2023年恒温水箱毕业设计.doc

恒温水箱毕业设计 恒温水箱毕业设计 一、绪论 〔一〕课题研究的背景 温度是工业上常见的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品加工、机械制造等领域，恒温控制系统被广泛应用于加热炉、热处理炉、反响炉等。在一些温控系统电路中，广泛采用的是通过热电偶、热电阻或PN结测温电路经过相应的信号调理电路，转换成A／D转换器能接收的模拟量，再经过采样／保持电路进行A／D转换，最终送入单片机及其相应的外围电路，完成监控。但是由于传统的信号调理电路实现复杂、易受干扰、不易控制且精度不高。本文介绍单片机通过数字温度传感器检测外部温度对水箱进行恒温控制的设计，通过控制继电器的通断，进而控制电炉的加热来实现恒温控制。因此，本系统采用一种新型的可编程温度传感器〔DS18B20〕，不需复杂的信号处理电路和A／D转换电路就能直接与单片机完成数据采集和处理，实现方便、精度高，可根据不同需要用于各种场合。在日常生活中，也经常用到电烤箱、微波炉、电热水器、烘干箱等需要进行温度检测与控制的家用电器。采用单片机实现温度控制不仅具有控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度地提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量，现以恒温水箱控制系统的设计进行介绍。 〔二〕国内外恒温控制技术开展现状及趋势 随着计算机控制技术的开展，恒温控制己在工业生产领域中得到了广泛应用，并取得了巨大的经济和社会效益。在不同的领域内，由于控制环境、目标、本钱等因素，需要针对具体情况来设计系统结构和功能，以取得最正确的控制效果。其中，恒温环境的自动化控制技术在工业生产、商业运营中是一个重要研究。 1、国外恒温控制的开展现状及趋势 自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛开展，以及自动控制理论和设计方法开展的推动下，国外恒温控制系统开展迅速，并在智能化，自适应参数的自整定等方面取得了很大的科技成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表。 目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速开展。虽然温度控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器及技术来讲，其总体开展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。 2、国内恒温控制的开展现状及趋势 我国目前在恒温控制技术这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位〞控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变的温度系统控制。在适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表领域内，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。因此，我国在恒温控制等控制仪表行业与国外还有着一定的差距。 从过程量的检测角度出发，温度是最常见的过程变量之一，它是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反响、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。而恒温控制技术在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。其温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。尽管恒温控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。 随着嵌入式系统开发技术的快速开展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。 〔三〕设计任务 1、设计目的 设计一个恒温水箱自动调节控制系统，水箱内的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调节，以保持与设定的温度根本不变。 利用单片机STC89C52RC实现水温的智能控制，使水温能够在60℃左右实现恒定温度调节，利用数字温度传感器读出水温，并在此根底上将水温调节到通过键盘设定的温度，并通过LCD液晶显示实现时实当前温度。 2、系统设计技术指标 设计一个恒温水箱控制系统，主要包括主电路和控制电路。以下为该恒温水箱控制系统的技术指标：〔1〕预置时显示设定温度，到达定温度时显示实时温度，精确到0.5℃。 〔2〕恒温箱温度可预置，在误差范围内恒温控制，温度控制误差≤±1℃。 〔3〕恒温水箱由1KW加热棒加热。 〔4〕升降温度可以通过键盘控制，其10以内要求控制时间小于5分钟 〔5〕启动后有运行指示，温度低于预置温度5℃时进行220V全加热。 〔6〕有较强的抗干扰性能，对升降温过程的线性没有要求。 〔7〕具有断电保存功能及相应的保护功能。 3、系统功能 〔1〕可以对温度进行自由设定，但必须在0～100℃内，设定时可以实时显示出设定的温度值。 〔2〕加热由1台1KW电炉来实现，如果温度不在60℃时，根据设定的温度值与实际检测的温度值之差来采取不同的加热方式。 〔3〕能够保持实时显示水温，显示位数4位，分别为百位、十位、个位和小数位〔但由于规定不超过90度，所以百位也就没有实现，默认的百位是不显示的。〕。 二、恒温水箱控制系统总体方案设计 〔一〕系统方案选择与论证 1、一位式的模拟控制方案 此方案是传统的一位式模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反响的温度值和设定值比拟后，决定加热或不加热。其特点是电路简单，易于实现，但是系统所地结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定，受 环境影响大，不能实现复杂的控制算法，难以用数码管显示或者LCD液晶显示，难以用键盘设定，其方案一框图如图2-1-1所示。 