【正文】 ，控制對象為 1 升凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變。 系統(tǒng)設(shè)計具體要求： ⑴ 溫度設(shè)定范圍為 30～ 90℃。 ⑵ 環(huán)境 溫度降低時（例如用電風(fēng)扇降溫）溫度控制的靜態(tài)誤差≤ 1℃。 ⑶采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ǎ?dāng)設(shè)定溫度突變（由 40℃提高到 60℃）時，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。 ⑷用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示水的實際溫度。 ⑸ 在設(shè)定溫度發(fā)生突變（由 40℃提高到 60℃）時， led 報警 發(fā)揮部分 十進(jìn)制數(shù)碼管顯示水的實際溫度的同時我們顯示設(shè)定的溫度方便比較。 3 個按鍵來控制設(shè)定的溫度。 系統(tǒng)的基本方案 各模塊的選擇和論證 （ 1）控制器模塊 根據(jù)題目要求，控制器主要用于采集水的 溫度及控制水溫在一定范圍內(nèi)變化。對于 在數(shù)碼處顯示水位的具體溫度值。對于控制器選擇有兩種方案。 方案一：采用 FPGA 作為系統(tǒng)的控制器， FPGA 可以實現(xiàn)各種各樣的復(fù)雜邏輯電路功能，規(guī)模大，密度高，它將所有的器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可以以用 EDA 軟件仿真，調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。 FPGA 采用并行的輸入輸出的方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)控制核心。由于測模塊 輸出的信號并行輸入 FPGA， FPGA 通過程序設(shè)計控制水溫作出相應(yīng)的數(shù)字顯示，有本設(shè)計要求的數(shù)據(jù)處理速度不高， FPGA 的高速處理的優(yōu)勢得不到充分的體現(xiàn)，并且由于集成度較高，使其成本偏低，同時由于芯片的引腳太多，實物硬件電路板不限復(fù)雜，并加重了電路設(shè)計和實際的焊接的工作。 方案二：采用 ATMEL 公司的 AT89C52作為系統(tǒng)的控制器的雙 CPU 方案。單片的算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活，自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于功耗低體積小，技術(shù)成熟和成本低等特點(diǎn)，使其在各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 基于以上方分析使用方案二，單片機(jī)擔(dān)任了由傳感器過來的溫度的采集，并且控制繼電器，還有就是現(xiàn)實溫度值。 （ 2）數(shù)據(jù)采集模塊 方案一 ：用熱敏電阻：通過電阻的變化來獲得電壓的變化，起價格雖然便宜但是精度不是很高。對于一個精度要求高的系統(tǒng)不宜采用 。 方案二： 用 A/D590：通過 AD590 溫度傳感器采集溫度，由于 AD590 是電流傳感器，經(jīng)過電阻轉(zhuǎn)換為電壓。雖然價格較高但是精度高。 水溫控制系統(tǒng) 3 方案三： DS18B20 數(shù)字溫度計是 DALLAS 公司生產(chǎn)的 1－ Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點(diǎn)。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。 測量范圍為 35~+125℃。最大精度為 ℃。 經(jīng) 比較我們選用 DS18B20 來進(jìn)行溫度采集，這樣使得線路更加簡單。 （ 3）數(shù)據(jù)顯示模塊 方案一： 8 段 LED數(shù)碼管顯示 ， 數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點(diǎn)顯示）；按能顯示多少個 “8”可分為 1 位、 2 位、 4位等等數(shù)碼管；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極 (COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM 接到 +5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一 字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 COM接到地線 GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。 