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DZ056
浴室
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DZ056浴室水温控制系统设计,DZ056,浴室,水温,控制系统,设计
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内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 23 页 一、绪论温度控制是工业生产过程中进场遇到的过程控制，许多生产过程是以温度作为被控参数。温度控制系统是典型的控制系统。本文是以51单片机为基础设计的温度控制系统，通过各种电路辅助完成硬件电路设计，并且把程序模块化，方便固化到硬件电路中，有较高的可实现性。二、单片机简介2.1 单片机的由来 单片机，专业名称Micro Controller Unit(微控制器件)，它是由大名鼎鼎的INTEL 公司发明的，最早的系列是MCS-48，后来有了MCS-51，现在还有MCS-96 系列，我们经常说的51 系列单片机就是MCS-51，它是一种8 位的单片机，而MCS-96 系列则是一种16 位的单片机，96系列根适合高速运行的场合 。后来INTEL 公司把它的核心技术转让给了世界上很多的小公司，所以世界上就有许多公司生产51 系列兼容单片机，比如飞利浦的87 LPC 系列，伟邦的W78L系列，达拉斯的DS87 系列，现代的GSM97 系列等等，目前在我国比较流行的就是美国ATMEL 公司的89C51，它是一种带Flash ROM 的单片机。Flash ROM 是一种快速存储式只读存储器，这种程序存储器的特点就是既可以电擦写，而且掉电后程序还能保存，编程寿命可以达到几千至几万次，所以我们的实验系统是可以反复烧写的。单片机开发的整个过程，这个过程包括第一步编辑源代码，第二步编译源代码，第三步程序仿真，第四步芯片烧写（亦称编程）。2.2 MSC-51系列引脚图 1 VCC（40）：电源+5V。2 VSS（20）：接地，也就是GND。3 XTL1（19）和XTL2（18）：振荡电路。单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2 上加外部时钟信号。4 PSEN（29）：片外ROM 选通信号，低电平有效。5 ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端/EPROM 编程脉冲输入端。6 RST/VPD（9）：复位信号输入端/备用电源输入端。7 EA/VPP（31）：内/外部ROM 选择端。8 P0 口（39-32）：双向I/O 口。9 P1 口（1-8）：准双向通用I/0 口。10 P2 口（21-28）：准双向I/0 口。11 P3 口（10-17）：多用途口。三、系统总体设计3.1设计要求温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本题目要求实现浴池的水温自动控制和用水量自动检测，要求水温的给定温度可以由操作面板上的键盘输入，也可以由远程计算机串行传送输入。具体要求： q实现水温和用水量的自动控制q水温设定温度通过键盘输入或远程串行通讯输入q显示温度到小数点后1位；用水量到小数点后2位q水温控制精度为0.53.2总体设计方案 3.2.1 硬件电路总体设计硬件电路主要有：主机电路、数据采集电路、键盘控制电路、控制执行电路、显示电路以及掉电保护电路。系统总体设计框图如图3-1所示：信息显示发布数据采集51单片机传感器A/D转换LED显示器键盘控制温度调节键盘电动调节阀看门狗电路图3-1 系统总体设计框图单片机采用功能强大的51单片机作为控制核心，用温度传感器检测水温，与设定值对比后，由单片机做出决策，驱动调节阀调节水温。用流量传感器检测用水量，并将两个参数在LED进行显示。人机交换模块用键盘和液晶显示器构成友善的人机交互界面。