工作环境 环境温度 0 60 该微型水泵不是潜水泵 不能放入水中 泵不宜工作在湿度太大的环境 中 3 泵的工作介质 无油 无强腐蚀 非强酸强碱 无固体颗粒的液体 允许介质温度 0 60 短时间允许 80 3 2 6 浴缸加热元件的选取 本次设计的浴缸是恒温控制的 所以需要对浴缸中的水进行热平衡计算 由 传热学 P10 表 1 2 可知 从水到空气的传热系数 k 的大致数值范围为 10 100 成都大学学士学位论文 设计 第 10 页 m 2 KW 由热传递的基本公式 tk SQ散 其中 指总的散热量 散 Q 指与外界接触的总表面积 S 指热传递的两个介质之间的传热系数 k 指环境温度与水温之间的温度差值 t 根据软件的测算可知 浴缸内壁与空气接触面的面积大约为 1 016 2 m 假设一 在冬天的 45 10t 空气设定 t 当水温达到设定温度时 从水向空气中所散发的热量为 1 当外界空气比较干燥时 取 k 10 m 2 KW WCSQ 6 355104510016 1 tk 散 2 当外界空气比较潮湿时 取 k 100 m 2 KW WCSQ35561045100016 1 tk 散 假设二 在夏天的 40 20t 空气设定 t 当水温达到设定温度时 从水向空气中所散发的热量为 1 当外界空气比较干燥时 取 k 10 m 2 KW WCSQ 2 203204010016 1 tk 散 2 当外界空气比较潮湿时 取 k 100 m 2 KW WCSQ20322040100016 1 tk 散 由上述计算结果可得出浴缸加热的四个极限状况 所以 本设计选取四个加热棒为浴缸加热 它们的功率分别为 WRR300 21 WRR1500 43 当水温与设定温度相差为 0 5 时 执行工作方式一 即只需要工作 1 R 当水温与设定温度相差为 5 10 时 执行工作方式二 即同时工作 21 RR 当水温与设定温度相差为 10 15 时 执行工作方式三 即同时工作 321 RRR 当水温与设定温度相差为 15 以上时 执行工作方式四 即同时工作 4321 RRRR 根据以上要求选取盐城市城区吉盛机电配件厂所生产的单头电热棒 该电热棒具有螺纹安装单 成都大学学士学位论文 设计 第 11 页 头电热棒结构 即在单头电热棒接线部焊接一带有六角头尺寸不等的空心螺栓 用于紧固电热棒 选用的规格 300W 和 1500W 两种 表面处理 抛光 电热棒外径及长度 12mm 80mm 电热棒封口处直径 16mm 电热棒封口样式 GLASS 玻璃 封口 RTV 3 2 7 浴缸按摩喷头选取 由于水管与喷头相接处的内径为 10mm 所以 应本设计选取佛山市禅城区华达塑料厂生产的 配合管道接口为 10mm 的按摩喷头 如图 3 2 所示 图 3 2 按摩喷头实物图 3 2 8 加热箱的设计与安装 1 加热箱的外形如图 3 3 所示 其设计外围尺寸为 400 300 300mm 缸壁厚度为 5mm 图 3 3 加热箱外形设计图 成都大学学士学位论文 设计 第 12 页 2 加热箱材料选取 为了减少加热箱的散热量 所以该加热箱依然选用浴缸缸体的材料即亚加力材料 3 加热箱的安装 将加热箱有圆角的两面与浴缸前端两面用胶水粘在一起 并且加热箱的底面直接放在地面上 这样也能减少加热箱的受力不均现象 3 3 浴缸各部分受力分析 3 3 1 缸体的受力分析 1 浴缸缸体的总质量 kg165m13875 0 mkg1190m 33 V 缸体 2 当人站在浴缸里面 且装满水的情况下 此时浴缸的总重量 kg485mkg100 1320mm 33 L 缸体总 由于本设计缸体采用的是机械强度较高的亚加力材料 所以浴缸的其他配件对缸体所产生的力 相对而言可以忽略不计 并且在浴缸内壁的底端有钢结构底座作为支撑 所以 在即使在人站在浴 缸内也无须担心浴缸会因受力过大而被破坏 3 3 2 水泵与缸体连接螺钉的强度分析 水泵与缸体之间通过 4 个螺钉相连接 且水泵质量为 2 2kg 所以 每个螺钉所受的剪切里可 以视为相同 NFS5 5 4 mg 螺钉的横截面上的切应力为 a28 0 a1028 0 m105 4 5 5 6 2 23 MPP N A FS 故连接螺钉满足强度要求 成都大学学士学位论文 设计 第 13 页 第四章 恒温浴缸控制系统硬件设计 4 1 单片机系统的简介 4 1 1 单片机对片外存储器的连接 8031 片内无程序存储器 片内 RAM 也只有 128 字节 这么小的存储容量常常限制了它的应用 领域 为了扩大单片机的存储容量 MCS 51 可以外接片外存储器 图 4 1 给出了 8031 对片外 RAM 和 ROM 的一种连接图 图 4 1 8031 对片外 RAM 和 ROM 的连接 图 4 1 中 1 