方案二： LCD1602 顯示 。 工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示 16x02 即 32 個字符 （ 16 列 2 行） 。但價格較貴。 通過比較我們選用方案一，結(jié)構(gòu)簡單，便宜，易于購買，在編寫程序的時候也比較方便。 （ 4） 自動控制 控制模塊 方案一：電子過零晶閘管 晶閘管是一 種大功率的整流元件，它的整流電壓可以控制，當(dāng)供給整流電路的交流電壓一定時，輸出電壓能夠均勻調(diào)節(jié)，它是一個四層三端的半導(dǎo)體器件。 在整流電路中，晶閘管在承受正向電壓的時間內(nèi)，改變觸發(fā)脈沖的輸入時刻，即改變控制角的大小，在負(fù)載上可得到不同數(shù)值的直流電壓，因而控制了輸出電壓的大小。 晶閘管導(dǎo)通的條件是陽極承受正向電壓，處于阻斷狀態(tài)的晶閘管，只有在門極加正向觸發(fā)電壓，才能使其導(dǎo)通。門極所加正向觸發(fā)脈沖的最小寬度，應(yīng)能使陽極電流達(dá)到維持通態(tài)所需要的最小陽極電流，即擎住電流 IL 以上。導(dǎo)通后的晶閘管管壓降很小。 使導(dǎo)通 了的晶閘管關(guān)斷的條件是使流過晶閘管的電流減小至一個小的數(shù)值，即維持電流 IH 一下。其方法有二： 減小正向陽極電壓至一個數(shù)值一下，或加反向陽極電壓。 增加負(fù)載回路中的電阻。 在這里我們主要使用的是晶閘管的開關(guān)作用。 方案二：繼電器 是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種 “自動開關(guān) ”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。 電磁繼電器的工作原理和特性 電磁式繼電器一般由鐵芯 、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的 “常開、常閉 ”觸點(diǎn)，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為 “常開觸點(diǎn) ”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為 “常 閉觸點(diǎn) ”。 系統(tǒng)各模塊的最終方案 經(jīng)過仔細(xì)分析和論證，決定論系統(tǒng)各模塊的最終方案如下。 控制器模塊：采用 AT89C52。 數(shù)據(jù)采集模塊：選用 DS18B20。 水溫控制系統(tǒng) 4 數(shù)據(jù)顯示模塊： 選用數(shù)碼管。 自動控制模塊：選用繼電器。 如圖見附錄。選用 AT89C52 主要用于控制采集過來的溫度進(jìn)行處理，然后返回去控制水的溫度在一個確定的值，在這個過程中如果超過或者低于我們需要的溫度，繼電器就做出反應(yīng)，跳向另外一端導(dǎo)通工作，發(fā)光二極管會做出響應(yīng)的反應(yīng)，同時電熱水器也會對水進(jìn)行加熱，同時數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)值。 硬件設(shè)計與實現(xiàn) 系統(tǒng)的硬件的基本組成部分 本系統(tǒng)是一個簡單的單回路控制系統(tǒng)。為了實現(xiàn)溫度的自動測量和控制，本系統(tǒng)采用了STC89C52 單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制中心，由數(shù)據(jù)采集模塊檢測到的溫度信號傳入單片機(jī)，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和控制運(yùn)算，同時將數(shù)據(jù)保存，以便與下一次采樣值進(jìn)行比較，通過軟件對所測電壓進(jìn)行數(shù)字非線性校正，同時由顯示器進(jìn)行實時顯示。根據(jù)系統(tǒng)程序控制，以及輸出控制，最終由 CPU控制加熱回路 電熱水器棒，在和繼電器控制通斷，達(dá)到調(diào)控 目 的。系統(tǒng)還提供了鍵盤設(shè)定模塊 ，便于用戶與系統(tǒng)之間的信息交換 。 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)較簡單，由若干個功能模塊組成。具體結(jié)構(gòu)圖及說明如上。 部分外部電路設(shè)計 由總體框圖可以看到，整個系統(tǒng)的設(shè)計都離不開 STC89C52 的輸入 /輸出接口。在單片機(jī)中，I/O 口就是單片機(jī)與外設(shè)交換信息的主要通道。輸入端口從外界接收檢測的輸入信號、鍵盤信號等各種開關(guān)量信號；輸出端口向外部輸出處理結(jié)果、顯示信息、控制命令、驅(qū)動信號等。 STC8