抗干扰模块使用看门狗芯片X5045，其看门狗功能将对系统运行起到有效的监视作用，内含512 B串行EPR0M，具有掉电非易失特性，在本系统中作数据备份用。3.2.2 软件电路总体设计浴池水温控制系统的软件程序用汇编语言编写，主要用来对传感器采集到的数据送入单片机中的特定单元,然后一部分送去进行LED显示，另一部分与设定值进行比较,通过PID算法得到控制量并经由单片机输出去控制电动调节阀进行水温调节。1、主程序构造整个程序的结构，进行初始化，分配好地址，合理调用子程序。2、子程序温度传感器和流量传感器输出为模拟信号，经过ADC0809 A/D转换为数字信号后,再通过软件换算为与其对应的温度和流量。 利用中断子程序，单片机完成A/D数据采集转换、数据滤波、显示当前温度、与设定值进行比较和调用PID算法子程序并输出控制信号等功能。 键盘中断子程序优先级最高，系统要实时响应该中断，以便进行相应的功能控制。显示子程序用来显示被测温度和流量。四、系统硬件设计4.1 传感器的选择4.1.1 温度传感器的选择集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。在本系统设计中，采用了AD590电流型温度传感器，它的稳定性和线形度均较好(重复性优于0.1，其良好的非线形可以保证优于0.1 的测量精度，利用其重复性较好的特点，通过非线形补偿，可以达到0.1测量精度)。AD590的外观如图4-1。 图4-1 AD590的外观图AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：mA/K式中： 流过器件（AD590）的电流，单位为mA； T热力学温度，单位为K。2、AD590的测温范围为-55+150。3、AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流 变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。4、输出电阻为710M。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。图4-2(a) 是AD590的封装形式，图4-2(b)是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。图4-2 AD590封装形式及应用电路AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。4.1.2 流量传感器的选择在该系统中，选择LWGY涡轮流量传感器测量浴室用水量。该传感器与显示仪表配套组成涡轮流量计。传感器具有精度高，重复性好，寿命长操作简单等特点。广泛地应用于石油，化工，冶金，造纸等行业测量液体的体积瞬时流量和体积总量。LWGY涡轮流量传感器外形如图4-3。图4-3 LWGY涡轮流量传感器外形图LWGY涡轮流量传感器的特定和技术参数等如下：(一) 特点： 压力损失小，叶轮具有防腐功能。 具有较高的抗电磁干扰和抗震动能力，性能可靠，工作寿命长。 采用先进的超低功耗单片微机技术，整机功能强，功耗低，性能优越。具有非线性精度补偿功能的智能流量显示器。修正公式精度优于0.02%。 仪表系数可由按键在线设置，并可显示在LCD屏上，LCD屏直观清晰，可靠性高。 采用EEPROM对累积流量、仪表系数进行掉电保护。保护时间大于10年。(二) 主要技术参数: 准确度：0.5级、1.0级； 使用条件：1、 环境温度-2050；2、 相对温度：5%95%；3、 被测介质温度：-20120；4、 大气压力：86Kpa106Kpa；5、 防爆等级：ibBT4； 信号传输距离：传感器至显示器的距离可达1000m。(三) 电气特性：1、 显示方式：（1） LWGY 远传显示：脉冲输出（配显示仪表）；（2） LWY 现场显示：7位LCD显示累积流量，单位（m3）7位LCD显示瞬时流量，单位（m3/h）；（3） LWGB 涡轮流量变送器：（配显示仪表）。2、 输出功能：（1） LWGY 脉冲输出，p-p值由供电电源确定；（2） LWY 可带脉冲输出或420mA两线制电流输出；（3） LWGB 420mA两线制电流输出。