1、電子技術綜合設計設計報告水溫自動控制系統組長姓名:專業與班級:名:專業與班級:名:專業與班級:學號：工業自動化14-16 班學號：工業自動化14-16 班學號：工業自動化14-16 班間:20162017學年第（1）學期指導教師:陳燁 成績:評閱日期:一、課題任務設計并制作一個水溫自動控制系統，對凈水進行加。水溫保持在一定范圍內且由人 工設定。細節要求如下：1. 溫度設定范圍為40 r 90C，最小分辨率為C,誤差w 1C。2. 可通過LCD顯示屏顯示溫度目標值與實時溫度。3. 可以通過鍵盤調整目標溫度的數值。方案比較1.系統模塊設計為完成任務目標，可以將系統分為如下幾個部分：5V直流電供電模

2、塊、測溫模塊、 80C52單片機控制系統、鍵盤控制電路、溫度顯示模塊、繼電器控制模塊、強電加熱 電路。通過各模塊之間的相互配合，可以完成水溫檢測、液晶顯示、目標值設置、水 溫控制等功能。系統方框圖如下:2. 5V直流電供電模塊方案一：直接用GP品牌的9v電池，然后接通過三端穩壓芯片 7805穩壓成5伏 直流電源提供給單片機系統使用，接兩個 5伏電源的濾波電容后輸出。方案二：通過變壓器，將220v的市電轉換成9v左右的交流電，變壓器輸出端 的9V電壓經橋式整流并電容濾波。要得到一個比較穩定的 5v電壓，在這里接一個 三端穩壓器的元件 7805。由于需要給繼電器提供穩定的 5V電壓，而方案一中導致

3、電池的過度損耗，無法 穩定帶動繼電器持續工作，所以我們選用能夠提供更加穩定5v電源的方案二。3. 測溫模塊經查閱資料 ,IC 式感溫器在市場上應用比較廣泛的有以下幾種：AD590電流輸出型的測溫組件，溫度每升高1攝氏度，電流增加1卩A,溫度測 量范圍在-55 C150C之間。其所采集到的數據需經A/D轉換，才能得到實際的溫 度值。DS18B20內含AD轉換器，所以除了測量溫度外，它還可以把溫度值以數字的 方式（9 B i t ） 送出，因此線路連接十分簡單，它無需其他外加電路，直接輸出數 字量，可直接與單片機通信，讀取測溫數據。它能夠達到C的固有分辨率，使用讀 取溫度暫存寄存器的方法還能達到C

4、以上精度，溫度測量范圍在-55 C125C之間,應用方便。SMARTE感溫組件：這是一只3個管腳感溫IC,溫度測量范圍在-45 C13 C, 誤差可以保持在C 以內。max6225/6626:最大測溫范圍也是-55+125C，帶有串行總線接口，測量溫度 在可測范圍內的的誤差在4°C以內，較大，故舍棄該方案。本設計選用DS18B2（感溫IC,這是因其性能參數符合設計要求，接口簡單，內 部集成了 A/D 轉換，測溫更簡便，精度較高，反應速度快，且經過市場考察，該芯 片易購買，使用方便。下面是DS18B2（感溫IC的實物和接口圖片4. 80C52單片機控制系統AT89C52是一個低電壓，高

5、性能CMOS瞼單片機，片內含8k bytes的可反復擦 寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通 用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業中有著廣泛的應用。5. 鍵盤控制電路 方案一:四鍵設定，一個十位控制鍵，一個個位控制鍵，一個位控制鍵，一個確認鍵，通過四鍵的配合設定為度， 該方案接線和程序簡單， 但實際操作不太便捷。方案二:矩陣鍵盤設定，通過按鍵輸入不同數字實現溫度的設定，電路連接比 較簡單，程序較方案一復雜，但已經在學習過程中接觸

6、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慣。本次設計暫定采用矩陣鍵盤來作為溫度設定電路的輸入。6. 溫度顯示模塊 方案一:使用數碼管顯示，通過數碼管顯示被測溫度和設定溫度。該方案程序簡單，且已學習過其編程技巧， 但硬件占用單片機 I/O 口較多，對于盡量節約端口， 讓線路簡單來說不是好方法，而且顯示也不夠直觀靈活，只能顯示數字， 。方案二:使用液晶屏 1602顯示。 1602可顯示兩行字符及數字，可以用來顯示設 定溫度及測量溫度， 較之數碼管顯示更加清晰直觀， 雖然此前沒有接觸過相關知識，但該器件上手比較容易，可以在短期內學會其使用方法。1602較之數碼管更加符合

7、本次設計要求，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，即水溫溫度到達臨界溫度時，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PW可以產生一個PWM波形， 而PWM波形的占空比是通過PID算法調節，這樣就可以通過控制加熱電路的開、斷 時間比來控制加熱器功率進而控制溫度的變化，從而使精度提高。此方法中硬件上 可以使用固態繼電器或晶閘管控制加熱器工作。我們選擇方案二。電路設計1. 電源電路整個系統需要使用5V直流電和220V交流電。電源電路采用變壓器與穩壓模塊， 將工頻電壓降為5V直流電，為系統供電。首

