温控测量系统设计.docx
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温控测量系统设计
目录
摘要I
关键词I
AbstractI
KeywordsI
1前言1
2方案设计与论证3
2.1总体设计方案及论证3
2.2温度传感器模块选择4
2.3CPU方案的选择5
2.4加热方案和功率电路的选择5
3.硬件电路设计与计算6
3.1温度采集电路6
3.2功率控制电路8
3.3单片机控制部分9
3.4、键盘及数字显示部分10
4软件设计及程序流程图11
4.1PWM波的产生11
4.2主系统程序流程图12
5.测试方法和测试结果13
5.1系统测试仪器及设备：
13
5.2测试方法14
5.3测量结果14
6设计总结14
参考文献15
致谢16
附录：
17
温控测量系统设计
摘要
本设计是以AT89S52单片机为控制核心的水温控制系统。
该系统由温度感器18B20对温度进行采集并传送给单片机，温度实时控制采用定时器控制PWM波算法，通过脉宽调制控制电炉加热，最终实现水温的恒定。
该系统具有温度超调量小、调节时间短、静态误差小、测量精确、恒定温度与设定温度偏差小等优点，且采用键盘控制1602液晶显示，控制方便、显示直观。
关键词
水温控制；PWM方波；算法；超调量；调节时间
TemperatureMeasurementSystemDesign
Abstract
ThisdesignistheAT89S52SCMascontrolcoretemperaturecontrolsystem.ThissystemconsistsoftemperatureSensorsfortemperature18B20collectionandsendittothemicrocontroller,temperaturereal-timecontroladoptsPIDalgorithmincrement,throughthePWMcontrolofelectricheating,finallyrealizestheconstanttemperature.Thesystemhasatemperaturesmallovershootsandshortsettingtime,staticerrorissmaller,measurementprecision,constanttemperatureandsettingtemperaturedeviationadopted,andtheadvantagesofsmallkeyboardcontrol1602LCDdisplay,controlconvenient,directdisplay.
Keywords
Watertemperaturecontrol；PWMsquare-wave；algorithm；overshoots；adjustingtime
1前言
温度是我们日常生活中最为熟悉的物理量，是极为重要而又普遍的热工参数之一，温度的检测与控制在工程控制领域中也屡见不鲜。
随着计算机技术、测量仪器和控制技术的高速发展[1],现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，应用了越来越多的先进测量控制技术、设备和方法.在这些众多的先进测量控制技术中,如何对水温进行控制成为焦点课题之一,为越来越多的科研机构所重视[5]。
如何更快、更准确的控制所需的温度是温度控制技术的关键。
温度控制无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，而当今,我国农村锅炉取暖、农业大棚、养鸡场内等多数都没有温度监控系统，部分厂矿、企业还一直沿用简单的温度设备和纸质数据记录仪，无法实现温度数据的测量与控制[3]。
随着社会经济的高速发展，越来越多的生产部门和生产环节对温度控制精度的可靠性和稳定性等有了更高的要求，传统的温度控制器的控制精度普遍不高，不能满足对温度要求较为苛刻的生产环节[7]。
特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对水温的控制，在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对加热炉炉温进行测、显示、控制，使之达到工艺标准，本系统设计一个以单片机为核心的水温监控系统，能在一定的范围内采集监控水温，控制精度有所提升，同时具有较好的快速性，报警，LCD液晶显示等功能并且价格低廉，具有很高的工程应用价值和现实意义[4]。
目前国内温度监控系统的研究正在飞速的发展，被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域等方面，但对温度要求比较严格的场合，我国的设备根本无法胜任,更提供不了具有建设性的、有价值决策的数据[6]。
设计还可以通过串口与上位机（电脑）连接，实现电脑控制。
