單片機(jī)水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

1、PAGE PAGE 22摘要本設(shè)計(jì)基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)、機(jī)電一體化論文分析了自動(dòng)定量水溫控制器的硬件電路、主控系統(tǒng)、信息感知單元、驅(qū)動(dòng)單元等模塊的理論設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程，并結(jié)合實(shí)際調(diào)試過(guò)程的分析，詳細(xì)闡述了自動(dòng)定量水溫控制器參數(shù)的規(guī)劃與實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)在特色部分論文分析了以SPCE061A芯片為主，基于概率分析檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，串行掃描方式實(shí)現(xiàn)的人機(jī)接口，數(shù)據(jù)傳輸，水位控制和溫度控制等內(nèi)容。本設(shè)計(jì)的理論設(shè)計(jì)方案、調(diào)試方法、測(cè)試數(shù)據(jù)分析方法及設(shè)計(jì)中的特色與創(chuàng)新點(diǎn)等對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)有一定的參考意義。AbstractThe design of computer-based

2、control technology、Sensor technology、Intelligent Control Technology、MechatronicsThesis of automatic quantitative analysis of the hardware circuit temperature controller、Control systems, information-aware unit, drive unit, such as the theory of modular design and debugging process, and in light of th

3、e actual debugging process analysis, detailed quantitative automatic temperature controller parameters of the planning and implementation. Part of the design characteristics of this thesis in an analysis of SPCE061A chip to the main detection unit based on the probability analysis of the design and

4、realization of the realization of the serial scanning of man-machine interface, data transmission, the water level control and temperature control and so on. The design theory design, testing methods, test data analysis methods and design features and innovation in related fields such as design and

5、implementation of a certain reference value.目錄 TOC o 1-2 h z u 1 HYPERLINK file:/H:論文1新建%20Microsoft%20Word%20文檔.doc l _Toc51673881#_Toc51673881 .7 按鍵控制單元11 HYPERLINK file:/H:論文1新建%20Microsoft%20Word%20文檔.doc l _Toc51673881#_Toc51673881 1.8 算法 HYPERLINK file:/H:論文1新建%20Microsoft%20Word%20文檔.doc l _T

6、oc51673861#_Toc51673861 目錄3 HYPERLINK file:/H:論文1新建%20Microsoft%20Word%20文檔.doc l _Toc51673870#_Toc51673870 一、方案設(shè)計(jì)4 HYPERLINK file:/H:論文1新建%20Microsoft%20Word%20文檔.doc l _Toc51673872#_Toc51673872 1.1 主控單元5 HYPERLINK file:/H:論文1新建%20Microsoft%20Word%20文檔.doc l _Toc51673874#_Toc51673874 1.2 溫度檢測(cè)單元5 HY

7、PERLINK file:/H:論文1新建%20Microsoft%20Word%20文檔.doc l _Toc51673875#_Toc51673875 1.3 高度檢測(cè)單元7 HYPERLINK file:/H:論文1新建%20Microsoft%20Word%20文檔.doc l _Toc51673876#_Toc51673876 1.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元8 HYPERLINK file:/H:論文1新建%20Microsoft%20Word%20文檔.doc l _Toc51673879#_Toc51673879 1.5液晶顯示單元101 HYPERLINK file:/H:論文1新建%20

8、Microsoft%20Word%20文檔.doc l _Toc51673880#_Toc51673880 .6 A/D轉(zhuǎn)換單元1011 HYPERLINK file:/H:論文1新建%20Microsoft%20Word%20文檔.doc l _Toc51673881#_Toc51673881 1.9軟件單元12 HYPERLINK file:/H:論文1新建%20Microsoft%20Word%20文檔.doc l _Toc51673882#_Toc51673882 二、特色與創(chuàng)新19 HYPERLINK file:/H:論文1新建%20Microsoft%20Word%20文檔.doc

