基于單片機(jī)水溫控制系統(tǒng)

1、<p>　　基于單片機(jī)水溫控制系統(tǒng)</p><p>　　摘要： 隨著微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以單片機(jī)為核心的溫度采集與控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用在很大程度上提高了生產(chǎn)生活中對(duì)溫度的控制水平。本設(shè)計(jì)以保質(zhì)、節(jié)能、安全和方便為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)了一套電熱壺水溫控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)在40℃~90℃范圍內(nèi)設(shè)定控制溫度，且95℃時(shí)高溫報(bào)警，十進(jìn)制數(shù)碼管顯示溫度，在PC機(jī)上顯示溫度曲線等功能，并具有較快響應(yīng)與較小的超調(diào)

2、。整個(gè)系統(tǒng)核心為SPCE061A，前向通道包括傳感器及信號(hào)放大電路，按鍵輸入電路；后向通道包括三部分：LED顯示電路，上位機(jī)通信電路以及控制加熱器的繼電器驅(qū)動(dòng)電路。利用SPCE061A的8路10位精度的A/D轉(zhuǎn)換器，完成對(duì)水溫的實(shí)時(shí)采樣與模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)數(shù)字濾波消除系統(tǒng)干擾，并對(duì)溫度值進(jìn)行PID運(yùn)算處理，以調(diào)節(jié)加熱功率大小。同時(shí)在下位機(jī)上通過(guò)數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度，通過(guò)USB接口傳送信息至上位機(jī)，可以直接在PC端觀察溫度的變化曲線，并根據(jù)需要

3、進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和處理，由此完成對(duì)水溫的采樣和控制。通過(guò)驗(yàn)證取得了較滿意的結(jié)果。</p><p>　　關(guān)鍵詞：碼分多址、walsh擴(kuò)頻、pn擴(kuò)頻、電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、仿真</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 引 言1</b></p><p>　　1.1水溫

4、控制系統(tǒng)概述1</p><p>　　1.2本設(shè)計(jì)任務(wù)和主要內(nèi)容2</p><p>　　2 基于單片機(jī)水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程2</p><p>　　2.1水溫控制系統(tǒng)總體框圖2</p><p>　　2.2總體方案論證3</p><p>　　2.3 各部分電路方案論證4</p><p>　

5、　2.4鍵盤(pán)及數(shù)字顯示結(jié)合5</p><p>　　2.5溫度設(shè)定和傳送電路6</p><p>　　3 硬件電路設(shè)計(jì)與計(jì)算6</p><p>　　3.1 溫度采樣和轉(zhuǎn)換電路6</p><p>　　3.2 溫度控制電路8</p><p>　　3.3 單片機(jī)控制部分9</p><p>　　

6、3.4 鍵盤(pán)及數(shù)字顯示部分9</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)9</b></p><p>　　水溫控制在工業(yè)及日常生活中應(yīng)用廣泛,分類(lèi)較多,不同水溫控制系統(tǒng)的控制方法也不盡相同,其中以PID控制法最為常見(jiàn)。單片機(jī)控制部分采用AT89C51單片機(jī)為核心，采用軟件編程，實(shí)現(xiàn)用PID算法來(lái)控制PWM波的產(chǎn)生，進(jìn)而控制電爐的加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。然而,單純的PID算法無(wú)

7、法適應(yīng)不同的溫度環(huán)境,在某個(gè)特定場(chǎng)合運(yùn)行性能非常良好的溫度控制器,到了新環(huán)境往往無(wú)法很好勝任,甚至使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定,需要重新改變 PID 調(diào)節(jié)參數(shù)值以取得佳性能。</p><p>　　本文首先用PID算法來(lái)控制PWM波的產(chǎn)生，進(jìn)而控制電爐的加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。然后在模型參考自適應(yīng)算法 MRAC基礎(chǔ)上,用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)控制,彌補(bǔ)了傳統(tǒng) PID控制結(jié)構(gòu)在特定場(chǎng)合下性能下降的不足,設(shè)計(jì)了一套實(shí)用的溫度測(cè)控系統(tǒng),使它

