水温自动控制新版系统.docx

电子技术综合设计设计汇报设计题目： 水温自动控制系统 组长姓名： 学 号： 专业和班级： 工业自动化14-16班 姓 名： 学 号： 专业和班级： 工业自动化14-16班 姓 名： 学 号： 专业和班级： 工业自动化14-16班 时 间： 年第（1）学期 指导老师： 陈烨 成 绩： 评阅日期： 一、 课题任务设计并制作一个水温自动控制系统，对1.5L净水进行加。水温保持在一定范围内且由人工设定。细节要求以下：1.温度设定范围为4090 ，最小分辨率为0.1，误差1。2.可经过LCD显示器显示温度目标值和实时温度。3.能够经过键盘调整目标温度数值。二、 方案比较1. 系统模块设计为完成任务目标，能够将系统分为以下多个部分：5V直流电供电模块、测温模块、80C52单片机控制系统、键盘控制电路、温度显示模块、继电器控制模块、强电加热电路。经过各模块之间相互配合，能够完成水温检测、液晶显示、目标值设置、水温控制等功效。系统方框图以下：2. 5V直流电供电模块方案一：直接用GP品牌9v电池，然后接经过三端稳压芯片7805稳压成5伏直流电源提供给单片机系统使用，接两个5伏电源滤波电容后输出。方案二：经过变压器，将220v市电转换成9v左右交流电，变压器输出端9V电压经桥式整流并电容滤波。要得到一个比较稳定5v电压，在这里接一个三端稳压器元件7805。因为需要给继电器提供稳定5V电压，而方案一中造成电池过分损耗，无法稳定带动继电器连续工作，所以我们选择能够提供愈加稳定5v电源方案二。3. 测温模块经查阅资料,IC式感温器在市场上应用比较广泛有以下多个：AD590：电流输出型测温组件,温度每升高1 摄氏度，电流增加1A，温度测量范围在-55 150之间。其所采集到数据需经A/D 转换，才能得到实际温度值。DS18B20：内含AD转换器，所以除了测量温度外，它还能够把温度值以数字方法(9 B i t ) 送出，所以线路连接十分简单，它无需其它外加电路，直接输出数字量，可直接和单片机通信，读取测温数据。它能够达成0.5固有分辨率，使用读取温度暂存寄存器方法还能达成0.0625以上精度，温度测量范围在-55125 之间，应用方便。SMARTEC感温组件:这是一只3个管脚感温IC，温度测量范围在-45 13，误差能够保持在0.7 以内。max6225/6626：最大测温范围也是-55+125，带有串行总线接口，测量温度在可测范围内误差在4以内，较大，故舍弃该方案。本设计选择DS18B20感温IC，这是因其性能参数符合设计要求，接口简单，内部集成了A/D 转换，测温更简便，精度较高，反应速度快，且经过市场考察，该芯片易购置，使用方便。下面是DS18B20感温IC实物和接口图片4. 80C52单片机控制系统AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes可反复擦写Flash只读程序存放器和256 bytes随机存取数据存放器（RAM），器件采取ATMEL企业高密度、非易失性存放技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存放单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛应用。5. 键盘控制电路方案一：四键设定，一个十位控制键，一个个位控制键，一个位控制键，一个确定键，经过四键配合设定为度，该方案接线和程序简单，但实际操作不太便捷。方案二：矩阵键盘设定，经过按键输入不一样数字实现温度设定，电路连接比较简单，程序较方案一复杂，但已经在学习过程中接触过矩阵键盘编程技巧，有一定可行性，且操作起来愈加符合我们日常习惯。此次设计暂定采取矩阵键盘来作为温度设定电路输入。6. 温度显示模块方案一：使用数码管显示，经过数码管显示被测温度和设定温度。该方案程序简单，且已学习过其编程技巧，但硬件占用单片机I/O口较多，对于尽可能节省端口，让线路简单来说不是好方法，而且显示也不够直观灵活，只能显示数字，。方案二：使用液晶屏1602显示。1602可显示两行字符及数字，能够用来显示设定温度及测量温度，较之数码管显示愈加清楚直观，即使以前没有接触过相关知识，但该器件上手比较轻易，能够在短期内学会其使用方法。1602较之数码管愈加符合此次设计要求，所以使用1602作为显示器件。7. 继电器控制模块方案一：采取一般控制方法，即水温温度抵达临界温度时，控制继电器开闭。但因为水温改变快，且惯性大，不易控制精度。 方案二：采取PWM控制加PID算法，经过采取PWM能够产生一个波形，而PWM波形占空比是经过PID算法调整，这么就能够经过控制加热电路开、断时间比来控制加热器功率进而控制温度改变，从而使精度提升。此方法中硬件上能够使用固态继电器或晶闸管控制加热器工作。我们选择方案二。三、 电路设计1. 电源电路整个系统需要使用5V直流电和220V交流电。电源电路采取变压器和稳压模块，将工频电压降为5V直流电，为系统供电。首先用变压器模块20V交流电降为9V交流电，接入整流电桥，变为直流电输出，再使用三端稳压芯片7805稳压为5V。L7805输出端要联上电解电容，滤除交流电干扰，预防损坏单片机系统。LM7805最大能够输出1A电流，内部有限流式短路保护，短时间内，比如几秒钟时间，输出端对地（2脚）短路并不会使7805烧坏。2. 温度传感器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。