水温自动控制系统电子大赛报告书.doc

电子设计大赛 题目：水温控制系统 学校：吉林大学 院系：仪器科学与电气工程学院测控技术与仪器系 参赛队员： 水温控制系统 摘要： 该水温控制系统采用单片机进行温度实时采集与控制。温度信号由“一线总线”数字化温度传感器在-10+85°C范围内, 固有测温分辨率为0.5 ℃（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。（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。系统模块分为：模块，显示模块，模块，模块， 图1.2.1 系统基本模块方框图 方案二：采用模拟运算放大器组成PID控制系统。对于水温控制是足够的。但要附加显示、温度设定等功能，要附加许多电路，稍显麻烦。 方案三：采用ATMEL公司的AT89C52作为系统控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。基于以上分析拟订方案三，由AT89C52作为控制核心，对温度采集和实时显示以及加热装置进行控制。 （2）加热装置有效功率控制模块 根据题目，可以使用热得快进行加热，控制电热炉的功率即可以控制加热的速度。当水温过高时，关掉热得快进行降温处理，让其自然冷却。在制作中，当需要加热时开启热得快。由于加热的功率较大，考虑到简化电路的设计，我们直接采用220V电源。对加热装置控制模块有以下两种方案： 方案一：采用可控硅来控制加热器有效功率。可控硅是一种半控器件，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；控制导通角的方式控制交流功率。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，因此响应速度快，控制精度也高。 方案二：采用继电器控制。使用继电器可以很容易实现地通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。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，采用继电器控制省去光耦和交流过零检测电路，在软件上选用适当的控制算法，同样可以达到较好的效果。 （3）温度采集模块 题目要求温度静态误差小于等于0.2℃，温度信号为模拟信号，本设计要对温度进行控制和显示，所以要把模拟量转换为数字量。该温度采集模块有以下三种方案： 方案一：利用热电阻传感器作为感温元件，热电阻随温度变化而变化，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值相应的温度值。最常用的的是铂电阻传感器，铂电阻在氧化介质中，甚至在高温的条件下其物理，化学性质不变。由铂电阻阻值的变化经小信号变送器XTR101将铂电阻随温度变化的转换为4～20mA线形变化电路，再将电流信号转化为电压信号，送到A/D转换器——ADC0809.即将模拟信号转换为数字信号。该方案线性度优于0.01％。 方案二：采用温度传感器AD590K。AD590K具有较高精度和重复性，良好的非线性保证±0.1℃的测量精度。加上软件非线性补偿可以实现高精度测量。AD590将温度转化为电流信号，因此要加相应的调理电路，将电流信号转化为电压信号。送入8为A/D转换器，可以获得255级的精度，基本满足题目要求。 方案三：采用数字温度传感器DS18B20DS18B20与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面带来了令人满意的效果。数字温度传感器DS18B20 图1.2.3 系统基本框图 系统的基本框图如图1.2.3 所示。CPU（ 89C52）首先写入命令给DS18B20，然后DS18B20开始转换数据，转换后通过89S52来处理数据。数据处理后的结果就显示到数码管上。DS18B20可以被编程，所以箭头是双向的系统模块关系本系统的执行方法是循环查询执行的，键盘扫描也是用循环查询的办法，由于本系统对实时性要求不是很高，所以没有用到中断方式来处理。 图2.1.1 统模块关系本系统采用采用了DS18B2