高精度水温控制系统的设计.doc

大连理工大学本科毕业设计（论文）高精度水温控制系统的设计Designed for high-precision temperature control system学 院（系）： 电子与信息工程学院 专 业： 自动化 学 生 姓 名： 王成均 学 号： 200582166 指 导 教 师： 陈育斌 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 大连理工大学Dalian University of Technology高精度水温控制系统的设计摘 要本文设计了一个基于单片机的水温控制系统，控制精度高。采用双CPU控制系统，通过PT100实时检测水温并经过10位A/D转换后送入主控单片机，由主控单片机进行温差比较后将差值经串行通信发送给辅助控制单片机，辅控单片机对偏差温度进行相应的数据处理后，根据水温控制系统的控制经验,按照一系列控制规则调节PWM脉冲的占空比大小,从而调节了加热设备的输出功率，实现对水进行加热，以缩小温差，最终使温差为零。另外系统还增加了键盘处理、温度设定、时间显示、环境温度显示、报警等功能。为提高测温精度，对所测温度用最小二乘法进行了线性化处理并采用数字滤波。给出了总硬件线路原理图、串行通信协议和程序流程图，还制作了电路板并成功调试，完全满足控制精度要求。在软件方面, 采用了功能模块化设计, 分为PT100温度采集模块、DS18B20环境温度采集模块、键盘处理模块、时钟模块及I2C子程序模块等，为以后的软件升级做准备。论文对产生误差的因素进行了全面的理论分析，并采用标准的电阻箱对系统结果进行了校验，实际测试表明,系统超调量小,上升时间快,且控制方便,易于实现,控制精度最高可达到0.1。本系统具有结构简单，测量、控制精度高、采用先进的I2C总线接口、价格低廉等特点，有一定的实用性和较高社会推广价值。关键词：温度传感器；温度控制；AT89C52；I2C总线接口- I -高精度水温控制系统的设计Designed for high-precision temperature control systemAbstract Water temperature control system based on AT89C52 MCU is designed, high precision control. Using two CPU control system, Real-time measurement with PT100 temperature, through the 10-bit A/D converter and sent to the main single-chip microcomputer. in the main Single-chip microcomputer, to given temperature compared with the measured temperature, The temperature Deviation by the serial communication port to send to the second single-chip microcomputer。In the second single-chip microcomputer, the temperature Deviation of the corresponding data processing。The duty ratio of PWM pulses is adjusted according to a series of rules based on error and the error change rate，To achieve water heating, so as to reduce the temperature, eventually to zero temperature. In addition the system also adds the following features: keyboard handling, temperature settings, time and ambient temperature display, alarm and so on. To improve temperature measurement precision, table look-at and different-value and digital filtering methods are used in software. This article also gives the total hardware circuit schematic, serial communication protocol and program flow chart, also produced a debug board and successfully, the requirements of the control accuracy. On the software side, the use