SZM水温控制标准系统.docx
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SZM水温控制标准系统
数理与信息工程学院
《电子系统设计》课程设计
题目：
水温控制系统
专业：
电子信息工程
班级：
电信081
姓名：
孙张明
学号：
08220528
指导老师：
朱更军
成绩：
水温控制系统
摘要：
本设计以C8051F340单片机为核心，采用了温度传感器DS18B20，可控硅BTA12及PID算法对温度进行控制,并通过无线模块NRF24L01把温度数据传送到上位机模块，并在电脑上显示温度曲线。
该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。
本设计实现了水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及无线数据通讯，系统由温度采样模块、加热控制模块、系统主模块及键盘显示摸块、无线传输模块等五大模块组成。
本系统的特点在于温度数据的无线传输和在PC机上实时显示温度变化曲线。
Abstract:
ThisdesignwithC8051F340microcomputerasthecore,thetemperaturesensorDS18B20,BTA12andPIDalgorithmforcontrolledtemperaturecontrol,andthetemperatureNRF24L01throughwirelessmoduletransferdatatoupperlingoncomputers,andblockdisplaytemperaturecurve.Thewatertemperaturecontrolsystemisatypicalinspection,controltypeapplicationsystem,itrequiressystemcompletionfromwatertemperaturedetectionandsignalprocessing,totheoutputcontrolofelectricheatingpowerinordertorealizethewholeprocessoftemperaturecontrol.Thisdesignrealizetheintellectualizedcontroltemperatureandprovidingperfectman-machineinterfaceandwirelessdatacommunication,thesystembythetemperaturesamplingmodule,heatingcontrolmodule,systemmainmoduleandkeyboarddisplaytouchblock,wirelesstransmissionmoduleetc.Fivemodules.Thissystemfeaturestemperaturedatainwireless
第1节引言………………………………………………………………………3
第2节方案论证………………………………………………………………4
2.1总体方案论证………………………………………………………………4
2.2模块方案论证………………………………………………………………4
2.2.1控制方法论证…………………………………………………………4
2.2.2系统组成论证………………………………………………………4
2.2.3单片机系统选择………………………………………………………5
2.2.4温度控制方案论证………………………………………………………6
2.2.5键盘显示电路论证………………………………………………………7
2.2.6无线通信模块论证………………………………………………………7
第3节总体设计…………………………………………………………………8
第4节硬件电路设计与计算…………………………………………………9
5.1主机控制部分………………………………………………………………9
5.2温度采样电路………………………………………………………………10
5.3温度控制电路…………………………………………………………………10
5.4键盘与数值显示电路……………………………………………………………10
5.5无线通信电路……………………………………………………………………11
5.6微机控制及图形显示部分………………………………………………………12
第5节软件设计………………………………………………………………13
第6节测试方法与测试结果…………………………………………………14
第7节设计总结………………………………………………………………15
第8节附录……………………………………………………………………16
第9节参考文献……………………………………………………………17
1.引言
该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、数据处理、到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。
因此，应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。
另外，单片机的使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口提供了可能，而这些功能在常规数字逻辑道路中往往是难以实现或无法实现的。
所以，本例采用以单片机为核心的直接数字控制系统。
本设计的任务与要求为一升水由1kw的电炉加热，要求水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。
主要性能指标:
a.温度设定范围：
30-80℃，最小区分度为0.5℃。
b.控制精度：
温度控制的静态误差≤0.5℃。
c.用12864液晶实时显温度值。
扩展功能:
a.有无线通信功能，主控模块可接受上位机模块发送的设定温度，也可以实时把水温数据发送给上位机模块。
b.采用PID算法加bangbang算法联合控制，实现当设定温度与环境温度突变时，减小系统的调节时间和超调量。
c.上位机能自动显示水温随时间变化的曲线。
d.能用外部存储每次设定的温度值，能实现掉电存储数据功能。
2．方案论证
2．1总体方案论证
（1）方案一：
此方案是采用传统的模拟控制方法（方案框图如图2-1-1），选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或者不加热。
器特点是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定。
系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法，而且不易实现对系统的控制及对温度的显示，人机交换性能差。
图2-1-1模拟控制框图
（2）方案二：
采用单片机C8051F340为核心。
采用了温度传感器DS18B20采集温度值，通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。
使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。
该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。
以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。
另外，单片机的使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及无线通讯，而这些功能在常规数字逻辑道路中往往是难以实现或无法实现的。
所以，本例采用以单片机为核心的直接数字控制系统。
比较两种方案，方案二明显的改善了方案一的不足及缺点，并具有控制简单、控制温度精度高的特点。
因此本设计电路采用方案二。
2．2模块方案论证
本电路以单片机为基础核心，系统由温度采样模块、加热控制模块、系统主模块及键盘显示摸块、无线传输模块等五大模块组成。
现将各部分主要元件及电路做以下的论证：
2.2.1控制方法论证
由于水温控制系统的控制对象具有热存储能力大，惯性也较大的特点。
水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。
一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会推迟一段时间，使输出与输入之间产生相移。
对于这样一些存在大的滞后特性的过渡过程控制，一般来说可以采用以下几种控制方案：
a.输出开关量控制
对于惯性较大的过程可以简单地采用输出开关量控制的方法。
这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态：
开关或者通断，因此控制过程十分简单，也容易实现。
但由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因此容易硬气反馈回路产生振荡，对自动控制系统会产生十分不利的影响，甚至会因为输出开关的频繁动作而不能满足系统对控制精度的要求。
因此，这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。
b.比例控制（P控制）
比例控制的特点是控制器的输出与偏差成比例，输出量的大小与偏差之间有对应关系。
当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡时间短，但过程终了存在余差。
因此它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围内变化的系统。
使用时还应注意经过一段时间后需将累积误差消除。
c.比例积分加微分控制（PID控制）
比例积分加微分控制的特点是微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成正比例,它对克服对象的容量滞后有显著的效果。
在比例基础上加上微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差。
因此，PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。
d.比例积分加微分控制（PID控制）加bangbang算法
在PID控制的基础上，加了一些条件限制，譬如说：
如果设定温度大于当前检测温度的一定值时，采取占空比100%加速；当设定温度与当前检测温度很接近时，停止加热，不用PID控制，这样的话效果更好，更有利减小震荡。
因此，本系统可以采用PID加bangbang算法的控制方式，以最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。
2.2.2系统组成论证
就控制器本身而言，控制电路可以采用急经典控制理论和常规模拟控制系统实现水温的自动团结。
但随着计算机与超大规模集成电路的迅速发展，以现代控制理论和计算机为基础，采用数字控制、显示、A/D与D/A转换，配额后执行器与控制阀构成的计算机控制系统，在过程控制过程中得到越来越广泛的应用。
由于本例是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。
因此，应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。
另外，单片机的使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及无线通讯接口提供了可能，而这些功能在常规数字逻辑道路中往往是难以实现或无法实现的。
所以，本例采用以单片机为核心的直接数字控制系统（DDC）。
2.2.3单片机系统选择
方案一：