9、 l _Toc51673886#_Toc51673886 三、調(diào)試過(guò)程及測(cè)試數(shù)據(jù)分析20 HYPERLINK file:/H:論文1新建%20Microsoft%20Word%20文檔.doc l _Toc51673887#_Toc51673887 3.1 調(diào)試儀器儀表20 HYPERLINK file:/H:論文1新建%20Microsoft%20Word%20文檔.doc l _Toc51673888#_Toc51673888 3.2 調(diào)試數(shù)據(jù)及分析20 HYPERLINK file:/H:論文1新建%20Microsoft%20Word%20文檔.doc l _Toc51673889#_

10、Toc51673889 參考文獻(xiàn)21 HYPERLINK file:/H:論文1新建%20Microsoft%20Word%20文檔.doc l _Toc51673868#_Toc51673868 原理圖22一、方案設(shè)計(jì) 本實(shí)驗(yàn)采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，分別利用溫度傳感器、壓力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的閉環(huán)采集，進(jìn)而進(jìn)行系統(tǒng)的閉環(huán)控制。題目對(duì)水溫控制的任務(wù)要求較易，根據(jù)題目的示意圖及要求，我們可以將加水過(guò)程分成4個(gè)階段第一階段：從起點(diǎn)開始，用測(cè)量冷水和熱水箱中水溫溫度的方案，行進(jìn)速度為 ml/s，以便于對(duì)水位高度的準(zhǔn)確測(cè)量；第二階段：從零點(diǎn)開始加水，應(yīng)用測(cè)量溫度和高度的控制方案。這樣，既能夠保證C杯中水溫的高度連

11、續(xù)變化，又能使我們很好控制水流量速度。第三階段：根據(jù)事先設(shè)定好的數(shù)值進(jìn)行加水任務(wù)。第四階段：當(dāng)水溫到了設(shè)定的高度既要保證水位高度又要保證水溫。用兩個(gè)電機(jī)向容器中加水，既要保證水溫是可控的，還要保證水位的高度和我們?cè)O(shè)定的值是相符的，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 根據(jù)題目的設(shè)計(jì)要求，有A、B、C三個(gè)水容器，A為供熱水容器，B為供冷水容器，C為冷熱水混合容器。我們把設(shè)計(jì)分為八個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，這樣降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，使得整體條理更為清晰。這八個(gè)部分是：主控單元、溫度檢測(cè)單元、高度檢測(cè)單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、液晶顯示單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、按鍵控制單元、軟件單元。1、1主控單元本次電子設(shè)計(jì)大賽用的是一種基于凌

12、陽(yáng)單片機(jī)為核心的水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，溫度傳感器芯片采用DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20芯片。見1.1圖 主控芯片采用凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)它具有以下主要特性：工作速度：0.32MHz49.152MHz（2.6V3.6V）；2K字SRAM和32K字FLASH僅占一頁(yè)存儲(chǔ)空間；32位可編程的多功能I/O端口；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；低電壓復(fù)位/監(jiān)測(cè)功能；內(nèi)置有在線仿真接口。圖1.1 SPCE圖1.1 SPCE061A1.2溫度檢測(cè)單元DS18B20溫度傳感器 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20

13、的管腳排列如下: DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。以單總線溫度傳感器DS18B20為核心，以SPCE061A芯片控制器制作的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)溫準(zhǔn)確、具有一定控制功能的智能溫度控制器，它的體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)，它的測(cè)量溫度范圍為55125，在1085范圍內(nèi)，精度為0.5，DS18B20可以程序設(shè)定912位的分辨率，精度為圖1.2 溫度檢測(cè)單元圖1.2 溫度檢測(cè)單元1.3高度檢測(cè)單元 HYPERLINK /botan/s0_%d1%b9%c1%a6%b4%ab%b8%d0%c6%f7.html t _blank 壓力 HYP

14、ERLINK /botan/s0_%b4%ab%b8%d0%c6%f7.html t _blank 傳感器原理：壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境；本設(shè)計(jì)使用CS5532A/D轉(zhuǎn)換芯片，將壓力傳感器采集的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)液晶實(shí)時(shí)顯示水位高度。WTP803 懸臂梁式稱重(測(cè)力)傳感器 產(chǎn)品特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)：采用合金鋼材質(zhì)，焊接密封。主要適用電子臺(tái)秤、汽車衡量等接線方法 輸入(電源) + ： 紅色；輸入(電源) - ： 黑色；輸出(信號(hào)) + ： 綠色；輸出(信號(hào)) - ：白色圖1.3高度檢測(cè)單元 圖1.3高度檢測(cè)單元1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元1.4水箱采用雙