of modular design features, including the PT100 temperature acquisition module, DS18B20 ambient temperature acquisition module, the keyboard processing module, clock module, I2C module subprogram and so on, for future upgrade or expansion to prepare for. This article gives overall theory analysis around the factors of producing error, and demarcates the system by using standard resistance box. The actual testing shows that the temperature control system exerts a good characteristic such as well smaller overshoot, short rise time and easier control and realization. The control precision can reach to 0.1.This such characters as simple structure, low Price, measurement and control of high precision, advanced I2C bus interface, etc. It has certain practicality and higher society popularized value.Key Words：Temperature Sensor；Temperature Control；AT89C52；I2C bus interface- V -目 录摘 要IAbstractII引 言11 系统总体设计及要求31.1 控制系统结构框图31.2 系统总体设计方案31.2.1 系统性能要求及特点31.2.2 系统硬件方案分析41.2.3 系统软件方案分析51.3 本文主要任务及章节安排61.3.1 本文主要任务61.2.1 章节安排62 系统硬件电路设计72.1 系统硬件总体结构72.2 单片机最小系统设计82.2.1 单片机选型82.2.2 复位电路设计102.2.3 晶振电路设计102.2.4 串行通信电路设计112.3 键盘电路、时钟电路、DS18B20电路设计122.3.1 I2C总线系统和接口内部结构介绍122.3.2 I2C总线外围器件ZLG7290B键盘电路和PCF8563P时钟电路设计132.3.3 DS18B20电路设计142.4 LCD液晶显示模块电路设计152.4.1 LCD液晶显示器选择152.4.2 LCD液晶与单片机连接电路设计162.5 温度传感器的选择162.5.1 常用温度传感器的介绍172.5.2 本系统温度传感器的选择182.6 输入通道电路设计182.6.1 PT100测温电路设计192.6.2 调零电路及程控开电路设计202.6.3 信号放大和A/D转换电路设计202.7 输出通道电路设计232.7.1 水温加热器功率调节方式232.7.2 可控硅输出电路设计242.8 电源模块电路设计242.9 硬件抗干扰措施263 系统软件设计273.1 软件设计思想273.2 软件模块的组成283.3 主程序模块283.4 数据采集模块293.4.1 PT100水温采集模块303.4.2 DS18B20环境温度采集模块303.5 数据处理模块323.5.1 数字滤波323.5.2 PT100线性化处理343.5.3 PT100温度动态调零处理模块373.6 时钟、键盘处理模块373.6.1 模拟I2C通信读、写模块373.6.2 时钟处理模块383.6.3 键盘处理模块393.7 软件抗干扰措施414 控制方案设计424.1 PID控制方案424.2 模糊PID控制方案434.3 基于经验的函数控制434.3.1 基于经验的函数控制算法444.3.2 PWM脉宽产生模块445 系统调试455.1 系统硬件调试455.1.1 静态调试455.1.2 上电调试455.2 系统软件调试455.3 系统综合调试45结 论46参 考 文 献47附录A 高精度水温控制系统原理图49附录B 高精度水温控制系统实物图50附录C 控制系统所用的主要器件51附录D 把水加热到40的过程52附录E 控制系统源程序53致 谢69高精度水温控制系统的设计引 言温度在工业自动化、家用电器、环境保护、安全生产和汽车工业等部分中，都是最基本的检测参数之一。特别是化学工业自动化系统中，一般温度检测点占全部检测点的50%以上，可见温度检测的重要性所在。随着科学技术的不断发展，各企业对温度检测技术提出了更高的要求，希望利用新的检测方法，制造出适应性更强、精度更高、性能更稳定、并具有智能功能的新一代温度检测仪表。