外部供电方法(VDD接+5V，且数据传输总线接4.7k上拉电阻，其接口电路以下图（外接电源工作方法）所表示。3. 单片机最小系统单片机最小系统,或称为最小应用系统,是指用最少元件组成单片机能够工作系统.对51系列单片机来说,最小系统通常应该包含:单片机、晶振电路、复位电路4. 按键、显示电路这部分实际上是一个单片机最小系统基础电路，键盘选择矩阵键盘可满足要求，经过按键输入不一样数字实现温度设定。在显示方面选择常见1602液晶显示模块。经过对应程序，能够实现温度实时显示，电路连接也比较简单，只需连接数据总线，和三根控制线即可实现数据控制，实现显示功效。1602显示电路5. 继电器温控单片机驱动继电器通断，从而比较轻易实现对小功率电热棒加热。本系统利用继电器吸合是否来实现水温自动化控制。此次设计采取型号为JRC-21F继电器。其特点有：（1）.超小型,低功耗;（2）.触点型式:1H,1Z(1A.AC);（3）.触点负载:2A,120VAC;（4）.外型尺寸:15.7X10.4X11.4图是驱动较大功率继电器接口，当p1.1（连接单片机输出口）输出低电平时，Q1导通，继电器吸合；当p1.1输出高电平时，Q1截止，继电器断开。因为继电器吸合时电流比较大，所以在单片机和继电器之间增加了光电耦合器件作为隔离电路。R3是光电耦合输出管限流电阻，R4是驱动管Q1基极泄放电阻。整体硬件电路见附录四、 程序设计程序结构包含：主程序、传感器测温程序、lcd1602显示程序、键盘扫描程序、PID计算程序、PWM波形发生程序。主程序步骤图以下所表示：传感器测温程序步骤图：lcd1602显示程序步骤图：键盘扫描程序步骤图：温度比较和PID计算程序步骤图：PWM波形发生程序（定时器中止）步骤图：五、 测试方案1.静态测试：室温状态下，分别用温度计和18B20传感器检测水温，观察二者是否有误差。2.动态测试：用继电器控制“热得快”对1升水加热，用键盘设定需加热温度值，观察、统计1602显示器上实时水温值改变过程和每次改变温度设定值后PID调整超调量。数次调试并和修改PID参数来完善该系统。检验水温稳定值是否满足设计目标要求。六、 系统调试1.加热水量和加热器功率确定加热器水量和功率应该组成匹配，加热水量过多或功率过小会造成加热时间过长，而加热水量过少或功率过大会使超调增大，不利于控制。我们选择1L容器作为测试对象，估计将20摄氏度水加热到100摄氏度需要5分钟。经过计算这么加热器功率最少为1120w，所以选择1000w加热管。满足1L容器很多，不过广口盆水位较低，不利于加热管安放。经过努力，找到了适宜容器（实物见附件），恰能使得加热棒处于最为适宜水位深度。2.上下层温差优化和电动机电源选择电动机本不在设计范围里面，不过伴随系统调试进行，发觉容器中水极难实现热均匀。容器中上下层温差过大，造成温度传感器所测数据极不正确，滞后过大，很不利于控制。所以又添加一个直流减速电机带动桨叶加速冷热水对流，从而让容器里面水受热均匀，方便测温模块对系统水温实时监测。这一额外电动机没有在事先考虑器件电气匹配范围内，所以当它和加热模块一同共用5v直流电源时，已超出了整流模块所能提供最大电流，于是又添加了一个电源给电动机供电。3. PID程序修改调试当实际水温和目标值差距过大时，加热器只需满功率工作(或完全停止工作)即可满足要求。此时采取PID控制意义不大，且PID控制范围很大，参数极难整定，而微分步骤也轻易受到干扰造成加热器无法满功率运行。所以，在满足控制精度前提下，可将PID控制范围缩小到设定温度1之内。范围缩小后，PID参数轻易调整，控制效果显著增强。经过调试后PID参数分别为Proportion = 10，Integral = 8，Derivative =6。4.PWM波周期调试PWM波周期越短，控制精度越高。但PWM波形输出需要单片机中止程序进行控制，中止频率过高会干扰单片机中主程序运行。测温模块18B50对时间要求很严格，所以测温模块读取数据期间会和中止程序冲突。若18B20读数期间许可中止中止会造成其温度输出出现大量错误；若不许可中止会造成PWM波周期频繁改变。经过调试，将PWM波周期设为5s。七、 数据测试和处理1.静态温度测试室温状态下，分别用温度计和18B20传感器检测水温，得到结果分别为。温度计显示17.5，18B20传感器显示温度17.9，在误差许可范围内，满足要求。2.动态温度测试：令测温系统工作，对1.5L净水加热，设定温度分别为50，60, 80，每10s统计一次显示器幕上数据，绘制其温度改变曲线，并计算温度控制超调量，稳态误差。温度数据及曲线以下：（1） 目标温度50度：时间（10s）01234567温度（）303030.130.531.13232.733.5时间（10s）89101112151718温度（）34.535.336.137.138.140.642.343.2时间（10s）1920212324252627温度（）44.14545.847.648.449.149.750.8时间（10s）2829303132333435温度（）51.251.651.851.851.851.851.851.7时间（10s）3639404346515457温度（）51.651.351.150.850.650.550.350.1时间（10s）6063646668697072温度（）5049.849.950.150.550.750.750.7时间（10s）7578818487889091温度（）50.550.450.250.149.949.85050时间（10s）92温度（）50超调量为3.6%（2） 