8、在不同時(shí)間常數(shù)下均可以達(dá)到技術(shù)指標(biāo)。此外還有效減少了輸出繼電器的開(kāi)關(guān)次數(shù),適用于環(huán)境參數(shù)經(jīng)常變化的小型水溫控制系統(tǒng)。</p><p>　　1.1水溫控制系統(tǒng)概述</p><p>　　溫度控制是無(wú)論是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，還是在日常生活中都起著非常重要的作用，過(guò)低的溫度或過(guò)高的溫度都會(huì)使水資源失去應(yīng)有的作用，從而造成水資源的巨大浪費(fèi)。特別是在當(dāng)前全球水資源極度缺乏的情況下，我們更應(yīng)該掌握好對(duì)水溫

9、的控制，把身邊的水資源好好地利用起來(lái)。</p><p>　　在現(xiàn)代冶金、石油、化工及電力生產(chǎn)過(guò)程中，溫度是極為重要而又普遍的熱工參數(shù)之一。在環(huán)境惡劣或溫度較高等場(chǎng)合下，為了保證生產(chǎn)過(guò)程正常安全地進(jìn)行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，以及減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約能源，要求對(duì)加熱爐爐溫進(jìn)行測(cè)、顯示、控制，使之達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)，以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的爐溫控制系統(tǒng)，可以同時(shí)采集多個(gè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)通訊口送至上位機(jī)進(jìn)行顯示和控制。那么無(wú)

10、論是哪種控制，我們都希望水溫控制系統(tǒng)能夠有很高的精確度（起碼是在滿足我們要求的范圍內(nèi)），幫助我們實(shí)現(xiàn)我們想要的控制，解決身邊的問(wèn)題。</p><p>　　在計(jì)算機(jī)沒(méi)有發(fā)明之前，這些控制都是我們難以想象的。而當(dāng)今，隨著電 子行業(yè)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷改進(jìn)，而且計(jì)算機(jī)和傳感器的價(jià)格也日益降低，可靠性逐步提

11、高，用信息技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)水溫控制并提高控制的</p><p>　　精確度不僅是可以達(dá)到的而且是容易實(shí)現(xiàn)的。用高新技術(shù)來(lái)解決工業(yè)生產(chǎn)問(wèn)題， 排除生活用水問(wèn)題實(shí)施對(duì)水溫的控制已成為我們電子行業(yè)的任務(wù)，以此來(lái)加強(qiáng)工業(yè)化建設(shè)，提高人民的生活水平。<

12、/p><p>　　1.2本設(shè)計(jì)任務(wù)和主要內(nèi)容</p><p><b>　　1.基本要求</b></p><p>　　一升水由1kW的電爐加熱，要求水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變。</p><p><b>　　2.主要性能指標(biāo)</b></p

13、><p>　?、?溫度設(shè)定范圍：，最小區(qū)分度為。</p><p>　　② 控制精度：溫度控制的靜態(tài)誤差。</p><p>　?、?用十進(jìn)制數(shù)碼顯示實(shí)際水溫。</p><p><b>　　3.擴(kuò)展功能</b></p><p>　?、?具有通信能力，可接收其他數(shù)據(jù)設(shè)備發(fā)來(lái)的命令，或?qū)⒔Y(jié)果傳送到其他數(shù)據(jù)設(shè)備

14、。</p><p>　　② 采用適當(dāng)?shù)目刂品椒▽?shí)現(xiàn)當(dāng)設(shè)定溫度或環(huán)境溫度突變時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。</p><p>　?、?溫度控制的靜態(tài)誤差。</p><p>　　2 基于單片機(jī)水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程</p><p>　　2.1水溫控制系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　圖2-1 單片機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖<

15、;/p><p>　　該水溫控制系統(tǒng)主要由AT89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)、前向通道（溫度采樣轉(zhuǎn)換電路）、后向通道（溫度控制電路）、鍵盤(pán)顯示電路等四部分組成，其總體設(shè)計(jì)框圖如上圖所示。</p><p><b>　　2.2總體方案論證</b></p><p>　?。ㄒ唬?、方案論證與比較</p><p>　　本題目是設(shè)計(jì)制作一個(gè)水溫控

