整理014年吉林省大学生电子设计竞赛1Word格式文档下载.docx
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线路简单信号距离远支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温。
DS18B20测温范围为测温范围－55℃～+125℃，固有测温误差0.5℃。
经过比较，AD590D外围电路更复杂而且价格更贵，所以选择方案二。
1.2温度控制模块的论证与选择
可控硅称为晶体闸流管是一种半控器件，可控硅可以是单向的，也可以是双向的，可以过零触发也可以移相触发，应用于交流电的功率控制有两种形式：
控制导通的交流周期数达到控制功率的目的；
控制导通角的控制交流功率。
由交流过零检测电路输出方波经适当延时控制双向可控硅的导通角，延时时间即移相偏移量由温度误差计算得到。
可以实现对交流电单个周期有效值周期性控制，保证系统的动态性能指标。
该方案电路稍复杂，需使用光耦合驱动芯片以及变压器等器件。
但该方案可以实现功率的连续调节，因此反应速度快，控制精度高。
固态继电器除了包括功率开关器件组成的开关电路，还包括耦合电路,触发电路等。
使用继电器可以很容易地实现通过较高的电压和电流,通过查资料知道继电器无需外加光耦，自身即可实现电气隔离。
这种电路无法精确实现电热丝功率控制，电热丝只能工作在最大功率或零功率，对控制精度将造成影响。
但可以由多路加热丝组成功率控制，由单片机对温差的处理实现分级功率控制提高系统动态性能。
基于以上分析以及现有器件限制选择方案二，采用继电器控制，在软件上选用适当的控制算法，同样可以达到较好的效果。
1.3显示模块的论证与选择
方案一：
采用三个LED八段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。
数码管一般只适合数字显示，占用IO多，但显示亮度高，成本低。
数码管具有低能耗，低损耗，寿命长，耐老化，对外界环境要求低。
但LED八度数码管引脚排列不规则，动态显示时要加驱动电路，硬件电路复杂。
采用带有字库的12864液晶显示屏。
12864液晶显示屏（LCD）具有功耗低、轻薄短小无辐射危险，平面显示及影像稳定，不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强。
同时，12864显示数字量大，相对来说程序电路较复杂，带有字库，编程容易，且具有多种功能：
光标显示、画面移位、睡眠模式，增加可读性，降低功耗。
影像稳定，不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强。
同时，12864带有字库，编程容易，且具有多种功能：
通过以上比较，可以看出采用12864液晶显示屏更适合，所以方案二更适合。
1.4主控模块的论证与选择
采用电脑可实现在线编程仿真的功能，让调试变得更方便，但电脑的输出信号不能直接与DS18B20通信，需要经过电平转换兼容，硬件合成在线调试，较为复杂，不易实现。
模拟放大器组成的PID控制系统。
对于水温控制系统是足够的。
但要附加显示，温度设置等功能，附加电路较多，且反应速度慢。
方案三：
采用STC89C51单片机作为控制器。
单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可通过编程实现各种各样算数算法和逻辑控制。
可以实行对多个DS18B20的控制，可与计算机通信实现温度采集。
本身带有定时/计数器，可以用来定时、计数。
通过以上比较，采用方案三更适合。
2系统理论分析与计算
2.1功能模块的分析
2.1.1温度采集部分
低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值得累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
2.1.2温度控制部分
此部分电路主要由继电器控制。
采用一个继电器控制加热，对于加热系统，继电器的两输出端220V的交流电，通过控制继电器的闭合来控制电热丝是否加热；
继电器的交流耐压值为250V，直流耐压值为36V，均满足要求。
在继电器的输入端各接一个反向二极管，起到保护电路的作用。
控制部分电路图如图1-2所示
2.1.3键盘及数字显示