目前，温度的自动控制系统大多采用的电子式控制方式，主要存在以下两个明显缺点：采用的元器件比较落后，导致电路较为复杂，使用的逻辑元器件也较多，增加了备件管理和维护工作的难度；由于系统整体比较复杂，同时模拟仪表的实现功能的限制，因此这些温度控制器都采用了最简单的控制规律，不能提供很好的控制性能。综合以上的各种不利因素，所以此类控制系统己无法满足日益提高的控制性能需求，必须采用新的控制方式。随着社会经济的高速发展，越来越多的生产部门和生产环节对温度控制精度的可靠性和稳定性等有了更高的要求，温度的控制成了产品质量的重要保证之一。国内外的温度检测仪器的发展水平主要体现在仪器的智能化水平、测量的温度范围、测量的精度以及仪器的功耗等技术指标上，目前国内的温度测量，在精度上很少有高于0.1。鉴于此，国内外提出了基于单片机控制的温度控制方法。众所周知，单片微处理器具有高精确度、高灵敏度、高响应速度，以及耗能少、机构小、可以连续测量、自动控制、安全可靠等优点，非常适合嵌入式控制。同时，其逻辑控制运算是由软件来进行的， 可以容易的实现各种控制规则，甚至是比较复杂的控制算法的实现，而且不受外界的工作环境的影响，因此，基于单片机的温度控制器可以安全可靠地运行，智能地控制环境温度稳定在某一给定值，或者给定值附近。本文设计的就是基于单片机的高精度水温控制系统，控制精度高于0.2。系统运用性能价格比较好的热电阻Pt100作为温度传感器对水箱的温度进行精密的测量，采用三线制电桥测温消除线路阻抗带来的误差。信号调理电路的放大采用专用的高性能仪用放大器AD620，为提高测量的精度，设置了调零电路。运用软件编程对调零电路和测温电路通过模拟开关CD4052进行切换，达到自动调零的控制效果。信号的转换采用串行接口10位A/D转换器TLC1549。本系统采用双CPU控制，均采用目前价格较低且技术十分成熟的ATEML公司的AT89C52。双CPU之间采用串行通信建立数据联系，分为主、辅控制器。主控制器CPU主要实现温度数据采集并处理、键盘处理、时钟处理等，通过键盘可设定任意100内的给定温度；辅控制器CPU主要用于产生PWM控制脉宽，辅控制器接收到主控制器的温度偏差，然后运用函数对偏差处理并产生相对应的脉宽来进行程序升温。采用ZY12864液晶显示模块作为系统的显示界面。本温度控制系统采用标准的单回路负反馈控制系统，由给定温度、控制器、执行器(加热器件)、测温电路组成。为了提高系统的抗干扰性能，温度的检测采用了数字滤波的算法；为了提高测量的精度并减少存储器的使用空间，软件上对PT100进行了线性化处理，采用了最小二乘法拟合，然后通过生成温度电压关系来计算温度值。把水加热到40的过程如附录D所示。系统采用了现在较为先进的I2C接口总线，I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本；而且连接方式简单。由于51系列单片机没有I2C总线接口，本系统采用软件来模拟。本温度测控系统是用于对水温进行监测和控制的全自动智能调节系统。它可以广泛地应用在实验仪器温度测试、室内温度监视、锅炉温度测试以及其他许多工业环境。具有安全可靠、操作简单方便、智能控制等优点。另外，此测控系统以及相关产品的研发， 既有利于推动工控技术的发展, 又能带来可观的经济效益和社会效益。1 系统总体设计及要求1.1 控制系统结构框图系统结构框图是系统产品化的基础，它包含了系统的硬件选择及软件开发，是在对系统功能、技术指标、性价比、元器件的可购性等因素进行可行性分析的基础上，对多个方案比较权衡后确定。本系统采用的单闭环负反馈式控制系统，其控制框图参考图2-1所示。图1.1 系统控制框图1.2 系统总体设计方案本论文所讨论的是基于单片机的温度控制系统，其目的是对水的温度进行控制。水的温度控制范围在室温0100之间，温度控制的精度要求为士0.1。下面讨论系统的总体设计方案，包括：系统的性能要求及特点以及系统的软、硬件方案分析。1.2.1 系统性能要求及特点(1)系统性能要求：可以人为方便地通过键盘设定控制期望的温度值，系统应能自动将水加热至此设定温度值并能保持，直至重新设定为另一温度值，即能实现温度的自动控制；能够实现对水温的测量并且通过液晶屏实时的显示出来；具有加热保护功能的安全性要求。如果实际测得的温度值超过了系统规定的温度，温度超限就会报警；模块化设计，安装拆卸简单，维修方便；系统可靠性高，不易出故障；尽量采用典型、通用的器件，一旦损坏，易于在市场上买到同样零部件进行替换。(2)系统特点：鉴于上述系统功能要求以及智能仪表应具有的体积小、成本低、功能强、抗干扰并尽可能达到更高精度的要求。本系统在硬件设计方面具有如下特点：控制主板采用AT89C52作为核心芯片。作为与MCS51系列兼容的单片机，无论在运算速度，还是在内部资源上均可胜任本系统的性能要求。根据水的测温范围的要求，本系统适合采用PT100铂电阻作为温度传感器，而PT00铂电阻在测温时表现出的不可忽视的非线性不容忽视，因此在温度测量过程中必须对PT100铂电阻温度传感器的非线性进行优化，从而提高系统温度测量的精确度。本文采用最小二乘法拟合对PT100铂电阻的非线性进行优化。为了简化系统硬件，控制量采用双向可控硅输出，这样就省去了D/A转换环节。