8、先用變壓器模塊 20V交流電降為9V交 流電，接入整流電橋，變為直流電輸出，再使用三端穩壓芯片7805穩壓為5V。L7805 輸出端要聯上電解電容，濾除交流電干擾，防止損壞單片機系統。LM7805最大可以輸出1A的電流，內部有限流式短路保護，短時間內，例如幾秒 鐘的時間，輸出端對地（2腳）短路并不會使7805燒壞。2. 溫度傳感器DS18B2（溫度傳感器只有三根外引線：單線數據傳輸總線端口DQ，外供電源線VDD共用地線GND外部供電方式（VDD接+5V,且數據傳輸總線接的上拉電阻，其 接口電路如下圖（外接電源工作方式）所示。3. 單片機最小系統單片機最小系統，或者稱為最小應用系統，是指用最少的

9、元件組成的單片機可以 工作的系統.對51系列單片機來說，最小系統一般應該包括：單片機、晶振電路、復 位電路4. 按鍵、顯示電路這部分實際上是一個單片機最小系統的基本電路，鍵盤選用矩陣鍵盤可滿足要 求，通過按鍵輸入不同數字實現溫度的設定。？?在顯示方面選用常用的1602液晶顯示模塊。通過相應的程序，可以實現溫度的實時顯示，電路連接也比較簡單，只需連接數據總線，和三根控制線即可實現數據控制,實現顯示功能。u?HUCinw n I如 p i，皿Ji pg4 卩1沁=冋1 JjiM.-鳥于壬士 士HiMJ Anra rjJAt： M J 匕intd rj-iAu ftJ' MmTKtJar16

10、02顯示電路5.繼電器溫控單片機驅動繼電器的通斷，從而比較容易的實現對小功率電熱棒的加熱。本系統利用繼電器的吸合與否來實現水溫的自動化控制。本次設計采用型號為JRC-21F的繼電器。其特點有：？（1）.超小型，低功耗；?（2） .觸點型式：1H,1 Z;? （3）.觸點負載:2A,120VAC;?女口圖是驅動較大功率繼電器的接口，當（連接單片機的輸出口）輸出低電平時， Q1 導通，繼電器吸合；當輸出高電平時，Q1截止，繼電器斷開。由于繼電器吸合時電流比較大，所以在單片機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是驅動管Q1基極泄放電阻。整體硬件電路見附錄程

11、序設計程序結構包括：主程序、傳感器測溫程序、PID計算程序、PWM波形發生程序。四、lcd1602顯示程序、鍵盤掃描程序、主 程 序 流 程 圖 如 下 所示：傳感器測溫程序流程圖:12顯示程序流程圖 盤掃描程序流程圖度比較 與 PID計算程序流程圖：PWM波形發生程序（定時器中斷）流程圖：五、測試方案1. 靜態測試： 室溫狀態下，分別用溫度計與18B20傳感器檢測水溫，觀察兩者是否有誤差。2. 動態測試： 用繼電器控制“熱得快”對1升水加熱，用鍵盤設定需加熱溫度值，觀察、記錄1602顯示屏上實時水溫值的變化過程和每次改變溫度設定值后PID調節的超調量。多次調試并和修改PID參數來完善該系統。

12、檢驗水溫的穩定值是否滿足設計目標的要求。六、系統調試1. 加熱水量與加熱器的功率確定加熱器水量與功率應當構成匹配，加熱水量過多或功率過小會導致加熱時間過長， 而加熱水量過少或功率過大會使超調增大，不利于控制。我們選擇1L的容器作為測試對象，預計將20攝氏度的水加熱到100攝氏度需要5分鐘。經過計算這樣的加熱器功率至 少為1120W,因此選擇1000W的加熱管。滿足1L的容器很多，但是廣口的盆水位較低， 不利于加熱管的安放。經過努力，找到了合適的容器（實物見附件），恰能使得加熱棒 處于最為合適的水位深度。2. 上下層溫差的優化和電動機電源的選擇電動機本不在設計的范圍里面，但是隨著系統調試的進行，

13、發現容器中的的水很 難實現熱均勻。容器中上下層溫差過大，導致溫度傳感器所測數據極不準確， 滯后過大， 非常不 利于控 制。所 以又添 加一個 直流減 速電機 帶動槳 葉加速 冷熱水 對流， 從而讓 容器里 面的水 受熱均 勻，方 便測溫 模塊對 系統水 溫的實 時監測。這一額 外的電 動機沒 有在事先考慮的器件電氣匹配范圍內，所以當它與加熱模塊一同共用5v的直流電源時，已超出了整流模塊所能提供的最大電流，于是又添加了一個電源給電動機供電。3. PID程序的修改調試當實際水溫與目標值差距過大時，加熱器只需滿功率工作(或完全停止工作)即可滿足要求。此時采用PID控制意義不大，且PID控制范圍很大，

