2022年水温控制系统 .pdf

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1、20011全国大学生电子设计竞赛论文（山东赛区）题目 : 水温控制系统论文编号：参赛学校：中国海洋大学青岛学院参赛学生：朱洋一林秋宏苏海永指导教师：金余义二一一年八 月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 13 页 - - - - - - - - - 水温控制系统摘要 ： 本水温控制系统是基于ARM 单片机为主控芯片， 键盘输入预设定温度，并在 ZX240128M1A液 晶显 示 屏 上显 示 预 设温 度和 实时 温度。 通 过DS18B20温度传感器对水温进

2、行采样， 将采得的温度数字信号送给单片机，单片机对温度进行 PID 算法，通过改变加热控制方波的占空比达到精确控制温度的目的。本水温控制系统的动态误差2，静态误差 0.2，当实时温度大于设定温度0.2，将通过单片机控制制冷系统进行降温处理，同时实时温度小于预设温度0.2时，将启动加热器进行加热， 并且系统将在 8min 之内达到稳定状态。最后通过显示模块把各个测量结果显示出来，使该系统更加的人性化智能化。关键词 ：ARM 单片机DS18B20温度传感器PID 算法Abstract:Keywords:名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -

3、 - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 13 页 - - - - - - - - - - 1 - 目录引言错误！未定义书签。1 方案论证与设计 . .11.1 温度传感器的选择 .1 1.2 控制器的选择 .1 1.3 显示器的选择 .2 1.4 加热器的选择 .2 1.4 冷却器的选择 .2 2 原理分析与硬件电路图.2 2.1 总体设计与分析 .2 2.2 单元电路分析 .3 2.2.1 温度传感器原理分析 .3 2.2.2 电热杯加热电路设计 .4 2.2.3 制冷器电路设计 .4 2.2.4 键盘电路设计 .4 3软件设计与流程 .44系统测试与误差

4、分析 .54.1 测试环境 .5 4.2 测试方法 . 5 4.3 测试数据 . 6 4.4 结果分析 . 6 5总 结.6参考文献 .7附录. .7名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 13 页 - - - - - - - - - - 2 - 引言现在生产、生活过程中温度是一个极为普遍却又非常重要的参数，在现代石油化工、冶金制造、 电子产品的生产和日常生活中被广泛的应用。在一些特殊的场合，为了保证生产工作的正常进行，提高产品的质量和数量， 以及减轻工人的工作强

5、度、节约能源，要求对加热炉温度进行测量、控制，使之达到工作要求。如何更快、更准确的控制所需的温度是温度控制技术的核心要求，也是本系统要克服的难题。1 方案论证与设计给出总体方案，列举出关键技术，分别对关键技术阐述方案。1.1 温度传感器的选择方案一 ：采用 AD590 温度传感器，其优点是线性好, 精度适中, 灵敏度高, 体积小, 使用方便等。但不足的是要将温度传感器采集的温度值经过AD 转换，才能送给单片机进行处理，另外AD590 的价格较高。方案二采用 DS18B20 数字温度传感器对水温进行采样，无需进行AD 转换，可直接送给单片机进行处理。DS18B20 测温范围大， 固有测温分辨率高

6、，使用方便，且价格较低，且外围电路简单。综合比较以上两种方案，本系统采用方案二。1.2 控制器的选择方案一 ：采用常用的 51 系列单片机进行控制。此方案优点是成本低，运用比较广泛， 容易上手。但是该种单片机能够使用的片内外设资源有限，只能实现一些简单功能， 不能进行在线调试。 本次设计需要用到AD 模块转换， 这是常用的 51 系列单片机所不具备的，且51 系列内存空间小，能用的IO 口比较少，处理速度慢，难以满足设计要求。方案二： 采用 32 位的 ARM1138 作为 RCL 检测电路的核心控制器。 ARM1138具有 32 位的 RSIC 性能，强大的 MCU 控制内核，可以工作在 5

7、0MHz 的频率下，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 13 页 - - - - - - - - - - 3 - 多路中断，并设有内部优先级，处理速度快，并且还有多个GPIO，多个 AD 转换端口等。就整体而言ARM1138 有着更高的性价比，且功耗比较低。综上所述由于 ARM1138 的强大功能和丰富的板载资源，故选择方案二。1.3 显示器的选择方案一 ：采用数码管显示，使用简单、成本低、操作容易。但不能很好、及时的反应所需的数据，而且不能显示字符，有很大的