系统设计有体积小、交互性强等优点。
为了实现高精度的水温控制，通过控制双向可控硅改变电炉和电源的接通、断开，从而改变水温加热时间的方法来实现对水温的控制[2]。
本系统由键盘显示和温度控制两个模块组成，通过模块间的通信完成温度设定、实温显示、水温升降等功能[9]。
具有电路结构简单、程序简短、系统可靠性高、操作简便等特点。
而国际上新型温度监控器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。
另一方面智能温度监控器正朝着低功耗、智能化、高精度、安全性及研制测温系统等高科技的方向迅速发展。
在现代化的建设中，能源的需求非常大，然而过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源的巨大浪费。
我国的能源利用率极低，所以实现温度控制的智能化，有着极为重要的实际意义[8]。
自20世纪70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动化控制理论和设计方法发展的推动下，温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定方面取得一定成果[2]。
而当今，随着电子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，计算机和传感器的价格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技术来实现水温控制并提高控制的精确度不仅是可以达到的而且是容易实现的。
用高新技术来解决工业生产问题，排除生活用水问题，实施对水温的控制已成为我们的任务，以此来加强工业化建设，提高人民的生活水平。
本设计中采用了单片机可实现的PWM方波控制算法，此算法控制灵活，精度高一直被使用与各中工程控制领域[10]。
此系统通过键盘输入，串行数据传输，脉宽调制，实现温度设定、显示、控制，并通过串口扩展，能与PC机通讯，增强了系统的可控性和移植性。
2方案设计与论证
2.1总体设计方案及论证
根据题目要求设计制作一个水温控制系统，对象为一升净水，加热器为1KW的电炉。
要求能在35℃--95℃范围内设定控制水温，并具有较好的快速性和较小的超调，具有参数、波形显示等功能。
因此我们采用AT89S52单片机为核心。
由温度传感器采集温度变化信号，通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。
使用该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。
系统原理框图如图2.1所示。
图2.1水温控制系统原理图
2.2温度传感器模块选择
方案一：
选用铂电阻温度传感器，此类温度传感器在各方面特性都比较优秀，但其成本较高。
方案二：
采用热敏电阻，可满足35℃--95℃的测量范围，但热敏电阻精度、重复性和可靠性都比较差，对于检测精度小于1℃的温度信号是不适用的。
方案三：
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℃。
方案四：
采用数字温度传感器DS18B20。
DS18B20是支持一线总线接口的温度传感器，具有抗干扰性强，体积小，灵活经济的特点。
它的测量温度范围为-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范围内，精度为±0.5℃且有9~12位分辨率可调，使用电压为3~5V无需备用电源。
此外DS18B20集合了64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器，可以直接实现温度的测量和转换，无需再另接外部电路。
比较以上三种方案，方案四具有明显的优点，因此此次设计选用方案四。
2.3CPU方案的选择
方案1：
可以用逻辑电路搭建一个控制器，实现PID控制。
但系统还要附加显示、温度设定等功能，要附加很多电路，总体的电路设计和制作比较繁琐。
方案2：
采用8031芯片，其内部没有程序存储器，需要进行外部拓展，这给电路增加了复杂度。
方案3：
本方案的CPU模块采用2051芯片，其内部有2KB单元的程序存储器，不需要外部拓展程序存储器，但由于系统用到较多的I/O口，因此此芯片的资源不够用。
方案4：
采用AT89S52单片机，其内部有8KB单元的程序存储器，不需要外部扩展程序存储器，而且其I/O口达32个，完全满足本次设计需要。
比较这4种方案，综合的考虑单片机各部分资源，由于本设计需采用大量数据采集及处理单元，因此，采用方案4不仅减少了硬件电路，同时提高了最大功率点实时采集速度，精度。
2.4加热方案和功率电路的选择
方案1：
加热的装置，根据题目，可以使用电热炉进行加热，控制电炉的功率岂可控制加热速度。
水温过高时，一般只能关掉电炉，让其自然冷却。