14、參數很難整定，而微分環 節也容易受到干擾導致加熱器無法滿功率運行。因此，在滿足控制精度的前提下，可將 PID控制的范圍縮小到設定溫度的± 1C之內。范圍縮小后，PID參數容易調整，控制效 果明顯增強。經過調試后 PID參數分別為Proportion = 10，Integral= 8， Derivative波周期的調試PWM波的周期越短，控制的精度越高。但PW波形的輸出需要單片機中斷程序進行控 中斷頻率過高會干擾單片機中主程序的運行。測溫模塊18B50對時間的要求非常嚴因此測溫模塊讀取數據期間會與中斷程序沖突。若18B20讀數期間允許中斷中斷會PW瞅周期頻繁變化。經過調試，=6o制，

15、格， 導致其溫度輸出出現大量錯誤；若不允許中斷會導致 將PW波周期設為5s0七、數據測試與處理1. 靜態溫度的測試室溫狀態下，分別用溫度計與18B20傳感器檢測水溫，得到結果分別為。溫度計顯 示°C, 18B20傳感器顯示溫度°C,在誤差允許的范圍內，滿足要求。2. 動態溫度的測試：令測溫系統工作，對凈水加熱，設定溫度分別為50C，60C , 80 C,每10s記錄次顯示屏幕上的數據，繪制其溫度變化曲線，并計算溫度控制的超調量，穩態誤差。溫度數據及曲線如下：(1) 目標溫度50度：時間(10s)01234567溫度(C)303032時間(10s)89101112151718

16、溫度(C)時間(10s)1920212324252627溫度(C)45時間(10s)2829303132333435溫度(C)時間(10s)3639404346515457溫度(C)時間(10s)6063646668697072溫度C）50時間(10s)7578818487889091溫度（C）5050時間(10s)92溫度（C）50日標溫度50度溫度曲線50超調量為%（2）目標溫度60度:Itl 20 JD 4U iO EAJ /O BU SU 100BT RI( Ife)時間（10s）01234567溫 度（C）5055時間（10s）89101112131415溫 度（C）時間（10s）1

17、617181920212427溫 度（C）時間（10s）3032333436374041溫 度（C）6060時4245474850525354間(10s)溫 度C)6060時間(10s)5657溫 度(C)冃標溫度60度溫度曲線超調量為%(3)目標溫度80度:時間(10s)01234567溫度(C)60時間(10s)891011121315溫度(C)時間(10s)1819212223242526溫度(C)77時間(10s)2728293031323334溫度(C)時間(10s)35363739404142溫度C)時間(10s)4344454647484950溫度(C)8080時間(10s)51

18、52535455565758溫度(C)80時間(10s)5960616263溫度(C)8080808055超調量為%標迥度80,變溫度曲線tn ?03043 M 6070時冋:10s)由以上溫度曲線可以看出，水溫能夠保持在設定溫度上下，控制過程中超調量<4%,且穩態時的誤差在為±C,滿足系統設計要求。八、設計總結通過本次應用系統設計，在很大程度上提高了我們的獨立思考、分析判斷以及動手 實踐能力，也對系統設計過程以及設計過程中應注意的問題有了初步的認識，加深了我 們對所學知識的理解。出于對自身知識及可獲取的學習資源的考慮，我組本次電子綜合設計的選題最終定 為水溫自動控制系統的設計

19、，該題目為往年電設題目，參考資料較易獲取且基本未超出 我們現掌握的知識水平。在參考了書本及網絡上的設計思想之后，我們確定了該系統的設計方案初稿，并討 論了設計方案的可行性。討論確定出實驗所需器材以及組員的分工，由一名組員進行程序 的編寫，另外兩名組員進行硬件電路的焊接及調試。經過幾次檢查、調試以及修改之后，基本實現了本次設計的部分預期目標：可通過 LCD顯示屏顯示溫度目標值與實時溫度，可以通過鍵盤調整目標溫度的數值等功能。在系統調試過程中，遇到一些問題：1. 由于一開始沒有估計好器件占用的空間，所購萬用板太小，無法滿足實驗要求， 之后又換用了一個較大的萬用板。在最小系統焊接完成后，由于沒有搞清楚按鍵的內部 接線，使單片機一直處于復位狀態，無法正常工作，后用萬用表排查出該錯誤。2. 在加熱控制器件的選擇上花費了較多精力，開始的設計方案是用光電耦合器配合 雙向晶閘管利用PWM波控制加熱功率來實現溫度的穩定，但在硬件實驗時發現控制導通 無法實現，且電壓、電流余量有限，不能滿足設計要求。便換用了固態繼電器配合三極 管來實現功率控制。3. 在完成基本功能后，發現由于水溫分布不均勻，溫度傳感器無法及時檢測到水溫