1、水溫控制系統(tǒng)學(xué)生姓名：設(shè)計時間：目 錄摘要：引言一 總體方案設(shè)計1 總體方案論證2 硬件方案論證3 軟件方案論證4 方案確定二 系統(tǒng)硬件設(shè)計1 系統(tǒng)硬件框圖2 按鍵顯示電路3 溫度采集控制電路三 系統(tǒng)軟件設(shè)計1 按鍵檢測程序2 溫度檢測程序3 溫度控制程序4 液晶顯示程序四 系統(tǒng)參數(shù)計算1 溫度采集參數(shù)2 硬件控制參數(shù)3 軟件控制參數(shù)五 系統(tǒng)調(diào)試1 單片機(jī)系統(tǒng)調(diào)試2 軟件調(diào)試六 總結(jié)參考文獻(xiàn)附錄摘 要 本系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心，主要包括使用單總線溫度轉(zhuǎn)換芯片DS18B20傳感器實時溫度采集，按鍵操作，單片機(jī)控制，水溫控制，液晶顯示等部分。本系統(tǒng)通過DS18B20溫度傳感器對水溫進(jìn)行采

2、樣，將采得的數(shù)字溫度送給單片機(jī)，單片機(jī)對溫度通過PID算法與PWM脈寬調(diào)制相結(jié)合的技術(shù)實現(xiàn)精確控制溫度的目的。在通過控制雙向可控硅，改變可控硅的導(dǎo)通和閉合從而控制電熱絲的加熱或制冷片的降溫達(dá)到控制水溫的目的。本系統(tǒng)還由按鍵顯示和溫度控制模塊組成，通過模塊間的通信完成溫度的設(shè)定，實現(xiàn)實溫的顯示，水溫的升降等功能。具有電路結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，操作簡單方便等特點。引 言溫度控制系統(tǒng)可以說是無所不在，熱水器系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、冰箱、電飯煲、電風(fēng)扇等家電產(chǎn)品以至手持式高速高效的計算機(jī)和電子設(shè)備，均需要提供溫度控制功能。及時準(zhǔn)確地得到溫度信息并對其進(jìn)行適時的控制,在許多工業(yè)場合中都是重要的環(huán)節(jié)。對于不同控

3、制系統(tǒng)，其適宜的水質(zhì)溫度總是在一個范圍。超過這個范圍，系統(tǒng)或許會停止運行或遭受破壞，所以我們必須能實時獲取水溫變化。對于，超過適宜范圍的溫度能夠報警。同時，我們也希望在適宜溫度范圍內(nèi)可以由檢測人員根據(jù)實際情況加以改變。單片機(jī)對對溫度的控制是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常使用的控制方法.自從1976年Intel公司推出第一批單片機(jī)以來，80年代單片機(jī)技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展時期，近年來，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機(jī)繼續(xù)朝快速、高性能方向發(fā)展。單片機(jī)主要用于控制，它的應(yīng)用領(lǐng)域遍及各行各業(yè)，大到航天飛機(jī)，小至日常生活中的冰箱、彩電，單片機(jī)都可以大顯其能。以單片機(jī)為核心的水溫控制系統(tǒng)也應(yīng)運而生。傳統(tǒng)的溫度采集電路相當(dāng)復(fù)雜

4、，需要經(jīng)過溫度采集、信號放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換等一系列工作才能得到溫度的數(shù)字量，并且這種方式不僅電路復(fù)雜，元器件個數(shù)多，而且線性度和準(zhǔn)確度都不理想，抗干擾能力弱?，F(xiàn)在常用的溫度傳感器芯片不但功率消耗低、準(zhǔn)確率高，而且比傳統(tǒng)的溫度傳感器有更好的線性表現(xiàn)，最重要的一點是使用起來方便。下面就讓我們一起去探討研究一種以單片機(jī)為核心，基于溫度傳感器的水溫控制系統(tǒng)。一 方案設(shè)計1 方案論證由于單片機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，因此我們一開始就決定以現(xiàn)在比較流行的STC系列或AT 系列單片機(jī)為控制核心。最先注意的是STC系列單片機(jī)，因為我們有關(guān)于STC系列單片機(jī)的開發(fā)板，方便我們進(jìn)行程序的讀寫和調(diào)試，我們就選擇了STC