16、制系統(tǒng)，對(duì)象為一升凈水，加熱器為1KW的電爐。 要求能在35℃--95℃范圍內(nèi)設(shè)定控制水溫，并具有較好的快速性和較小的超調(diào)，以及十進(jìn)制數(shù)碼管顯示等功能。</p><p>　　1、總體方案設(shè)計(jì)及論證</p><p>　　根據(jù)題目的要求，我們提出了以下的兩種方案：</p><p>　　方案1：此方案是采用傳統(tǒng)的二位模擬控制方法，選用模擬電路，用電位器設(shè)定給定值，采用上下

17、限比較電路將反饋的溫度值與給定的溫度值比較后，決定加熱或者不加熱。由于采用模擬控制方式，系統(tǒng)受環(huán)境的影響大，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法使控制精度做得教高，而且不能用數(shù)碼顯示和鍵盤(pán)設(shè)定。</p><p>　　方案2：采用單片機(jī)AT89C51為核心。采用了溫度傳感器AD590采集溫度變化信號(hào)，A/D采樣芯片ADC0804將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并通過(guò)單片機(jī)處理后去控制溫度，使其達(dá)到穩(wěn)定。使用單片機(jī)具有編程靈活，控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，

18、使系統(tǒng)能簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)溫度的控制及顯示，并且通過(guò)軟件編程能實(shí)現(xiàn)各種控制算法使系統(tǒng)還具有控制精度高的特點(diǎn)。比較上述兩種方案，方案2明顯的改善了方案缺點(diǎn)，并具有控制簡(jiǎn)單、控制溫度精度高的特點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)電路采用方案2。</p><p>　　2.3 各部分電路方案論證</p><p>　　本電路以單片機(jī)為基礎(chǔ)核心，系統(tǒng)由前向通道模塊、后向控制模塊、系統(tǒng)主模塊及鍵盤(pán)顯示摸塊等四大模塊組成?，F(xiàn)將各部分主

19、要元件及電路做以下的論證：（1）、溫度采樣部分 方案1：采用熱敏電阻，可滿足35℃--95℃的測(cè)量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性和可靠性都比較差，對(duì)于檢測(cè)精度小于1℃的溫度信號(hào)是不適用的。 方案2：采用溫度傳感器AD590。：AD590具有體積小、質(zhì)量輕、線形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。其測(cè)量范圍在-50℃-- +150℃，滿刻度范圍誤差為±0.3℃，當(dāng)電源電壓在5—10V之間，穩(wěn)定度為1﹪時(shí)，誤差只有±0

20、.01℃，其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。此外AD590是溫度-電流傳感器，對(duì)于提高系統(tǒng)抗干擾能力有很大的幫助。 經(jīng)上述比較，方案2明顯優(yōu)于方案1，故選用方案2。（2）、鍵盤(pán)顯示部分 控制與顯示電路是反映電路性能、外觀的最直觀部分，所以此部分電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響到電路的好壞。 方案1：采用可編程控制器8279與數(shù)碼管及地址譯碼器74LS138組成，可編程/顯示器件8279實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的掃描、消除抖動(dòng)、提供L

21、ED的顯示信號(hào)，并對(duì)LED顯</p><p>　　方案2：采用單片機(jī)AT2051與地址譯碼器74LS138組成控制和掃描系統(tǒng)，并用2051的串口對(duì)主電路的單片機(jī)進(jìn)行通信，這種方案既能很好的控制鍵盤(pán)及顯示，又為主單片機(jī)大大的減少了程序的復(fù)雜性，而且具有體積小，價(jià)格便宜的特點(diǎn)。 對(duì)比兩種方案可知，方案1雖然也能很好的實(shí)現(xiàn)電路的要求，但考慮到電路設(shè)計(jì)的成本和電路整體的性能，我們采用方案2。（3）、控制電路部分

22、方案1：采用8031芯片，其內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，需要進(jìn)行外部擴(kuò)展，這給電路增加了復(fù)雜度。</p><p>　　方案2：本方案的CPU模塊采用2051芯片，其內(nèi)部有2KB單元的程序存儲(chǔ)器，不需外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。但由于系統(tǒng)用到較多的I/O口，因此此芯片資源不夠用。 方案3：采用AT89C51單片機(jī)，其內(nèi)部有8KB單元的程序存儲(chǔ)器，不需外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，而且它的I/O口也足夠本次設(shè)計(jì)的要求。 

