畢業(yè)論文水溫控制系統(tǒng)

1、畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 專 業(yè)： 計算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 系 別： 指導(dǎo)教師： 指導(dǎo)系部： 年 月 日 水溫控制系統(tǒng)水溫控制系統(tǒng) 專業(yè)：計算機(jī)系計算機(jī)應(yīng)用 班級：班 姓名： 指導(dǎo)教師： 摘要摘要： 該系統(tǒng)由液晶屏顯示模塊，鍵盤控制模塊，水溫測控模塊，繼電器模塊和報警模塊組 成。采用單片機(jī) EasyARM1138 進(jìn)行溫度的實時采集與控制,其中溫度信號由“一線總線”數(shù) 字化溫度傳感器 DS18B20 提供，溫度的設(shè)定范圍為 4090，最小區(qū)分度為 0.02。利 用繼電器控制電熱絲進(jìn)行升降溫，以達(dá)到實時控制溫度的目的。該系統(tǒng)具備較高的測量精 度和控制精度，能夠準(zhǔn)確地完成溫度的升降控制。 A

2、bstract: The system consists of liquid crystal display module, keyboard module, temperature measurement and control module, relay module and alarm module. Single-chip EasyARM1138 for real-time acquisition and control temperature, which temperature signal from the bus line to provide digital temperat

3、ure sensor DS18B20 temperature setting range is 40 90 , minimum differentiation is 0.02 . Using of the relay control wire for electric heating and cooling, in order to achieve real-time control of temperature. The system has high precision and control accuracy, the ability to accurately complete con

4、trol of the temperature rise and fall. 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞： EasyARM1138、DS18B20、水溫實時控制 Keywords: EasyARM1138、DS18B20、the water temperature real-time control system 目目 錄錄 1 引言 .1 2 方案論證與設(shè)計 .2 2.1 測量部分 .2 2.2 驅(qū)動控制部分 .2 2.3 溫度加熱部分 .3 3 原理分析與硬件電路圖 .3 3.1 主板的設(shè)計與制作 .3 3.2 繼電器 .4 3.3 I2C 電路圖 .4 4 軟件設(shè)計與流程 .5 4.1 程序結(jié)構(gòu)圖 .

5、5 4.2 中斷流程圖 .6 4.3 程序 .6 5 系統(tǒng)測試與誤差分析 .11 5.1 測試結(jié)果 .11 5.2 誤差分析 .11 畢業(yè)設(shè)計總結(jié) .12 參考文獻(xiàn) .12 級計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 第 1 頁 共 12 頁 1 引言引言 單片機(jī)自問世以來，性能不斷提高和完善，同時又能滿足很多應(yīng)用場合的 需要，加之單片機(jī)具有集成度高、功能強(qiáng)、體積小、功耗低、使用方便、價格 低廉等特點，因此，在工業(yè)控制、智能儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和處理、通信系統(tǒng)、 高級計算器、家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，并且正在逐步取代現(xiàn)有的多片 危機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)的潛力越來越被人們所重視。 隨著微控制器開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展

6、及其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對電 子產(chǎn)品的小型化和智能化要求越來越高，作為高新技術(shù)之一的單片機(jī)以其體積 小，價格低，適用范圍大以及本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢，在各個領(lǐng)域，各個 行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。 單片機(jī)在很多的電子產(chǎn)品中用到溫度檢測和溫度控制。隨著溫度控制器應(yīng) 用范圍的日益廣泛和多樣性，各種適用于不同場合的智能溫度控制器應(yīng)運(yùn)而生。 在科研、生產(chǎn)和家庭中，常需要對某些系統(tǒng)進(jìn)行溫度的監(jiān)測和控制。 在工業(yè)生產(chǎn)中溫度、壓力、流量和液位是四種常用的物理量，其中溫度是 一個非常重要的過程變量，因為它直接影響燃燒、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅 燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結(jié)晶以及空氣流動等物理和化學(xué)過程。溫

