【正文】 數(shù)理與信息工程學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 題 目： 水溫控制系統(tǒng) 專 業(yè)： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)（專升本） 班 級(jí)： 計(jì)本 056 姓 名： 章一娜 學(xué)號(hào)： 05191129 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：數(shù)理與信息工程學(xué)院 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)室指導(dǎo)老師： 余水寶 張 勝 丁宇 成 績： ( )目 錄第1節(jié) 引 言…………………………………………………………………… 1 水溫控制系統(tǒng)概述……………………………………………………… 1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求………………………………………………………… 1 系統(tǒng)組成………………………………………………………………… 2第2節(jié) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖……………………………………………………… 2 溫度采樣電路………………………………………………………… 3 溫度控制電路………………………………………………………… 4 主機(jī)控制部分………………………………………………………… 4 鍵盤及數(shù)字顯示部分……………………………………………… 5 微機(jī)控制及圖形顯示部分………………………………………… 6第3節(jié) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 7 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)………………………………………………………… 7 鍵盤顯示程序…………………………………………………………… 8第4節(jié) 實(shí)際測(cè)試………………………………………………………………… 9 系統(tǒng)測(cè)試儀器………………………………………………………… 9 測(cè)試方法………………………………………………………………… 9 測(cè)試結(jié)果………………………………………………………………… 9第5節(jié) 結(jié)束語……………………………………………………………………11參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………12附錄 …………………………………………………………………………………13單片機(jī)水溫控制系統(tǒng)數(shù)理與信息工程學(xué)院 05計(jì)算機(jī)專升本 章一娜指導(dǎo)教師：余水寶 張 勝第1節(jié) 引 言在現(xiàn)代冶金、石油、化工及電力生產(chǎn)過程中，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，為了保證生產(chǎn)過程正常安全地進(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)。如何更快、更準(zhǔn)確的控制所需的溫度是溫度控制技術(shù)的關(guān)鍵。 水溫控制系統(tǒng)概述本文介紹的是一個(gè)以51單片機(jī)為控制核心的水溫控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)通過人機(jī)交互設(shè)定控制溫度，采用增量型PID算法，通過脈寬調(diào)制控制電爐加熱，最終實(shí)現(xiàn)水溫的恒定。該系統(tǒng)具有溫度超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時(shí)間短、靜態(tài)誤差小、測(cè)量精確、恒定溫度與設(shè)定溫度偏差小等優(yōu)點(diǎn)，且控制方便、顯示直觀、性能穩(wěn)定、可靠性高。 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求系統(tǒng)的基本任務(wù)與要求：（1）系統(tǒng)的基本要求：一定量水由電爐加熱,要求水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)頂,并能在環(huán)境溫度降低時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)整,以保持設(shè)定的溫度基本不變。（2）主要性能指標(biāo)：溫度設(shè)定為40℃—90℃最小區(qū)分度為1℃；：溫度控制的靜態(tài)誤差名1℃；；(3)擴(kuò)展功能，可接收其他數(shù)據(jù)設(shè)備發(fā)朱的命令，或?qū)⒔Y(jié)果傳送到其他數(shù)據(jù)設(shè)備；；當(dāng)沒定溫度或環(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)號(hào)＜℃；。 系統(tǒng)組成本系統(tǒng)是一個(gè)典型的檢測(cè)、控制型應(yīng)用系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)完成從水溫檢測(cè)、信號(hào)處理、輸入、運(yùn)算到輸出控制電爐加熱功率以實(shí)現(xiàn)水溫控制的全過程。因此，以單片機(jī)為核心組成一個(gè)專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，以滿足檢測(cè)、控制應(yīng)用類型的功能要求。