5、89C51單片機(jī)。但是在后來的編程中注意到51單片機(jī)的中端和FLASH ROM可能不夠用最后我們選擇了STC89C52單片機(jī)。STC89C52單片機(jī)是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能的微處理器，擁有4路外部中端，6個中斷源，3個16位定時器/計數(shù)器等，基本上能滿足我們的一切要求。溫度的采集與檢測在系統(tǒng)中起到非常重要的作用，常規(guī)的溫度采集我們選擇銅熱電阻作為溫度傳感器，將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，經(jīng)過放大后送往A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量以進(jìn)行處理。本方案溫度采集容易受外部環(huán)境影響并且硬件電路比較復(fù)雜，但測溫的精度可達(dá)到0.1。另一種方案采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器對水

6、溫進(jìn)行采樣，無需進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。將采集的值直接送入單片機(jī)進(jìn)行處理。DS18B20測溫范圍 55+125，固有測溫分辨率0.5，支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個，實現(xiàn)多點測溫。但較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于DS18B20 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送。因此， 在對DS18B20 進(jìn)行讀寫編程時，必須嚴(yán)格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在DS18B20 有關(guān)資料中均未提及1Wire上所掛DS18B20數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個DS18B20，在實際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)1Wire上所掛DS18B20超過8個時，就需要考慮微

7、處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進(jìn)行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。并且連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。但經(jīng)過多次實際情況研究和對軟件的考慮最后決定采用DS18B20進(jìn)行溫度采集?？刂齐娐废鄬碚f是比較難以決定的部分，一種是采用繼電器，一種是采用可控硅。由于我們自身興趣的問題我們最先選擇的是可控硅，繼電器以前在做產(chǎn)品時用過，但可控硅從我們開始學(xué)它到現(xiàn)在可控硅給我們的感覺就是很神秘，我們迫不及待的想揭開它神秘的面紗！可控硅的優(yōu)點是無觸點，開斷無涌流，開端速度快，可以控制過零開斷。缺點是成本高，控制相對復(fù)雜，容量小，功耗大，發(fā)熱嚴(yán)重。繼電器的優(yōu)點是技術(shù)成熟可靠，觸點容量相對較大，成本低，幾

8、乎零功耗，發(fā)熱量小。缺點是開斷時會產(chǎn)生涌流，由于反應(yīng)稍慢，無法用于很精細(xì)開斷控制電路中，如移向調(diào)壓等，并且壽命不長。最后經(jīng)過多次探討多次試驗我們決定用可控硅和繼電器相結(jié)合的方法，用可控硅控制電熱絲的作用，用繼電器控制制冷片的作用。由于我們功能的要求我們按鍵部分選擇兩個獨立按鍵，并且擁有第二功能。而顯示部分根據(jù)功能的要求我們直接使用了1602液晶顯示屏，能滿足我們產(chǎn)品的要求。2 方案確定 最終我們選擇以STC89C52單片機(jī)為核心，以DS18B20溫度傳感器采集實際數(shù)字溫度反饋到單片機(jī)，通過單片機(jī)顯示到液晶顯示屏上。再通過兩個獨立按鍵，一個增加按鍵一個按鍵來預(yù)設(shè)溫度，當(dāng)預(yù)設(shè)溫度大于或小于實際溫度

