水温控制系统(1997年电子设计大赛c题)

绵阳职业技术学院2011全国电子大赛训练题目

（一）

题目：水温控制系统（1997年c题）

姓名：敬天兵王伟张先强

指导老师：乔老师易老师

实验地点：创新实验室

时间：2011年8月1号--8月7号

目录

目录 (2)

摘要 (3)

设计任务与要求 (4)

方案论证 (5)

1.温度检测电路的方案选择： (5)

2.显示电路的方案选择： (5)

3加热方案的选择： (6)

4控制方法选择方案： (6)

5.打印方案选择 (6)

硬件电路设计 (7)

一. 测温电路 (7)

二. 功率电路 (8)

三. 交流过零检测电路 (9)

四．控制.键盘.显示电路 (9)

软件程序设计 (10)

一. 程序流程 (10)

二. 控制算法 (11)

测试结果及结果分析 (12)

一、静态温度测量 (12)

二动态温控测量 (12)

三结果分析 (12)

摘要

随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。本设计论述了一种以STC89C52单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度自动控制系统。该控制系统可以根据设定的温度，通过PID算法调节和控制pwm波的输出，控制晶闸管导通时间从而控制水温的自动调节，系统设计了相关的硬件电路和相关应用程序。硬件电路主要包括STC89C52单片机最小系统，DS18b20测温电路、键盘电路.LCD液晶显示电路，过零检测电路，加热功率电路等。系统程序主要包括主程序，温度处理子程序、按键处理程序、LCD显示程序等，过零检测程序，pwm波输出程序。

[关键词] STC89C52单片机；DS18B20；12864，过零检测，PWM，

设计任务与要求

一、任务

设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。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控制，以保持设定的温度基本不变。

二、要求

1．基本要求

（1）温度设定范围为40～90℃，最小区分度为1℃，标定温度≤1℃。

（2）环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差≤1℃。

（3）用十进制数码管显示水的实际温度。

2．发挥部分

（1）采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，减小系统的调节时间和超调量。

（2）温度控制的静态误差≤0.2℃。

（3）在设定温度发生突变（由40℃提高到60℃）时，自动打印水温随时间变化的曲线。

方案论证

1.温度检测电路的方案选择：

方案一：用普通半导体温度传感器作为敏感元件，再结合电压放大器和AD转换器将感应到的温度数值转换为数字量存储在某一单元内。但由于该方案所需元件较多，且电路较繁，调试起来较复杂，所以舍之不用。

方案二：使用数字温度传感器DS18B20检测温度，内含AD转换器，因此线路连接十分简单，它无需其他外加电路，直接输出数字量，可直接与单片机通信，读取测温数据，电路十分简单，它能够达到0.5℃的固有分辨率，使用读取温度暂存寄存器的方法还能达到0.2℃以上精度，应用方便，这样的电路主要工作量就集中到了单片机软件编程上，故我们选用该方案。

2.显示电路的方案选择：

方案一：使用数码管显示，通过数码管显示被测温度和设定温度。该方案程序简单，但硬件占用单片机I/O口较多，对于尽量节约端口，让线路简单来说不是好方法，而且显示也不够直观灵活，只能显示数字，不能显示汉字显示功能提示，故不适合本次设计应用。

方案二：使用液晶屏1602显示，可以显示设定温度及测量温度，但显示时1602只能显示两行，且也只能显示字符及数字，不能显示汉字及曲线，不够完善本次设计中功能，故我们放弃选择方案二。

方案三：使用液晶屏lcd12864，可以显示字母，数字及汉字，而且一次可以显示4

行，显示很直观，通过字幕显示模式、温度、曲线。该方案程序较复杂，但显示观察清晰，显示更加直接明白，且可以显示温度曲线，故为最佳方案，我们选择三。

3加热方案的选择：

方案一：使用电热炉进行加热，控制电炉的功率即可控制加热速度，当水温过高时，关掉电炉即可，但考虑到电炉成本较高，且精度不好控制，故不选用。

方案二：固态继电器控制加热器工作，固态继电器使用非常简单，而且没有触点，无需外加光耦，自身就可以实现电气隔离，还可以频繁动作。可以使用类似pwm的方式，通过控制固态继电器的开，断时间比来达到控制加热器功率的目的，适合功率不大精度不高，简易水温控制系统。

方式三：是使用可控硅控制加热器的工作。可控硅是一种半控器件，通过控制导通角的方式来控制，对每个周期的交流电进行控制，因为导通角连续可调，故控制精度较高，且元件便宜，易于制作，我们选择方案三。

4控制方法选择方案：

方案一：采用普通的控制方法，即随着水温的变化调节温度，但局限性太小，由于水温变化快，且惯性大，不易控制精度，故采用普通控制方法显得力不从心。

方案二：采用ＰＷＭ控制加PID算法，通过采用PWM可以产生一个ＰＷＭ波形，而PWM波形的占空比是通过PID算法调节，这样就可以调节加热棒的功率进而控制温度的变化，从而使精度提高，我们选择方案二。

