最新黑龙江省电子设计大赛二等奖作品水温控制系统 免费下载.doc

水温控制系统目录摘要.21. 方案论证31.1 题目解析.3 1.2 各种方案比较与选择.32. 系统硬件设计4 2.1 系统的总体设计.42.2 单元电路设计.4 2.21温度采集模块.4 2.22单片机控制模块.5 2.23键盘输入.5 2.24液晶显示模块.5 2.25控制模块.6 2.3 发挥部分设计与实现6 2.31报警模块.73. 系统软件设计8 3.1程序总体设计.84. 测试结果及其分析8附录一.10附录二.10摘要 此温度自动控制系统可以实现手动设定的标准温度和实测温度进行比较以实现自动控制温度的调节。该系统利用STC89C52单片机作为主控芯片，采用数字式温度传感器DS18B20测量所需的温度，温度精度可达0.5 。显示部分采用12864液晶显示模块，可以形象的显示测得的温度以及温度的变化曲线。此系统包括温度采集模块、键盘输入模块、单片机主控模块、报警模块、液晶显示模块、控制模块、加热器、制冷器。本系统通过串行通信实现温度设定、控制和显示，有体积小、交互性强等优点。为了实现高精度的水温控制，本单片机系统采用PID算法控制和PWM脉宽调制相结合的技术，通过控制加热棒、半导体制冷片和电源的接通、断开，从而改变水温加热或制冷时间的方法来实现对水温的控制。关键词：STC89C52 DS18B20 温度自动控制1. 方案论证1.1 题目解析 根据命题要求设计制作一个水温自动控制系统，水温可以在1070量程范围内实现人工设定，并且在环境温度降低或升高时实现自动控制，。 主要性能指标有：（1）可键盘设定控制温度值，并能用液晶显示，显示最小区分度为0.1；（2）可以测量并显示水的实际温度。温度测量误差在0.5 内；（3）水温控制系统应具有全量程（1070）内的升温、降温功能（降温可用半导体制冷片、升温用800W以内的电加热器）；（4）在全量程内任意设定一个温度值（例如起始温度15内），控制系统可以实现该给定温度的恒值自动控制。控制的最大动态误差4，静态误差1，系统达到稳态的时间15min（最少两个波动周期）。1.2 各种方案比较与选择 方案一：温度信息由模拟温度传感器AD590转换成毫伏级别的电压信号，经过信号放大电路LM324将弱电压信号放大到单片机可以处理的范围内，然后再输入到模数转换器ADC0809中，转换成数字信号输入到单片机中，在单片机中对信号进行处理。将处理结果输入给控制电路，控制加热或制冷，输给液晶显示电路，显示测量的温度以及温度的变化。方案一系统原理框图如图一所示。 模拟温度传感器AD590放大模块LM324模数转换器ADC0809单片机STC89C52控制模块加热器制冷器液晶显示键盘图一 方案一系统框图 方案二：温度信息由数字温度传感器18B20感知并通过串行通信传递给单片机，单片机点接收到的信息处理，与按键输入信息进行比较，进行PID运算，然后将信息输给液晶显示电路，让12864显示出来。输给控制电路，控制加热或制冷器工作，从而完成对水温的各项控制工作。方案二系统原理框图如图二所示。 温度采集模块18B20键盘输入单片机STC89C52液晶显示模块12864控制模块加热器制冷器图二 方法二系统框图 比较两个方案，可以发现两者最大的不同在于方案一选用模拟温度传感器，而方案二选用数字温度传感器。从对硬件的要求来看，方案一不仅需要放大电路还需要模数转换电路，所以方案一对硬件要求比较高。而方案二可以实现传感器与单片机的直接通信，中间不需要任何硬件电路，所以方案二对硬件要求较低。从经济角度考虑，模拟温度传感器AD590价格要比数字温度传感器18B20高很多。从系统稳定性方面考虑，模拟温度传感器受周围环境影响较大，18B20的抗干扰能力较强。所以综合以上几个方面我们在本次设计中选用方案二。2. 系统硬件设计 2.1 系统的总体设计 按照系统的实际功能要求，此次水温控制系统的设计，采用单片机软件系统实现，用单片机的程序控制配合按键控制来实现温度的检测、存储、比较、显示、升降等控制动作。 本系统包括温度采集模块、键盘输入模块、单片机主控模块、报警模块、液晶显示模块、控制模块、加热器、制冷器、散热器。系统总体框图如图三所示。报警模块温度采集模块18B20键盘输入单片机STC89C52液晶显示模块12864控制模块加热器制冷器继电器电源散热器图三 系统总体框图由于水温控制系统的控制对象具有热存储能力大，惯性也比较大的特点。谁在容器中流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对于任何信号的响应都会推迟一段时间，使输出与输入之间产生相移。