3、 供电电源：（1） LWGY：DC524V；（2） LWY：3V锂电池安装于仪表内部可连续使用八年以上；（3） LWGB：DC24V。(四) 仪表结构及安装方式： LWGY涡轮流量传感器的结构如图4-4所示：图3-4 LWGY涡轮流量传感器结构图LWGY涡轮流量传感器的安装图如图4-5所示：图3-5 LWGY涡轮流量传感器安装图1、 仪表安装采用法兰连接、螺纹连接及夹装式；2、 时液体流动方向应与传感器外壳上指示流向的箭头方向一致，且上游直管段应20DN，下游直管段应5DN（DN为管道内径）。3、 传感器应远离外界磁场，如不能避免，应采取必要的措施；4、 为了检修时不至影响液体的正常输送，应在传感器两端的直管段外安装旁通管道（如图2-5）；5、 传感器露天安装时，请做好放大器插头的防水处理；6、 传感器与显示仪表的接线，应根据放大器的电源来选择接线方式。4.2 温度调节器的选择该系统中的温度调节器使用的是上海大禹泵阀制造有限公司的ZDSJPM 型电子式精小型电动单座调节阀，该阀由低流阻直通单座阀，或与低流阻套筒阀配用德国进口PS系列和日本工装3610系列直行程电动执行机构组成。电动执行机构内有伺服放大器，只要有输入控制信号(420mADC或15VDC)及单相电源即可控制运转，实现对流量的电动控制。具有体积小、重量轻、连线简单、流量大、调节精度高等特点,广泛应用于电力、石油、化工、冶金、环保、轻工、教学和科研设备等行业的工业过程自动控制系统中。ZDSJPM 型电子式精小型电动单座调节阀的外形如图4-6。 图4-6 ZDSJPM 型电子式精小型电动单座调节阀外形图ZDSJPM 型电子式精小型电动单座调节阀的技术参数和性能如下：（1）阀体：形式：直通倒S铸造阀公称通径：DN20200mm公称压力：PN1.64.06.4Mpa连接形式：JB78-59JB/T79.-94凹式材料：HT200ZG270-500ZG1Gr18Ni9TiZGOCr18Ni12Mo2Ti（2）上阀盖：常温型：-40+200散热型：+200+450压盖形式：Drivenstud填料：V型聚四氟乙烯,柔性石墨,石棉纺织填料4.3 硬件电路设计4.3.1 AD590外围电路设计 数据采集电路主要由AD590，MC1403，0P07，74LS373组成。考虑到温度信号为低电平缓变信号，对AD转换速度要求不高，为此，选用实效价廉的ADC0809，而且，还可以根据需要扩展测量8路温度信号。为了达到测量高精度的要求，选用温度传感器AD590，AD590具有较高精度和重复性。超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度一电压信号进行放大，便于AD进行转换，以提高温度采集电路的可靠性。模拟电路硬件部分见图4-7。图4-7 模拟电路硬件部分示意图就本系统来说，需要实时采集水温数据，然后经过AD转换为数字信号，送入单片机中的特定单元，然后一部分送去显示；另一部分与设定值进行比较，通过PID算法得到控制量并经由单片机输出去控制温度调节器。4.3.2 电动单座调节阀的外围电路设计 电动单座调节阀的外围电路设计如图4-8所示：4-8 电动单座调节阀的外围电路设计图该系统工作原理如下：现假设流入的热水温度为T热、冷水温度为T冷，混合水温度为T混，显然有T冷 T混 T热。根据热力学平衡方程，Q放=Q吸有，C水m热(T热一T混)=C水m冷(T混一T冷) (1)由式(1)可以推出， (2)式(2)可变为: (3)显然，由式(3)可知，在T热、T冷一定的情况下，T混是的递增函数。这样，当实测温度T测小于设定温度T设时，可通过控制两个电动调节阀的流量使得增大，就可以使T测逐渐逼近T设，最后达到温度的调节。反之，T测大于T设时，通过控制两个电动调节阀，使减小，达到调节温度的目的。当单片机检测到的T测 T设时，需要调节两个电动调节阀，使增大，这只需使控制热水电动调节阀的DAC0832的输出Vout1(控制电动调节阀1)增大，控制冷水电动调节阀的DAC0832的输出Vout2(控制电动调节阀2)不变或减小，就能实现的增大，达到调节水温的目的。由于电磁阀为感性负载，因此采用光电隔离，增强系统的稳定性。