目标温度60度：时间（10s）01234567温度（）5050.551.151.852.653.554.155时间（10s）89101112131415温度（）55.856.657.558.358.959.860.361.2时间（10s）1617181920212427温度（）61.561.661.661.661.561.461.160.8时间（10s）3032333436374041温度（）60.460.260.16059.86060.260.3时间（10s）4245474850525354温度（）60.360.2606059.859.960.160.3时间（10s）5657温度（）60.460.3超调量为2.5%（3） 目标温度80度：时间（10s）01234567温度（）6060.861.462.162.863.764.565.3时间（10s）89101112131516.5温度（）66.166.867.668.369.170.371.372.4时间（10s）1819212223242526温度（）73.574.375.676.47777.778.478.9时间（10s）2728293031323334温度（）79.580.180.380.580.580.380.280.1时间（10s）35363738.539404142温度（）79.879.679.479.379.379.379.479.4时间（10s）4344454647484950温度（）79.579.679.779.879.9808079.9时间（10s）5152535455565758温度（）79.779.679.679.679.779.779.880时间（10s）5960616263温度（）80.180808080超调量为0.6%由以上温度曲线能够看出，水温能够保持在设定温度上下，控制过程中超调量4%,且稳态时误差在为0.3，满足系统设计要求。八、 设计总结经过此次应用系统设计，在很大程度上提升了我们独立思索、分析判定和动手实践能力，也对系统设计过程和设计过程中应注意问题有了初步认识，加深了我们对所学知识了解。出于对本身知识及可获取学习资源考虑，我组此次电子综合设计选题最终定为水温自动控制系统设计，该题目为往年电设题目，参考资料较易获取且基础未超出我们现掌握知识水平。在参考了书本及网络上设计思想以后，我们确定了该系统设计方案初稿，并讨论了设计方案可行性。讨论确定出试验所需器材和组员分工,由一名组员进行程序编写，另外两名组员进行硬件电路焊接及调试。经过几次检验、调试和修改以后，基础实现了此次设计部分预期目标：可经过LCD显示器显示温度目标值和实时温度，能够经过键盘调整目标温度数值等功效。在系统调试过程中，碰到部分问题：1.因为一开始没有估量好器件占用空间，所购万用板太小，无法满足试验要求，以后又换用了一个较大万用板。在最小系统焊接完成后，因为没有搞清楚按键内部接线，使单片机一直处于复位状态，无法正常工作，后用万用表排查出该错误。2.在加热控制器件选择上花费了较多精力，开始设计方案是用光电耦合器配合双向晶闸管利用PWM波控制加热功率来实现温度稳定，但在硬件试验时发觉控制导通无法实现，且电压、电流余量有限，不能满足设计要求。便换用了固态继电器配合三极管来实现功率控制。3.在完成基础功效后，发觉因为水温分布不均匀，温度传感器无法立即检测到水温改变以改变加热功率，减小超调量，又在原系统中增加了电机搅拌器以使水温分布均匀。4. 在PID参数整定中，发觉初始PID算法过于简单，造成被控变量误差和稳定性均较差。一般位置PID算法极难满足水温控制系统要求。查阅资料后，缩小了PID控制范围，在满足控制精度前提下，温控范围缩小到设定温度1之内。范围缩小后，PID参数轻易调整，控制效果显著增强。这些问题处理帮助我们融合所学知识，极大提升了我们动手能力。经过对本设计反思总结，加深了对机械，单片机，自动控制等多方面知识了解，也激发了我们对电子设计极大爱好，这对我们以后学习生活有着十分关键作用。 九、 参考文件1.刘海成.AVR单片机原理及测控工程应用 .北京航空航天大学出版社2.周润景 刘晓霞.单片机实用系统设计和仿真经典实例.电子工业出版社3.谢维成 杨加国.单片机原理和应用及C51程序设计.清华大学出版社4.大学生电子设计竞赛组委会.第五届全国电子设计竞赛获奖作品选编.北京理工大学出版社5.黄志伟 全国大学生电子设计竞赛系统设计。北京航空航天出版社6.51黑电子论坛 十、 附录1. 电路原理图2.程序#include #include#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ =P27; /定义端口sbit RS=P25;sbit RW=P24;sbit EN=P23;sbit output=P20;sbit P0_0=P00;sbit P0_1=P01;sbit P0_2=P02;sbit P0_3=P03;uchar flag;/flag为温度值正负号标志单元uchar c2;/18b20直接输出量 uint cc,cc2;/变量cc为18b20输出量直接计算值，cc2为放大100倍温度值 float cc1;/cc1为温度值uchar buff110=Set temp: ;/1602屏显示uchar buff210=Cur