7、度控制 在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，由于其具有影響因素多、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、 控制滯后等特點,它對控制調(diào)節(jié)器要求較高。需檢測和控制的溫度系統(tǒng)一旦確定， 其熱慣性大小和散熱等各項硬件條件就確定了。溫度控制不好就可能引起生產(chǎn) 安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問題。 下面介紹如何用單片機(jī)實現(xiàn)系統(tǒng)溫度的自動控制。用這種方法控溫，使整 個系統(tǒng)靈活、可靠性高，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡較快，精度也比較高，融合了前面列 舉方法的優(yōu)點，而且更加簡單方便。此方案電路簡單并且可以滿足題目中的各 項要求的精度?；趩纹瑱C(jī)的水溫自動控制系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心來實現(xiàn)對水 溫度的控制，用戶可以根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)置。 該水溫控制系統(tǒng)實現(xiàn)了用液晶

8、顯示屏代替了數(shù)碼管，使該設(shè)計更具人性化。 采用比例控制方法，當(dāng)設(shè)定溫度突變（由 40提高到 60）時，減小系統(tǒng)的 調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。該系統(tǒng)靈活性強(qiáng)，易于操作，可靠性高，將會有更廣闊的 開發(fā)前景。 級計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 第 2 頁 共 12 頁 2 方案論證與設(shè)計方案論證與設(shè)計 本論文是設(shè)計一個水溫控制系統(tǒng)，對象為 1 升凈水，加熱器為 400 瓦電熱 爐。要求能在 40 攝氏度至 90 攝氏度范圍內(nèi)設(shè)定控制水溫，水溫可以在一定范 圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度變化時實現(xiàn)自動調(diào)整，以保持設(shè)定溫度基本 不變。靜態(tài)控制精度為 0.2 攝氏度。并具有較好的快速性與較小的超調(diào)，以及 十進(jìn)制數(shù)碼管

9、顯示、溫度曲線打印、語音播報溫度等功能。 2.1 測量部分測量部分 方案一： 采用熱敏電阻，可滿足 40 攝氏度至 90 攝氏度測量范圍，但熱敏電阻精度、 重復(fù)性、可靠性較差，對于檢測小于 1 攝氏度的信號是不適用的。 方案二： 采用溫度傳感器 DS18B20，DSl8B20 數(shù)字溫度計提供 9 位（二進(jìn)制）溫度 讀數(shù)指示器件的溫度信息經(jīng)過單線接口送入 DSl8B20 或從 DSl8B20 送出，因此 從主機(jī) CPU 到 DSl8B20 僅需一條線（和地線）。DSl820 的電源可以由數(shù)據(jù)線 本身提供而不需要外部電源。溫度敏感器件 DSl8B20 的測量范圍從-55到 +125，增量值為 0.

10、5，可在 l s（典型值）內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。 通過對比，DSl8B20 數(shù)字溫度傳感器能夠滿足我們對水溫的精確控制，因 此，本文采用方案二。 2.2 驅(qū)動控制部分驅(qū)動控制部分 方案一： 此方案采用 89C51 單片機(jī)實現(xiàn)，單片機(jī)軟件編程自由度大，可用編程實現(xiàn) 各種控制算法和邏輯控制，但是 89C51 需外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器來滿足數(shù)據(jù)采樣，對 外圍電路來說，比較復(fù)雜，且軟件實現(xiàn)也較麻煩。此外，51 單片機(jī)需要用仿真 器來實現(xiàn)軟硬件調(diào)試，較為繁瑣。 方案二： 此方案采用 Easy ARM1138 單片機(jī)實現(xiàn)，該單片機(jī)具有強(qiáng)大的 MCU 內(nèi)核， 豐富的外設(shè)資源，內(nèi)嵌 USB 接口的下載仿真器，外圍電路設(shè)

