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黑龍江省大學生電子設計大賽水溫自動控制論文.doc

'黑龍江省大學生電子設計大賽水溫自動控制論文.doc'
?2010年省大學生電子設計大賽設計題目:水溫控制系統2010年C題 水溫控制系統摘要:本文介紹了基于STC89C52單片機的自動水溫控制系統的設計及實現過程。該系統具有實時顯示、溫度測量、溫度設定并能根據設定值對環境溫度進行調節實現控溫的目的并且自動記錄時間。關鍵詞 :STC89C52 實時 控溫 時間一、設計任務設計并制作一個水溫自動控制系統,控制對象為1升水。水溫可以在一定圍設定,并能實現在10℃—70℃量程圍對每一點溫度的自動控制,以保持設定的溫度基本保持不變。(1)可鍵盤設定控制溫度值,并能用液晶顯示,顯示最小區分度為0.1℃;(2)可以測量并顯示水的實際溫度。溫度測量誤差在±0.5 ℃;(3)水溫控制系統應具有全量程(10℃—70℃)的升溫、降溫功能(降溫可用半導體制冷片、升溫用800W以的電加熱器);(4)在全量程任意設定一個溫度值(例如起始溫度±15℃),控制系統可以實現該給定溫度的恒值自動控制??刂频淖畲髣討B誤差≤±4℃,靜態誤差≤±1℃,系統達到穩態的時間≤15min(最少兩個波動周期)。(5)當設定溫度突變(溫度變化±20℃)時,控制的最大動態誤差≤±2℃,系統達到穩態的時間≤8min(最少兩個波動周期); (7)溫度控制的靜態誤差≤±0.2℃(在最小穩態時間)二、方案的論證對題目進行深入的分析和思考,可將整個系統分為以下幾個部分:測溫電路、控制電路、加熱裝置和制冷裝置。2.1控制電路的方案選擇方案一:采用運放等模擬電路搭建一個控制器,用模擬方式實現PID控制,對于純粹的水溫控制,這是足夠的。但是附加顯示、溫度設定等功能,還要附加許多電路,稍顯麻煩。同樣,使用邏輯電路也可實現控制功能,但總體的電路設計和制作比較煩瑣。方案二:采用FPGA實現控制功能。使用FPGA時,電路設計比較簡單,通過相應的編程設計,可以很容易地實現控制和顯示、鍵盤等功能,是一種可選的方案。但與單片機相比,價格較高,顯然大材小用。方案三:采用單片機最小系統同時完成控制、顯示、鍵盤等功能,電路設計和制作比較簡單,成本也低,是一種非常好的方案。 綜上所述本設計采用方案三作為控制電路。2.2測溫電路方案的選擇方案一:采用熱敏電阻作為測溫元件。熱敏電阻精度高,需要配合電橋使用,要實現精度測量需要配上精密較高的電阻。此外還需要制作相應的調理電路。方案二:采用半導體集成溫度傳感器作為測溫元件,半導體集成溫度傳感器應用也很廣泛,它的精度、可靠性都不錯,價格也適中,使用比較簡單,是一個較好的選擇。綜上所述本設計采用方案二作為測溫電路。2.3加熱控制方案的論證首先要選擇好加熱裝置。根據題目,可以采用熱得快進行加熱,控制熱的快加熱時間以達到設定的溫度。由于熱的快的余溫較大,因此設定在與設定溫度相差一度時停止加熱。具體方案如下。方案一:在與設定溫度相差三度時關閉熱得快,但多次試驗后發現由于所要設定的溫度不同誤差較大。方案二:在與設定溫度相差一度時關閉熱得快,因為在超過所設定溫度時啟動制冷片進行調節,溫度誤差較小,精度較高。綜上所述本設計采用方案二。 2.4 制冷控制方案的論證 方案一:采用通常冰箱所采用的制冷裝置壓縮機,但由于體積太大成本較高,控制起來較復雜并且一般的氟利昂壓縮機對環境有污染,不適合小型電路的制作。 方案二:采用風扇進行制冷,但是風扇的相對制冷效果非常低,達不到題目所要求的時間限制并且功率大的風扇體積較大。 方案三:采用半導體制冷片進行制冷,半導體制冷片體積很小,相對效率較高,容易控制,對于制作小型電路非常適合,由于制冷片制冷時需要散熱,采用風扇進行散熱時效果不明顯嚴重影響了制冷片的工作,因此采用水冷進行散熱。