整个系统遵循了冗余原则和以软件代硬件的原则，并尽可能选用典型、常用、易于替换的芯片和电路，为系统的开放性、标准化和模块化打下良好基础。系统扩展和配置在满足功能要求的基础上留有适当裕量，以利于扩充和修改。1.2.2 系统硬件方案分析目前，温度控制仪的硬件电路一般采用模拟电路(Analog Circuit)和单片机(Microcontroller)两种形式。模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路以及电容、电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。根据计算机控制理论可知，数字控制系统的采样速率并非越快越好，它还取决于被控系统的响应特性。在本系统中，由于温度的变化是一个相对缓慢的过程，对温控系统的实时性要求不是很高，所以模拟电路的优势得不到体现。另外，模拟电路依靠元器件之间的电气关系来实现控制算法，很难实现复杂的控制算法。单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理单元CPU(Central processing Unit)、随机存取存储器RAM(Random Access Memory)、只读存储器 ROM(Read only Memory)、定时/计数器以及I/O( Input/Output)输入输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是：功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。从实现复杂系统功能和简化硬件结构的角度出发，片上系统 SOC(system on chip)是实现温度控制系统的最佳选择，但目前市场上SOC的价格还比较昂贵，并且SOC的封装形式几乎都采用贴片式封装，不利于实验电路板的搭建。从降低成本，器件供货渠道充足的角度看，应用单片机实现温度控制系统是比较经济实用的。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。AT89C52单片机是ATMEL公司出品的与MCS51系列兼容的低电压、高性能CMOS 8位单片机。本系统选择AT89C52为核心器件组成的控制系统。此外，在选取外围扩展芯片时，本着节约成本的原则，尽量选取典型的、易于扩展和替换的芯片及器件。1.2.3 系统软件方案分析目前，MCS51单片机的开发主要用到两种语言:汇编语言和C语言。与汇编语言相比，C语言具有以下的特点：(1)具有结构化控制语句结构化控制语言的显著特点是代码和数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护及调试；(2)适用范围大和可移植性好同其他高级语言一样，C语言不依赖于特定的CPU，其源程序具有良好的可移植性。目前，主流的 CPU和常见的MCU都有C编译器。加之集成开发环境KEIL编译生成的代码效率很高(仅比汇编语言生成的代码效率低10%15%)。所以，本系统的软件选择使用C语言开发。由于整个系统软件比较复杂，为了便于编写、调试、修改和增删，系统程序的编制适合采用模块化的程序结构，故要求整个控制系统软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接，遵循模块内数据关系紧凑，模块间数据关系松散的原则，将各功能模块组织成模块化的软件结构。温度控制算法方面，在对水温数学模型模糊的基础之上，结合本温控系统的要求采用了基于经验的函数控制算法，这主要是由于水温数学模型不稳定，而其此控制相对来说算法简单、可靠性高。此外，在设计控制器时，依靠经验和试验的方法在系统调试时确定控制器在不同温度阶段的函数的系数。然后用代码实现了算法。1.3 本文主要任务及章节安排1.3.1 本文主要任务(1)在对温度控制发展现状、系统控制要求进行研究的基础上，选择了整个控制系统的控制方案；(2)完成系统的硬件设计，包括采样电路、A/D转换电路、主控制电路、报警电路等的设计；(3)完成该系统的软件设计，包括主程序模块、控制运算模块、数据输入输出及处理模块等一些子功能模块的设计；(4)研究了该系统的控制策略。在温度控制系统的数学模型不温度的基础之上，通过对基于经验函数控制算法的分析设计了系统控制器；(5)完成了系统的软、硬件调试工作。1.2.1 章节安排本论文主要由以下几部分组成：第一章 系统总体设计及要求 主要介绍系统的总体设计方案，以及本文所完成的主要工作；第二章 系统硬件电路设计 主要介绍系统各部分的硬件组成和特点，包括信号输入输出电路、单片机系统等；第三章 系统软件设计 介绍了系统软件各主要功能模块的设计；第四章 控制方案设计 着重介绍温度控制系统的控制方案的确立及本系统所选算法原理和软件实现；第五章 系统调试 介绍了从硬件、软件和综合调试来对系统进行全面的调试。2 系统硬件电路设计 本章主要介绍了温度控制系统的硬件电路主要模块的设计。在介绍了单片机及其键盘、时钟电路的基础上设计了系统采用的传感器铂电阻采样电路，这是系统的模拟电路部分，也是控制信息的源头，为本温度控制系统提供了温度电信号，由于铂电阻在大范围内测温具有非线性，所以本系统采取了最小二乘法拟合的方法对其非线性进行优化。