为求更好的控制效果，也可以装置一个小风扇，电炉加热时风扇关闭，水温超高时关闭电炉开启风扇加速散热。
方案2：
可以采用可控硅控制加热器的工作。
通过单片机产生PWM信号来控制可控硅的导通和关断，控制加热器的加热时间，从而控制加热器的功率。
从加热的响应速度考虑，采用方案2。
因为加热的功率较大，故电源采用市电220伏。
3.硬件电路设计与计算
3.1温度采集电路
一种电路是采用单线数字温度传感器18B20，可直接输出数字量，单线器件和单片机的接口只需一根信号线，所以本设计的硬件电路十分简单，容易实现。
能达到0.5ºC的固有分辨率，使用读取温度暂存寄存器的方法能达到0.2ºC以上的精度。
18B20连接电路图如图3.1.1所示。
图3.1.1温度传感器
其基本的通信过程如下：
主机拉低单总线产生至少480us的Tx复位脉冲；然后由主机释放总线，进入Rx接收模式，主机释放总线时会产生一个由低电平变为高电平的上升沿；单总线器件检测到该上升沿后，延时15~60us；单总线器件通过拉低总线60~240us来产生应答脉冲；主机接收到从机的应答信号后，说明有单总线器件在线，然后主机就可以开始对从机进行ROM命令和功能命令操作。
DS18B20直接输出数字量，可直接与单片机进行通信，读取测温数据，电路非常简单。
使用它，主要工作量集中在了单片机编程上。
另一种测温电路采用AD590集成温度传感器，AD590将温度转化为电流信号，但由于AD转换大都需要电压信号，因此还需要通过相应的调理电路，将电流信号转化为电压信号。
AD590测温电路如图3.1.2所示。
图3.1.2AD590测温电路
由于这个电路输出的是电压信号，不能直接被单片机利用，因此需经过一个A/D转换器，将电压信号转换为数字量。
A/D转换器有很多类型，需要根据精度和转换速度来进行选择。
本设计可采用最常用的A/D芯片之一AD0809的应用电路。
也可直接选用带有A/D的单片机，这样可以省去A/D电路的制作，简化了电路，提高了可靠性。
带A/D的单片机有很多型号，如常用的PIC16C711内含有4路8位A/D，C8051F020内含一组8路12位A/D和一组8路8位A/D，凌阳SPCE061A单片机内含有8路10位A/D。
3.2功率控制电路
此部分电路主要由光电耦合器MOC3041和双向可控硅BTA12组成。
以脉宽调制输出控制电炉与电源的接通和断开比例，以通断控制调压法控制电炉的输入功率。
MOC3041的内部集成了发光二极管、过零检测电路和一个小功率双向可控硅。
当单片机PWM输出为1，MOC3041中的发光二极管发光，用于过零检测电路的同步作用，内部的双向可控硅在过零后马上导通，从而使触发双向可控硅BTA16导通，负载中有电流通过，反之当单片机PWM输出为0，双向可控硅截止，负载中没有电流通过。
光电耦合的耐压值为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。
控制部分电路图如下：
图3.2.1功率控制电路
为了实现水温的PID控制，功率放大电路的输出不能是一个简单的开关量，输入电炉的加热功率必须连续可调。
为了实现这个要求和抵抗干扰，我们采用了光耦和双向可控硅来控制。
采用脉宽调制输出控制电炉与电源的接通和断开比例，以通断控制调压法控制电炉的输入功率。
由于负载是550W的电炉，用于控制负载输入功率的双向可控硅应满足负载对工作电压、电流的要求。
工作电压峰值可按下式计算
VP=220×1.414=311（V）（3-8）
工作电流峰值可按下式计算
ΙP=550/220×1.414=1.8（A）（3-9）
因此为了满足应用要求并适当流有余地，双向可控硅可选用BAT12−600，其最大工作电压为600V，电流为12A，足以满足要求。
光耦选择MC3041，它的耐压值为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。
3.3单片机控制部分
此部分是该系统的核心，系统的控制采用了单片机AT89S52。
单片机AT89S52内部有8KB字节的可编程FLASH存储器和256字节的数据存储器。
故系统不必外拓存储器，这样大大减少了系统的硬件电路。
图3.3.1单片机控制部分电路
3.4、键盘及数字显示部分
系统仅采用五个按键来进行温度的控制，分别用作确定加热与否、温度粗加、温度粗减、温度细加、温度细减。
在显示方面，我们采用了LCD1602的液晶显示模块，通过软件编程，方便清晰的以十进制显示设定的温度和实测的温度，在利用键盘对温度进行设定时可以从液晶屏上直接看到，方便直观。
此外，液晶模块的使用也比较简单，只要连接数据总线，选通端口和命令/数据端口即可。
图3.4.1液晶显示模块图3.4.2键盘模块
4软件设计及程序流程图
4.1PWM波的产生
PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用,方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字信号,因为在给定的任何时刻,满幅值的直流供电不是完全有（ON）,就是完全无（OFF）。