9、時，單片機(jī)通過PID算法和PWM脈寬調(diào)制實現(xiàn)加熱絲的加熱或制冷片的制冷，并且液晶顯示屏上會顯示預(yù)設(shè)溫度和加熱或制冷。二 系統(tǒng)硬件設(shè)計1 系統(tǒng)方案框圖圖2-1 總體設(shè)計框圖2 單片機(jī)電路單片機(jī)電路圖采用6MHZ晶振，按鍵復(fù)位。電路圖如下：圖2-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖3 按鍵顯示電路 該電路采用兩個獨立按鍵，分別接在單片機(jī)的P3.0，P3.1口。液晶顯示采用1602液晶顯示屏，單片機(jī)P0端口作為數(shù)據(jù)輸入端口，P2.0,P2.1，P2.2作為1602的控制端口。電路圖如下：圖2-3 按鍵顯示電路4 溫度采集控制電路 該電路采用DS18B20溫度傳感器直接與單片機(jī)P3.7端口相連。P2.0端口通過光耦與

10、可控硅相連起到保護(hù)可控硅防止干擾的作用，可控硅在和電熱絲相連控制電熱絲的工作。P2.1端口通過三極管驅(qū)動與繼電器相連，繼電器與制冷片相連，用繼電器來控制制冷片的工作。電路圖如下：圖2-4 溫度采集控制電路三 系統(tǒng)軟件設(shè)計1 系統(tǒng)程序框圖 3-1 總程序框圖2 按鍵檢測處理程序2.1 按鍵檢測流程圖圖3-2 按鍵檢測流程圖2.2 按鍵處理流程圖圖3-3 按鍵處理流程圖3 溫度檢測控制程序3.1 溫度檢測流程圖圖3-4 溫度檢測流程圖3.2 溫度控制流程圖圖3-5 溫度控制流程圖4 液晶顯示程序四 系統(tǒng)參數(shù)測試 五 系統(tǒng)調(diào)試1 硬件調(diào)試 在硬件調(diào)試過程中由于最先完成的是1602液晶顯示模塊，我們最

11、先調(diào)試的是液晶顯示模塊。一個人焊接電路，焊接完成后由一個人在從新檢查電路。在檢查電路中檢查出有漏接的地方，并且在液晶屏上不能顯示出溫度，經(jīng)過再次檢查電路發(fā)現(xiàn)有元器件管腳接錯的并且顯示屏的分辨率沒調(diào)清楚，經(jīng)過幾次調(diào)試和修改最終完成了該模塊。隨后調(diào)試的是按鍵，控制加熱模塊，按鍵的調(diào)試沒出現(xiàn)什么問題，但在控制加熱時可控硅一直不能夠?qū)?，?jīng)過反復(fù)檢測電路并沒有發(fā)現(xiàn)什么錯誤，開始對各個元器件和電路原理進(jìn)行檢測，最后發(fā)現(xiàn)是我們用的可控硅是單向可控硅并不是雙向可控硅，因此我們必須對可控硅的電源進(jìn)行整流是電源能過零點并且消除負(fù)電壓，使可控硅導(dǎo)通后可以截止。在檢測DS18B20的上拉電阻是否接好，另外要注意的是

12、，由單片機(jī)輸出的控制信號比較小，需要進(jìn)行放大才能驅(qū)動繼電器工作，否則就不能實現(xiàn)降溫過程，通常選用8050三極管來進(jìn)行放大。還有220V交流電接頭和加熱絲接頭必須接正確，否則導(dǎo)致電路燒壞。都檢測后沒問題后電路應(yīng)該不會在出錯。2 軟件調(diào)試 硬件電路檢查沒有問題后但還還是實現(xiàn)不了設(shè)計要求，可能是我們軟件編程的問題，我們首先檢查了初始化程序，然后是讀溫度程序，顯示程序，以及可控硅，繼電器控制程序，對這些分段程序，我們首先注意的各程序間的聯(lián)系，調(diào)用關(guān)系，以及1602和18B20的內(nèi)部時序。在檢查中發(fā)現(xiàn)1602的時序有錯誤，1602的復(fù)位時序出現(xiàn)了錯誤，18B20的溫度轉(zhuǎn)換時的等待時序出現(xiàn)錯誤，經(jīng)過我們的