11、計簡明，調(diào)試時無 需任何連線和跳線，操作極為方便。并且該單片機(jī)內(nèi)置四個 32 位 Timer，2 路 級計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 第 3 頁 共 12 頁 I2C，支持 100kbps 標(biāo)準(zhǔn)模式、400kbps 快速模式，內(nèi)置看門狗定時器 （WatchDog Timer） ，確保芯片可靠運(yùn)行。 通過對比，Easy ARM1138 單片機(jī)克服了外圍電路比較麻煩的缺陷，避免 了仿真器的使用，而且功能多樣化，綜合各方面因素，本文采用方案二。 2.3 溫度加熱部分溫度加熱部分 方案一： 單純控制加熱器工作，利用單片機(jī)單純控制加熱器不利用對溫度的控制， 包括延遲時間，加熱時間等等造成了實驗精度低，不利

12、于控制。 方案二： 采用閉環(huán)控制，如圖 1 所示。 圖圖 1 閉環(huán)控制圖閉環(huán)控制圖 實現(xiàn)閉環(huán)控制的核心是利用 PID 算法中的比例調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)作用：是按 比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以 減少偏差。 具體用一實例進(jìn)行說明，設(shè) P（當(dāng)前）為當(dāng)前溫度下的功率，P0為電熱爐 功率，則： t目標(biāo) t 當(dāng)前 18.0 t目標(biāo) t當(dāng)前 = 18.0 P = P0 P=(t目標(biāo) t當(dāng)前) * 10ms / (270-t 目標(biāo))ms * 100% * P0 通過對比，方案二實驗精度高且利于控制，因此采用方案二。 3 原理分析與硬件電路圖原理分析與硬件電路圖 3.1 主板的

13、設(shè)計與制作主板的設(shè)計與制作 系統(tǒng)主板硬件采用以 Easy ARM1138 單片機(jī)為核心，配以 12M 赫茲晶振， 級計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 第 4 頁 共 12 頁 復(fù)位電路，液晶屏顯示接口通過單片機(jī)的 PF 口實現(xiàn)。所有元件設(shè)計成主板， 將此主板作為單片機(jī)最小系統(tǒng)。 Easy ARM1138 是美國 ARM 公司推出的一種新型單片多位芯片，本文之 所以采用這款芯片，是因為其具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、成本低、工作溫度 寬、噪聲低、功耗低等特點。 3.2 繼電器繼電器 本系統(tǒng)中，固態(tài)繼電器電路圖，如下圖 2 所示。 圖圖 2 固態(tài)繼電器電路圖固態(tài)繼電器電路圖 3.3 I2C 電路圖電路圖 I

14、2C 是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方便簡化，器件封 裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點。在主從通信中，可以有多個 I2C 總線器件同 時接到 I2C 總線上，所有 I2C 兼容的器件都具有標(biāo)準(zhǔn)的接口，通過地址來識別 通信對象，使它們可以經(jīng)由 I2C 總線互相直接通信。I2C 電路圖，如下圖 3 所示。 級計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 第 5 頁 共 12 頁 圖圖 3 I2C 電路圖電路圖 4 軟件設(shè)計與流程軟件設(shè)計與流程 4.1 程序結(jié)構(gòu)圖程序結(jié)構(gòu)圖 VCC X1 32768Hz C7 12P VCC C6 0.1F/6V D1 4148 SCL SDA SCL SDA 0 xA2

15、OSCI 1 OSCO 2 /INT 3 VSS 4 SDA 5 SCL 6 CLKOUT 7 VDD 8 U4 PCF8563 0 xA0 A0 1 A1 2 NC 3 VSS 4 SDA 5 SCL 6 WP 7 VDD 8 U5 AT24C256 程序結(jié)構(gòu) 讀取 時間 鍵盤 掃描 液晶 顯示 屏 鍵值 處理 AD 采樣及上傳 獲得當(dāng)前溫度 級計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 第 6 頁 共 12 頁 圖圖 4 程序結(jié)構(gòu)圖程序結(jié)構(gòu)圖 4.2 中斷流程圖中斷流程圖 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生中斷時，通過 PID 計算后，由繼電器進(jìn)行控制，以達(dá)到較為滿 意的控制結(jié)果。中斷流程圖，如圖 5 所示. 圖圖 5 模塊流程

