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1、水温控制系统摘要：本系统以MSP430F149超低功耗MCU为核心，以DS18B20为温度传感器进 行温度检测，采用电热棒进行加热。该控制系统可根据设定的温度，通过PID算 法调节和控制 PWM 波的输出，控制电磁继电器的通断时间从而控制水温的自动 调节。该系统主要包括MSP430F149单片机控制器模块、DS18B20测温模块、键 盘模块、继电器控制模块及LCD12864液晶显示模块等构成。具有电路结构简单、 程序简短、系统可靠性高、操作简便等特点。关键词： MSP430 DS18B20 PID 算法 PWM LCD12864目录一、任务及要求11.1 设计任务11.2 要求11.2.1 基
2、本要求11.2.2 发挥部分1二、方案设计与论证22.1 温度检测电路方案选择22.2 显示电路的方案选择22.3 加热和控制方案选择22.4 控制算法选择与论证3三、系统硬件电路设计33.1 系统结构框图33.2 控制器模块33.3 温度检测电路设计43.4 加热控制电路设计53.5 键盘及显示电路设计53.6 电源电路设计6四、软件设计64.1 PID 算法设计 64.2 程序流程图84.2.1 主程序框图84.2.2 LCD12864 程序流程图94.2.3 PID 程序流程图 104.2.4 DS18B20 水温检测程序流程图11五、系统测试及分析125.1 系统调试125.1.1 控
3、制模块的调试125.1.2 温度检测模块125.1.3 继电器的检测125.2 测试结果及分析125.2.1 测试仪器125.2.2 测试方法135.2.3 测试结果13六、设计总结14七、附录15附录 1 仪表器件清单15附录 2 水温控制系统原理图16附录 3 程序设计17一、任务及要求1.1 设计任务该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水 温检测、信号处理、输入、运算输出控制加热装置以实现水温控制的全过程。本设计的任务与要求为计并制作一个水温控制系统，控制对象为 1L 净水， 容器为水杯。水温可以在一定范围内可人工设定，并在环境温度降低时实现自动 控制，以保持
4、设定的温度基本不变。1.2 要求1.2.1 基本要求(1) 温度设定范围：4090C，最小区分度为1C。(2) 环境温度降低时，控制精度：温度控制的静态误差W1C。(3) 用 LCD12864 显示实际水温及设定的水温。1.2.2 发挥部分(1)采用适当控制方法，当设定温度突变时，减小系统的调节时间和超调量 温度控制的静态误差W0.2C。(3)能自动显示水温随时间变化的曲线。二、方案设计与论证2.1 温度检测电路方案选择方案一：使用热敏电阻。通过阻值的变化来获得电压的变化，再做相应的转 换得到温度值，虽然价格便宜但精度不高。对于精度要求高的系统不宜采用。方案二：使用线性NTC温度传感器。它是一
5、种线性温度一电压转换电路。在 通过工作电路（100uA ）的条件下，元件电压值随温度呈线性变化。测温范围在 -200C+200C之间。这个温度值同样需要做相应转换，所以不方便。方案三：使用 DS18B20 温度传感器。内含 AD 转换器，且线路连接十分方便， 无需其他外加电路，直接输出数字量，可直接与单片机通信，读取测温数据，它 能够达到0.5C的固有分辨率，使用读取温度暂存器的方法还能达到0.2C以上的 精度，应用方便，这样的电路主要工作量集中到单片机软件编程上。方案论证与选择：选择方案三，采用DS18B20温度传感器。2.2 显示电路的方案选择方案一：使用数码管显示。通过数码管显示实际水温
6、和设定温度。该方案程 序简单，但硬件占用单片机I/O 口较多，而且只能显示数字和少数几个字母，不 能显示汉子提示功能，只能显示一行。方案二：使用LCD1602。LCD1602可显示温度及测量温度，但显示时1602只 能显示两行，且只能显示字符和数字，不能显示汉字及曲线。方案二：使用 LCD12864。 LCD12864 可显示字母，数字及汉字，且一次可以 显示4行，显示直观，通过字幕模式、温度、曲线。该方案程序较复杂，但显示 图形代码较简单且观察清晰，显示更加明白。方案论证与选择：选择方案三，采用 LCD12864。2.3 加热和控制方案选择方案一：使用电热炉进行加热。通过控制电炉的功率即可控