三、電路設計與計算3.1單元電路的設計3.1.1溫度采集電路: 一種電路是采用單線數字溫度傳感器18B20,可直接輸出數字量,單線器件和單片機的接口只需一根信號線,所以本設計的硬件電路十分簡單,容易實現。使用讀取溫度暫存寄存器的方法能達到0.1oC以上的精度。 18B20連接電路圖如圖1所示。圖1另一種測溫電路采用AD590集成溫度傳感器,AD590將溫度轉化為電流信號,但由于AD轉換大都需要電壓信號,因此還需要通過相應的調理電路,將電流信號轉化為電壓信號。AD590測溫電路如圖2所示。圖2 由于這個電路輸出的是電壓信號,不能直接被單片機利用,因此需經過一個A/D轉換器,將電壓信號轉換為數字量。A/D轉換器有很多類型,需要根據精度和轉換速度來進行選擇。本設計可采用最常用的A/D芯片之一AD0809的應用電路。也可直接選用帶有A/D的單片機,這樣可以省去A/D電路的制作,簡化了電路,提高了可靠性。帶A/D的單片機有很多型號,如常用的PIC16C711含有4路8位A/D,C8051F020含一組8路12位A/D和一組8路8位A/D,凌陽SPCE061A單片機含有8路10位A/D。3.1.2控制、鍵盤、顯示電路: 這部分實際上是一個單片機最小系統的基本電路,可選用最常用的51系列單片機,足夠滿足系統的要求。鍵盤可以選用常用的44掃描鍵盤,不過在這個設計中只需要3~5個按鍵即滿足要求。本著簡單實用的原則,選擇了5個按鍵,分別用作設置選擇、溫度加、溫度減、計時器,溫度比較。在顯示方面,選用了常用的顯示容量為162個字符的液晶顯示模塊。通過相應的軟件編程,可以實現比較美觀和豐富的顯示界面。模塊連接電路圖如圖3和圖4所示。 圖3:顯示電路圖4:按鍵電路3.2總體電路設計本著簡單、實用的原則,這里最后選用了一個比較典型的硬件方案:測溫電路選用DS18B20集成數組測溫電路;控制芯片采用常見的STC89C52;顯示方式采用162字符液晶顯示器1602;鍵盤采用4獨立按鍵;3.3軟件流程圖 本設計為了實現對1L水的溫度的測量并用液晶顯示,使待測水溫的靜態誤差在1oC圍以。溫度設定圍為10~70oC,最小區分度為0.1oC。同時當水溫達到設定值時在環境溫度降低時溫度控制的靜態誤差1oC。 主程序流程圖如圖5所示,實現對圍、溫度值的設定,執行、顯示實時溫度。開始按鍵掃描液晶模塊初始化 有鍵輸入? 第一個鍵? 設定顯示位置 設定溫度加 第二個鍵? 第三個鍵? 設定溫度減NNYYYY 第五個鍵?YNNY已經設定好溫度?比較調用溫度數據采集比較與控制子程序ì調用液晶顯示子程序顯示溫度YN圖5:系統主程序流程圖五、測試使用的主要儀器儀表:PC機(Lenovo);數字萬用表(DT-9205B,GDM-8245);水銀溫度計;51單片機開發系統。5.1傳感器標定由于18b20出場的測溫精度可達0.1oC,基本能夠達到設計要求。在此使用了測溫精度為1oC煤油溫。省略部分。 } } } }if(s4==0)//是否按下 { delay(5);//消抖 if(s4==0) { while(!s4);/*打開中斷*//********************************************/ TMOD=0x01;//用定時器0的方式1 //然后裝初值 TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%6; EA=1;//開總中斷 ET0=1;//開定時器0的中斷 TR0=1;//啟動定時器/*******************************************/ }} 實物圖袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈
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