AT89C2051、AT89C51单片机是最常用的单片机，是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器。
AT89C2051与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能，功能强、灵活性高而且价格低廉。
AT89S51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低了系统成本。
只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给拥护。
系统运行中需要存放的中间变量较少，可不必再扩充外部RAM。
可用AT89C2051来管理4*4矩阵键盘和8个数码管显示，并通过串口与AT89C51通信；
而用AT89C51来实现温度的采集、运算，并控制锅炉加热。
方案二：
C8051F330、C8051F340单片机使用高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）；全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；真正10位200ksps的16通道单端/差分ADC，带模拟多路器；高精度可编程的25MHz内部振荡器；4个通用的16位定时器；具有3个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）；片内上电复位、VDD监视器和温度传感器；一个具有增强波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口。
C8051F330、C8051F340具有很高的性价比，并且调试很方便，所以我们采用了C8051F340作为主控系统的核心，管理按键、液晶显示、无线发射等等；C8051F330作为上位机无线模块的核心，负责当前温度数据的接受、设定温度数据的发射。
比较以上二种方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用方案二。
2.2.4温度控制方案论证
方案一：
采用热敏电阻，选用此类元器件有价格便宜的优点，但由于热敏电阻的非线性特性会影响系统的精度，对于一个精度要求高的系统不宜采用。
方案二：
选用美国AnalogDevices公司生产的二端集成电流传感器AD590，此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点。
其测量范围在-50℃--+150℃，满刻度范围误差为±0.3℃，当电源电压在5—10V之间，稳定度为1﹪时，误差只有±0.01℃，其各方面特性都满足此系统的设计要求。
方案三：
数字温度传感器DS18B20，美国DALLAS公司生产，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
测温范围－55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃；测量结果以9~12位数字量方式串行传送；独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
工作电源:
3~5V/DC。
比较以上三种方案，方案三具有明显的优点，因此此次设计选用方案三。
2.2.5键盘显示电路论证
控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，所以此部分电路设计的好坏直接影响到电路的好坏。
方案一：
采用可编程控制器8279与数码管及地址译码器74LS138组成，可编程/显示器件8279实现对按键的扫描、消除抖动、提供LED的显示信号，并对LED显示控制。
用8279和键盘组成的人机控制平台，能够方便的进行控制单片机的输出。
方案二：
直接采用4*4薄膜按键和12864液晶显示。
单片机端口引出8个口，对4*4薄膜按键进行循环扫描，方便、简单、实用，但会占用一定的CPU负荷；显示部分直接用12864液晶显示，人机界面友好，显示方便。
方案一虽然也能很好的实现电路的要求，但考虑到电路设计的成本和电路整体的性能，以及c8051f340强大的处理能力。
我们采用方案二。
2.2.6无线模块方案论证
方案一：
采用nRF24L01无线传输模块。
nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。
内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA。
接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。
方案二：
采用nRF905无线传输模块。
nRF905单片无线收发器是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压为1.9-3.6V，工作于433/868/915MHz3个ISM频道（可以免费使用）。
它的传输距离往往要比nRF24L01的传输距离要远的多。
基于各方面的考虑，采用方案二。
3．总体设计
本设计以C8051F340单片机为核心，采用了温度传感器DS18B20，可控硅BTA12及PID算法对温度进行控制,并通过无线模块NRF24L01把温度数据传送到上位机模块，并在电脑上显示温度曲线。
该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。
本设计实现了水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及无线数据通讯，系统由温度采样模块、加热控制模块、系统主模块及键盘显示摸块、无线传输模块等五大模块组成。
本系统的特点在于温度数据的无线传输和在PC机上实时显示温度变化曲线。
如下图：
图3-1系统框图
4．硬件电路设计与计算
本电路总体设计包括五部分：
