【正文】 《電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目： 水溫自動(dòng)控制系統(tǒng) 組長(zhǎng)姓名： 學(xué) 號(hào)： 專業(yè)與班級(jí)： 工業(yè)自動(dòng)化1416班 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專業(yè)與班級(jí)： 工業(yè)自動(dòng)化1416班 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專業(yè)與班級(jí)： 工業(yè)自動(dòng)化1416班 時(shí) 間： 2016 ～ 2017 學(xué)年第（1）學(xué)期 指導(dǎo)教師： 陳燁 成 績(jī)： 評(píng)閱日期： 一、 課題任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)。水溫保持在一定范圍內(nèi)且由人工設(shè)定。細(xì)節(jié)要求如下：℃~90℃ ，℃，誤差≤1℃。二、 方案比較1. 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)為完成任務(wù)目標(biāo)，可以將系統(tǒng)分為如下幾個(gè)部分：5V直流電供電模塊、測(cè)溫模塊、80C52單片機(jī)控制系統(tǒng)、鍵盤控制電路、溫度顯示模塊、繼電器控制模塊、強(qiáng)電加熱電路。通過各模塊之間的相互配合，可以完成水溫檢測(cè)、液晶顯示、目標(biāo)值設(shè)置、水溫控制等功能。系統(tǒng)方框圖如下：2. 5V直流電供電模塊方案一：直接用GP品牌的9v電池，然后接通過三端穩(wěn)壓芯片7805穩(wěn)壓成5伏直流電源提供給單片機(jī)系統(tǒng)使用，接兩個(gè)5伏電源的濾波電容后輸出。方案二：通過變壓器，將220v的市電轉(zhuǎn)換成9v左右的交流電，變壓器輸出端的9V電壓經(jīng)橋式整流并電容濾波。要得到一個(gè)比較穩(wěn)定的5v電壓，在這里接一個(gè)三端穩(wěn)壓器的元件7805。由于需要給繼電器提供穩(wěn)定的5V電壓，而方案一中導(dǎo)致電池的過度損耗，無法穩(wěn)定帶動(dòng)繼電器持續(xù)工作，所以我們選用能夠提供更加穩(wěn)定5v電源的方案二。3. 測(cè)溫模塊經(jīng)查閱資料,IC式感溫器在市場(chǎng)上應(yīng)用比較廣泛的有以下幾種：AD590：電流輸出型的測(cè)溫組件,溫度每升高1 攝氏度，電流增加1μA，溫度測(cè)量范圍在55℃ ～150℃之間。其所采集到的數(shù)據(jù)需經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換，才能得到實(shí)際的溫度值。DS18B20：內(nèi)含AD轉(zhuǎn)換器，所以除了測(cè)量溫度外，它還可以把溫度值以數(shù)字的方式(9 B i t ) 送出，因此線路連接十分簡(jiǎn)單，它無需其他外加電路，直接輸出數(shù)字量，可直接與單片機(jī)通信，讀取測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。℃的固有分辨率，℃以上精度，溫度測(cè)量范圍在55℃～125℃ 之間，應(yīng)用方便。SMARTEC感溫組件:這是一只3個(gè)管腳感溫IC，溫度測(cè)量范圍在45℃ ～ 13℃，℃ 以內(nèi)。max6225/6626：最大測(cè)溫范圍也是55～+125℃，帶有串行總線接口，測(cè)量溫度在可測(cè)范圍內(nèi)的的誤差在4℃以內(nèi)，較大，故舍棄該方案。本設(shè)計(jì)選用DS18B20感溫IC，這是因其性能參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，接口簡(jiǎn)單，內(nèi)部集成了A/D 轉(zhuǎn)換，測(cè)溫更簡(jiǎn)便，精度較高，反應(yīng)速度快，且經(jīng)過市場(chǎng)考察，該芯片易購買，使用方便。下面是DS18B20感溫IC的實(shí)物和接口圖片4. 80C52單片機(jī)控制系統(tǒng)AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。5. 鍵盤控制電路方案一：四鍵設(shè)定，一個(gè)十位控制鍵，一個(gè)個(gè)位控制鍵，一個(gè)位控制鍵，一個(gè)確認(rèn)鍵，通過四鍵的配合設(shè)定為度，該方案接線和程序簡(jiǎn)單，但實(shí)際操作不太便捷。方案二：矩陣鍵盤設(shè)定，通過按鍵輸入不同數(shù)字實(shí)現(xiàn)溫度的設(shè)定，電路連接比較簡(jiǎn)單，程序較方案一復(fù)雜，但已經(jīng)在學(xué)習(xí)過程中接觸過矩陣鍵盤的編程技巧，有一定的可行性，且操作起來更加符合我們的日常習(xí)慣。本次設(shè)計(jì)暫定采用矩陣鍵盤來作為溫度設(shè)定電路的輸入。6. 溫度顯示模塊方案一：使用數(shù)碼管顯示，通過數(shù)碼管顯示被測(cè)溫度和設(shè)定溫度。該方案程序簡(jiǎn)單，且已學(xué)習(xí)過其編程技巧，但硬件占用單片機(jī)I/O口較多，對(duì)于盡量節(jié)約端口，讓線路簡(jiǎn)單來說不是好方法，而且顯示也不夠直觀靈活，只能顯示數(shù)字。