23、 比較這3種方案，綜合考慮單片機(jī)的各部分資源，因此此次設(shè)計(jì)選用方案3。設(shè)計(jì)電路圖如圖2-2 所示：</p><p>　　圖2-2   AT89C51單片機(jī)原理圖</p><p>　　2.4、鍵盤(pán)及數(shù)字顯示結(jié)合</p><p>　　編一小程序，實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)及數(shù)字顯示結(jié)合——按鍵盤(pán)1數(shù)碼管顯示1，按鍵盤(pán)2數(shù)碼管顯示3，按鍵盤(pán)3數(shù)碼管

24、顯示3，按鍵盤(pán)4數(shù)碼管顯示4，按鍵盤(pán)5數(shù)碼管顯示5，按鍵盤(pán)6數(shù)碼管顯示6，按鍵盤(pán)7數(shù)碼管顯示7，按鍵盤(pán)8數(shù)碼管顯示8，按鍵盤(pán)9數(shù)碼管顯示9，按鍵盤(pán)10數(shù)碼管顯示A，按鍵盤(pán)11數(shù)碼管顯示b，按鍵盤(pán)12數(shù)碼管顯示C，按鍵盤(pán)13數(shù)碼管顯示d，按鍵盤(pán)14數(shù)碼管顯示E，按鍵盤(pán)15數(shù)碼管顯示F。</p><p>　　2.5、溫度設(shè)定和傳送電路</p><p>　　編一小程序，實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定和傳送電路——

25、以下是雙機(jī)串口通訊主程序流程圖：</p><p>　　圖2-3 雙機(jī)串口通訊流程</p><p>　　3 硬件電路設(shè)計(jì)與計(jì)算</p><p>　　本電路總體設(shè)計(jì)包括四部分：主機(jī)控制部分（89C51）、前向通道（溫度采樣和轉(zhuǎn)換電路）、后向通道（溫度控制電路）、鍵盤(pán)顯示部分。</p><p>　　3.1 溫度采樣和轉(zhuǎn)換電路</p>

26、<p>　　系統(tǒng)的信號(hào)采樣和轉(zhuǎn)換電路主要由溫度傳感器AD590、基準(zhǔn)電壓7812、運(yùn)算放大器OP-07及A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0804四部分組成。設(shè)計(jì)電路圖如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1  溫度采樣和轉(zhuǎn)換電路原理圖</p><p>　?。?） AD590性能描述</p><p>　　測(cè)量范圍在-50℃--+15

27、0℃，滿刻度范圍誤差為±0.3℃，當(dāng)電源電壓在5—10V之間，穩(wěn)定度為1﹪時(shí)，誤差只有±0.01℃ 。AD590為電流型傳感器溫度每變化1℃其電流變化1uA在35℃和95℃時(shí)輸出電流分別為308.2uA 和368.2uA。（2）基準(zhǔn)電壓7812提供12V標(biāo)準(zhǔn)電壓，它與運(yùn)算放大器OP-07和電阻組成信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大電路，將35℃--95℃的溫度轉(zhuǎn)換為0—5V的電壓信號(hào)。（3）ADC0804性能描述

28、  </p><p>　　ADC0804為8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓范圍在0—5v，轉(zhuǎn)換速度為100us，轉(zhuǎn)換精度為0.39﹪，對(duì)應(yīng)誤差為0.234℃。</p><p><b>　　滿足系統(tǒng)的要求。 </b></p><p>　?。?）電路原理及參數(shù)計(jì)算    <

29、/p><p>　　溫度采樣電路的基本原理是采用電流型溫度傳感器AD590將溫度的變化量轉(zhuǎn)換成電流量，再通過(guò)OP-07將電流量轉(zhuǎn)換成電壓量，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804將其轉(zhuǎn)換成數(shù)值量交由單片機(jī)處理。圖4-1中三端穩(wěn)壓7812作為基準(zhǔn)電壓,由運(yùn)放虛短虛斷可知運(yùn)放OP-07的反向輸入端（2腳）的電壓為零伏。當(dāng)輸出電壓為零伏時(shí)(即Uo=0v) ，令7812的輸出電壓為=12V，OP-07的2腳處為A點(diǎn)，AD59