和 2 芯片的存储容量皆为 64KB 即 1 芯片可以存放 65536 个二进制 8 位程序代 码 2 芯片也可以存放 65536 个二进制 8 位实时数据 因此 1 和 2 芯片各有 16 条地址线和 8 条数据线 其中 16 条地址线中高 8 位 A15 A8 分别与 P2 7P2 0 相接 低 8 位 A7A0 与 P0 口上 的地址锁存器 74LS373 的输出端对应相接 8 位数据线 D7D0 则与 P0 直接相接 PD PGM 和均为 1 和 2 芯片的控制端 控制信号由 8031 送来 若 PD 线上为高电平 1 RDWRPGM 时 则 1 芯片被封锁工作 若 PD 线上为低电平 0 则 1 芯片可以进行读操作 若PGM 和线上皆为高电平 1 则 2 芯片被封锁工作 若 0 且 1 则 2 芯片可以进RDWRRDWR 行读操作 若 1 且 0 则 2 芯片可以进行写操作 RDWR 4 1 1 1 8031 对片外 ROM 的读操作 如果片外 ROM 的 2050H 单元中有一个常数 X 且累加器 A 中为 0 现欲把 X 读出并送入 CPU 的累 成都大学学士学位论文 设计 第 14 页 加器 A 则指令为 MOVC A A DPTR A A DPTR X 8031 执行上述指令的具体步骤为 1 8031CPU 先把累加器 A 中的 0 和 DPTR 中的 2050H 相加后送回 DPTR 然后把 DPH 中的 20H 送到 P2 7P2 0 上 把 DPL 中的 50H 送到 P0 7P0 0 上 2 一旦 P0 口上片外存储器低 8 位地址 50H 稳定 8031 在 ALE 线上发出正脉冲的下降沿就把 50H 锁存到地址锁存器 74LS373 中 3 由于 CPU 执行的是 MOVC 指令 故 8031 自动使变为低电平以及和保持PSENRDWR 高电平 以至于 1 芯片可以进行读操作且 2 芯片被封锁 4 1 芯片按照 CPU 送来的 2050H 地址 从中读出 X 兵被送到 8031 的 P0 口 8031CPU 先 打开 P0 口的输入门后再把它送到了累加器 A 至此 这条指令的执行宣告结束 4 1 1 2 8031 对片内 RAM 的写操作 如果要把累加器 A 中的 X 存入片外 RAM 的 2050H 单元 那么可以采用如下指令 MOVX DPTR A X 2050H 8031 执行上述指令的步骤如下 1 8031 把 DPTR 中的 2050H 地址以上述同样方法分别送到 P2 口和 P0 口的地址引脚线上 2 8031 在 ALE 线上产生的正脉冲下降沿使 P0 口的低 8 位片外 RAM 的地址锁存到 74LS373 中 3 由于 CPU 执行的是 MOVX 指令 故它使保持高电平 1 封锁了 1 芯片工作 PSEN 4 由于 CPU 执行的上述指令中累加器 A 为源操作数寄存器 A 在逗号右边 故 8031 发出 0 和 1 并完成累加器 A 中的输 X 经 P0 口存入 2 芯片的 2050H 单元 WRRD 8031 对片外 RAM 某存储单元的读操作与此类似 在此不再赘述 4 1 2 单片机工作复位方式 单片机在开机时都需要复位 以便中央处理器 CPU 一级其他功能部件都处于一个确定的初始状 态 并从这个状态开始工作 MCS 51 的 RST 引脚是复位信号的输入端 复位信号是高电平有效 持续时间要有 24 个时钟周期以上 例如 若 MCS 51 单片机时钟频率为 12MHz 则复位脉冲宽度至 少应为 2 s 这时 堆栈指针 SP 为 07H ALE P0 P1 P2 和 P3 口各引脚均为高电平 PSEN 片内 RAM 中内容不变 4 1 3 单片机的中断系统 计算机中的中断是指 CPU 暂停原程序执行转而为外部设备服务 执行中断服务程序 并在服 务完后回到原程序执行的过程 中断系统是指能够处理上述中断过程所需要的那部分电路 中断源是指能产生中断请求信号的源泉 8031 共可处理五个中断源发出的中断请求 可以对 五个中断请求信号进行排队和控制 并响应其中优先权最高的中断请求 8031 的五个中断源有内 部和外部之分 外部中断源有两个 通常指外部设备 内部中断源有三个 两个定时器 计数器中 断源和一个串行口中断源 外部中断源产生的中断请求信号可以从 P3 2 和 P3 3 即和0INT 成都大学学士学位论文 设计 第 15 页 引脚上输入 有电平或边沿两种引起中断的触发方式 内部中断源 T0 和 T1 的两个中断是1INT 在它们从全 1 变为全 0 溢出时自动向中断系统提出的 内部串行口中断源的中断请求是在串 行口每发送完一个 8 位二进制数据或接收到一组输入数据 8 位 后自动向中断系统提出的 8031 