1、水溫控制系統(tǒng)學(xué)生姓名：設(shè)計(jì)時(shí)間：- 1 - / 20目 錄摘要：引言一 總體方案設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)1 按鍵檢測(cè)程序2 溫度檢測(cè)程序3 溫度控制程序4 液晶顯示程序四 系統(tǒng)參數(shù)計(jì)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(shí)時(shí)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(guò)DS18B20溫

2、度傳感器對(duì)水溫進(jìn)行采樣，將采得的數(shù)字溫度送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)溫度通過(guò)PID算法與PWM脈寬調(diào)制相結(jié)合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確控制溫度的目的。在通過(guò)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(guò)模塊間的通信完成溫度的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)實(shí)溫的顯示，水溫的升降等功能。具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)。引 言溫度控制系統(tǒng)可以說(shuō)是無(wú)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(jì)算機(jī)和電子設(shè)備，均需要提供溫度控制功能。及時(shí)準(zhǔn)確地得到溫度信息并對(duì)其進(jìn)行適時(shí)的控制,在許多工業(yè)場(chǎng)合中都是重

3、要的環(huán)節(jié)。對(duì)于不同控制系統(tǒng)，其適宜的水質(zhì)溫度總是在一個(gè)范圍。超過(guò)這個(gè)范圍，系統(tǒng)或許會(huì)停止運(yùn)行或遭受破壞，所以我們必須能實(shí)時(shí)獲取水溫變化。對(duì)于，超過(guò)適宜范圍的溫度能夠報(bào)警。同時(shí)，我們也希望在適宜溫度范圍內(nèi)可以由檢測(cè)人員根據(jù)實(shí)際情況加以改變。單片機(jī)對(duì)對(duì)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(lái)，80年代單片機(jī)技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，近年來(lái)，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(yùn)而生。傳統(tǒng)的

4、溫度采集電路相當(dāng)復(fù)雜，需要經(jīng)過(guò)溫度采集、信號(hào)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(gè)數(shù)多，而且線性度和準(zhǔn)確度都不理想，抗干擾能力弱。現(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(diǎn)是使用起來(lái)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(jì)1 方案論證由于單片機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因此我們一開(kāi)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?yàn)槲覀冇嘘P(guān)于STC系列單片機(jī)的開(kāi)發(fā)板，方便我們進(jìn)行程序的讀寫(xiě)和調(diào)試

5、，我們就選擇了STC89C51單片機(jī)。但是在后來(lái)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(chǔ)器的低電壓，高性能的微處理器，擁有4路外部中端，6個(gè)中斷源，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)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(cè)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(guò)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(cè)溫的精度可達(dá)到0.1。另一種方案采用DS18B2

6、0數(shù)字溫度傳感器對(duì)水溫進(jìn)行采樣，無(wú)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(cè)溫范圍 55+125，固有測(cè)溫分辨率0.5，支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個(gè)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。但較小的硬件開(kāi)銷(xiāo)需要相對(duì)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(duì)DS18B20 進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測(cè)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(wèn)題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè)DS18B20，在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)1Wire上所掛DS18B20超過(guò)

7、8個(gè)時(shí)，就需要考慮微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要加以注意。并且連接DS18B20的總線電纜是有長(zhǎng)度限制的。但經(jīng)過(guò)多次實(shí)際情況研究和對(duì)軟件的考慮最后決定采用DS18B20進(jìn)行溫度采集。控制電路相對(duì)來(lái)說(shuō)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(wèn)題我們最先選擇的是可控硅，繼電器以前在做產(chǎn)品時(shí)用過(guò)，但可控硅從我們開(kāi)始學(xué)它到現(xiàn)在可控硅給我們的感覺(jué)就是很神秘，我們迫不及待的想揭開(kāi)它神秘的面紗！可控硅的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)觸點(diǎn)，開(kāi)斷無(wú)涌流，開(kāi)端速度快，可以控制過(guò)零開(kāi)斷。缺點(diǎn)是成本高，控制相對(duì)復(fù)雜，容量小，功耗大，發(fā)熱嚴(yán)重。繼電器的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟可靠，觸點(diǎn)容量

8、相對(duì)較大，成本低，幾乎零功耗，發(fā)熱量小。缺點(diǎn)是開(kāi)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生涌流，由于反應(yīng)稍慢，無(wú)法用于很精細(xì)開(kāi)斷控制電路中，如移向調(diào)壓等，并且壽命不長(zhǎng)。最后經(jīng)過(guò)多次探討多次試驗(yàn)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(gè)獨(dú)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(shí)際數(shù)字溫度反饋到單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)顯示到液晶顯示屏上。再通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立按鍵，一個(gè)增加按鍵一個(gè)按鍵來(lái)預(yù)設(shè)溫度，當(dāng)預(yù)設(shè)溫

9、度大于或小于實(shí)際溫度時(shí)，單片機(jī)通過(guò)PID算法和PWM脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)加熱絲的加熱或制冷片的制冷，并且液晶顯示屏上會(huì)顯示預(yù)設(shè)溫度和加熱或制冷。二 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1 系統(tǒng)方案框圖圖2-1 總體設(shè)計(jì)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(gè)獨(dú)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。P