5.打印方案选择

方案一：给系统加一个微型打印机，由单片机控制打印机工作，但这样单片机软件的设计任务量就加大了，降低了单片机的执行性能，且使成本增加，故不选用。

方案二:在lcd12864上绘制曲线，模拟打印机工作，这样是成本降低，观察也比较容易直观，故我们选用方案二。

硬件电路设计

对题目进行深入的分析和思考，可以将整个系统分为以下几个部分：单片机最小系统，测温电路，功率电路，交流过零检测电路，显示电路，系统框图如下：

一.测温电路

测温电路是使用DS18b20数字式温度传感器，它无需其他的外加电路，直接输出数字量，可直接与单片机通信，读取测温数据，电路十分简单。它能够达到0.5C0的固有分辨率，使用读取温度的暂存寄存器的方法还能达到0.2C0以上的精度。

DS18B20温度传感器只有三根外引线：单线数据传输总线端口DQ ，外供电源线VDD，共用地线GND。外部供电方式(VDD接+5V，且数据传输总线接4.7k的上拉电阻，其接口电路如图2.1所示。

图2.1 温度传感器接口

二.功率电路

由于本系统要控制电热棒加热，功率较大，因此需要借助功率电路。设计中我们使用专用的双向可控硅驱动光耦合驱动芯片，可简化电路的制作。MOC3041是一款专用的光耦合可控硅驱动芯片，耐压值为400v，其内部集成了光耦合可控硅电路，可实现功率电路的隔离，无需外加光耦合，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。控制部分电路图如图2.2

图2.2功率电路

三.交流过零检测电路

使用可控硅驱动时，需要知道交流过零的时刻，以便控制触发的延时，实现导通角的控制。因此，还需要一个交流过零检测电路。这个电路实际上就是一个整形电路，把正弦波整为方波，给单片机提供触发信号，

图2.3为一个交流过零检测的电路。由于市电电压较高，即危险又不方便使用，因此先用一个变压器将220v市电变为6v的低压交流电，经整流桥整流后经R2送至9013基极。9013在这里起一个比较器作用，当交流电压为正时，晶体管饱和导通，电路输出低电平；

当交流电压为负时，晶体管截止，电路输出

高电平；电路的输出可作为单片机的中断信号，单片机发生中断时，即为交流电过零的时刻，经过一个延时后在触发可控硅，即可实现导通角的控制，从而实现控制加热的功率。

四．控制.键盘.显示电路

这部分实际上是一个单片机最小系统的基本电路，选用STC89C52，足够满足系统的要求。

键盘选用4个独立键盘即可满足要求，实现温度的设定，及温度的加和温度的减控制。

在显示方面选用常用的12864液晶显示模块。通过相应的程序，可以实现非常美观，丰富的显示界面，及温度变化曲线，电路连接也比较简单，只需连接数据

总线，和三根控制线即可实现数据控制，实现显示功能。

软件程序设计

一.程序流程

主控程序的流程图如图2所示。加热控制是在中断程序中完成的，中断信号由过零检测电路发出，程序流程图3所示可控硅采用控制导通角的方式控制加热的功率，因此需要控制延时触发的时间，延时由定时器完成，流程图如图3.1所示。

图3.1主程序流程图

二.控制算法

PID 控制算法是控制理论中应用很广泛的一种算法，对于一般控制系统来说，PID 算法从某种意义来说具有通用性，对各种系统具有广泛的适用性，通过现场的参数调试，可以达到很好的控制效果。

对于我们这次水温控制系统的设计，我们同样也可以使用PID 控制算法，具体算法如下： e(i)=t 测-t 设 E=∑

e(i)

o

i i d i

j j i

i P i u e e T

T e T T e K u +-+

+

=-=∑

)]([10

（2）

算法中，u （i ）为当时的功率输出。T 为采样时间，E 为误差积累，KP 为比例常数，Ti 为积分常数，Td 为微分常数。根据实际系统，调节这三个常数，可以达到很好的效果。

测试结果及结果分析

一、静态温度测量

测量方式：断开系统的加热装置，装入一定温度的水，保持环境温度和其他测量条件不变，利用标准的温度计测量水温，与系统给出的温度相比较。

由于在这种条件下，与测温速度相比，水温下降较慢，在测量中可认为是一个静态过程，因此可以测出系统的静态温度测量结果。

测量仪器：DM6801热电偶式数字温度计。测量结果：如表4.1所示。

表4.1测量结果数据

测量温度/℃27.5 35.6 45.2 55.3 64.7 75.0 82.2

测量温度/℃

误差/℃

二动态温控测量

测量方式：接上系统的加热装置，装入1000L室温的水，设定控温温度。记录调节时间、超调温度、稳态温度波动幅度等。

测量仪器：DM6801热电偶式数字温度计。

测量条件：环境温度24.2℃（附：加热电炉功率1000W）。

测量结果：如表4.2所示。在此仅以数值的方式给出测量结果，略去升温曲线图。调节时间按温度进入设定温度±0.5℃范围时计算。

表4.2测量结果数据

设定温度/℃35 45 65 80

调节时间/min 8.2 9.5 11.0 12.5

超调温度/℃

稳态误差/℃

三结果分析

由以上测量可见，系统性能基本上可达到所要求的指标。