的中断系统主要有 IE Interrupt Enable 中断系统 控制器和中断优先级控制器 IP 等 电路组成 其中 IE 用于控制五个中断源中哪些中断请求被允许向 CPU 提出 哪些中断源的中断 请求被禁止 IP 用于控制五个中断源的中断请求的优先权最高 可以被 CPU 最先处理 IE 和 IP 也 属于 21 个 SFR 其状态也可以由用户通过指令设定 4 1 4 单片机对 8155 I O 口的控制 8155 的 A B C 三口的数据传送由命令字和状态字控制 1 8155 端口地址 8155 内部有 7 个寄存器 需要 3 位地址加以区分 2 8155 命令字 8155 命令字共有 8 位 用于设定 8155 的工作方式一级实现对中断和定时器 计数器的控制 各位定义如图 4 2 所示 图中 D7 和 D6 是计数器方式控制位 D5 和 D4 是 A 口和 B 口的中断控制位 D3 和 D2 是 C 口的四种方式控制位 D1 和 D0 分别是 A 口和 B 口的输入 输出方 式控制位 图 4 2 8155 命令字格式 3 8155 状态字 8155 状态字由 7 位组成 最高位空出不用 其余各位定义如图 4 3 所示 D6 为定时器中断状态标志位 若定时器正在计数或开始计数前 则 D6 0 若定时器计满后 变为全 0 则 D6 1 并在硬件复位或对它读出后又恢复为 0 D5 和 D2 分别为 B 口和 A 口的中断允许标志位 用于表示 8155B 口或 A 口的中断请求状态 D4 和 D1 分别为 B 口和 A 口的缓冲器状态标志位 用于表示 8155 的 B 口和 A 口缓冲器的工作 状态 D3 和 D0 分别为 B 口和 A 口的中断请求标志位 用于表示 8155 的 B 口或 A 口是否有了中断请 求 状态字存放在 8155 状态寄存器中 状态寄存器的端口地址为 A2A1A0 000B CPU 通过一条 MOVX A Ri 或 MOVX A DPTR 指令便可读取 8155 状态字 用于判断 8155 所处工作状态 成都大学学士学位论文 设计 第 16 页 4 8155 定时器长度字 定时器长度字有 16 位 分高字节和低字节 定时器长度字用于设定 定时器的工作方式和定时器的定时初始值 图 4 3 8155 状态字格式 4 1 5 单片机对 A D 的接口 MCS 51 与 ADC 接口时必须弄清并处理好三个问题 1 要给 START 线送一个 100ns 宽的起动正脉冲 2 获取 EOC 线上的状态信息 因为它是 A D 转换的结束标志 3 要给 三态输出锁存器 分配一个端口地址 也就是给 OE 线上送一个地址译码器输出信 号 MCS 51 和 ADC 接口通常可以采用查询和中断两种方式 采用查询法传送数据时 MCS 51 应对 EOC 线查询它的状态 若它为低电平 表示 A D 转换正在进行 则 MCS 51 应当继续查询 若查询 到 EOC 变为高电平 则给 OE 线送一个高电平 以便从 线上提取 A D 转换后的数字量 采 1 2 8 2 用中断方式传送数据时 EOC 线作为 CPU 的中断请求输入线 CPU 响应中断后 应在中断服务程序 中使 OE 线变为高电平 以提取 A D 转换后的数字量 4 2 温度检测电路的设计 4 2 1 温度传感器的选择 目前市场上温度传感器较多 有以下几种 方案一 选用铂电阻温度传感器 此类温度传感器线性度 稳定性等方面性能都很好 但其成本较 高 方案二 采用热敏电阻 选用此类元器件有价格便宜的优点 但由于热敏电阻的非线性特性会影响 系统的精度 方案三 选用美国 Analog Devices 公司生产的二端集成电流传感器 AD590 其测量范围在 50 150 满刻度范围误差为 0 3 当电源电压在 5 10V 之间 稳定度为 1 时 误差只有 成都大学学士学位论文 设计 第 17 页 0 01 此器件具有体积小 质量轻 线形 方案四 选用美国 Dallas 半导体公司的 DS18B20 温度芯片对恒温浴缸内的水温进行温度数据采集 数字温度传感器 DS18B20 具有体积更小 精度更高 适用电压更宽 采用一线总线 可组网 抗干扰能力强等优点 在实际应用中取得了良好的测温效果和广泛的应用 现场温度直接以 一线 总线 的数字方式传输 大大提高了系统的抗干扰性 适合于恶劣环境的现场温度测量 比较以上四种方案 方案三和方案四具有比较明显的优点 但是 在选择传感器上要着重考虑 其精度和测试范围 AD590 和 DS18B20 都包含一个可以精确测量环境温度的片内温度传感器 但 AD590 是模拟传感器 需对温度模拟信号进行数字化处理 在调理和放大信号时 又会带来新的误 差 影响精度 而 DS18B20 包含一个 10 