温度采集电路、液晶显示电路、存储模块电路、无线传输模块电路、4*4矩阵键盘、电炉加热模块、微机控制及图形显示。
4．1主机控制部分
此部分是电路的核心部分，系统的控制采用了单片机c8051f340。
单片机c8051f340内部有40个I/O口线（所有口线均耐5V电压）；充足的内部RAM和ROM资源；12MHz的内部晶振。
因此系统不必扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。
图4-1C8051F340引脚图
4．2温度采样电路
数字温度传感器DS18B20，测温范围－55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃；测量结果以9~12位数字量方式串行传送；独特的单线接口方式。
电路图如图4-2-1
图4-2-1温度采样原理图
4．3温度控制电路
此部分电路主要由光电耦合器MOC3041和双向可控硅BTA12组成。
MOC3041光电耦合器的耐压值为400v，它的输出级由过零触发的双向可控硅构成，它控制着主电路双向可控硅的导通和关闭。
100Ω电阻与0.01uF电容组成双向可控硅保护电路。
控制部分电路图如图（4-3-1）。
图4-3-1
4．4键盘与数字显示部分
在设计键盘/显示电路时，直接采用4*4薄膜按键和12864液晶显示。
单片机端口引出8个口，对4*4薄膜按键进行循环扫描，方便、简单、实用；显示部分直接用12864液晶显示，人机界面友好，显示方便。
键盘/显示接口电路如图4-4-1和图4-4-2。
图4-4-1键盘部分电路
图4-4-212864液晶显示电路
4．5无线传输模块电路
采用nRF24L01无线传输模块，工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA。
接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。
无线传输模块电路如图4-5。
图4-5无线模块电路
4．6数据存储模块电路
图4-6数据存储模块
4．7微机控制及图形显示部分
为了使系统具有更好的人机交换界面，在系统设计中我们通过C++Builder语言设计了微机控制界面。
通过系统与微机的通信大大的提高了系统的各方面性能。
由于单片机c8051f330串行口为TTL电平，而PC机为RS232电平，因此系统采用了USB转串口模块CP2102与上位机进行通信。
图4-7无线温度上位机监控系统
图4-7所示微机控制界面，具有温度控制及显示的功能。
左边的窗口能实时显示当前日期和温度值。
右边的主窗口实时显示水温随时间变化的曲线。
单片机与上位机通信的串口号与波特率可调。
上位机还能发送设定温度给C8051F330单片机，从而通过无线传输模块发送给系统主板。
5．软件设计
5．1水温主控板和无线接受模块流程图
图5-1水温主控板程序流程图图5-2无线接受模块流程图
6．测试方法与测试结果
6．1系统测试仪器：
DH1718E-5双路跟踪稳压稳流电源
TektronixTDS1002数字示波器
C8051f系列仿真器
数字万用表
长城电脑一台
温度计、调温电热杯、秒表
6．2测试方法：
（1）在调温电热杯中放入1升清水，电热杯和控制系统相连，给系统上电，系统进入准备工作状态。
（2）用温度计测量及调节水杯中清水，水稳为30℃，给系统调零。
分别设定温度为40℃、50℃、60℃、70℃、80℃，观察设定温度和实际温度，并记录数据。
填写表6-1。
（3）观察水温变化的动态情况，并记温度稳定的时间。
填写表6-2。
6．3测试结果
（1）给定温度与实测温度的数据对比如表6-1
表6-1误差分析表
设定温度（℃）
实测温度（℃）
绝对误差（℃）
相对误
差（％）
设定温度（℃）
实测温度（℃）
绝对误差（℃）
相对误
差（％）
1
30.0℃
30.0℃
0℃
0％
4
60℃
60.3℃
0.3℃
0.50％
2
40.0℃
39.9℃
-0.1℃
0.25％
5
70℃
70.3℃
-0.3℃
0.43％
3
45.0℃
45.2℃
0.2℃
0.44％
6
80℃
80.2℃
0.2℃
0.25％
从表6-1中的数据可知，系统的误差基本稳定在正负0.2℃能很好的满足系统的设计要求。
（2）温度稳定和时间的关系
设定温度为50℃，每隔30s记录实测温度如表6-2
表6-2温度稳定速度关系表（设定温度50℃）
测量时间（分）
0.5分
1分
1.5分
2.0分
2.5分
3.5分
4.0分
实测温度℃
30.0℃
33.4℃
38.3℃
43.5℃
47.1℃
49.3℃
51.8℃
测量时间（分）
4.5分
5.0分
5.5分
6.0分
6.5分
7.0分
7.5分
实测温度℃
52.2℃
52.0℃
51.6℃
51.0℃
50.4℃
50.1℃
50.0℃
从表6-2中的数据可知，系统运行6分钟时系统基本达到稳定。
由微机逐点采样所的曲线图如图6-3所示
图6-3温度变化图
7．设计总结
在此次水温控制系统的整个设计过程中，我遇到了很多的问题，但最后还是一一解决了。
我自学了C++Builder软件，并编写了上位机显示界面；自学了PID算法，并成功的运用到了水温控制系统中；自学了无线通信和串口通信，并通过一些简单的协议，实现了双向通信。
目前，我的水温控制系统还有一些小的缺陷，如怎样进一步缩短调控周期，怎样进一步减小温度超调。
我想可以尝试着一些新的算法，如模糊PID算法等等。
8.附录
附一：
系统原理图
附二：
水温主控板PCB图
附三：
温度加热控制模块
附四：
实物图
9.参考文献
《全国大学生电子设计竞赛单片机应用技能精解》蓝和慧清华大学出版社2009.4
《全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编》北京理工大学出版社2007.2
《C程序设计》谭浩强清华大学出版社2005.7
《单片机原理与应用》张鑫电子工业出版社2009.6
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