恒温电热杯温度控制器设计.docx
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恒温电热杯温度控制器设计.docx
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恒温电热杯温度控制器设计
计算机控制技术
课程设计
成绩评定表
设计课题恒温电热杯的温度控制器设计
学院名称:
专业班级:
学生姓名:
学号:
指导教师:
设计地点:
设计时间:
2
指导教师意见:
成绩:
签名:
年月日
计算机控制技术
课程设计
课程设计名称:
专业班级:
学生姓名:
学号:
指导教师:
课程设计地点:
课程设计时间:
计算机控制技术课程设计任务书
学生姓名
专业班级
学号
题目
恒温电热杯的温度控制器设计
课题性质
工程设计
课题来源
自拟
指导教师
臧海河
主要内容
(参数)
利用89C51设计PLD系列恒温控制系统,实现以下功能:
1.用电热器加热水壶中的水,用单片机检测水壶内温度,是温度恒定于某一值;
2.温度控制静态误差<1℃;
3.用1602显示水的温度;
4.由键盘输入设定温度;
任务要求
(进度)
第1天:
熟悉课程设计任务及要求,查阅技术资料,确定设计方案。
第2天:
按照确定的方案设计单元电路。
要求画出单元电路图,元件及元件参数选择要有依据,各单元电路的设计要有详细论述。
第3天:
软件设计。
第4-5天:
撰写课程设计报告。
要求内容完整、图表清晰、语言流畅、格式规范、方案合理、设计正确,篇幅不少于6000字。
主要参考
资料
[1]何立民.单片机高级教程及应用设计.北京:
北京航天航空大学出版社,2000
[2]朱定华.单片机原理与接口技术.电子工业出版社,2006
[3]马建伟,李银伢.PID控制设计理论与方法.科学出版社,2008
[4]张毅刚.单片机原理及应用.北京:
高等教育出版社,2003.12
审查意见
系(教研室)主任签字:
年月日
附录13
1前言
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构加在被控系统上,控制系统的被控量经过传感器、变送器通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统,其传感器、变送器和执行机构都不一样。
比如压力控制系统要采用压力传感器,而温度控制系统要采用温度传感器。
PID控制技术在现在最为成熟,控制结构简单,参数容易调整,不必求出被控对象的数学模型就可以调节,所以在恒温控制系统中通常采用PID算法。
PID是比例(proportional)、积分(intergal)和微分derivative三者的缩写。
PID调、kd微分系数的选择非常重节器的三个基本参数kp比例系数、ki(积分系数)要,它将直接影响一个控制系统的准确性。
传统的PID控制电路结构复杂,需配合相应的可控硅控制电路来完成功率的调控。
针对它具有器件多、生产成本高、电路调试复杂的缺点,本恒温自动控制系统的设计中应用AT89S52的单片机进行数字PID运算,能充分发挥软件系统的灵活性,在必要时针对PID算法进行修正,使其更加完善,固态继电器的功率调节电路,极大地简化了执行电路,与单片机的接口也变得十分的方便。
同时,只需要更换不同输出功率的固态继电器,就可满足不同功率加热系统的需要。
由于设计的系统对温度动、静态指标要求要求不高,且允许有一定的温度偏差和允许调节的时间较长时,最流行控制方法还是继电接触器控制系统。
因此本设计采用继电接触器控制系统。
整个设计系统电路简单、调试方便、实际应用可达到理想的精度。
2总体方案设计
2.1系统方案
(1)温度传感器的选取
采用DS18B20温度传感器。
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO-92小体积封装形式;温度测量范围为-55℃~+125℃可编程为9位~12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出远端引入。
此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。
(2)键盘显示
控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分,所以此部分电路设计的好坏直接影响到电路的好坏。
单片机AT89C52与4X4矩阵组成控制和扫描系统,并用89C52的P1口对键盘进行扫描,并用总线的方式在P0口接1602液晶来显示水温和设定值,这种方案既能很好的控制键盘及显示,又为主单片机大大的减少了程序的复杂性,而且具有体积小,价格便宜的特点。
(3)控制电路部分
采用AT89C52单片机,其内部有4KB单元的程序存储器,不需外部扩展程序存储器,而且它的I/O口也足够本次设计的要求。
2.2总体方案原理的理论分析
(1)系统模块
DS18B20模块,1602液晶显示模块,继电器模块,键盘输入模块和声光报警模块,DS18B20可以被编程,所以箭头是双向的,CPU(89C52)首先写入命令给DS18B20,然后DS18B20开始转换数据,转换后通89C52来处理数据。
数据处理后的结果就显示到1602液晶上。
系统结构框图如图2.1所示。
图2.1系统结构框图
(2)系统模块总关系
本系统的执行方法是循环查询执行的,键盘扫描也是用循环查询的办法,由于本系统对实时性要求不是很高,所以没有用到中断方式来处理。
系统总流程图如下图2.2所示。
图2.2系统总流程图
3硬件电路设计
考虑到尽量降低成本和避免过于复杂的电路,此系统所用到的元器件均为常用的电子器件。
主控器采用单片机AT89S52;温度传感器采用DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20;采用控制端TTL电平,即可实现对继电器的开关,使用时完全可以用NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动;单片机所需要的5V工作电源是通过220V交流电压通过变压、整流、稳压、滤波得到。