比 较 器 温度预置 信 号 放大 继 电 器 加热装置 数 据 采 集 信号放大 图2-1-1 一位式模拟控制方案框图 2、二位式的模拟控制方案 此方案采用单片机系统来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统通过温度传感器〔ADC590〕对水箱内水温进行检测，得到模拟的温度信号，在经过A/D转换成数字信号之后，那么可用数码管来显示或者用LCD液晶显示水温的实际值，还能用键盘输入设定值，也可实现打印功能。本方案还可选用51单片机〔内部含有4KB的EEPROM〕，不需要外扩展存储器可使系统整体结构较为简单。但是它是一种传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改也比拟麻烦，其方案二框图如图2-1-2所示。 数 据 采 集 信号放大 温度预置 上限比拟 下限比拟 信号处理 继电器 加热装置 图2-1-2 二位式模拟控制方案框图 3、PID算法控制方案 此方案采用单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，它可到达核心的控制作用，并且可方便实现液晶显示、键盘设定及利用PID算法来控制PWM波形的产生，进而控制电炉的加热来实现恒温控制，其所测结果精度也大大的得到了提高，在利用PID算法来控制PWM波形的产生，是有效的控制数字脉冲的输出宽度，使继电器得到有效和有序的逻辑控制，不会使继电器产生误动作。 再加上单片机的软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。它可以通过用数字温度传感器采集到的实际水温温度直接进行LCD液晶显示，还能用键盘输入设定值，并且内部含有4KB的EEPROM,不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单，其方案三框图如图2-1-3所示。 键盘设定 数据采集 单片机 STC89C52RC 电源电路 LCD液晶显示 继电器 加热装置 图2-1-3 方案三基于单片机控制的方框图 数字PID调整 复位电路 光指示电路 由于方案一和方案二是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改比拟麻烦，而方案三是采用单片机为控制核心的控制系统，利用PID控制原理和PWM技术实现对水箱内水温控制。基于这样的控制原理和PWM技术的优越性，在对温度控制的系统中，它可到达采用其他控制系统所达不到的控制效果，并且可方便实 现LCD液晶实时显示、键盘设定、直接可以驱动继电器，其测量结果的准确性和精度是非常高的，故经过对三种方案的比拟论证，本设计采用方案三，利用单片机按增量式的PID控制算法对采集的温度数据进行处理，得到控制量，利用增量式的PID控制算法来控制PWM波形的产生进行控制继电器，从而控制加热棒的进行加热，实现对水箱内水温的恒温控制。 〔二〕恒温水箱控制系统工作原理 根据恒温水箱控制系统的设计任务和要求，确定了系统总体方案之后，现对该方案的具体原理进行详细介绍，它是采用闭环控制结构进行控制的，其具体控制图如图2-2-1所示。 单片机 STC89C52RC 电源 键盘输入 驱动电路 LCD液晶显示 继电器控制电路 加热捧 水箱 温度传感器DS18B20 图2-2-1 恒温控制原理图 本系统是采用闭环负反响的控制方式进行控制的，它通过数字温度传感器检测水箱内的水温温度，把采集到的数据直接送到单片机进行处理，由于数字式温度传感器能在极短时间内把采集到的模拟量转换成数字量，这样被它处理的数据直接送到数字PID模块进行调整和控制PWM波形的产生。然后，把检测到的数据与预先设定的温度值进行比拟，根据不同的差值去控制控制继电器的通断，以采取不同的加热方式进行加热升温。另外，还设置了温度实时显示的装置，可以同时显示预先设定的温度值和实际检测到的温度值。 三、恒温水箱控制系统硬件设计 〔一〕CPU主控模块设计 1、STC89C52RC单片机简介 STC89C52RC是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。STC89C52RC是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的STC89C52RC是一种高效微控制器，STC89C52RC单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 2、晶振电路与复位电路的设计 单片机内部带有时钟电路，只需要在片外通过XTAL1、XTAL2引脚接入定时控制单元〔晶体振荡和电容〕，即可构成一个稳定的自激振荡器。复位电路采用按键电平复位，它通过复位端经电阻与+5V电源实现，只要能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期就可实现复位，其电路如图3-1-1所示。 图3-1-1 晶振电路和复位电路图 装图 〔二〕主电源电路设计 本系统采用双电源输出，分别是+5V、+12V输出。+5V是系统供电电源，12V是继电器工作供电电源。本装置的直流稳压电源采用通常的桥式全波整流、电容滤波、三端固定输出的集成稳压器件进行设计，并且所有的集成稳压芯片均装有充分裕量的散热片。系统的供电电源电路如图3-2-1所示。 图3-2-1 主电源电路 〔三〕温度采集模块设计 1、DS18B20的特点 〔1〕单线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现双向通讯。 〔2〕在使用中不需要任何外围元件。 〔3〕可用数据线供电，电压范围：+3.0～+5.5 V。 〔4〕测温范围：-55 ～+125℃。固有测温分辨率为0.5℃。 〔5〕通过编程可实现9～12位的数字读数方式。 〔6〕用户可自设定非易失性的报警上下限值。 〔7〕支持多点组网功能，多个DS18B20可并联在惟一的三线上，多点测温。 〔8〕负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热烧毁，不能正常工作。 2、DS18B20与单片机的接口电路 DS18B20的引脚图及单片机的接口电路如图3-3-