恒温水浴控制翟文豪

1、恒温水浴控制设计组长：翟文豪组员：， 目录：1. 恒温水浴控制题目介绍及要求；2. 恒温水浴控制电路介绍及电路图；3. 数码管动态显示原理及工作效果；4. 键盘输入原理及工作流程；5. 继电器工作原理，控制流程以及控制电路；6. DS18B20 温度测量及传感原理；7. 恒温水浴箱工作情况以及硬件连接（并附上实物图）；8. 实验结果及分析。二 内容介绍：1恒温水浴控制题目介绍及要求：一、设计任务设计并制作一个恒温水浴系统，控制一带顶盖容器中液体温度。 容器形状、材质不限，正视、侧视、俯视三个的方向投影长度小于容积大于等于 500ml。15cm，在容器除顶面外的任意位置安装半导体制冷器件（制冷片

2、冷热两用），制冷片的外侧面可加散热片、小风扇等加快热交换的装置。二、设计要求 基本要求系统稳定，有明显温控表现，温度可调节范围为 1050（可宽于此范围），最小设定分度为 1。当温度达到某一设定值并稳定后，水温的波动控制在2以内。要求温度调控达到稳定状态时，必须给出声或光提示信号。3) 在超调量=10%的情况下，调节时间尽量短 发挥部分1) 温度可调节范围尽量宽；当水温达到某一设定值并稳定后，其波动控制在1内2)3)能并实时显示温度调节过程的曲线, 显示的误差绝对值小于 2。在不影响以上水浴功能的情况下，增加必要器件(如小水泵等)，改装成水冷循环系统，给外部发热器件散热。其他。4)三、说明1.

3、 系统电源可使用市售开关电源或者主办方提供的学生电源。参赛队亦可使用电源。2. 采用半导体致冷器件实现制冷或加热，如果单片功率不够允许多片串联，最多过 3 片。时,此题参赛者以 5 队为一小组同时3.,可自带温度检测工具。测评时,每队注入相同体积热水,测报当前温度后，先设定某一较低温度值制冷,再设定某一较高温度值加热。4.当温度达到稳定状态的提示信号出现后立即检测并调控的温度值，检测时间延续 120s，以温度波动的最大值；能实时显示温度曲线的可直接曲线。5.超调量：输出量的最大值减去稳态值，所得之差与稳态值之比的百分数。调节时间：响应曲线达到并保持在偏离稳态值5%（或2%）之内所需要的最短时间

4、。6.2. 恒温水浴控制电路介绍及电路图：1. 根据题目要求系统模块分可以划分为：温度测量模块，显示电路模块，调温模块，控制模块，系统的框图如图 1.2.1 所示。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。2各模块电路的方案选择及论证34（1）控制器模块根据题目要求，控制器主要用于对温度测量信号的接受和处理、控制半导体制冷（制热）片和风扇使控制对象满足设计要求、控制显示电路对温度值实时显示以及控制键盘实现对温度值的设定等。对控制器的选择有以下方案：56图 1.2.1 系统基本模块方框图78方案一：采用 FPGA 作为系统控制器。FPGA 功能强大，可以实现各种复杂的逻辑功能，

5、规模大，密度高，它将所有器件集成在一块上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用 EDA仿真、调试，易于进行功能扩展。FPGA 采用并行的 I/O 口方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统控制。由温度传感器送来的温度信号，经 FPGA 程序对其进行处理，控制加热装置动作。但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA 的高速处理的优势得不到充分体现，并且其成本偏高，引脚较多，硬件电路布线复杂。9方案二：采用模拟运算放大器组成控制系统。对于水温控制是足够的。但要附加显示、温度设定等功能，要附加许多电路，稍显麻烦。方案三：采用 ATMEL 公司的 AT89C52 作为系统控制器。单片机算

6、术运算功能强，软10件编程灵活、度大，可用编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本优点。基于以上分析拟订方案二，由 AT89C52 作为控制，对温度和实时显示以及加热装置进行控制。 12（ ）调温装置控制模块根据题目，可以使用制冷（热）片进行调温。对调温装置控制模块有以下方案：方案一：采用可控硅来控制加热器有效功率。可控硅是一种半控器件，应用于交流电的功率控制有两种形式：控制导通的交流周期数达到控制功率的目的；控制导通角的方式控制交流功率。由交流过零检测电路输出经适当延时控制双向可控硅的导通角，延时时间即移相偏移量由温度误差计算得到。可以实现对交流电单个周期有效值周期性