10、2.0端口通過(guò)光耦與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(guò)三極管驅(qū)動(dòng)與繼電器相連，繼電器與制冷片相連，用繼電器來(lái)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(jì)1 系統(tǒng)程序框圖 3-1 總程序框圖2 按鍵檢測(cè)處理程序2.1 按鍵檢測(cè)流程圖圖3-2 按鍵檢測(cè)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(cè)控制程序3.1 溫度檢測(cè)流程圖圖3-4 溫度檢測(cè)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(cè)試 五 系統(tǒng)調(diào)試1 硬件調(diào)試 在硬件調(diào)試過(guò)程中由于最先完成的是1602

11、液晶顯示模塊，我們最先調(diào)試的是液晶顯示模塊。一個(gè)人焊接電路，焊接完成后由一個(gè)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(guò)再次檢查電路發(fā)現(xiàn)有元器件管腳接錯(cuò)的并且顯示屏的分辨率沒(méi)調(diào)清楚，經(jīng)過(guò)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(méi)出現(xiàn)什么問(wèn)題，但在控制加熱時(shí)可控硅一直不能夠?qū)ǎ?jīng)過(guò)反復(fù)檢測(cè)電路并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)什么錯(cuò)誤，開(kāi)始對(duì)各個(gè)元器件和電路原理進(jìn)行檢測(cè)，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(duì)可控硅的電源進(jìn)行整流是電源能過(guò)零點(diǎn)并且消除負(fù)電壓，使可控硅導(dǎo)通后可以截止。在檢測(cè)DS18B20的上拉電阻是否

12、接好，另外要注意的是，由單片機(jī)輸出的控制信號(hào)比較小，需要進(jìn)行放大才能驅(qū)動(dòng)繼電器工作，否則就不能實(shí)現(xiàn)降溫過(guò)程，通常選用8050三極管來(lái)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(cè)后沒(méi)問(wèn)題后電路應(yīng)該不會(huì)在出錯(cuò)。2 軟件調(diào)試 硬件電路檢查沒(méi)有問(wèn)題后但還還是實(shí)現(xiàn)不了設(shè)計(jì)要求，可能是我們軟件編程的問(wèn)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(duì)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(shí)序。在檢查中發(fā)現(xiàn)1602的時(shí)序有錯(cuò)誤，1602的復(fù)位時(shí)序出現(xiàn)了錯(cuò)誤，18B20的溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的等待時(shí)序

13、出現(xiàn)錯(cuò)誤，經(jīng)過(guò)我們的修改使程序正常運(yùn)行。發(fā)現(xiàn)沒(méi)問(wèn)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(guò)程出錯(cuò)，那不能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(jiàn)檢測(cè)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(gè)程序的模塊設(shè)計(jì)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。可控硅之所以不導(dǎo)通是因?yàn)槲覀冇布蛙浖?duì)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(guò)修改電路完成了整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試。六 總結(jié)段騰龍總結(jié)這次模擬全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽我主要是負(fù)責(zé)硬件的設(shè)計(jì)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(huì)再

14、使水溫升高或降低，為了使系統(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(guò)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(duì)提高加熱制冷的速度。當(dāng)溫差大時(shí)PWM波的就會(huì)變大溫差小時(shí)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(huì)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(cè)試更準(zhǔn)確必須水的密度相同因此在水中加入了一個(gè)攪拌器這樣就會(huì)使水在溫度密度上完全成為了一個(gè)整體。電路設(shè)計(jì)中為了精確控制加熱而加熱器又是一個(gè)大功率器件因此必須用弱電控制強(qiáng)電，我們首先向到時(shí)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

15、閘管來(lái)控制加熱，用繼電器控制制冷。在僅知晶閘管理論的情況下我們嘗試著將它應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)之中，晶閘管的首次應(yīng)用確實(shí)有不少的困難與挫折，電路仿真和實(shí)際的應(yīng)用差別太大，經(jīng)過(guò)將近一天調(diào)試終于調(diào)試成功。本次設(shè)計(jì)中我們?nèi)说暮献鞑皇翘酰紫扔布O(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)不太符合，導(dǎo)致軟硬件結(jié)合的時(shí)候沒(méi)有實(shí)現(xiàn)功能，經(jīng)過(guò)調(diào)試最終實(shí)現(xiàn)功能，但是卻浪費(fèi)了不少時(shí)間。這次雖是模擬競(jìng)賽但是我們學(xué)到的還真不少，在以后的過(guò)程中我們先要好好溝通之后再開(kāi)始工作，我們是一個(gè)團(tuán)隊(duì)，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(gè)產(chǎn)品確實(shí)遇到許多問(wèn)題，之間的配合缺少默契，討論時(shí)總是會(huì)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(jué)自己的工作做得不到位，在軟件和硬件之間沒(méi)有起到很好的協(xié)調(diào)作用。在要做的產(chǎn)品方案沒(méi)有完全確定就讓開(kāi)始做，導(dǎo)致做硬件時(shí)出現(xiàn)很多問(wèn)題，也使最后的軟件和硬件的調(diào)試中出現(xiàn)很多問(wèn)題，浪費(fèi)了大量的時(shí)間。同時(shí)也意識(shí)到自己還存在許多不足，許多知識(shí)點(diǎn)不是忘記就是感覺(jué)很模糊，以至于在做產(chǎn)品