2023年黑龍江省
大學生電子設計大賽
設計題目：水溫控制系統
學校：哈爾濱工業大學華德應用技術學院
2023年c題水溫控制系統
摘要:本文介紹了基於stc89c52微控制器的自動水溫控制系統的設計及實現過程。該系統具有實時顯示、溫度測量、溫度設定並能根據設定值對環境溫度進行調節實現控溫的目的並且自動記錄時間。
關鍵詞 ：stc89c52 實時控溫時間
一、設計任務
設計並製作乙個水溫自動控制系統，控制物件為1公升水。水溫可以在一定範圍內設定，並能實現在10℃—70℃量程範圍內對每一點溫度的自動控制，以保持設定的溫度基本保持不變。
（1）可鍵盤設定控制溫度值，並能用液晶顯示，顯示最小區分度為0.1℃；
（2）可以測量並顯示水的實際溫度。溫度測量誤差在±0.5 ℃內；
（3）水溫控制系統應具有全量程（10℃—70℃）內的公升溫、降溫功能（降溫可用半導體製冷片、公升溫用800w以內的電加熱器）；
（4）在全量程內任意設定乙個溫度值（例如起始溫度±15℃內），控制系統可以實現該給定溫度的恆值自動控制。控制的最大動態誤差≤±4℃，靜態誤差≤±1℃，系統達到穩態的時間≤15min（最少兩個波動週期）。
（5）當設定溫度突變（溫度變化±20℃）時，控制的最大動態誤差≤±2℃，系統達到穩態的時間≤8min（最少兩個波動週期）；
（7）溫度控制的靜態誤差≤±0.2℃（在最小穩態時間內）
二、方案的論證
對題目進行深入的分析和思考，可將整個系統分為以下幾個部分：測溫電路、
控制電路、加熱裝置和製冷裝置。
2.1控制電路的方案選擇
方案一：採用運放等模擬電路搭建乙個控制器，用模擬方式實現pid控制，對於純粹的水溫控制，這是足夠的。但是附加顯示、溫度設定等功能，還要附加許多電路，稍顯麻煩。
同樣，使用邏輯電路也可實現控制功能，但總體的電路設計和製作比較煩瑣。
方案二：採用fpga實現控制功能。使用fpga時，電路設計比較簡單，通過相應的程式設計設計，可以很容易地實現控制和顯示、鍵盤等功能，是一種可選的方案。
但與微控制器相比，**較高，顯然大材小用。
方案三：採用微控制器最小系統同時完成控制、顯示、鍵盤等功能，電路設計和製作比較簡單，成本也低，是一種非常好的方案。
綜上所述本設計採用方案三作為控制電路。
2.2測溫電路方案的選擇
方案一：採用熱敏電阻作為測溫元件。熱敏電阻精度高，需要配合電橋使用，要實現精度測量需要配上精密較高的電阻。此外還需要製作相應的調理電路。
方案二：採用半導體整合溫度感測器作為測溫元件，半導體整合溫度感測器應用也很廣泛，它的精度、可靠性都不錯，**也適中，使用比較簡單，是乙個較好的選擇。
綜上所述本設計採用方案二作為測溫電路。
2.3加熱控制方案的論證
首先要選擇好加熱裝置。根據題目，可以採用熱得快進行加熱，控制熱的快加熱時間以達到設定的溫度。由於熱的快的餘溫較大，因此設定在與設定溫度相差一度時停止加熱。
具體方案如下。
方案一：在與設定溫度相差三度時關閉熱得快，但多次試驗後發現由於所要設定的溫度不同誤差較大。
方案二：在與設定溫度相差一度時關閉熱得快，因為在超過所設定溫度時啟動製冷片進行調節，溫度誤差較小，精度較高。
綜上所述本設計採用方案二。
2.4 製冷控制方案的論證
方案一：採用通常冰箱所採用的製冷裝置壓縮機，但由於體積太大成本較高，控制起來較複雜並且一般的氟利昂壓縮機對環境有汙染，不適合小型電路的製作。
方案二：採用風扇進行製冷，但是風扇的相對製冷效果非常低，達不到題目所要求的時間限制並且功率大的風扇體積較大。
方案三：採用半導體製冷片進行製冷，半導體製冷片體積很小，相對效率較高，容易控制，對於製作小型電路非常適合，由於製冷片製冷時需要散熱，
採用風扇進行散熱時效果不明顯嚴重影響了製冷片的工作，因此採用水冷進行散熱。
三、電路設計與計算
3.1單元電路的設計
3.1.1溫度採集電路：
一種電路是採用單線數字溫度感測器18b20，可直接輸出數字量，單線器件和微控制器的介面只需一根訊號線，所以本設計的硬體電路十分簡單，容易實現。使用讀取溫度暫存暫存器的方法能達到0.1c以上的精度。
18b20連線電路圖如圖1所示。
圖1另一種測溫電路採用ad590整合溫度感測器，ad590將溫度轉化為電流訊號，但由於ad轉換大都需要電壓訊號，因此還需要通過相應的調理電路，將電流訊號轉化為電壓訊號。ad590測溫電路如圖2所示。
圖2 由於這個電路輸出的是電壓訊號，不能直接被微控制器利用，因此需經過乙個a/d轉換器，將電壓訊號轉換為數字量。a/d轉換器有很多態別，需要根據精度和轉換速度來進行選擇。本設計可採用最常用的a/d晶元之一ad0809的應用電路。
也可直接選用帶有a/d的微控制器，這樣可以省去a/d電路的製作，簡化了電路，提高了可靠性。帶a/d的微控制器有很多態號，如常用的pic16c711內含有4路8位a/d，c8051f020內含一組8路12位a/d和一組8路8位a/d，凌陽spce061a微控制器內含有8路10位a/d。