另外，單片機(jī)的使用特為實(shí)現(xiàn)水溫的智能化控制以及提供完善的人機(jī)界面及多機(jī)通訊接口提供了可能，而這些功能在常規(guī)數(shù)字邏輯電路中往往是難以或無法實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)基本要求，本系統(tǒng)應(yīng)具有以下基本功能：（1）可以進(jìn)行溫度設(shè)定，并自動(dòng)調(diào)節(jié)水溫給定的溫度值。（2）可以調(diào)整PID控制參數(shù)，滿足不同控制對(duì)象與控制品質(zhì)要求。（3）可以實(shí)時(shí)顯示給定溫度與水溫實(shí)測(cè)值。第2節(jié) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本電路總體設(shè)計(jì)包括五部分：主機(jī)控制部分（89C52）、前向通道（溫度采樣電路）、后向通道（溫度控制電路）、鍵盤和數(shù)字顯示部分、微機(jī)控制及圖形顯示。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖本系統(tǒng)以89c52單片機(jī)為核心，采用了溫度傳感器AD590，A/D采樣芯片ADC0804，可控硅MOC3041及PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制。系統(tǒng)框圖如圖21圖21 系統(tǒng)框圖 溫度采樣電路系統(tǒng)的信號(hào)采集電路主要由溫度傳感器（AD590）、基準(zhǔn)電壓（7812）及A/D轉(zhuǎn)換電路（ADC0804）三部分組成。電路圖如圖221 圖221 溫度采樣電路原理圖（1）AD590性能描述 測(cè)量范圍在50℃+150℃，滿刻度范圍誤差為177?！妫?dāng)電源電壓在5—10V之間，穩(wěn)定度為1﹪時(shí)，誤差只有177。℃ 。AD590為電流型傳感器溫度每變化1℃其電流變化1uA在35℃和95℃ 。（2）ADC0804性能描述 ADC0804為8bit的一路A/D轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓范圍在0—5v，轉(zhuǎn)換速度小于100us，﹪。滿足系統(tǒng)的要求。（3）電路原理及參數(shù)計(jì)算 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，再將電流量轉(zhuǎn)換成電壓量通過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。如圖222 UbUcA圖222圖中三端穩(wěn)壓7812作為基準(zhǔn)電壓,由運(yùn)放虛短虛斷可知運(yùn)放的反向輸入端Ui的電壓為零伏。當(dāng)輸出電壓為零伏時(shí)(即Uo=0v) 列出A點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)方程如下:……………..…………………………. …(1) 由于系統(tǒng)控制的水溫范圍為35℃95℃, 三端穩(wěn)壓7812的輸出電壓為12v所以由方程(1)得 ……….…………. …. (2)由方程(2)的取電阻R2=30k , R1=10k的電位器。由方程(2)的取電阻R2=30k , R1=10k的電位器。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: ……………………………… (3)當(dāng)水溫為95℃。由方程式（3）得R4+R5==81k , R5=5k的電位器。 溫度控制電路此部分電路主要由光電耦合器MOC3041和雙向可控硅BTA12組成。MOC3041光電耦合器的耐壓值為400v，它的輸出級(jí)由過零觸發(fā)的雙向可控硅構(gòu)成，它控制著主電路雙向可控硅的導(dǎo)通和關(guān)閉?？刂撇糠蛛娐穲D如圖（23）。圖23 主機(jī)控制部分此部分是電路的核心部分，系統(tǒng)的控制采用了單片機(jī)89C52。單片機(jī)89C52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。 鍵盤及數(shù)字顯示部分在設(shè)計(jì)鍵盤/顯示電路時(shí)，我們使用單片機(jī)2051做為電路控制的核心，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/顯示接口電路如圖 圖251 鍵盤/顯示部分電路圖251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、小數(shù)點(diǎn)、符號(hào)等等。、譯碼器的輸出端直接接八個(gè)數(shù)碼管的控制端和鍵盤，鍵盤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的鍵盤接成8*2的形式（如圖252），鍵盤的掃描除了和顯示共用的8個(gè)端外。圖252鍵盤接線如圖252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。 微機(jī)控制及圖形顯示部分為了使系統(tǒng)具有更好的人機(jī)交換界面，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們通過Visual Basic 語言設(shè)計(jì)了微機(jī)控制界面。通過系統(tǒng)與微機(jī)的通信大大的提高了系統(tǒng)的各方面性能。其控制界面見圖261圖262由于單片機(jī)89C52串行口為TTL電平，而PC機(jī)為RS232電平，因此系統(tǒng)采用了MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多機(jī)通信的功能，即主系統(tǒng)（89C52）和鍵盤及數(shù)字顯示部分的通信、主系統(tǒng)（89C52）和PC機(jī) 的通信，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)要特別注意多機(jī)通信的時(shí)序及競(jìng)爭(zhēng)問題，針對(duì)此類問題在設(shè)計(jì)中我們特地的在兩根串行通信線上增加了如圖262的電路：如圖27由于主機(jī)部分發(fā)送兩個(gè)從機(jī)都可以接受，因此主機(jī)的發(fā)送部分（及主機(jī) TXD）不存在競(jìng)爭(zhēng)問題。