7、控制，保证系统的动态性能指标。该方案电路稍复杂，需使用光耦合驱动以及变压器等器件。但该方案可以实现功率的连续调节，因此响应速度快，控制精度也高。方案二：采用继电器控制。使用继电器可以很容易实现地通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。继电器无需外加光耦，自身即可实现电气。这种电路无法精确实现电热丝功率控制，电热丝只能工作在最大功率或零功率，对控制精度将造成影响。但Output显示电路加热装置控制部分键盘输入Input测温部分可以由多路加热丝组成功率控制，由单片机对温差的处理实现分级功率控制提高系统动态性能。基于以上分析以及现有器件限制选择方案二，采用继电器控制省去光耦和交流过零检测电

8、路，在上选用适当的控制算法，同样可以达到较好的效果13. （3）温度模块14. 题目要求水温的波动控制在2以内，温度信号为模拟信号，本设计要对温度进行控制和显示，所以要把模拟量转换为数字量。该温度模块有以下方案：15. 方案一：利用热电阻传感器作为感温元件，热电阻随温度变化而变化，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值相应的温度值。最常用的的是铂电阻传感器，铂电阻在氧化介质中，甚至在高温的条件下其物理，化学性质不变。由铂电阻阻值的变化经小信号变送器 XTR101 将铂电阻随温度变化的转换为420mA 线形变化电路，再将电流信号转化为电压信号，送到 A/D 转换器ADC0809.即将模拟

9、信号转换为数字信号。该方案线性度优于 0.01。16. 方案二：采用温度传感器 AD590K。AD590K 具有较高精度和重复性，良好的非线性保证0.1的测量精度。加上非线性补偿可以实现高精度测量。AD590将温度转化为电流信号，因此要加相应的调理电路，将电流信号转化为电压信号。送入 8 为 A/D 转换器，可以获得 255 级的精度，基本满足题目要求。17. 方案三：采用数字温度传感器 DS18B20。DS18B20 为数字式温度传感器，无需其他外加电路，直接输出数字量。可直接与单片机通信，单。如图 1.2.2 所示 。测温数据，电路简18.19.20. 图 1.2.2 DS18B20 测温

10、电路21.22. 基于以上分析和现有器件所限，温度模块选用上述方案。DS18B20 与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现 912 位的数字值读数方式。并且从 DS18B20 读出的信息或写入 DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,因而使用 DS18B20 可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面带来了令人满意的效果。（ ）键盘与显示模块根据题目要求，水温要由人工设定，并能实时显示温度值。方案一：采用液晶显示屏和通用矩阵键盘。液晶显示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射果好，平面直角显示以及影象稳

11、定不闪烁，可视面积大，画面效能力强等特点。但由于只需显示三位温度值，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制工作量大，控制器资源占用较多，其成本也偏高。创建字符库，编程26. 方案二：采用三位 LED 七段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。按键采用单列 3 按键进行温度设定。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用 BCD 编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。27. 根据以上论述，采用方案二。本系统中，采用了数码管的动态显示，节省单片机的资源。28. 1.2.2系统各模块的最终方案29. 根据以上分析，结合器件和设备等

12、，确定如下方案：30. 1. 采用 AT89S52 单片机作为控制器，分别对温度制。、温度设定、调温装置控31. 2. 温度测量模块采用数字温度传感器 DS18B20。此器件经分辨率测量。设置可以实现高3. 半导体制冷（热）片控制采用继电器控制，实现电路简单实用。4. 显示用四位八段数码管显示实时以及预设温度值，用两个单键实现温度值的加减。34.35.36. 图 1.2.3 系统基本框图37.38. 系统的基本框图如图1.2.3 所示。CT 89S52）首先写入命令给 DS18B20，然后 DS18B20 开始转换数据，转换后通过 89S52 来处理数据。数据处理后的结果就显示到数码管上。另外