15、電機(jī)分離驅(qū)動(dòng)方式。直流電動(dòng)機(jī)體積小，效率高，出力大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)特性好，控制方便。電機(jī)型號(hào)選擇時(shí)在體積，功率和轉(zhuǎn)速基本條件滿足的前提下主要還考慮伺服性能；綜上幾點(diǎn)要求我們選用了 L 171 955 651型微型直流電機(jī)。 水箱加水過(guò)程中要求被控電機(jī)能夠調(diào)速控制， 一種能在高頻工作的低功率驅(qū)動(dòng)電路包括一輸出驅(qū)動(dòng)電路和用于驅(qū)動(dòng)輸出驅(qū)動(dòng)電路的一對(duì)預(yù)驅(qū)動(dòng)電路。基于場(chǎng)效應(yīng)管的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)，以N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管為核心，基于H橋PWM控制原理，設(shè)計(jì)了一種直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制電路，滿足大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)表明該驅(qū)動(dòng)控制電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、功耗低的特點(diǎn)。 整個(gè)電機(jī)

16、控制電路由下圖所示的閉合環(huán)路構(gòu)成，PWM輸出脈沖信號(hào)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，從而控制流量。 圖1.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元圖1.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元1.5液晶顯示單元圖1.5液晶模塊圖1.5液晶模塊帶中文字庫(kù)的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864,內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集1.6CS5532 是高集成度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由于運(yùn)用了電荷平衡技術(shù)，其性能可以達(dá)到24 位。CS5532是雙通道的AD轉(zhuǎn)換器，其封裝形式有20腳雙列直插式和20線貼片式，本設(shè)計(jì)選用20腳雙列直

17、插式。圖1.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元圖1.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元1.7 按鍵控制單元 設(shè)置幾個(gè)按鍵用來(lái)優(yōu)化硬件系統(tǒng)的功能，用來(lái)設(shè)定系統(tǒng)的開始、運(yùn)行、水溫、水位高度等；同時(shí)又設(shè)置了一個(gè)溫度傳感器，用來(lái)檢測(cè)管中的水溫，傳回相關(guān)的信息給主控制板，從而使檢測(cè)系統(tǒng)增加了閉環(huán)控制，減少系統(tǒng)的滯后時(shí)間常數(shù)，可以使整個(gè)裝置更加易于操作和控制，從而使整個(gè)硬件電路變得更加簡(jiǎn)單，便于檢查電路裝置。1.8 算法設(shè)A杯溫度TA、質(zhì)量MA. 設(shè)B杯溫度TB、質(zhì)量MB設(shè)C杯溫度TC、質(zhì)量MC可列寫下式方程： TA*MA+TB*MB=TC*MC MA+MB=MC解之得： MA=(TC-TB)MC/(TA-TB) MB=(TA-TC)MC/

18、(TA-TB) 水位高度： h=(100*MC)/5591.9軟件單元 匯編語(yǔ)言作為傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言，具有執(zhí)行效率高的優(yōu)點(diǎn)，但其本身是低級(jí)語(yǔ)言，編程效率較低，可移植性和可讀性差，維護(hù)極不方便。而C語(yǔ)言以其結(jié)構(gòu)化，容易維護(hù)，容易移植的優(yōu)勢(shì)滿足開發(fā)的需要。凌陽(yáng)公司最新推出的SPCE061A芯片，片內(nèi)有32KB FLASH和2KB RAM,使得片內(nèi)可儲(chǔ)存量增加，控制能力增強(qiáng)。且有易于上手的特點(diǎn)，使我們能順利的用C語(yǔ)言開發(fā)SPCE061A系統(tǒng)。kongzhi1()/控制子函數(shù) 含占空比子函數(shù) while(1)dushu(); kongzhi2()/控制子函數(shù) 含占空比子函數(shù)unsigned int i;

