毕业论文-水温控制系统设计及应用

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1、水温控制系统设计及应用水温控制系统设计及应用系系 别：别： 电气电子工程系电气电子工程系 学生姓名：学生姓名： 应用电子技术应用电子技术 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 2011 年年 04 月月 20 日日独创性声明本人声明所呈交的毕业论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日毕业论文版权使用授权书本毕业论文作者完全了解学校有

2、关保留、使用毕业论文的规定，即：学校有权保留并向有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权郑州职业技术学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。保密，在_年解密后适用本授权书.本论文属于不保密。（请在以上方框内打“” ）毕业论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘 要该水温控制系统采用单片机进行温度实时采集与控制。温度信号由“一线总线”数字化温度传感器 DS18B20 提供，DS18B20 在-10+85C 范围内, 固有测温分辨率为 0.5 。水温实时控制采用继电器控制

3、电热丝和风扇进行升温、降温控制。系统具备较高的测量精度和控制精度，能完成升温和降温控制。关键词： AT89C51； DS18B20； 水温控制目 录摘要（II）绪论（1）1 系统方案选择和论证(2)1.1 题目要求(2)1.1.1 基本要求(2)1.1.2 发挥部分(2)1.1.3 说明(2)1.2 系统基本方案(2)1.2.1 各模块电路的方案选择及论证(2)1.2.2 系统各模块的最终方案.（6）2 硬件设计与实现（7）2.1 系统硬件模块关系(7)2.2 主要单元电路的设计(8)2.2.1 温度采集部分设计(8)2.2.2 加热控制部分(10)2.2.3 键盘、显示、控制器部分(10)3

4、 系统软件设计(10)3.1 读取 DS18B20 温度模块子程序(10)3.2 数据处理子程序(11)3.3 键盘扫描子程序(11)3.4 主程序流程图 (12)4 系统测试(13)4.1 静态温度测试.(13)4.2 动态温控测量(14)4.3 结果分析(14)参考文献(15)致谢（16）绪 论 目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于 20世纪 80 年代中后期水

5、平。成熟产品主要以“点位”控制及常规的 PID 控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。温度、压力，流量和液位是四种最常见的过程变量，其中温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。温度控制不好就可能引起生

6、产安全，产品质量和产量等一系列问题。尽管温度控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。本文主要介绍单片机温度控制系统的软件设计过程，其中涉及系统结构设计、元器件的选取和控制算法的选择、程序的调试和系统参数的整定。在系统构建时选取了凌阳科技公司提供的一款新产品 SPCE061A 芯片作为该控制系统的核心。温度信号由 PT1000 和电压放大电路提供。通过 PID 算法实现对电炉功率和水温控制。使用 SSR 固态继电器作执行部件。同时，具有温度数字语音播报和显示啊功能。 系统控制对象为 1 升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持

7、设定的温度基本不变,具有较好的快速性与较小的超调。该系统为一实验系统，要求系统有控制能力，实现对主要可变参数的实时监控。因此系统控制部分程序设计在nSPTM 集成开发环境中编辑、编译、链接、调试以及仿真的。使用软件编程既减少了系统设计的工作量，又提高了系统开发的速度，使用软件还可以提高所设计系统的稳定性，避免了因个人设计经验不足而产生过多的系统缺陷。1.1.系统方案选择和论证系统方案选择和论证1.1 题目要求设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为 1L 净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。1.1.1 基本要求（1

8、）温度设定范围为 4090，最小区分度为 1，标定温度1。（2）环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差1。（3）用十进制数码管显示水的实际温度。1.1.2 发挥部分（1）采用适当的控制方法，当设定温度突变（由 40提高到 60）时，减小系统的调节时间和超调量。（2）温度控制的静态误差0.2。（3）在设定温度发生突变（由 40提高到 60）时，自动打印水温随时间变化的曲线。1.1.3 说明（1）加热器用一千瓦电炉。（2）如果采用单片机控制，允许使用已有的单片机最小系统板。（3）数码显示部分可以使用数码显示模块。（4）测量水温时只要求在容器内任意设置一个测量点。（5）在设计报告附一篇

9、 400 字以内的报告摘要。1.2 系统基本方案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，加热模块，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。1.2.1 各模块电路的方案选择及论证（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、控制电热丝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三种方案：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，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，

10、减少了体积，提高了稳定性，并且可应用 EDA 软件仿真、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核心。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。Output显示电路加热装置测温部分键盘输入控制部分Input图 1.2.1 系统基本模块方框图方案一：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，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片

11、上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用 EDA 软件仿真、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核心。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。方案二：采用模拟运算放大器组成 PID 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。单片机算术运算功能强，软件编

12、程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。基于以上分析拟订方案二，由 AT89C52 作为控制核心，对温度采集和实时显示以及加热装置进行控制。（2）加热装置有效功率控制模块根据题目，可以使用电热炉进行加热，控制电热炉的功率即可以控制加热的速度。当水温过高时，关掉电热炉进行降温处理，让其自然冷却。在制作中，我们装设一个小电风扇，当水温超高时关闭电炉开启风扇散热，当需要加热时开启电炉关闭风扇。由于加热的功率较大，考虑到简化电路的设计，我们直接采用 220V 电源。对加热装置控制模块有以下两种方案：方案一：采用可控硅来控制加热器有效功率。可控

13、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方波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，需使用光耦合驱动芯片以及变压器等器件。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，自身即可实现电气隔离。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

14、最大功率或零功率，对控制精度将造成影响。但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路，在软件上选用适当的控制算法，同样可以达到较好的效果。（3）温度采集模块题目要求温度静态误差小于等于 0.2，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。该温度采集模块有以下三种方案：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.即将模拟信号转换为数字信号。该方案线性度优于 0.01。方案二：采用温度传感器 AD