对于这样一些存在大的滞后特性的过度过程控制，本设计采用比例积分加微分控制（PID控制）。比例积分加微分控制的特点是微分的作用是使控制器的输出与偏差变化的速度成正比，它对克服对象的容量滞后有显著的效果。加上微分的作用使稳定性提高。再加上积分作用，可以消除余差。因此，PID控制适应于负荷变化大、容量滞后大、控制品质要求很高的控制系统。2.2 单元电路的设计2.21 温度采集模块 18B20STC89C52 18B20是全数字温度转换和输出，具有先进的单总线数据通信方式，最高1.2位分辨率，精度可达0.5摄氏度，体积小，硬件要求低，抗干扰能力强，附加功能强。为了降低硬件要求，增加系统稳定性，本设计选用18B20，电路图如图四所示。图四 温度采集模块2.22 单片机控制模块采用STC89C52单片机，其内部有8KB单元的程序存储器，不需要拓展存储器，而且它的I/O足够本次设计使用。综合考虑单片机的各部分资源，此次设计选用STC89C52。其利用STC89C52产生的单片机控制模块电路图如图五所示。图五 单片机控制模块电路图2.23键盘输入模块键盘连接采用八个按键直接与I/O连接的方式。 2.24液晶显示模块 本次设计选用12864作为显示模块的核心器件，利用其强大的文字和图形混合显示功能，不仅可以显示当前温度值，还可以显示出一段时间内的温度变化曲线，电路图如图六所示。 图六 液晶显示模块2.25控制模块本设计控制模块选用继电器控制，当温度采集的信息经单片机处理后，输出对应的控制命令，经放大器放大后，驱动继电器，进而控制加热器制冷器的工作，其电路如图七所示。图七 控制模块2.3发挥部分的设计与实现报警模块当采集的温度经处理后超过规定温度上限或者低于温度下限时，单片机通过 P2.3输出控制信号到LM386，由LM386驱动扬声器发出警报，具体电路如图八所示。图八 报警模块电路图另外，本设计通过程序控制，可以显示水温随时间变化的实时曲线。3.系统软件设计 主程序调用了6个子程序，分别是液晶显示程序、按键处理程序、继电器控制程序、串口通讯程序、PID控制程序、报警程序。按键处理程序：实现键盘的输入按键的识别及进入相应的程序。控制程序：对温度芯片送过来的数据进行处理，进行判断和显示。液晶显示程序：向12864的显示送数，控制系统的显示部分。继电器控制程序：控制继电器动作串口通讯程序：实现传感器与单片机通讯，将温度数据传送给单片机。程序结构如图九所示。程序结构液晶显示程序按键处理程序串口通信程序控制程序继电器控制程序报警程序图九 程序结构图3.1程序总体设计程序开始的时候先设置初始化，然后就控制12864显示当前温度。接着就判断按键是否被按下。按下进入按键处理程序，此时键盘输入有效。按下“确定”按键后，程序进入判断程序和继电器控制程序。继电器动作后，程序回到显示当前程序，并开始循环。程序总体结构图如图十所示。详细程序请参考附录一。开始系统初始化取温度温度显示是否按键按键处理比较设置温度与当前温度大小继电器控制是否图十 主程序结构图4.测试结果及其分析1、测试环境：环境温度28摄氏度，水温15摄氏度2、测试仪器：温度计0-100摄氏度（精度0.1），秒表3、测试方法：使系统运行，温度计同18B20同时测量水温，得出系统测量的温度。 4.测试结果及分析表一 设置温度/2022.525.527.530.533.535.540.5实际温度/20.322.725.627.530.633.635.540.4最大偏置温度/显示温度/20.122.625.527.630.633.535.540.3温度测量误差/-0.2-0.1-0.10.10-0.10-0.1动态误差/静态误差/0.10.100.10.100-0.2由表一可以看出，温度测量误差0.2，静态误差0.2，作品可以测量并显示水的实际温度。温度测量误差在0.5 内；可键盘设定控制温度值，并能用液晶显示，显示最小区分度为0.1。表二加热温度/10152025303540455055606570时间/s04990132172215258300343384426469509图十一 加热时温度变化曲线表三温度/20253035404550时间/s2394153310316774041870图十二 制冷时温度变化曲线 由图十一、十二可以看出，加热时温度线性增加，制冷时温度越低相同的制冷效果所需的时间越长。本设计可以实现全量程（1070）内的升温、降温功能。附录一 元件清单元件名称元件数量元件名称元件数量元件名称元件数量R 105C 10F10晶振/12M1R 10