然后通过A/D转换芯片TLC1549，把温度电信号转换成数字信号送入AT89C52中，通过微控制器，实现对温度信号的显示、判断及控制。最后系统输出的适当控制量驱动系统的执行机构双向可控硅。通过可控硅对被控对象水的加热，实现系统对被控对象的温度控制。本系统实物图如附录B所示，系统原理图如附录A所示。2.1 系统硬件总体结构单片机主控模块、辅控模块、输入通道、输出通道、键盘时钟电路等。硬件总体结构框图如图2.1所示。图2.1 系统硬件总结构图由结构框图可见，温度控制系统以AT89C52单片机为核心，并配上键盘时钟构成主控模块。水的温度由PT100铂电阻温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，再通过10位的A/D转换器TLC1549转换成数字量。此数据经过数字滤波之后，一方面将水温通过液晶显示器显示出来;另一方面将该温度值与设定的温度值做差，并将差值通过串行通信口传送给辅助控制控单片机，辅控单片机根据其偏差值的大小，采用不同的函数控制算法进行运算，最后通过控制双向可控硅控制周期内的通断占空比(即控制加热平均功率的大小)，进而达到对水温进行控制的目的。如果实际测得的温度值超过了系统给定的极限温度，报警电路会做出反应，从而做出提示。2.2 单片机最小系统设计单片机最小系统是本温度控制的核心控制模块，其简约结构图如图2.2所示。图2.2 最小系统结构框图2.2.1 单片机选型单片机(Single-Chip Microcomputer)是将中央处理器CPU、程序存储器ROM、数据存储器RAM、阳接口电路、定时器/计数器、串行通信接口、中断控制器及其它控制部件集成在一个芯片中的微型计算机。单片机具有结构简单、I/O资源丰富、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低廉等特点，在家用电器、智能化仪器、工业控制以及火箭导航尖端技术领域都发挥着重要作用。近年来推出的一些高档单片机还包括许多特殊功能单元，如A/D、D/A转换器、比较器、可编程定时器/计数器阵列(PCA)、PWM输出、通信控制器、调制解调器、锁相环等。因此只要外加一些扩展电路及必要的通道接口就可以构成各种单片机应用系统，如工业控制系统、数据采集系统、自动测试系统、智能仪表、智能接口、功能模块等。在温度检测系统中，单片机主要完成信号的采样、数据处理、控制算法的计算、测量结果的显示、与PC机串行通信、为加热装置提供适当的脉冲等任务，本课题选用ATMEL公司的AT89C52单片机，如图2.3所示。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能 CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(EEPROM)和256 bytes 的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS一51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。其主要功能特性如下：与MCS51产品指令和引脚完全兼容8k字节的可重擦写的Flash闪速存储器256*8字节内部RAM数据存储器32个可编程I/O口线3个16位定时/计数器1个全双工串行通信口4个中断优先级，6个中断源采用CMOS工艺，低功耗，宽工作电压，工作频率可达33MHz支持两种软件可选的节电工作模式:空闲模式和掉电模式图2.3 DIP封装的AT89C52引脚图2.2.2 复位电路设计单片机的复位是由外部复位电路来实现的。在单片机的复位引RST(9脚)上保持两个机器周期的高电平就能使AT89C52完全复位。复位电路的接法很多，本系统中采用上电复位和手动复位键复位以及看门狗相结合的方式。看门狗采用的是带电源监控功能的看门狗电路MAX813L芯片。以避免系统无缘无故的“死机”现象，导致不可想象的后果。特别在闭环的控制系统，这是绝对不允许的。复位电路和看门狗电路如图2.4所示。图2.4 复位电路和看门狗电路2.2.3 晶振电路设计计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的。这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序，为了保证各部件间的同步工作，单片机内部电路应在唯一的时钟信号下严格地控时序进行工作，要给计算机CPU提供时序，就需要相关的硬件电路，即晶振电路。如图2.5所示。图2.5 晶振电路2.2.4 串行通信电路设计串行通信在单片机系统中有着非常重要的地位。它不仅能够解决两台系统（设备）之间的数据交换，也是当前许多智能化外围设备与上位机之间实现网络连接的重要手段。随着嵌入式控制器与嵌入式系统的不断发展，使用“同步串行”的方式来构架一个硬件系统已经成为主流趋势。它具有结构简单、外围器件品种丰富、价格低廉和可靠性高的优点。