temp: ;/1602屏显示uchar set_c2=5,0;/用于温度设置及1602屏显示uchar buff36=+00.0 ;/1602屏显示uchar temper,set_temper=50;/temper用于PID测量值(整数)，set_temper用于PID参考值uint s;/PID测量值(小数)struct PID unsigned int SetPoint; / 设定目标 unsigned int Proportion; / 百分比常数 unsigned int Integral; / 积分常数 unsigned int Derivative; / 微分常数 unsigned int LastError; / Error-1unsigned int PrevError; / Error-2unsigned int SumError; / Sums of Errors;struct PID spid; / 创建PID结构uint rout; / PID Outputuint rin; / PID Inputunsigned char high_time,low_time,count=0;/占空比调整参数void delay(uint useconds) /延时程序 for(;useconds0;useconds-);uchar ow_reset(void) /复位（18B20） uchar presence; DQ = 0; / DQ 低电平 delay(50); / 480ms DQ = 1; / DQ 高电平 delay(3); / 等候 presence = DQ; / presence 信号 delay(25); return(presence); / 0许可, 1严禁 uchar read_byte(void) /从单总线上读取一个字节（18B20） uchar i; uchar value = 0; for (i=8;i0;i-) value=1; DQ = 0; DQ = 1; delay(1); if(DQ)value|=0x80; delay(6); return(value);void write_byte(uchar val) /向单总线上写一个字节（18B20） uchar i; for (i=8; i0; i-) / 一次写一位 DQ = 0; DQ = val&0x01; delay(5); DQ = 1; val=val/2; delay(5);void Read_Temperature(void) /读取温度（18B20） ow_reset(); write_byte(0xCC); / 跳过 ROM write_byte(0xBE); / 读 c1=read_byte();/低字节 c0=read_byte();/高字节 ow_reset(); write_byte(0xCC); write_byte(0x44); / 再次开始 cc=c0*256.0+c1;/ 18b20输出量直接计算值 if (c00xf8) flag=1;cc=cc+1;else flag=0; cc1=cc*0.0625; /计算出温度值 cc2=cc1*100;/温度值放大100倍，放在整型变量中便于取数字c0=(c04; temper=c0|c1;/温度值整数部分delay(1000);/用于PID测量温度值 return;void fbusy()/检验忙函数（1602）P1 = 0xff;RS = 0;RW = 1;EN = 1;EN = 0;while(P1 & 0x80)EN = 0;EN = 1;void wc51r(uchar j)/写命令函数（1602） fbusy();EN = 0;RS = 0;RW = 0;EN = 1;P1 = j;EN = 0;void wc51ddr(uchar j)/写数据函数（1602） fbusy();/读状态；EN = 0;RS = 1;RW = 0;EN = 1;P1 = j;EN = 0;void init()/1602初始化wc51r(0x01); /清屏wc51r(0x38); /使用8位数据，显示两行，使用5*7字型wc51r(0x0c); /显示器开，光标开，字符不闪烁wc51r(0x06); /字符不动，光标自动右移一格void display(void) /1602显示程序1(初始化显示)uchar k;delay(10); init();wc51r(0x80); /写入显示缓冲区起始地址为第1行第1列for (k=0;k10;k+)/第一行显示提醒信息Set temp： wc51ddr(buff1k);for (k=0;k2;k+) wc51ddr(set_ck);/显示设定温度wc51r(0xc0); /写入显示缓冲区起始地址为第2行第1列for (k=0;k10;k+) /第二行显示提醒信息Cur temp： wc51ddr(buff2k); buff31=cc2/1000+0x30; if ( buff31=0x30) buff31=0x20;/取出十位，转换成字符，假如十位是0不显示。 