16、圖模塊流程圖 4.3 程序程序 整個系統(tǒng)實現(xiàn)功能的程序，具體如下，本程序?qū)崿F(xiàn)的功能較全面，比如： 相比以前的控制溫度函數(shù)解決了顯示不了百位，不能直接顯示負(fù)號等。 #include #include #include #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uchar code table=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07, 0 x7f,0 x6f,0 x40; void display(uchar , uchar ,uchar ,uchar );

17、void delay_led(uint z); void init_led(); uchar wei_3,v,wei_4,wei_5,wei_6,FWD,flag; int shuju,a; /得到的溫度值 uchar temp2=0,0; /存放 DS18B20 的溫度寄存器值 uint value = 0; sbit DQ=P10; /數(shù)據(jù)線 繼電器控制 中斷來臨 PID 計算 級計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 第 7 頁 共 12 頁 sbit key=P11; /被控開關(guān) sbit key1=P34; /溫度加 sbit key2=P35; /溫度減 sbit d1=P12; sbit w

18、e1=P14; sbit we2=P15; sbit we3=P16; sbit we4=P17; void ow_reset(void); void tmstart (void); void Read_Temperature(void); void write_byte(char); uint read_byte(void); void delay_18B20(uint); /*主函數(shù)*/ void main() init_led();/初始化子程序 tmstart ();/18b20 初始化 delay_18B20(50); /*等待轉(zhuǎn)換結(jié)束*/ while(1) Read_Tempera

19、ture(); delay_18B20(50); tmstart(); delay_18B20(50); /*等待轉(zhuǎn)換結(jié)束*/ if(FWD=0) /當(dāng)溫度為正值時 if(shujua+5) key=0; if(shujua) if(shujuabs(a)+5) key=1; if(shuju0;x-) for(y=110;y0;y-); /*led 初始化函數(shù)*/ void init_led() key=1; FWD=0; a=40; EA=1; /開總中斷 EX1=1; /開中斷 1 IT1=1; /選擇中斷方式為下降沿觸發(fā) /*顯示函數(shù)*/ void display(uchar wei_

20、3, uchar wei_4,uchar wei_5,uchar wei_6) wei_3=shuju/1000%100%10; wei_4=shuju/100%1000%100%10; wei_5=shuju/10%10000%1000%100%10; wei_6=shuju/1%100000%10000%1000%100%10; if (FWD=1)/ wei_3=10; P0=tablewei_3; we1=0; delay_led(5); we1=1; P0=tablewei_4; we2=0; 級計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 第 9 頁 共 12 頁 delay_led(5); we2

21、=1; P0=tablewei_5+0 x80; we3=0; delay_led(5); we3=1; P0=tablewei_6; we4=0; delay_led(5); we4=1; void delay_18B20(uint seconds) /延時 for(;seconds0;seconds-); void ow_reset(void) uchar presence; DQ = 0; delay_18B20(44); DQ = 1; delay_18B20(3); presence = DQ; delay_18B20(12); uint read_byte(void) uchar

22、i; for (i=8;i0;i-) value=1; DQ = 0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); DQ = 1; if(DQ) value|=0 x80; delay_18B20(4); return(value); void write_byte(char val) 級計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 第 10 頁 共 12 頁 uchar i,j; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; j+; DQ = val delay_18B20(8); DQ = 1; j+; val=1; /=讀取溫度= void Read_Temperature(v

23、oid) uint k,i; int temple; ow_reset(); k+; write_byte(0 xCC); k+; write_byte(0 xBE); k+;k+; temp0=read_byte(); /讀取低字節(jié) temp1=read_byte(); /讀取高字節(jié) i=temp1; i6348) temple=65536-i; /如果為負(fù)溫則去除其補(bǔ)碼 FWD=1; else temple=i; FWD=0; shuju=temple*10/16; 5 系統(tǒng)測試與誤差分析系統(tǒng)測試與誤差分析 5.1 測試結(jié)果測試結(jié)果 測試方式：采用加熱方式，通過讀取液晶屏數(shù)據(jù)和實際測量值。 燈亮表 示加熱，燈滅表示加熱停止。對本系統(tǒng)測試的結(jié)果，如表 1 所示。 表表 1 系統(tǒng)測試結(jié)果圖系統(tǒng)測試