7、制加热速度，当 水温过高时，关掉电炉即可，但使用电炉成本高，且精度不易控制。方案二：使用可控硅控制加热器的工作。可控硅是一种半控器件，通过控制 导通角的方式来控制，对每个周期的交流电进行控制，因为导通角连续可调，故 控制精度高，但控制不当易造成电磁干扰需加相应防护措施，且费用较高。方案三：使用固态继电器。通过控制继电器通断来控制加热器工作，固态继电器使用非常简单，而且无触点，无需外加光耦，自身可实现电气隔离，还可频 繁动作。该方案实行较简单且价格便宜。方案论证与选择：选择方案三，采用固态继电器。2.4控制算法选择与论证方案一：通过软件来调节占空比。根据实时水温值来调节温度，由于水温值 变换快，
8、且惯性大。通过软件控制不仅需要大量的代码且控制精度会受到影响。方案二：通过采用PWM控制加PID算法，通过采用PWM可以产生一个矩 形波，且矩形波占空比是通过PID算法调节，PID算法会不断的获取当前温度值， 通过设定好的参数进行比较和调节，从而实时调节加热棒的功率进而控制温度变 化。方案论证与选择：选择方案二，采用PWM控制加PID算法。三、系统硬件电路设计3.1系统结构框图测温模块LCD12864 显示MSP430散热风扇加热控制 模块键盘模块图 3.1-13.2控制器模块本设计采用TI公司16位超低功耗混合信号处理器MSP430F149作为控制器。控制器通过与DS18B20的一条连接线来
9、发送或接收信息从而控制加热控制模块,实现对水温的自动调节。同时，通过按键设定并调节温度并在LCD上显示实时水温和设定的温度值。当实际水温与所设定温度值在W1C时，加热停止，散热停止，当实际水温高于设定温度时，散热开启。如图3.2-1所示。C422pFC3 22pFCRY ST ALCl22pF，T132 .768KH zC5104C2DVcc22pF P6 .3/aTP6 .4/aTP6 .5/A5P6 .6/A6P6 .7/A7V ref+XINXOUT/TC LKVeref+V ref-/V eref-P1 .0 /TACLKP1.1 7a0P1.2/ATpi .3 /at pi .4/s
10、mcLkOVAnAAVHr6366055555432109123456789101112MSP 430F14 9484746454443424140393837U11314151636353433P5 .4 /MC LKP5 .3/UCLK1P5 .2 /S OMI1P5 .1 /SIMO1P5 .0/STE1P4 .7 /TBC LKP4 .6 /TB6P4 .5 /TB5P4 .4 /TB4P4 .3 /TB3P4 .2 /TB2P4 .1 /TB1P4 .0 /TB0P3 .7/URXD1P3 .6/URXD1P3 .3/URXD0MSP 43 0F14 9-3.3温度检测电路设计温度检
11、测电路采用DS18B20数字式温度传感器，无需外部元件可用数据总线 供电，供电范围为3.0V5.5V,无需备用电源测量温度范围为-55C+125C。最 小分辨率为0.0625C。DS18B20温度传感器只有三根外引线：单线数据传输总线端口 DQ,外供电 源线VDD，共用地线GND。外部供电方式（VDD接+5V，且数据传输总线接4.7k 的上拉电阻），其接口电路如图3.3-1所示。图3.3-1温度检测电路3.4加热控制电路设计本设计采用固态继电器控制加热棒。通过三极管与继电器的连接来控制加热 棒的通断。加热控制电路如图3.4-1所示。vil(JDEcQ2/17P2013I1VlL-I丿1/图3.
12、4-1加热模块3.5键盘及显示电路设计键盘采用4x1独立键盘，通过LCD12864液晶模块显示实时温度值和按键设定的温度值，其电路如图3.5-1，3.5-2所示。VCC键盘P1.210K710R8S410K9P1.3Q S510K10图 3.5-2LCD12864图3.5-1独立键盘3.6 电源电路设计该系统由 5V 直流电源供电，经 AMS1117 稳压器转换为 MSP430 单片机可用 的 3.3V 。由 220V 交流电源为风扇及加热棒供电，使整个水温控制系统能够正常 运行。其电路图如 3.6-1 所示。供电设计电路C1047 uFVCCGNDGND图 3.6-1 供电电路四、软件设计系统软件设计采用C语言，对MSP430单片机进行编程实现各项功能。程序 在 Windows 环境下采用 IAR Embedded
