水温控制系统(论文).doc

目 录引言11方案论证与设计21.1测量部分21.2驱动控制部分21.3温度加热部分32原理分析与硬件电路图32.1主板的设计与制作32.2继电器42.3键盘42.4I2C电路图53软件设计与流程63.1程序结构图63.2中断流程图64系统测试与误差分析64.1测试结果64.2误差分析75总 结7参考文献7附录7水温控制系统摘要：该水温控制系统采用单片机EasyARM1138进行温度实时采集与控制, 由液晶屏显示模块，键盘控制模块，水温测控模块，继电器模块，报警模块组成。温度信号由“一线总线”数字化温度传感器DS18B20提供，温度设定范围为4090，最小区分度为0.02。水温实时控制采用继电器控制电热丝进行升温、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：EasyARM1138、DS18B20、水温实时控制Abstract: This water temperature control system uses the Single Chip Microcomputer to carry on temperature real-time gathering and controlling. It is shown a mold piece by the LCD screen, the keyboard controlled a mold piece, the water temperature measures to control a mold piece, after electric appliances mold piece, report to the police a mold piece to constitute. The temperature signal is turned temperature by"front-line total line" number to spread the feeling machine DS18 B20 to provide, the temperature sets the scope as 4090 , and the minimum distinction degree is 0.02 .Control when water temperature was solid the adoption gave or got an electric shock hot silk to carry on heat, reducing the heat a control after the electric appliances control. The system has higher diagraph accuracy and control accuracy, can complete to heat and reduce the heat a control.Keywords: EasyARM1138、DS18B20、the water temperature real-time control system引言单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样性，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。在科研、生产中，常需要对某些系统进行温度的监测和控制。需检测和控制的温度系统一旦确定，其热惯性大小和散热等各项硬件条件就确定了。下面介绍如何用“单片机模型法”实现系统温度的自动控制。用这种方法控温，使整个系统灵活、可靠性高，系统达到热平衡较快，而且精度也比较高，融合了前面列举方法的优点，而且更加简单方便。此方案优点是电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。1 方案论证与设计本题目是设计一个水温控制系统，对象为1升净水，加热器为400瓦电热炉。要求能在40摄氏度至90摄氏度范围内设定控制水温，水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度变化时实现自动调整，以保持设定温度基本不变。静态控制精度为0.2摄氏度。并具有较好的快速性与较小的超调，以及十进制数码管显示、温度曲线打印、语音播报温度等功能。1.1 测量部分方案一：采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测小于1摄氏度的信号是不适用的。方案二：采用温度传感器DS18B20，DSl8B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数指示器件的温度信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出，因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线(和地线)。DSl820的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。温度敏感器件DSl8B20的测量范围从-55到+125，增量值为0.5，可在l s(典型值)内把温度变换成数字。通过对比，DSl8B20数字温度传感器能够满足我们对水温的精确控制，因此，我们采用方案二。1.2 驱动控制部分方案一：此方案采用89C51单片机实现，单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。但是89C51需外接模数转换器来满足数据采样，对外围电路来说，比较复杂，且软件实现也较麻烦。另外，51单片机需要用仿真器来实现软硬件调试，较为繁琐。方案二：此方案采用Easy ARM1138单片机实现，该单片机具有强大的MCU内核，丰富的外设资源，内嵌USB接口的下载仿真器，外围电路设计简明，调试时无需任何连线和跳线，操作极为方便。另外，该单片机内置四个32位Timer，2路I2C，支持100kbps标准模式、400kbps快速模式，内置看门狗定时器（WatchDog Timer），确保芯片可靠运行。通过对比，Easy ARM1138单片机克服了外围电路比较麻烦的缺陷，避免了仿真器的使用，而且功能多样化，综合各方面因素，我们采用方案二。1.3 温度加热部分方案一：单纯控制加热器工作，利用单片机单纯控制加热器不利用对温度的控制，包括延迟时间，加热时间等等造成了实验精度低，不利于控制。方案二：闭环控制：应用PID算法中的比例调节。它是本系统实现闭环控制的核心。比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。设P（当前）为当前温度下的功率，P0为电热炉功率400w，通过对比，方案二实验精度高且利于控制，因此采用方案二。2 原理分析与硬件电路图2.1 主板的设计与制作系统主板硬件采用以Easy ARM1138单片机为核心，配以12M赫兹晶振，复位电路，液晶屏显示接口通过单片机的PF口实现。所有这些设计成主板作为单片机最小系统。我们所用的单片机Easy ARM1138是美国ARM公司推出的一种新型单片多位芯片，具有精度高、抗干扰能力强、成本低、工作温度宽、噪声低、功耗低的特点。2.2 继电器2.3 键盘2.4 I2C电路图I2C是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方便简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，所有I2C兼容的器件都具有标准的接口，通过地址来识别通信对象，使它们可以经由I2C总线互相直接通信。3 软件设计与流程3.1 程序结构图3.2 中断流程图4 系统测试与误差分析4.1 测试结果测试方式：采用加热方式，通过读取液晶屏数据和实际测量值。 灯亮表示加热，灯灭表示加热停止。测试结果如表所示：组号123456目标温度/405060708090实际温度/39.5040.1249.6350.3459.7160.3268.7970.6378.8581.2188.3292.87误差/0.500.370.321.211.212.874.2 误差分析由以上的测量结果可见，系统基本上达到了所要求的指标。但是，外界环境温度的变化、加热系统本身的物理性质以及控制算法都会对温度的控制产生影响。5 总 结该水温控制系统实现了题目的基本要求并在基本要求的基础上作了改进，用液晶显示屏代替了数码管，使该设计更具人性化。采用比例控制方法，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。参考文献1 李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：北京航空航天大学出版社，19982 李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，19943 阎石.数字电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，19894 廖常初.现场总线概述J.电工技术，1999.附录