8、局限性。方案二 ：采用 240128M1AlLED ，功能强大，能显示汉字，读取方便，分辨率高，可显示状态图、功能齐全。为了实时显示温度曲线， 且精确快速的的进行温度控制， 故我们选择方案二。1.4 加热器的选择方案一将：搪瓷器皿直接放在加热炉上进行加热，方便简单，很容易实现，但是缺点是对于加热一升水能源浪费比较大，不能完全有效地利用加热炉， 同时加热炉功率较大，不能很好地精确地控制水温。方案二：用电热杯对一升水进行加热，电热杯功率较小（350W ） ，能够实现很好地精确控制，同时电热杯使用方便，体积小，质量轻，价格便宜。综合比较上面两个方案，本系统选择方案二。1.5 冷却器的选择方案一 ：采

9、用风扇直接降温，其优点是使用方便，容易实现。缺点是降温速度慢，效果不明显，特别是要求温度低于温室时，风扇的效果更小。方案二 ：采用制冷片，优点是降温效果好，体积小，使用方便，而且容易实现，价格也较便宜。由于本系统需要快速精确的控制温度，所以采用方案二。2原理分析与硬件电路图2.1 总体设计与分析该系统控制核心采用ARM1138 单片机，采用 4x4 矩阵键盘作为设定温度的输入，ZX240128M1ALCD 显示数据，采用DS18B20 单线温度传感器， 单片名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - -

10、 - - - - 第 5 页，共 13 页 - - - - - - - - - - 4 - 机通过控制两个继电器，达到控制制冷器和电热杯的目的。另外，在控制温度的时候，单片机将对温度信号进行PID 算法。根据题目要求需要将水温稳定在规定的设定值，而电炉在加热后会产生大量的余温所以在调节中不免需要提前做出预判，所以必须在多次测量实验中选取适当的PID 参数从而可以稳定、 快速的调节到设定值。通过 PID 调节继电器的通断时间比例，调节加热的时间。当前温度与设定值的差值作为PID 的偏差值，运用PID 的计算公式增量式计算方法：U=KP（e(k)-e(k-1)）+Kie(k)+Kd(e(k)-2e

11、(k-1)+e(k-2) ( e(k)本次偏差值， e(k-1)上次偏差值， e(k-2)为上上次偏差值) 在实验中调节 P、I、D 的参数值从而达到稳定的控制系统。总体设计框架图如下图2-1：ARM1138矩阵键盘4x4DS18B20ZX240128M1A液晶继电器 1继电器 2电热杯制冷器图 2-1 2.2 单元电路设计2.2.1 温度传感器原理分析DS18B20 温度传感器采用一总线技术，在使用时需在外部接一个上拉电阻（取经验值4.7K ） ，在总线闲置时为高电平。信息通过单总线接口将数字温度值送入单片机进行处理和显示。其原理图见附录2 DS18B20 的特性：(1)电压范围为3.05.

12、5V ，在寄生电源方式下可由数据线供电。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 13 页 - - - - - - - - - - 5 - (2) 温度使用范围为-55+125 ，在-10+85 时精度为0.5 。(3) 可编程的分辨率为912 位，对应的课分辩温度为0.5、 0.25、0.125 和 0. 0625 ，可实现高精度测量。(4) 具有负电压特性。2.2.2 电热杯加热电路设计电热杯加热电路图见附录3：当水温低于预设温度时，单片机的的引脚PC4将输出高

13、电平，三极管8050 导通，从而接通固态继电器回路，继电器工作，使电热杯与220V 交流电形成通路，对水进行加热。2.2.3 制冷器电路设计制冷器加热电路图见附录4：当水温超过预设值时，单片机引脚PC5输出高电平，三极管8050 导通，从而接通固态继电器回路，使制冷器与12V 直流电形成通路工作，对水进行降温。2.2.4 键盘电路设计键盘电路图见附录图5: 4x4 键盘通过采用ZLG7290 芯片驱动，当键盘被按下时，ZLG7290 芯片的引脚产生一个低电平的中断申请信号，当读走键值后，中断信号就会自动撤销。而且该芯片有自动防抖的功能，抗干扰能力强，在工业测控中以大量使用。键盘的功能表如下2-