实时控制的显示器、键盘通过单片机来完成键盘扫描与输出动态显示。
下面对硬件电路作具体的设计。
3.1AT89S52单片机
3.1.1AT89S52单片机功能简介
(1)该芯片具有如下功能
1)有1个专用的键盘/显示接口;
2)有1个全双工异步串行通信接口;
3)有2个16位定时/计数器。
这样,1个89S52,承担了3个专用接口芯片的工作;不仅使成本大大下降,而且优化了硬件结构和软件设计,给用户带来许多方便。
89S52有40个引脚,有32个输入端口(I/O),有2个读/写口线,程序存储器可以反复擦除。
(2)主要功能图特性
1)兼容MCS51指令系统
2)32个双向I/O口线
3)3个16位可编程定时/计数器中断
4)2个串行中断口
5)2个外部中断源
6)2个读写中断口线
7)低功耗空闲和掉电模式
8)8k可反复擦写gt1000次FlashROM
9)256x8bit内部RAM
10)时钟频率0-24MHz
11)可编程UART串行通道
12)共6个中断源
13)3级加密位
14)软件设置睡眠和唤醒功能。
3.1.2AT89S52单片机时钟和复位电路
(1)时钟电路
图3.1时钟电路
(2)复位电路
图3.2按键复位电路
3.2温度传感器
温度测量转换部分是整个系统的数据来源,直接影响系统的可靠性。
传统的温度测量方法是:
例如AD590,将测量的温度转换成模拟电信号,再经过A/D转换器把模拟信号转换成数字信号,单片机再对采集的数字信号进行处理。
这种模拟数字混合电路实现起来比较复杂,滤波消噪难度大系统稳定性不高,鉴于这些考虑,本设计采用数字式温度传感器DS18B20。
DS18B20支持“一线总线”接口,测量温度的范围为-55°C~125°C,现场温度直接以“一线总线”的数字式传输,大大的提高了系统的抗干扰性。
DS18B20为3引脚,DQ为数字信号输入/输出端;GND为电源地;VDD为外接供电电源输入端。
温度采集电路模块如图3.3示。
DS18B20的3脚接系统中单片机的P1.4口线,用于将采集到的温度送入单片机中处理,2脚和3脚之间接一个4.7K上拉电阻,即可完成温度采集部分硬件电路。
DS18B20内部结构主要由四部分组成:
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
图3.3温度采样电路
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以12位转化为例:
用16位符以号扩展的二进制补码读数形式提供,0.0625℃/LSB形式表达,其中S为符号位。
数据转换如下表3.1。
LSByte
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
8
4
2
1
1/2
1/4
1/8
1/16
MSByte
Bit15
Bit141
Bit13
Bit12
Bit11
Bit10
Bit9
Bit8
S
S
S
S
S
64
32
16
表3.1
这是12位转化后得到的12位数据,存储在DS18B20的两个8比特的RAM中,二进制中的前面5位是符号位,如果测得的温度大于0,这5位为0,只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度;如果温度小于0,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
3.3电源电路
电源电路可分为三大块:
变压部分、整流滤波部分、稳压部分。
电源电路如图3.4所示。
3.4电源电路
3.3.1电源变压器
变压部分其实就是一个变压器,变压器作用是将220V的交流电压变换成我们所需的电压9V。
然后再送去整流和滤波。
3.3.2整流滤波电路
整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压;滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份,合之成为平滑的直流电压。
滤波电路常见的有电容滤波电路、电感滤波电路。
一般的整流有全波整流、单相半流整流、桥式整流、及变压整流。
3.3.3稳压电路
在稳压电路中使用的是“三端固定输出集成稳压器”,稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时,维持输出直流电压的稳定。
集成稳压器、使用方便、性能稳定、更重要的是考虑到它的价格低廉。
3.4加热控制电路
加热控制电路如图3.5所示。
用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制,假若被控对象为电热杯,采用对加在电热杯两端的电压进行通断的方法进行控制,以实现对水加热功率的调整,从而达到对水温控制的目的。
对电炉丝通断的控制采用SSR-40DA固态继电器。
它的使用非常简单,只要在控制端TTL电平,即可实现对继电器的开关,使用时完全可以用NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动。
当单片机的P1.3为高点平时,三极管驱动固态继电器工作接通加热器工作,当单片机的P1.3为低电平时固态继电器关断,加热器不工作。
图3.5加热控制电路
3.5.液晶显示模块
下图3.6是1602液晶显示模块的图,按照总线接法来连接,1602数据口接单片机的P0口。
3.89C51单片机最小系统模块89C51单片机最小系统模块如下,P0口接10K的上拉电阻以便与
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- 关 键 词:
- 恒温 电热杯 温度 控制器 设计