如“同步串行USRT”、“同步串行SPI”、具有多主机简约的二线制的“I2C总线”和“一线制串行总线”等。MCS-51单片机内部具有一个“全双工”的串行接口模块。具有“同步串行USRT”、“异步串行”两种通讯模式。其中前一种也称之为“移位寄存器模式”，与外接的移位寄存器配合起来可以方便的实现系统内部并行接口的扩展。串行口操作模式选择位如表2.1所示。表2.1 串口的四种工作模式SM0 SM1模式功 能波 特 率0 00同步移位寄存器Fosc/120 118位异步接收、发送可变1 029位异步接收、发送fosc/64 、fosc/321 139位异步接收、发送可变通信电路如图2.6所示。图 2.6 两个单片机（甲、乙）构成的全双工连接图2.3 键盘电路、时钟电路、DS18B20电路设计键盘、时钟电路是单片机控制系统中常见的输入设备，本系统使用的就是基于I2C总线的键盘和时钟控制芯片ZLG7290和FCP8563芯片。还使用DS18B20来测量环境温度。2.3.1 I2C总线系统和接口内部结构介绍(1)I2C总线的系统结构，如图2.7所示。图2.7 具有多主机的I2C总线的系统结构(2)I2C总线接口的内部结构。每一个I2C总线器件内部的SDA、SCL引脚电路结构都是一样的，引脚的输出驱动与输入缓冲连在一起。如图2.8所示。其中输出为漏极开路的场效应管、输入缓冲为一只高输入阻抗的同相器。这种电路具有两个特点：由于SDA、SCL为漏极开路结构，借助于外部的上拉电阻实现了信号的“线与”逻辑；引脚在输出信号的同时还将引脚上的电平进行检测，检测是否与刚才输出一致。为 “时钟同步”和“总线仲裁”提供硬件基础。图2.8 I2C总线接口内部结构2.3.2 I2C总线外围器件ZLG7290B键盘电路和PCF8563P时钟电路设计ZLG7290B是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管动态显示驱动、建键盘扫描管理芯片。能够驱动8位共阴极结构的LED数码管或64位独立的LED，同时还能扫描管理多达64个按键(S1-S56、F0-F7)的扫描识别。其中8只健(F0-F7)可以作为功能键使用就像电脑键盘上的Ctrl、Shift、Alt键一样。另外ZLG7290B 内部还设置有连击计数器，能够使某些按键按下后不松手而连续有效。接口采用I2C结构。该芯片为工业级芯片，被广泛运用于仪器仪表等工业测量领域的电路设计中。PCF8563T 是低功耗CMOS实时时钟/日历芯片，它具有一个可编程的时钟输出，一个中断输出和掉电检测电路，与外部主控器之间通过I2C总线连接。最大总线速度为400KHZ。每次对其的读写操作内部的地址寄存器都会自动产生增量。本系统的键盘主要用于设定给定温度、修改电子钟时间。如图2.9所示就是基于I2C器件的键盘时钟电路。图2.9 键盘和时钟电路2.3.3 DS18B20电路设计环境温度检测电路使用的是串口的芯片DS18B20温度传感器。单线(1-Wrie)总线是美国DALLAS公司的一项专有技术。它使用一根导线对信号进行双向传输，具有接口简单、容易扩展等优点，适合单主机、多从机构成的系统。图2.10 DS18B20元件及封装形式DS18B20检测电路如图2.11所示。图2.11 环境温度测量电路2.4 LCD液晶显示模块电路设计液晶显示器(LCD)以其具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其它显示器无法比拟的优点，而被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。LCD智能显示模块不但可以显示各式各样的字符、汉字和图形。同时具有可编程能力，且与单片机接口比较方便。ZY12864液晶模块内部结构框图如图2.12所示。图2.12 ZY12864D液晶模块内部结构框图2.4.1 LCD液晶显示器选择本系统使用的显示器就是ZY12864液晶显示器。ZY12864是一种点阵式LCD显示模块。ZY12864是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器，列驱动器及12864全点阵液晶显示器组成。ZY12864可以实现三种模式的显示效果：(1)由88(8行8列 以下类同)点阵构成的字符(数字、字母)显示；(2)由1616点阵组成的汉字显示；(3)可以实现任意的图形显示。上述三种显示模式还可以同时综合运用，达到所需要的“图文兼备”的效果。显示的所有字符采用软件字库的方式，通过“查表操作”实现。显示系统具有显示控制逻辑、内部电压转换电路、照明驱动电路等，使模块使用方便，编程简单。模块的主要参数如下：电源：一组+5V的输入电压VDD，内部自带-10V的电压转换电路用于LCD的驱动；显示规格：全屏点阵，128(列)64(行)点；七条控制命令字；接口规格：采用8位并行数据接口和8条控制线；工作温度：-10 +50 ；存储温度：-20 +70 。2.4.2 LCD液晶与单片机连接电路设计本系统的液晶显示模块主要用来显示设定温度、实测温度、环境温度及电子钟。P0作为数据地址复用总线分别连至SN74HC573地址锁存器和显示模块的D0D7。