光电隔离电路如图4-9所示。图4-9 电磁阀控制电路4.3.3 键盘及显示的设计键盘采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计，低电平有效。图2-10中按键AN1，AN2，AN3，AN4的功能定义如表4-1所示。按键AN2与P2.2( EXTINT)相连，采用外部中断方式，并且优先级定为最高；按键AN3和AN4分别与P1.3和P1.4相连，采用软件查询的方式；AN1则为硬件复位键，与R、C构成复位电路。表4-1 按键功能显示采用3位半共阳LED静态显示方式测量温度，显示内容有温度值的十位、个位及小数点后一位，这样可以只用RXD口来输出显示数据，从而节省了单片机端口资源，在P1.2口和TXD的控制下通过74LS164来实现3位静态显示。数字电路硬件部分见图4-10。图4-10 数字电路硬件部分电路图五、系统软件设计5.1 系统定义系统定义是指在软件设计前，首先要进一步确定系统完成的任务，然后结合硬件结构，确定软件所要完成的任务细节，其软件定义内容有：1.定义各输入/输出的功能、信号类别、电平范围、与系统接口方式、占用口地址、读取的输入方式等。2.定义分配存储器空间，包括系统主程序、常数表格、功能子程序快的划分、入口地址表。3.系统运行过程的现实、结果显示、错误显示等。5.2 程序框图及主要程序功能合理的软件结构设计是设计出一个性能优良的单片机应用系统的基础，必须充分重视。在程序设计方法上，模块化程序设计是单片机程序设计中常用的方法。模块化设计便于调试和设计，容易完成，可供多个程序共享。软件结构设计和程序设计方法确定后，根据系统功能定义，可先画出程序粗框图，再对粗框图进行扩充和具体化，再绘制出详细的程序流程图。程序流程图设计出以后，便可着手编制具体程序。经调试正常之后，固化到芯片中，便完成了整个系统的设计。5.2.1 主程序模块在主程序中首先给定PID算法的参数值，然后通过循环显示当前温度，并且设定键盘外部中断为最高优先级，以便能实时响应键盘处理；软件设定定时器T0为5秒定时，在无键盘响应时每隔5秒响应一次，以用来采集经过AD转换的温度信号；设定定时器T1为嵌套在T0之中的定时中断，初值由PID算法子程序提供。5.2.2温度测量子程序框图5.2.3 调整设定温度子程序框图按键仍按下将设定温度增加1度增加到最大否？恢复为初始值按键仍按下否？返回延时5秒开始按键延时去抖动Y开始 按键延时去抖动 N YY N 设计总结本设计针对水温控制系统模型，提出了一种基于51单片机的设计方案。理论上分析，本设计的控制器应该具有工作稳定，控制精度高的特性，改进的PID算法超调量大大降低；软件采用模块化结构，提高了通用性。该设计基本实现了预期的功能。附录：程序清单：显示子程序：程序实例（ad.asm）: ORG 0000H 伪指令，指明以下程序的起始地址MAIN1: 标号ACALL DELAY ; 延时 ACALL AD ; 调用呼叫AD子程序 ;将转换的数字量屏蔽高位低位送显 MOV 31H,30H 将数据从30H口送到31H存储单元，备份MOV A,30H 将数据存储A寄存器，将28送A，28=1CHANL A,#0FH 和00001111与00011100，屏蔽高4位得00001100MOV DPTR,#SETTAB 将数据表的首地址给DPTRMOVC A,A+DPTR 取字符数据送AMOV SBUF,A 将显示的字符数据送SBUF，SBUF是与LED显示连接的接口D1: JNB TI,D1 TI不为0则转移到D1CLR TI TI清零;/ ;将转换的数字量屏蔽低位高位送显 MOV A,30H 取数据，例如28，“1E”送A寄存器 ANL A,#0F0H 和11110000与，得高4位0001SWAP A 低4位与高4位互换，将0001送到A寄存器的低4位，得00000001MOV DPTR,#SETTAB 取字符数据首地址送DPTRMOVC A,A+DPTR 将查到的字符数据送A寄存器MOV SBUF,A 将字符送SBU
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