方案二：使用液晶屏1602顯示。1602可顯示兩行字符及數(shù)字，可以用來顯示設(shè)定溫度及測(cè)量溫度，較之?dāng)?shù)碼管顯示更加清晰直觀，雖然此前沒有接觸過相關(guān)知識(shí)，但該器件上手比較容易，可以在短期內(nèi)學(xué)會(huì)其使用方法。1602較之?dāng)?shù)碼管更加符合本次設(shè)計(jì)要求，因此使用1602作為顯示器件。7. 繼電器控制模塊方案一：采用普通的控制方法，即水溫溫度到達(dá)臨界溫度時(shí)，控制繼電器開閉。但由于水溫變化快，且慣性大，不易控制精度。 方案二：采用PWM控制加PID算法，通過采用PWM可以產(chǎn)生一個(gè)ＰＷＭ波形，而PWM波形的占空比是通過PID算法調(diào)節(jié)，這樣就可以通過控制加熱電路的開、斷時(shí)間比來控制加熱器功率進(jìn)而控制溫度的變化，從而使精度提高。此方法中硬件上可以使用固態(tài)繼電器或晶閘管控制加熱器工作。我們選擇方案二。三、 電路設(shè)計(jì)1. 電源電路整個(gè)系統(tǒng)需要使用5V直流電和220V交流電。電源電路采用變壓器與穩(wěn)壓模塊，將工頻電壓降為5V直流電，為系統(tǒng)供電。首先用變壓器模塊20V交流電降為9V交流電，接入整流電橋，變?yōu)橹绷麟娸敵?，再使用三端穩(wěn)壓芯片7805穩(wěn)壓為5V。L7805輸出端要聯(lián)上電解電容，濾除交流電干擾，防止損壞單片機(jī)系統(tǒng)。LM7805最大可以輸出1A的電流，內(nèi)部有限流式短路保護(hù)，短時(shí)間內(nèi)，例如幾秒鐘的時(shí)間，輸出端對(duì)地（2腳）短路并不會(huì)使7805燒壞。2. 溫度傳感器DS18B20溫度傳感器只有三根外引線：?jiǎn)尉€數(shù)據(jù)傳輸總線端口DQ ，外供電源線VDD，共用地線GND。外部供電方式(VDD接+5V，其接口電路如下圖（外接電源工作方式）所示。3. 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng),或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路4. 按鍵、顯示電路這部分實(shí)際上是一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)的基本電路，鍵盤選用矩陣鍵盤可滿足要求，通過按鍵輸入不同數(shù)字實(shí)現(xiàn)溫度的設(shè)定。在顯示方面選用常用的1602液晶顯示模塊。通過相應(yīng)的程序，可以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)顯示，電路連接也比較簡(jiǎn)單，只需連接數(shù)據(jù)總線，和三根控制線即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)控制，實(shí)現(xiàn)顯示功能。1602顯示電路5. 繼電器溫控單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器的通斷，從而比較容易的實(shí)現(xiàn)對(duì)小功率電熱棒的加熱。本系統(tǒng)利用繼電器的吸合與否來實(shí)現(xiàn)水溫的自動(dòng)化控制。本次設(shè)計(jì)采用型號(hào)為JRC21F的繼電器。其特點(diǎn)有：（1）.超小型,低功耗。（2）.觸點(diǎn)型式:1H,1Z()。（3）.觸點(diǎn)負(fù)載:2A,120VAC。（4）.外型尺寸:如圖是驅(qū)動(dòng)較大功率繼電器的接口，（連接單片機(jī)的輸出口）輸出低電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，繼電器吸合；，Q1截止，繼電器斷開。由于繼電器吸合時(shí)電流比較大，所以在單片機(jī)與繼電器之間增加了光電耦合器件作為隔離電路。R3是光電耦合輸出管的限流電阻，R4是驅(qū)動(dòng)管Q1基極泄放電阻。整體硬件電路見附錄四、 程序設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)包括：主程序、傳感器測(cè)溫程序、lcd1602顯示程序、鍵盤掃描程序、 PID計(jì)算程序、PWM波形發(fā)生程序。主程序流程圖如下所示：傳感器測(cè)溫程序流程圖：lcd1602顯示程序流程圖：鍵盤掃描程序流程圖：溫度比較與PID計(jì)算程序流程圖：PWM波形發(fā)生程序（定時(shí)器中斷）流程圖：五、 測(cè)試方案：室溫狀態(tài)下，分別用溫度計(jì)與18B20傳感器檢測(cè)水溫，觀察兩者是否有誤差。：用繼電器控制“熱得快”對(duì)1升水加熱，用鍵盤設(shè)定需加熱溫度值，觀察、記錄1602顯示屏上實(shí)時(shí)水溫值的變化過程和每次改變溫度設(shè)定值后PID調(diào)節(jié)的超調(diào)量。多次調(diào)試并和修改PID參數(shù)來完善該系統(tǒng)。檢驗(yàn)水溫的穩(wěn)定值是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。六、 系統(tǒng)調(diào)試加熱器水量與功率應(yīng)當(dāng)構(gòu)成匹配，加熱水量過多或功率