13、由键盘设定温度值送到单片机，单片机通过数据处AT89S52Output数码管继电器键盘加减InputDS18B20理发出温度控制信息到继电器。DS18B20 可以被编程，所以箭头是双向的。39. 恒温水浴控制系统总程序(详见附表 1)40. 恒温水浴系统控制总电路图41. 51 最小系统板电路原理图（详见附表 2）；3. 数码管动态显示原理及工作效果：动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大地简化了硬件电路。选亮数码 管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用

14、发光管的和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。4. 键盘输入原理及工作流程：（1）键盘检测原理：系统采用两个独立键盘来实现对预设温度的输入，其中一个对预设温度进行升高，另一个实现降低。这两个按键一端接地，另一端则分别连到单片机的 P20 和 P21 口，因为这两个 IO 口为非三态状态，所以该线为线与关系，即只要有一端置零即为零。并且键盘是一种常开型开关，常态下，按键的两个触点处于断开状态，按下时，两个触点闭合。所以只要把 P20 和 P21 置，再通过程序来读回来这两个 IO 口的电平状态，若高即没按下，低即已被按下，从而实现人机，进行数据输入。（2）按键的消抖处理系统采

15、用键盘是机械弹性开关，由于机械触点的弹性作用，按键闭合和接通时都不会马上稳定地接通和断开，产生一些抖动。如果不消除这种抖动现象，会导致单片机对按键的错误判断，从而产生错误。通常情况下抖动时间为 5ms10ms，而稳定时间一般会超于 100ms，利用按键稳定稳定闭合与按键中的抖动时间的较大差别，可以的办法进行消抖处理。消抖原理为：当检测到按键闭合后执行一个 5ms10ms 的延时程序，即避开按键的前沿的抖动部分，再一次检测按键的状态，若按键仍然为闭合状态，即可确认按键被按下。（3）流程图：开始检测相应 IO口的电平状态再次检测相应 IO 口的电平状态执行相应的指令，即预设温度加1 或减一低高进行

16、约 10ms 的延时低高a) 继电器工作原理，控制流程以及控制电路：本设计采用 5V3A 六管脚继电器。继电器通过 VCC 口以及与单片机IO 口连接从而实现其开关端口的控制，当对其连接IO 口进行操作时，可以使继电器的常开端在满足条件的情况下闭合从而控制制冷片制冷或者制热。继电器控制工作流程图预设温 度是否 小于实 际温度预设温 度是否 满足 实际温度结束继电器停止工作是控制制冷片的继电器常闭端闭合，使制冷片工作制冷否控制制热片的继电器闭合，制热片工作否是比较预设温度和实际温度大小开始b)DS18B20 温度测量及传感原理：本系统采用半导体温度传感器作为敏感元件。传感器1采用了 DS18B2

17、0 单总线可编程温度传感器,来实现对温度和转换，直接输出数字量，可以直接和单片机进行通讯，大大简化了电路的复杂度。DS18B20 应用广泛，性能可以满足题目的设计要求。DS18B20 的测温电路如图 2.2.1 所示。23456图 2.2.1（1）DSI8B20 的测温功能的实现：其测温电路的实现是依靠单片机的编程上。当 DSI8B20 接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以 16 位带符号扩展的二进制补码形式在，高速暂存器的 0，1 字节。单片机可通过单线接口读到该数据时低位在后，数据格式以 0062 5LSB 形式表示。温度值格式如表 2.2.1 所示，其中“S”为标志

18、位，对应的温度计算：当符号位 S=0 时，直接将二进制位转换为十进制；当 S=1 时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。78表 2.2.1DS18B20 温度值格式表LS Byte161718器操作命令如表 2.2.3 所示19表 2.2.3器操作命令表202122（3）温度转换算法及分析由于 DS18B20 转换后的代码并不是实际的温度值，所以要进行计算转换。温度高字节（MS Byte）高 5 位是用来保存温度的正负（标志为 S 的 bit11bit15），高字节（MS Byte）低 3 位和低字节来保存温度值（bit0 bit10）。其中低字节（LS Byte）的低 4 位来保存温度的小数位（bit0 bit 3）。232425（4）DS18B20 温度测量流程图指令代码Write Scratchpad(写暂存器)4EHRead Scratchp