电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候,断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够,任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
用单片机做PWM控制电加热器的加热功率请问控制思路可以这么考虑：
加热功率的大小由输出脉冲的占空比决定，占空比大，则加热功率就大。
而输出脉冲的的形成可采用计时方式，即利用内部的定时/计数器产生，可以设置两个定时器，一个为脉冲高电平输出的延时，另一个为低电平输出的延时或整个周期时间的延时。
两个定时/计数器采用中断工作方式，另外设置单片机的某一引脚为脉冲输出通道，当两个定时/计数器定时到后，分别改变这个通道的状态，就可实现PWM脉冲的输出。
T0控制
T1控制
图4.1PWM波的产生
PWM脉冲的占空比就由于两个定时/计数器的定时确定。
而定时的大小则根据检测信号与设定值的偏差，经过PID运算或其它控制规律运算确定。
整个单片机系统主程序是对检测加热温度信号进行周而复始的扫描。
当扫描到有信号输入时（A/D转换芯片送给单片机的），就进行控制规律的比较，需要改变输出脉冲占空比时，将计算后的两个定时/计数器的定时值分别重新送给这两个定时/计数器定时值的存储单元即可。
4.2主系统程序流程图
系统的程序流程如图4.2所示。
图4.2系统程序流程图
5.测试方法和测试结果
5.1系统测试仪器及设备：
220V市电、数字万用表GW-INSTEKGOM-8254
0～100℃温度计、1KW热得快、秒表
5.2测试方法
接上系统的加热装置，装入1L室温的水，设定温控温度。
记录调节时间、超调温度、稳态温度波动幅度填入表中。
5.3测量结果
表5.3测量结果
设定温度/℃
40
50
65
80
超调温度/℃
1.1
0.8
0.2
0.3
稳态误差/℃
0.6
0.4
0.6
0.6
调节时间/min
3.37
5.85
10.05
15.22
结果分析：
由以上测量结果可见，系统性能基本达到了所要求的指标。
在温控指标中，影响系统性能的因素很多，最关键的是加热器本身的物理性质及控制算法。
传感器必须加上防水设施，故温度传感难免迟滞，加热器的加热本身有延迟，水对流传热也会造成测温的延迟，这些都会直接影响系统的控制性能。
控制算法方面，需反复实验比较，在上升时间和超调量之间做权衡，选出综合效果最好的PWM波系数。
6设计总结
本系统设计是以AT89S51单片机为核心，采用软件编程，运用定时器来控制PWM波的产生，继而控制加热器的加热时间来实现温度的控制。
在软硬件的调试过程中，虽然出现了不少问题，但是在老师和同学的指导和帮助下，通过电路检查，程序修改等工作，问题基本上都得到了解决。
在这一次设计过程中，我们了解了很多专业知识，动手能力也得到了提高。
然而，系统还存在着一些问题，如水温达到稳定的时间，还有由于是直接接入220V的市电，当电路一通电，板面温度突然升高，以致烧坏电路板，于是之后我们在电路中加上了散热片；温度传感器DS18B20不能直接浸在水中测温度，故我们将其固定在一导热性相对好的金属筒内，再没入水中测量。
总之，这次毕业设计对我来说是一次比较全面的、富有创造性和探索性的锻炼，完成了我选题时的心愿。
同时，老师无私的敬业精神以及同学们的热情帮助也令我深有感触，对于我今后的学习、工作和生活都将是受益无穷的！
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致谢
我之所以能顺利完成《单片机温控系统设计》的设计与实现，是和指导我的导师是有关。
我首先谢谢我的指导教师高老师。
在整个设计完成期间，从原理上的可行到应用到设计，以及后期软硬件的改进，不管是什么时候遇到困难，只要和高老师一说他就会给我们讲，从不厌其烦。
这一点我深表感谢。
作为一个老师他是负责的，态度是认真的，同时在设计期间我的同学们也给了我很大的帮助，在此对我的同学们表示感谢！
再一个就是我要感谢院方，也就是学院给我们提供这么多的支持。
不管是从老师还是其它的辅助设施上，我深表感谢，给我们带来了极大的方便。
第三我也很感谢论文答辩的各位评委老师，感谢他们在百忙之中抽出时间帮我们答辩。
我心里深深知道不管他们提出什么样的问题，难也好，容易也好，其目的只有一个，那就是帮助我们提高，在这我也想说一声谢谢您们！
谢谢您们帮助我们提高，欢迎你们提出宝贵的意见。
附录：
附录A：
单片机系统原理图
附录B：
功率电路原理图
附录C：
功率电路PCB图
附录D：
单片机系统PCB图
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