3.1.2控制、鍵盤、顯示電路：
這部分實際上是乙個微控制器最小系統的基本電路，可選用最常用的51系列微控制器，足夠滿足系統的要求。
鍵盤可以選用常用的44掃瞄鍵盤，不過在這個設計中只需要3～5個按鍵即滿足要求。本著簡單實用的原則，選擇了5個按鍵，分別用作設定選擇、溫度加、溫度減、計時器，溫度比較。
在顯示方面，選用了常用的顯示容量為162個字元的液晶顯示模組。通過相應的軟體程式設計，可以實現比較美觀和豐富的顯示介面。模組連線電路圖如圖3和圖4所示。
圖3：顯示電路
圖4：按鍵電路
3.2總體電路設計
本著簡單、實用的原則，這裡最後選用了乙個比較典型的硬體方案：
測溫電路選用ds18b20整合陣列測溫電路；
控制晶元採用常見的stc89c52；
顯示方式採用符液晶顯示器1602；
鍵盤採用4獨立按鍵；
3.3軟體流程圖
本設計為了實現對1l水的溫度的測量並用液晶顯示，使待測水溫的靜態誤差在1c範圍以內。溫度設定範圍為10～70c,最小區分度為0.1c。
同時當水溫達到設定值時在環境溫度降低時溫度控制的靜態誤差1c。
主程式流程圖如圖5所示，實現對範圍、溫度值的設定，執行、顯示實時溫度。
圖5：系統主程式流程圖
五、測試
使用的主要儀器儀表：pc機（lenovo）;數字萬用表（dt-9205b,gdm-8245);水銀溫度計；51微控制器開發系統。
5.1感測器標定
由於18b20出場的測溫精度可達0.1c，基本能夠達到設計要求。在此使用了測溫精度為1c煤油溫度計測量水溫。
靜態溫度測量
之前經多次試驗後發現18b20與溫度計之間溫度總是相差大約兩度，在總體測量之前採用軟體進行溫度補償2度。
測量方式：斷開系統的加熱裝置，裝入一定溫度的水，保持環境溫度和其測量條件不變，利用標準的溫度計測量水溫，於系統給出的溫度相比較。
測量儀器：煤油溫度計，800w熱得快，半導體製冷片，環境溫度30.5c。
測量結果：如下表所示
表1誤差分析：由於熱得快加熱時，加熱區主要集中在其上部，造成受熱不均，熱得快對兩者的距離和測量點又不能取到完全相同。在此誤差均在0.
3(c)以內，且大部分在0.2（°c）且沒有規律性，所以不再軟體補償溫度值
5.2動態溫控測量
測量方式：接上系統的加熱裝置，裝入1l室溫的水，設定控溫溫度。記錄調節時間、超調溫度、穩態溫度波動幅度等。
測量儀器： 800w熱得快，半導體製冷片，環境溫度30.5c。
測量結果：如下表所示。在此僅以數值的方式給出測量結果，略去公升溫曲線。調節時間按溫度進出設定溫度0.5c範圍時計算。
表2 5.3測試結果分析
由以上測量可見，系統效能基本上達到了所要求的指標。靜態測溫的精度主要有ds18b20決定。ds18b20的精度比較高，這裡採取了讀取溫度暫存器辦法，測溫精度能夠達到0.
1c，可以達到比較好的精度。
在控溫指標中，影響系統效能的因素非常多。最關鍵的是加熱系統本身的物理性質。由於感測器必須加上防水設施，因此溫度感測器難免會有遲滯，熱得快本身的延遲，水對流傳熱等因素也會造成測溫的延時，這些都會直接影響系統的控制效能。
硬體除錯問題
電路採用三路繼電器控制，一路控制加熱，兩路控制冷片製冷，在製作板子時，由於兩路電源輸入距離很近，隨意在測試工作時，加熱電路不能正常工作，仔細檢查電路沒有問題，考慮到干擾問題，將輸入端分開鏈結，問題解決。
其他電路：18b20控制電路，按鍵電路上電測試，均能正常工作。
5.4 結論
整個系統的設計思想是提高靜態控溫精度，減小調節時間和超調量。整個系統綜合有如下幾個特點：
1. 通過ds18b20整合溫度感測器減少了a/d轉換電路，簡化了電路結構。
3 在電路設計中充分考慮了系統的可靠性和安全性。通過精心除錯達到基本功能指標，動態效能也達到較好的要求。
六、心得
通過硬體和軟體的設計，製作出了水溫控制系統，本次比賽的大部分指標都已實現，通過此次自己努力學習、認真設計，從資料的蒐集，方案分析和確定，在電路板的製作與程式的編寫等過程中我們掌握了很多技術，在微控制器程式設計和焊接電路板及工藝等方面都有了很大的進步。在此期間充分的鍛鍊了我們的自學能力，也有了永不輕言放棄的毅力。同時也明白其實並不要在乎學了多少，重要的是所學的在實踐中如何應用以及用到什麼樣的程度。
本次設計的硬體電路部分比較簡單，大部分功能都是由軟體程式來實現的，在程式設計的過程中，我學會了許多c語言的程式設計技巧，學會了使用指標，使程式更加靈活；另外還學會了**的優化技巧，逐漸養成了良好的程式設計習慣，寫出了高質量的程式**，為今後的學習工作打下了良好的基礎。
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