其与单片机的具体连接电路如图2.13所示。图2.13 单片机与ZY12864D液晶模块连接电路2.5 温度传感器的选择温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，敏感到被测物体温度的变化，而后者是使温度传感器与待测物体分开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，从而达到测温的目的。这里首先介绍一下常用的温度传感器，然后对所选用的温度传感器作简要的介绍。2.5.1 常用温度传感器的介绍在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比运用多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用，这里先介绍接触式温度传感器。目前在在工业生产和科学研究工作中得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器，它是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度与温度有关的参量进行检测的装置，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。作为热电阻常用的材料有铂、铜、镍、铁等，它们必须具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性以及良好的工艺性等。常用的热电阻如PT100、PTI000等，当然所有的热电阻都在一定的测温范围内才能保证线性的输出特性。最为普遍的热敏电阻为负温度系数的，它是一种氧化物的复合烧结体，通常测温的范围为-100+300，热敏电阻特性的线性度不好，近年来发现和研制的某些半导体材料，在一定程度上解决了非线性问题。近年来随着微电子、智能技术的发展，各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如DALLAS公司的DS18B20，MAXIM公司的MAX6576、MAX6577，ADI公司的AD7416等，这些芯片的显著优点是与单片机的接口简单，如DS18B20温度传感器为单总线技术，MAXIM公司的2种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输出，其本质均为数字输出，而ADI公司的AD7416的数字接口则为近年较流行的I2C总线，这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便，用户可不考虑信号放大的问题、V/F或A/D转换的问题，在一定的使用领域受到用户的青睐，但这类器件的最大缺点是由于敏感元件的材料是二氧化硅，因此测温的范围太窄，一般只有-55+l25，而且温度的测量精度都不高，好的才0.5，一般有2左右，因此在高精度的场合不太满足用户的需要。热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。常用的热电偶材料有：铂锗-铂、铱锗-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等，各种不同材料的热电偶使用于不同的测温范围场合。热电偶的误差主要来自于分度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。下面简单地介绍一下非接触式温度传感器，非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高低，这种测温方法可避免与高温被测体接触，测温不破坏温度场，测温范围宽，精度高，反应速度快，既可测近距离小面积目标的温度，又可测远距离大面积目标的温度。目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵，二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题，而且其输出受与被测量物体的距离、环境温度等多种其它因素的影响。2.5.2 本系统温度传感器的选择由于本系统的要求测量水温的范围为0100，测量的精度为0.2，综合价格以及后续的电路，采用线性度相对较好的PT100作为本系统的温度传感器，具体的型号为WZP型，其测温的范围从-200+650。对PT100的线性化将在软件部分介绍。2.6 输入通道电路设计系统输入通道的作用是将水的温度(非电量)通过传感器电路转化为电量(电压或电流)输出，本系统就是将水温转化为电压的输出。由于此时的电量(电压)还是单片机所不能识别的模拟量，所以还需要进行A/D转换，即将模拟的电量转化成与之对应的数字量，提供给单片机进行数据处理和运算控制。输入通道由传感器、电桥、模拟开关、A/D转换等电路组成。输入通道的总电路图如图2.14所示。图2.14 输入通道实用电路2.6.1 PT100测温电路设计为了保证系统的精度，测温元件采用铂电阻及专门电路。当温度变化时，铂电阻阻值随温度的变化而变化，为了测出某时刻的温度值，可把电阻阻值的变化转化为电压的变化，阻值到电压的变化一般采用惠斯通平衡电桥法。