19、dushu();sheshuiwei=(559*gao)/100;dodushu();while(shui!=0);dox1=sheshuiwei*(shewendu-wendu2)/(wendu1-wendu2);/熱水需要加多少dushu();zhankongbi2();if(shui=0)dushu();while(shui(x1*4)/5);dox1=sheshuiwei*(shewendu-wendu2)/(wendu1-wendu2);/熱水需要加多少dushu();zhankongbi4();while(shuix1);/* dox1=sheshuiwei*(shewendu-w

20、endu2)/(wendu1-wendu2);/熱水需要加多少dushu();zhankongbi2();while(shuix1); */zhankongbi1();dox2=sheshuiwei*(wendu1-shewendu)/(wendu1-wendu2);/冷水需要加多少dushu();zhankongbi3();while(shui-x1)(x2*4/5);dox2=sheshuiwei*(wendu1-shewendu)/(wendu1-wendu2);/冷水需要加多少dushu();zhankongbi5();while(shui-x1)270)/if(wendu3(shew

21、endu-40)/zhankongbi6();/if(eeee1=270)/if(eeee3=0)if(flagg4=1) if(wendu3(gao/2)if(wendu3=(shewendu-10)&(wendu3=shewendu)zhankongbi7();if(gao1=gao)yyy5=1;/yyy6=1;while(yyy5=1)zhankongbi1();while(1)eeee3=1;dushu(); zhankongbi6()*P_IOB_Data=*P_IOB_Data|0 x0030;/將指高*P_TimerA_Ctrl=0 x01b2;/占空比為6/16*P_Time

22、rB_Ctrl=0 x0132;/占空比為5/16zhankongbi7()*P_IOB_Data=*P_IOB_Data|0 x0030;/將指高*P_TimerA_Ctrl=0 x0132;/占空比為5/16*P_TimerB_Ctrl=0 x01b2;/占空比為6/16zhankongbi1()*P_IOB_Data=0 xffcf;/電機(jī)AB均停轉(zhuǎn)zhankongbi2()*P_IOB_Data=0 x0010;/將指高*P_TimerA_Ctrl=0 x0274;/占空比為9/16/*P_TimerB_Ctrl=0 x01c4;/占空比為7/16zhankongbi3()*P_IOB

23、_Data=0 x0020;/將指高*P_TimerB_Ctrl=0 x0244;/占空比為9/16zhankongbi4()*P_IOB_Data=0 x0010;/將指高*P_TimerA_Ctrl=0 x01b4;/占空比為6/16zhankongbi5()*P_IOB_Data=0 x0020;/將指高*P_TimerB_Ctrl=0 x0184;/占空比為6/16初始化I/O口初始化I/O口初始化液晶初始化5532初始化18B20輸出PWM波控制電機(jī)開始檢測(cè)溫度和高度是否與C杯溫度相同顯示C杯溫度結(jié)束是否與C杯高度相同顯示C杯高度自動(dòng)定量水溫控制器流程圖二、 HYPERLINK /i

24、mage/2f0j01CMBTSKcEEtkNM/%E2%96%B3%E2%88%91%E6%A8%A1%E6%95%B0%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%99%A8%EF%BC%88CS5532%EF%BC%89.jpg o 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（CS5532） t _blank 特色與創(chuàng)新本設(shè)計(jì)基于SPCE061A芯片并采用PWM脈寬和74LS08與門組合控制電機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、水溫與高度比例控制等方面具有一定的特色與創(chuàng)新。同時(shí)，新穎的按鍵設(shè)定界面程序可以靈活對(duì)水溫、水位以及整個(gè)程序流程做出設(shè)定和調(diào)整，并通過(guò)液晶相應(yīng)顯示，讓人耳目一新。直流調(diào)速可以選用電壓調(diào)速， 脈頻調(diào)速(PFM)，脈寬調(diào)速(PWM). 電壓調(diào)速一般調(diào)試比較復(fù)雜，功率損失大，故不用此方案。脈頻調(diào)速(PFM)一般用于大電機(jī)。而脈寬調(diào)速(PWM)