课程设计基于单片机的水温控制系统设计.docx
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课程设计基于单片机的水温控制系统设计
基于单片机的水温控制系统设计
摘要:
本水温控制系统以MCS-51单片机为中心控制器件,主要由温度传感模块,A/D转换放大模块,单片机编程模块,显示模块,控制模块等部分组成。
温度信号由温度传感器AD590采集,经过放大转化为电压信号进行编码,测温分辨率0.1℃。
水温实时控制由继电器电热丝和风扇进行升温和降温。
显示部分由“人机交互界面”的12864液晶显示,增加可读性。
该系统具备较高的测量精度,能较好的完成设计要求。
关键字:
MCS-51单片机AD590水温控制
Abstract:
Thetemperaturecontrolsystem,whichisregardedasthecentralcontroldeviceofMCS-51microcontroller,isconstructedbythetemperaturesensingmodule,A/Dconverteramplifiermodule,controlmodule,microcontrollerprogrammingmodule,displaymoduleandothercomponents.TemperaturesignaliscollectedbyteAD590temperaturesensorwhichisamplifiedintoavoltagesignalisencoded,temperatureresolutionis0.1℃.Real-timecontroltemperaturecanbeheatedbyheatingwireandelectricfan.Displaypartisquotedby“man-machineinterface”of12864LCDtoincreasethereadability.Thesystemfeaturesisofhighaccuracy,anditcanhavebettercompleteofthedesignrequirements.
Keywords:
MCS-51microcontrollerAD590temperaturecontrol
目录
1.引言…………………………………………………………………………………2
1.1设计任务………………………………………………………………………2
1.2设计要求………………………………………………………………………2
2.系统设计方案………………………………………………………………………2
2.1各模块的电路的方案选择及论证…………………………………………3
2.1.1主机控制模块………………………………………………………3
2.1.2温度控制模块………………………………………………………3
2.1.3温度采集模块………………………………………………………3
2.1.4显示模块……………………………………………………………4
2.2系统各模块的最终方案……………………………………………………4
3.功能模块设计和参数计算…………………………………………………………4
3.1温度采集部分………………………………………………………………4
3.2单片机控制部分……………………………………………………………6
3.3温度控制电路………………………………………………………………63.4键盘及数字显示部分………………………………………………………7
4.软件设计……………………………………………………………………7
4.1主程序…………………………………………………………………7
4.2液晶显示模块…………………………………………………………8
4.3温度读取及加热散热控制……………………………………………9
5.系统测试及结果分析…………………………………………………………9
5.1实用仪器及型号………………………………………………………9
5.2.2温度数据采集测试记录……………………………………………9
5.2.3水温控制测试………………………………………………………10
5.2.4温度突变测试………………………………………………………10
6.总结………………………………………………………………………………11
参考文献……………………………………………………………………………12
1.引言
在能源日益紧张的今天,电热水器、饮水机、电饭煲之类的家用电器在保温时,由于简单的温度控制系统,因而会造成很大的能源浪费。
当前,能源问题是最热门的话题,也是我们急需解决的,因而我们从节省能源,保护环境出发,设计出本系统。
1.1设计任务
设计制作一个水温自动控制系统,控制对象为1升水,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,以保持设定温度保持不变。
1.2设计要求
(1)温度设定范围为40~90℃,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。
(4)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。
(5)温度控制的静态误差≤0.2℃。
2.系统设计方案
该系统以MCS-51单片机为中心控制器件,主要由温度传感模块,A/D转换放大模块,单片机编程模块,显示模块,控制模块等部分组成,如图2.1。
图2.1系统基本模块方框图
2.1各模块电路的方案选择及论证
2.1.1主机控制模块
方案一:
采用FPGA作为系统控制器。
FPGA功能强大,可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,可以减少体积,提高稳定性,并且可用EDA软件仿真、调试,易于进行功能扩展,但成本较高。
由于本设计对数据的处理速度本不高,FPGA的高速处理优势得不到充分体现,且引脚较多,
方案二:
采用模拟放大器组成的PID控制系统。
对于水温控制系统是足够的。
但要附加显示,温度设置等功能,附加电路较多,且反应速度慢。
方案三:
采用STC89C52RC单片机作为控制器。
单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种算法和逻辑功能。
本身带有定时/计数器,可以用来定时、计数,并且具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。
基于以上分析,拟定方案三,由STC89C52RC作为主机控制部分。
2.1.2温度控制模块
根据题目要求,可以用电热丝进行加热,控制电热丝的功率即可以控制加热的速度。
当水温过高时,关掉电热丝,打开风扇,即可使水温控制在设定的温度范围内。
由于加热的功率较大,同时为了简化电路的设计,我直接采用220V交流电源。
对加热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,因此反应速度快,控制精度高。
方案二:
采用继电器控制。
使用继电器可以很容易地实现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。
2.1.3温度采集模块
方案一:
选用Harris公司生产的采用激光修正的精密集成温度传感器AD590。
AD590的岑温范围是-55~+150℃,最大非线性误差为±0.3℃,响应时间仅为20us,重复性误差低至±0.05℃,功耗低,仅为2mW。
此外AD590是温度-电流传感器,对于提高系统抗干扰能力有很大的帮助。
方案二:
采用热敏电阻。
选用此类元件的优点价格便宜,但由于热敏电阻的非线性特性会带来较大的误差。
方案三:
使用带有A/D(模数转换)单片集成的DS18B20传感器。
DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的即单总线器件,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。
具有线路简单,性能稳定体积小的特点。
但DS18B20的程序较复杂,且时序时间较苛刻,不便于书写程序。
比较以上方案,结合设计精度要求最小区分度为1℃,所以选择方案一。
2.1.4显示模块
方案一:
采用三个LED八段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。
数码管具有低能耗,低损耗,寿命长,耐老化,对外界环境要求低。
但LED八度数码管引脚排列不规则,动态显示时要加驱动电路,硬件电路复杂。
方案二:
采用带有字库的12864液晶显示屏。
12864液晶显示屏(LCD)具有功耗低、轻薄短小无辐射危险,平面显示及影像稳定,不闪烁,可视面积大,画面效果好,抗干扰能力强。
同时,12864带有字库,编程容易,且具有多种功能:
光标显示、画面移位、睡眠模式,增加可读性,降低功耗。
2.2系统各模块的最终方案
根据以上分析,结合器件和设备等因素,确定如下方案:
1.采用STC89C52RC单片机作为控制器,分别对温度采集、LCD显示、温度设定、加热装置功率控制。
2.温度测量模块采用AD590,此器件经A/D转换可实现高分辨率测量。
3.电热丝有效功率控制采用继电器控制,实现电路简单实用,加上温度变化缓慢可以满足设计要求。
4.显示用液晶显示屏显示实时温度值,用MOD(模式)、TH(上升)、TL(下降)四个单键实现温度值的设定。
3.功能模块设计和参数计算
3.1温度采集部分
系统的信号采样和转换电路主要由温度传感器AD590、运算放大器OP-07及A/D转换电路ADC0804等组成。
设计电路图如图3-1所示:
(1) AD590性能描述
测量范围在-50℃--+150℃,满刻度范围误差为±0.3℃,当电源电压在5-10V之间,稳定度为1﹪时,误差只有±0.01℃ 。
AD590为电流型传感器温度每变化1℃其电流变化1uA在35℃和95℃时输出电流分别为308.2uA 和368.2uA。
(2)基准电压7812提供12V标准电压,它与运算放大器OP-07和电阻组成信号转换与放大电路,将35℃--95℃的温度转换为0—5V的电压信号。
(3)ADC0804性能描述
ADC0804为8位逐次逼近型A/D转换器,其输入电压范围在0-5v,转换速度为100us,转换精度为0.39﹪,对应误差为0.234℃。
满足系统的要求。
图3.1温度采样和转换电路
(4)电路原理及参数计算
温度采样电路的基本原理是采用电流型温度传感器AD590将温度的变化量转换成电流量,再通过OP-07将电流量转换成电压量,通过A/D转换器ADC0804将其转换成数值量交由单片机处理。
图3.1中输入12V作为基准电压,由运放虚短虚断可知运放OP-07的反向输入端(2脚)的电压为零伏。
当输出电压为零伏时(即Uo=0v) ,输出电压为=12V,OP-07的2脚处为A点,AD590的转换电流为。
列出A点的结点方
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- 关 键 词:
- 课程设计 基于 单片机 水温 控制系统 设计