温度检测电路如图2.15中所示。PTl00作为电桥的一个桥臂，R501、R502两个20千欧的电阻和一个100欧的R500构成其它3个桥臂；为了消除连接导线电阻变化的影响，铂电阻采用三线制接法；为了降低干扰，电路增加了三个滤波电容；并用三个稳压管，构成保护电路。当水温在0时，电桥的输出电压Vout为0，随着温度的升高，PTl00的阻值增加，电桥失去平衡状态, Vout有输出。由电路得： (2.1) (2.2)把(2.1)和(2.2)式相减即得电桥电压输出公式为： (2.3)式中r为线阻，V1和V2分别是电桥两侧的电压。图2.15 惠斯通平衡电桥测温电路2.6.2 调零电路及程控开电路设计调零电路和程控开关电路如图2.16所示。单片机的P1.7作为控制线连接CD4052的A、B引脚，用来对调零通道X3、Y3和测量通道X0、Y0的控制。图2.16 调零电路和开关电路在本系统电路设计中，综合考虑各方面因数的影响，为了降低测量误差，本系设计了动态调零电路(调零电路和程控开关)。在系统运行中，利用单片机控制模拟开关CD4052芯片来选择测温电路和调零电路，在软件中对其进行比较，具体操作过程和流程图将在后文的软件部分介绍。本电路选用的CD4052相当于一个双刀四掷的开关，双刀开关可是连动的。CD4052从结构上说是独立的，可是在地址输入的时候她是同时控制两个开关的。并且这个开关时双向的，“0123”和xy都可以作为输入和输出。2.6.3 信号放大和A/D转换电路设计信号由电桥电路测量后不能直接输入到单片机，还需经过信号放大、A/D转换后才能输入到单片机，信号放大电路和A/D的转换电路如入2.17所示。图2.17信号放大电路和A/D的转换电路(1)信号放大电路由于系统工作现场，有工频干扰，为保证测量精度，首先对电桥电路测量到得电压信号Vout用电容C504、C505、C506进行滤波。在温度采集系统中，被检测的物理量经过传感器变换成模拟电信号，往往是很弱的mV级信号，需要进行放大。为了减少失调和温漂，系统采用通用集成运放AD620，它是一种带有精密差动电压增益的器件，具有高输入阻抗、精确度高、使用简易、低输出阻抗、强抗共模干扰能力，低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点 。其放大倍数G由可调电阻RG 的大小确定，其关系式为： (2.4) (2.5)图2.18所示为 AD620 仪表放大的管脚图。其中 1、8 接脚要跨接一电阻来调整放大倍率，4、7 接脚需提供正负相等的工作电压，由 2、3 接脚输入的放大电压即可从接脚 6 输出放大后的电压。接脚 5 则是参考基准，如果接地则接脚 6 的输出即为与地之间的相对电压。AD620 的放大增益关系如式 (2.4)、式 (2.5)所示，由此二式我们即可推算出各种增益所要使用的电压值了。图2.18 调零电路和开关电路(2)A/D转换电路在单片机控制系统中，控制或测量对象的有关变量，往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、位移、速度等物理量。但是大多数单片机本身只能识别和处理数字量，因此必须经过模拟量到数字量的转换(A/D转换)，才能够实现单片机对被控对象的识别和处理。完成A/D转换的器件即为A/D转换器。A/D转换器的主要性能参数有； 分辨率表示A/D转换器对输入信号的分辨能力。A/D转换器的分辨率以输出二进制数的位数表示； 转换时间指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。不同类型的转换器转换速度相差甚远； 转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示； 线性度指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。在对电桥测量的Vout信号进行放大滤波处理后，需要进行A/D转换把模拟量变成数字量，以便计算机对采集量进行处理。A/D转换器的选用，需考虑系统其它参数的测量需要。综合转换精度等因数，选择10位A/D转换芯片TLC1549，TLC1549是10位的开关电容主次逼近模/数转换器，具有两个数字输入端和一个三态输出端芯片选择(CS),输入/输出时钟(I/O CLOCK)，以及数据输出(DATA OUT),他们提供了与主处理器串行端口的三线接口。TLC1549的引脚图如图2.19所示，图中1、4脚分别为正负基准电压，2脚为模拟电压输入端，5、6、7脚分别为复位、数据和时钟串口。图2.19 TLC引脚图2.7 输出通道电路设计由测温电路检测来的温度偏差经过单片机处理后要输出给执行部件才能达到控制的目的。本系统采用可控硅触发控制，就节省了D/A转换器件。2.7.1 水温加热器功率调节方式目前多数温控系统均采用可控硅来实现功率调节。可控硅的控制模式有两种：相位控制和零位控制。图2.20 可控硅的过零触发波形对于加热控温系统，作为其执行器的可控硅及配套使用的可控硅电压调整器已经获得了普遍的使用。对于小功率的加热系统，移相触发型