在设计键盘/显示电路时，我们使用单片机STC89C51作为电路控制的核心，单片机STC89C51具有一个全双工的串行口，利用此串行口能够方便的实现系统的控制和显示功能。
键盘部分，为了便于编程，采用独立键盘；
显示部分采用更加友好的人机交互界面12864液晶显示。
键盘/显示接口电路如图3-4所示
2.1.4单片机控制部分
1.STC89C51功能描述
此部分是电路的核心部分，系统的控制采用了单片机STC89C51。
单片机STC89C51内部有8KB单元的程序存储器及256字节的数据存储器。
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。
2.电路引脚图功能如下：
：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反相放大器的输出。
2.1.5报警电路部分
2.2DS18B20的精度计算
2.3超声波测距
2.3.1超声波测距的算法设计
由距离计算公式：
d=s/2=（vt）/2,其中d是被测物与测距器的距离；
s是超声波的来回路程，v是超声波在当前温度下的速度，t是发送和接收超声波所经历的时间。
2.3.2超声波测距原理图
障碍物
2.3.3超声波主程序算法设计
主程序首先要对系统环境初始化，设置定时器工作模式为16位定时、计数器模式，置位中断允许位EA并对显示端口P0和P2清0；
然后调用传送到接收器引起的直射波触发，需要延迟0.1ms后才打开外中断0，接收返回的产生波信号。
由于采用12MHZ晶振，计数器每记一个数就是1us,取20℃时的超声波传输速度v=344m/s则d=（vt）/2=（172T0/106）m=（172T0/10000）cm,测出距离后，结果以十进制BCD码方式送往LCD,然后再发出超声波脉冲重复测量。
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图3-1所示，
3.1.2子系统框图与电路原理图
1、报警子系统框图
2、报警子系统电路图
图3-1报警子系统电路
3.1.3温度检测控制子系统框图与电路原理图
1、显示模块子系统框图
2、显示模块子系统电路图原理图
3.1.4温度控制模块子系统框图与电路原理图
1.温度控制模块子系统框图
2.温度控制子系统电路图
图3-2温度控制子系统电路图
3.1.5电源
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。
为整个系统提供
5V或者
12V电压，确保电路的正常稳定工作。
这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现温度采集、温度控制、液面测距、液晶显示。
1）温度采集：
温度采集电路通过BS18B20实现将温度以数字量形式传给单片机。
2）温度控制：
单片机结合现场温度与设定的目标温度，控制继电器开通和关断，决定加热电路的工作状态，使温度稳定于用户设定的目标值。
3）液面测距：
4）液晶显示：
能显示设置温度，测试温度，设置液面高度，测试液面高度，液面上下限。
2、程序设计思路
首先温度采集电路通过BS18B20实现将温度以数字量形式传给单片机，通过显示屏显示温度；
在温度控制方面，当显示温度低于预设温度时，蜂鸣器报警，单片机结合现场温度与设定的目标温度，控制继电器开通和关断，决定加热电路的工作状态，使温度稳定于用户设定的目标值；
运用超声波测距，屏幕显示距离，低于或高于液面上下限，蜂鸣器报警。
3.2.2程序流程图
2、显示模块子程序流程图
3、温度采集子程序流程图
4、
测液高度子程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
4.1.1继电器测试
⑴测触点电阻
用万能表的电阻档，测量常闭触点与动点电阻，其阻值应为0；
而常开触点与动点的阻值就为无穷大。
由此可以区别出那个是常闭触点，那个是常开触点。
⑵测线圈电阻
可用万能表R×
10Ω档测量继电器线圈的阻值，从而判断该线圈是否存在着开路现象。
⑶测量吸合电压和吸合电流
找来可调稳压电源和电流表，给继电器输入一组电压，且在供电回路中串入电流表进行监测。
慢慢调高电源电压，听到继电器吸合声时，记下该吸合电压和吸合电流。
为求准确，可以试多几次而求平均值。
⑷测量释放电压和释放电流
也是像上述那样连接测试，当继电器发生吸合后，再逐渐降低供电电压，当听到继电器再次发生释放声音时，记下此时的电压和电流，亦可尝试多几次而取得平均的释放电压和释放电流。