位 AD 转换器 是一个以 0 25 的分辨力将温度数字化的数 字式温度传感器 并且其测温理论范围为 55 度到 125 度 因其精确度高 范围可选这两大特点 故本设计采用方案四 选用的传感器为 DS18B20 4 2 1 1 DS18B20 的特点 1 独特的单线接口方式 与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现双向通讯 2 在使用中不需要任何外围元件 3 可用数据线供电 电压范围 3 0 5 5 V 4 测温范围 55 125 固有测温分辨率为 0 5 5 通过编程可实现 9 12 位的数字读数方式 6 用户可自设定非易失性的报警上下限值 7 支持多点组网功能 多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上 实现多点测温 8 负压特性 电源极性接反时 温度计不会因发热而烧毁 但不能正常工作 4 2 1 2 DS18B20 内部结构 主要由 4 部分组成 64 位光刻 R0M 温度传感器 非易失性的温度报警触发器 TH 和 TL 配置 寄存器 DS18B20 的内部结构图如图 4 4 所示 图 4 4 DS18B20 内部结构图 4 2 1 3 DS18B20 的内存结构 DSI8B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 RAM 和一个非易失性的可电擦除的 EEPROM 后者存放高温和低温触发器 TH TL 和结构寄存器 高速暂存 RAM 包含了 9 个连续字节 0 8 前两个字节是测得的温度信息 字节 0 的内容是温度的低 8 位 字节 1 是温度的高 8 位 字节 2 是 TH 温度上限报警 字节 3 是 TL 温度下限报警 字节 4 是配置寄存器 用于确定 输出分辨率 9 到 12 位 第 5 6 7 个字节是预留寄存器 用于内部计算 字节 8 是冗余检验字节 校验前面所有 8 个字节的 CRC 码 可用来保证通信正确 DS18B20 中的温度传感器对温度的测量结 果用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量 成都大学学士学位论文 设计 第 18 页 以 12 位转化为例 用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供 以 0 0625 LSB 形式表达 其 中 S 为符号位 见图 4 5 LSB LSB 2 3 2 2 2 2 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 LSB LSB SSSSS2 6 2 5 2 4 图 4 5 温度传感器 12 位数据在 RAM 中的存储 这是 12 位转化后得到的 16 位数据 存储在 18B20 的两个 8 比特的 RAM 中 二进制中的前面 5 位是符号位 如果测得的温度大于 0 这 5 位为 0 只要将测到的数值乘于 0 0625 即可得到实际温 度 如果温度小于 0 这 5 位为 1 测到的数值需要取反加 1 再乘于 0 0625 即可得到实际温度 4 2 1 4 温度传感器 DS18B20 的测温原理 DS18B20 的测温原理用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器 1 高温度系数晶振随温度 变化其振荡频率明显改变 所产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入 当计数门打开时 DS18B2 0 就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数 进而完成温度测量 计数门的开启时间由高 温度系数振荡器来决定 每次测量前 首先将 55 所对应的基数分别置入减法计数器 1 和温度寄存 器中 减法计数器 1 和温度寄存器被预置在 55 所对应的一个基数值 减法计数器 1 对低温度系 数晶振产生的脉冲信号进行减法计数 当减法计数器 1 的预置值减到 0 时温度寄存器的值将加 1 减 法计数器 1 的预置将重新被装入 减法计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计 数 如此循环直到减法计数器 2 计数到 0 时 停止温度寄存器值的累加 此时温度寄存器中的数值即 为所测温度 由于它内部的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性 其输出用于修正减法 计数器的预置值 只要计数门仍未关闭就重复上述过程