buff32=cc2/100%10+0x30;/取出个位，转换成字符 buff34=cc2/10%10+0x30;/取出小数点后一位，转换成字符 if (flag=1) buff30=-;else buff30=+; for (k=0;k6;k+)/第二行显示温度 wc51ddr(buff3k); void display2(void) /1602显示程序2（循环显示）uchar k;delay(10);wc51r(0xca);buff31=cc2/1000+0x30;if ( buff31=0x30) buff31=0x20;/取出十位，转换成字符，假如十位是0不显示。 buff32=cc2/100%10+0x30;/取出个位，转换成字符 buff34=cc2/10%10+0x30;/取出小数点后一位，转换成字符 if (flag=1) buff30=-;else buff30=+; for (k=0;k6;k+)/第二行显示温度 wc51ddr(buff3k);uchar scan_key()/键盘检测程序，16个按键输出序号116uchar set_num=0;uchar dushu,dushu1;P0=0xff;P0_0=0;/扫描第一行dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;if(dushu!=0xf0)delay(900);dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;if(dushu!=0xf0)dushu1=dushu;while(dushu!=0xf0)dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;delay(900);dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;while(dushu!=0xf0)dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;if(dushu1=0xe0)set_num=1;else if(dushu1=0xd0)set_num=2;else if(dushu1=0xb0)set_num=3;else if(dushu1=0x70)set_num=4;P0_0=1;delay(900);P0_1=0;/扫描第二行dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;if(dushu!=0xf0)delay(900);dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;if(dushu!=0xf0)dushu1=dushu;while(dushu!=0xf0)dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;delay(900);dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;while(dushu!=0xf0)dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;if(dushu1=0xe0)set_num=5;else if(dushu1=0xd0)set_num=6;else if(dushu1=0xb0)set_num=7;else if(dushu1=0x70)set_num=8;P0_1=1;P0_2=0;/扫描第三行dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;if(dushu!=0xf0)delay(900);dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;if(dushu!=0xf0)dushu1=dushu;while(dushu!=0xf0)dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;delay(900);dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;while(dushu!=0xf0)dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;if(dushu1=0xe0)set_num=9;else if(dushu1=0xd0)set_num=10;else if(dushu1=0xb0)set_num=11;else if(dushu1=0x70)set_num=12;P0_2=1;delay(900);P0_3=0;/扫描第四行dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;if(dushu!=0xf0)delay(900);dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;if(dushu!=0xf0)dushu1=dushu;while(dushu!=0xf0)dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;delay(900);dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;while(dushu!=0xf0)dushu=P0;dushu=dushu&0xf0;if(dushu1=0xe0)set_num=1