30、0的轉(zhuǎn)換電流為。列出A點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)方程如下:</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　由于系統(tǒng)控制的水溫范圍為35℃--95℃,所以當(dāng)輸出電壓為零伏時(shí)AD590的輸出電流為308.2uA,因此為了使Ui的電位為零就必須使電流 等于電流等于308.2uA, 三端穩(wěn)壓7812的輸出電壓為12v所以由方程(1)得 </

31、p><p>　　=  =38.94k (2)</p><p>　　由(2)取電阻R1=30k , R2=20k的電位器。</p><p>　　又由于ADC0804的輸入電壓范圍為0—5v ，為了提高精度所以令水溫為95℃時(shí)ADC0804的輸入電壓為5v（即Uo=5v）。此時(shí)列出A點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)方程如下:</p><

32、;p><b>　　（3）  </b></p><p>　　當(dāng)水溫為95℃時(shí)AD590的輸出電流為368.2uA。由方程式（3）得+=83.33k因此取=81k ,  =5k的電位器。</p><p>　　3.2、 溫度控制電路</p><p>　　此部分電路主要由光電耦合器MOC3041和雙向可控硅

33、BTA12組成。采用脈寬調(diào)制輸出控制電爐與電源的接通和斷開(kāi)比例，以通斷控制調(diào)壓法控制電爐的輸入功率。MOC3041光電耦合器的耐壓值為400v，它的輸出級(jí)由過(guò)零觸發(fā)的雙向可控</p><p>　　硅構(gòu)成，它控制著主電路雙向可控硅的導(dǎo)通和關(guān)閉。100Ω電阻與0.01uF電容組成雙向可控硅保護(hù)電路?？刂撇糠蛛娐穲D如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2   

34、溫度控制電路原理圖</p><p>　　3.3 單片機(jī)控制部分</p><p>　　此部分是電路的核心部分，系統(tǒng)的控制采用了單片機(jī)AT89C51。單片機(jī)AT89C51內(nèi)部有8KB單元的程序存儲(chǔ)器及256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。因此系統(tǒng)不必?cái)U(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器這樣大大的減少了系統(tǒng)硬件部分。電路原理圖如圖3-3所示：</p><p>　　圖3-3 

35、0; 單片機(jī)控制電路部分原理圖</p><p>　　3.4、 鍵盤(pán)及數(shù)字顯示部分</p><p>　　在設(shè)計(jì)鍵盤(pán)/顯示電路時(shí)，我們使用單片機(jī)2051作為電路控制的核心，單片機(jī)2051具有一個(gè)全雙工的串行口采用串口，利用此串行口能夠方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制和顯示功能。鍵盤(pán)/顯示接口電路如圖3-4所示</p><p>　　圖3-4  鍵盤(pán)/顯示

36、部分電路</p><p>　　圖2-2中單片機(jī)2051的P1口接數(shù)碼管的8只引腳，這樣易于對(duì)數(shù)碼管的譯碼，使數(shù)碼管能顯示設(shè)計(jì)者所需的各數(shù)值、符號(hào)等等。單片機(jī)2051的P3.3、P3.4、P3.5接3-8譯碼器74L138，譯碼器的輸出端直接接八個(gè)數(shù)碼管的控制端和鍵盤(pán)，鍵盤(pán)掃描和顯示器掃描同用端口這樣能大大 的減少單片機(jī)的I/O，減少硬件的花費(fèi)。鍵盤(pán)的接法的差別直接影響到硬件和軟件的設(shè)計(jì)，考慮到單片機(jī)2051的

37、端口資源有限，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)中將傳統(tǒng)的4*4的鍵盤(pán)接成8*2的形式（如圖3-4），鍵盤(pán)的掃描除了和顯示共用的8個(gè)端外，另外的兩個(gè)端直接和2051的P3.2和P3.7相連。</p><p>　　圖3-5 譯碼顯示部分</p><p>　　如圖3-5的接法已經(jīng)完全用完了單片機(jī)的15個(gè)I/O口，有效的利用了單片機(jī)的資源。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)&

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