而兩個(gè)從機(jī)可能同時(shí)向主機(jī)發(fā)送各類控制信息，因此會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)問題。其實(shí)圖262為一個(gè)與門電路，圖中R1為提升電阻，DD2為開關(guān)二極管，當(dāng)pc TXD（或2051 TXD）中有一個(gè)為低電平時(shí)主機(jī)RXD為低電平，同時(shí)另一個(gè)分機(jī)無效，當(dāng)pc TXD（或2051 TXD）中有一個(gè)為高電平時(shí)主機(jī)RXD為高低電平。圖261微機(jī)控制界面如圖261的微機(jī)控制界面，具有溫度控制及顯示的功能。圖中左半部分為水溫的實(shí)測(cè)溫度和給定溫度的數(shù)值顯示及對(duì)主系統(tǒng)（89C52部分）的控制界面，右半部分為水溫的實(shí)測(cè)溫度的逐點(diǎn)采樣及圖形顯示，通過此界面可以更直觀的顯示溫度的變化，并且通過對(duì)圖形的保存能方便的打印出水溫的變化曲線。第3節(jié) 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要可分為主程序、定時(shí)計(jì)數(shù)中斷程序、時(shí)間調(diào)整或定鬧設(shè)置程序三大模塊。在程序設(shè)計(jì)過程中，加強(qiáng)了部分軟件抗干擾措施，下面對(duì)部分模塊作介紹。 主程序流程圖開機(jī) 機(jī)系統(tǒng)初始化顯示清零，各記數(shù)指針清零，設(shè)定定時(shí)器及中斷否是調(diào)用相映的中斷程序判斷是否有中斷？PID算法PWM波產(chǎn)生接收及發(fā)射串顯示數(shù)據(jù)PC機(jī)通信子程序 圖31主程序流程圖各類數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序主程序流程圖如圖421所示，程序主要完成以下的幾部分任務(wù)：（1）初始化 設(shè)定各參數(shù)的初始值，設(shè)定各中斷及定時(shí)器。（2）接收/發(fā)射 此部分程序主要完成數(shù)據(jù)的控制及顯示，其主要通過89C52單片機(jī)的全雙工串行口完成和鍵盤部分的雙向通信。（3）PC機(jī)通信 此部分完成與微機(jī)控制接口RS232的聯(lián)接及通信的控制。（4）數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序 由于主程序中用到了很多的數(shù)值轉(zhuǎn)換及數(shù)值的運(yùn)算（如十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制、雙字節(jié)與單字節(jié)的除法運(yùn)算等等），為了程序調(diào)用的方便，特地將其編寫成子程序的形式。 鍵盤顯示程序圖32定水溫、顯示溫度、確定、取消、清零、輸出，均為各種子程序，6代表個(gè)子程序的應(yīng)用程序。開機(jī) 機(jī)系統(tǒng)初始化顯示清零，各記數(shù)指針清零否判斷是否有鍵按下？是消除顫抖設(shè)定水溫顯示溫度確定單步清零取消輸出輸出654321 圖32程序第4節(jié) 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試結(jié)果分析 系統(tǒng)測(cè)試儀器：雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源DH1718E5直流穩(wěn)壓電源數(shù)字示波器Tektronix TDS1002偉福E6000/L 仿真器多功能數(shù)字表GDM8145數(shù)字萬用表P4 Haier機(jī)。0～100℃溫度計(jì)、調(diào)溫電熱杯、秒表 測(cè)試方法（1）在調(diào)溫電熱杯中放入1升清水，電熱杯和控制系統(tǒng)相連，給系統(tǒng)上電，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)。（2）用溫度計(jì)測(cè)量及調(diào)節(jié)水杯中清水，水穩(wěn)為35℃，給系統(tǒng)調(diào)零。分別設(shè)定溫度為40℃、45℃、50℃、60℃、70℃、75℃、80℃、90℃，觀察設(shè)定溫度和實(shí)際溫度，并記錄數(shù)據(jù)。填寫表41。觀察水溫變化的動(dòng)態(tài)情況，并記溫度穩(wěn)定的時(shí)間。填寫表42。 測(cè)試結(jié)果（1）給定溫度與實(shí)測(cè)溫度的數(shù)據(jù)對(duì)比如表41表41 誤差分析表設(shè)定溫度（℃）實(shí)測(cè)溫度（℃）絕對(duì)誤差（℃）相對(duì)誤差（％）設(shè)定溫度（℃）實(shí)測(cè)溫度（℃）絕對(duì)誤差（℃）相對(duì)誤差（％）135℃35℃0℃0％460℃61℃1℃％240℃41℃1℃％574℃75℃1℃％345℃44℃1℃％681℃82℃1℃％從表41中的數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)的誤差基本穩(wěn)定在正負(fù)1℃基本滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。（2）溫度穩(wěn)定和時(shí)間的關(guān)系設(shè)定溫度為50℃，每隔30s記錄實(shí)測(cè)溫度如表42表42 溫度穩(wěn)定速度關(guān)系表（設(shè)定溫度50℃）測(cè)量時(shí)間（分）1分實(shí)測(cè)溫度℃35℃37℃40℃43℃48℃52℃55℃測(cè)量時(shí)間（分）實(shí)測(cè)溫度℃52℃49℃51℃50℃51℃從表42中的數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)運(yùn)行5分鐘時(shí)系統(tǒng)基本達(dá)到穩(wěn)定。由微機(jī)