14、2-4：列行一二三四一1 2 3 4 二5 6 7 8 三9 0 . 确定四清除- - - 表 2-2-4 3软件设计与流程软件部分本方案采用模块化程序设计流程，将程序分块运行， 具体分为主程名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 13 页 - - - - - - - - - - 6 - 序模块，键盘控制模块，加热和冷却控制模块，显示模块等。软件实现的功能：读取水温最小区分度为 0.1。在LED 上显示设定值与当前值并用键盘更改设定值。自动控制散热和加热器的运行状

15、态使温度达到稳态设定值。主程序的流程图如下图3-1：系统初始化界面设定按键扫描液晶显示当前值 预设值 ?冷却器当前值 预设值？加热器温度采集结束开始程序流程图 3-1 4系统测试与分析4.1 测试环境时间： 2011 年 8 月 20 日温度： 28 地点： 室内4.2 测试方法首先断开电源，往电热杯中加入1L 一定温度的水，连接好装置。保护环境名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 13 页 - - - - - - - - - - 7 - 温度不变， 接通电源，

16、在一定范围内任意设置目标温度，启动控制系统，观察液晶上显示的数据，并记录相关数据。4.3 测试数据1)根据调试电路测得数据如下表：当前温度设定温度稳定时间最大超调量温度变化范围32.2 38.0 6.30min 0.3 37.8 38.233.3 38.0 6.25min 0.4 37.8 38.235.5 45.0 6.89min 0.6 44.8 45.234.3 45.0 6.86min 0.4 44.8 45.233.3 49.0 7.25min 0.5 49.8 50.238.7 53.0 7.33min 0.4 52.8 53.234.6 54.0 7.89min 0.6 53.8

17、 44.235.3 55.0 7.77min 0.5 54.8 55.24.4 结果分析由以上测量数据可见， 系统性能基本上达到了所要求的指标。静态测温的精度主要由 DS18B20决定。可见对 DS18B20的精度要求比较高， 这里采取了读取温度寄存器的办法，测温精度达到0.1,比较符合系统的要求。在温控指标中，影响系统性能的因素非常多，最关键的是加热系统本身的物理性质及控制方法。由于传感器必须加上防水措施，因此温度传感器难免会有迟滞，再加上加热器加热后余温的不确定性也回造成温度的波动，这些都会直接影响系统的控制性能。控制算法方面， 需反复的实验比较， 在上升时间和超调量之间的做权衡，选出较好

18、的 PID 系数。5总 结经过几天的设计， 我们终于成功实现了题目要求的基本功能和发挥功能，同时还加入了自己的创新部分。本次设计大赛给了我们一个学以致用的良好机会，也激发了我们的创新思维。 在这此设计竞赛中， 我们遇到了许多困难和障碍， 但也学到了许多经验和教训， 除此之外我们获得的其它财富便是克服困难的信心和勇气，这在以后遇到更加棘手的困难时将显示其作用。当然，我们的设计还存在名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 13 页 - - - - - - - - -

19、- 8 - 一些小的问题， 还有待改进， 在此要感谢我们的指导老师。也在此恳请各位评委批评指正。参考文献1 华成英等 M模拟电子技术基础 （第四版）高等教育出版社2 阎石 M数字电子计数基础 （第五版）高等教育出版社3 周立功等M 深入浅出 ARM7-LPC213X/214X（上册）北京航空航天大学出版社4 周立功等M 深入浅出 ARM7-LPC213X/214X（下册）北京航空航天大学出版社5 谭浩强M C 语言程序设计 （第二版）清华大学出版社6 孙传友等M 感测技术基础（第二版）电子工业出版附录名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - -

20、- - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 13 页 - - - - - - - - - 论文题目 (五号字 ) 1 附录 1 ARM1138 最小系统附录 2 温度传感器原理图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 13 页 - - - - - - - - - 论文题目 (五号字 ) 2 附录 3 电热杯加热电路图附录 4：制冷器电路图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 13 页 - - - - - - - - - 论文题目 (五号字 ) 3 附录 5 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 13 页 - - - - - - - - -