13、修改使程序正常運行。發(fā)現(xiàn)沒問題后我們檢查源程序生成的代碼是否燒入到單片機(jī)中，如果這一過程出錯，那不能實現(xiàn)設(shè)計要求也是情理之中的。最后最重要的硬件與軟件調(diào)試相結(jié)合，先見檢測內(nèi)部程序的端口是否與硬件電路的接口一致。在我們仔細(xì)檢查各個程序的模塊設(shè)計和硬件電路之間的聯(lián)系，最后發(fā)現(xiàn)溫度傳感器的程序端口和硬件端口不一致?？煽毓柚圆粚?dǎo)通是因為我們硬件和軟件對電平的要求不一致，外部硬件電路的電平不能達(dá)到單片機(jī)的電平，最后經(jīng)過修改電路完成了整個系統(tǒng)的調(diào)試。六 總結(jié)段騰龍總結(jié)這次模擬全國電子設(shè)計競賽我主要是負(fù)責(zé)硬件的設(shè)計焊接及調(diào)試的工作，考慮到加熱器和制冷器的余溫當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度之后可能會再使水溫升高或降低，為

14、了使系統(tǒng)保持一定的精確度我們必須考慮到器件余溫的影響。經(jīng)過反復(fù)的討論研究，我們一致決定加熱和制冷都采用PWM控制，這樣不僅能使水溫控制達(dá)到一定的精確度而且也能對提高加熱制冷的速度。當(dāng)溫差大時PWM波的就會變大溫差小時就將占空比降低從而精確快速的控制水溫。由于水的密度會隨著溫度的不同而變化，而加熱棒制冷器又不是均勻分布在水中，為了使溫度測試更準(zhǔn)確必須水的密度相同因此在水中加入了一個攪拌器這樣就會使水在溫度密度上完全成為了一個整體。電路設(shè)計中為了精確控制加熱而加熱器又是一個大功率器件因此必須用弱電控制強(qiáng)電，我們首先向到時繼電器，然而繼電器的工作頻率又有一定的限制最后商討決定用晶閘管來控制加熱，用繼

15、電器控制制冷。在僅知晶閘管理論的情況下我們嘗試著將它應(yīng)用到實際設(shè)計之中，晶閘管的首次應(yīng)用確實有不少的困難與挫折，電路仿真和實際的應(yīng)用差別太大，經(jīng)過將近一天調(diào)試終于調(diào)試成功。本次設(shè)計中我們?nèi)说暮献鞑皇翘?，首先硬件設(shè)計和軟件設(shè)計不太符合，導(dǎo)致軟硬件結(jié)合的時候沒有實現(xiàn)功能，經(jīng)過調(diào)試最終實現(xiàn)功能，但是卻浪費了不少時間。這次雖是模擬競賽但是我們學(xué)到的還真不少，在以后的過程中我們先要好好溝通之后再開始工作，我們是一個團(tuán)隊，只有溝通好才能工作好。劉富強(qiáng)總結(jié)分組后作為我們第一次一起做一個產(chǎn)品確實遇到許多問題，之間的配合缺少默契，討論時總是會有一些分歧，組員間配合少，缺少必要的交流溝通。首先是感覺自己的工作做得不到位，在軟件和硬件之間沒有起到很好的協(xié)調(diào)作用。在要做的產(chǎn)品方案沒有完全確定就讓開始做，導(dǎo)致做硬件時出現(xiàn)很多問題，也使最后的軟件和硬件的調(diào)試中出現(xiàn)很多問題，浪費了大量的時間。同時也意識到自己還存在許多不足，許多知識點不是忘記就是感覺很模糊，以至于在做產(chǎn)品時