一般情况下，继电器的释放电压约在吸合电压的10~50％，如果释放电压太小（小于1/10的吸合电压），则不能正常使用了，这样会对电路的稳定性造成威胁，工作不可靠
4.1.2DS18B20的测试
由于DS18B20测温精度可达
º
C，基本能够达到设计要求。
在此使用了测温精度为
C的高精度水银温度计，精确测量水温。
测量方式：
断开系统的加热装置，装入一定温度的水，保持环境温度和其测量条件不变，利用标准的温度计测量水温，于系统给出的温度相比较。
测量仪器：
水银温度计，500W热得快，环境温度
C。
测量结果：
如下表所示
标准温度（º
C）
84
77
74
68
66
65
55
50
40
测量温度（º
83.5
76.5
74.1
68.9
66.9
65.8
55.5
49.8
39.8
误差（º
0.5
意愿调查评估法（简称CV法）是指通过调查等方法，让消费者直接表述出他们对环境物品或服务的支付意愿（或接受赔偿意愿），或者对其价值进行判断。
在很多情形下，它是唯一可用的方法。
如用于评价环境资源的选择价值和存在价值。
0.1
0.9
2.早期介入原则；
0.8
（二）安全预评价范围0.2
（2）安全验收评价。
0.2
建设项目环境影响评价技术服务机构（以下简称“环评机构”）应当按照《建设项目环境影响评价资质管理办法》的规定申请建设项目环境影响评价资质（以下简称“环评资质”），经国家环境保护部审查合格，取得《建设项目环境影响评价资质证书》后，方可在环评证书规定的资质等级和评价和范围内从事环境影响评价技术服务。
通过安全预评价形成的安全预评价报告，作为项目前期报批或备案的文件之一，在向政府安全管理部门提供的同时，也提供给建设单位、设计单位、业主，作为项目最终设计的重要依据文件之一。
误差分析：
由于热得快加热时，加热区主要集中在其上部，造成受热不均，而测量点又不能取到完全相同。
2）间接使用价值。
间接使用价值（IUV）包括从环境所提供的用来支持目前的生产和消费活动的各种功能中间接获得的效益。
在此误差均在1（º
C）以内，且没有规律性，所以不再软件补偿温度值
、软件仿真测试
3、硬件软件联调
（一）环境影响评价的概念4.2测试条件与仪器
测试条件：
检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
（二）安全评价的基本原则测试仪器：
高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。
环境，是指影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体。
4.3测试结果及分析
2V档信号测试结果好下表所示：
（单位/V）
信号值
0.2050
0.2100
0.2045
0.4026
1.007
1.542
1.669
1.999
显示
0.2051
0.2044
1.006
4.3.1测试结果（数据）
（1）测试结果
对本温控系统进行各种环境、各种条件下测试得到数据，经分析可以得到以下结论：
我们的系统完全满足设计要求，标定温差<
=0.5摄氏度，调节时间350秒；
静态误差<
=0.2摄氏度，最大超调量0.5摄氏度。
（2）测试结果分析
该系统具有较小的超调值，超调值大约为1.6%左右。
虽然超调为不利结果，但另一方面却减小了系统的调节时间，从其曲线可以看出该系统为稳定系统。
4.1温度数据采集测试记录
在本系统中，温度数据的采集是最重要的部分，数据的准确度将直接影响到系统的可靠性。
在测试的时候选用DS18B20测试温度作为基准温度。
测试并记录数据如表一。
表一温度数据采集测试记录
DS18B20实测显示值（℃）
系统显示值（℃）
误差（℃）
由上表可知，低温测量的时候实际温度与系统温度的误差在1℃以内。
综上所述此测温方法可以满足系统的需要。
4.2高度测试数据记录
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据，XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX，由此可以得出以下结论：
1、
2、
3、
综上所述，本设计达到设计要求。
附录1：
电路原理图
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