恒溫水浴控制翟文豪

1、恒溫水浴控制設(shè)計(jì)組長(zhǎng)：翟文豪組員：， 目錄：1. 恒溫水浴控制題目介紹及要求；2. 恒溫水浴控制電路介紹及電路圖；3. 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示原理及工作效果；4. 鍵盤(pán)輸入原理及工作流程；5. 繼電器工作原理，控制流程以及控制電路；6. DS18B20 溫度測(cè)量及傳感原理；7. 恒溫水浴箱工作情況以及硬件連接（并附上實(shí)物圖）；8. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。二 內(nèi)容介紹：1恒溫水浴控制題目介紹及要求：一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)恒溫水浴系統(tǒng)，控制一帶頂蓋容器中液體溫度。 容器形狀、材質(zhì)不限，正視、側(cè)視、俯視三個(gè)的方向投影長(zhǎng)度小于容積大于等于 500ml。15cm，在容器除頂面外的任意位置安裝半導(dǎo)體制冷器件（制冷片

2、冷熱兩用），制冷片的外側(cè)面可加散熱片、小風(fēng)扇等加快熱交換的裝置。二、設(shè)計(jì)要求 基本要求系統(tǒng)穩(wěn)定，有明顯溫控表現(xiàn)，溫度可調(diào)節(jié)范圍為 1050（可寬于此范圍），最小設(shè)定分度為 1。當(dāng)溫度達(dá)到某一設(shè)定值并穩(wěn)定后，水溫的波動(dòng)控制在2以內(nèi)。要求溫度調(diào)控達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，必須給出聲或光提示信號(hào)。3) 在超調(diào)量=10%的情況下，調(diào)節(jié)時(shí)間盡量短 發(fā)揮部分1) 溫度可調(diào)節(jié)范圍盡量寬；當(dāng)水溫達(dá)到某一設(shè)定值并穩(wěn)定后，其波動(dòng)控制在1內(nèi)2)3)能并實(shí)時(shí)顯示溫度調(diào)節(jié)過(guò)程的曲線, 顯示的誤差絕對(duì)值小于 2。在不影響以上水浴功能的情況下，增加必要器件(如小水泵等)，改裝成水冷循環(huán)系統(tǒng)，給外部發(fā)熱器件散熱。其他。4)三、說(shuō)明1.

3、 系統(tǒng)電源可使用市售開(kāi)關(guān)電源或者主辦方提供的學(xué)生電源。參賽隊(duì)亦可使用電源。2. 采用半導(dǎo)體致冷器件實(shí)現(xiàn)制冷或加熱，如果單片功率不夠允許多片串聯(lián)，最多過(guò) 3 片。時(shí),此題參賽者以 5 隊(duì)為一小組同時(shí)3.,可自帶溫度檢測(cè)工具。測(cè)評(píng)時(shí),每隊(duì)注入相同體積熱水,測(cè)報(bào)當(dāng)前溫度后，先設(shè)定某一較低溫度值制冷,再設(shè)定某一較高溫度值加熱。4.當(dāng)溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的提示信號(hào)出現(xiàn)后立即檢測(cè)并調(diào)控的溫度值，檢測(cè)時(shí)間延續(xù) 120s，以溫度波動(dòng)的最大值；能實(shí)時(shí)顯示溫度曲線的可直接曲線。5.超調(diào)量：輸出量的最大值減去穩(wěn)態(tài)值，所得之差與穩(wěn)態(tài)值之比的百分?jǐn)?shù)。調(diào)節(jié)時(shí)間：響應(yīng)曲線達(dá)到并保持在偏離穩(wěn)態(tài)值5%（或2%）之內(nèi)所需要的最短時(shí)間

4、。6.2. 恒溫水浴控制電路介紹及電路圖：1. 根據(jù)題目要求系統(tǒng)模塊分可以劃分為：溫度測(cè)量模塊，顯示電路模塊，調(diào)溫模塊，控制模塊，系統(tǒng)的框圖如圖 1.2.1 所示。為實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別做了幾種不同的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了論證。2各模塊電路的方案選擇及論證34（1）控制器模塊根據(jù)題目要求，控制器主要用于對(duì)溫度測(cè)量信號(hào)的接受和處理、控制半導(dǎo)體制冷（制熱）片和風(fēng)扇使控制對(duì)象滿足設(shè)計(jì)要求、控制顯示電路對(duì)溫度值實(shí)時(shí)顯示以及控制鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度值的設(shè)定等。對(duì)控制器的選擇有以下方案：56圖 1.2.1 系統(tǒng)基本模塊方框圖78方案一：采用 FPGA 作為系統(tǒng)控制器。FPGA 功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，

5、規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用 EDA仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。FPGA 采用并行的 I/O 口方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制。由溫度傳感器送來(lái)的溫度信號(hào)，經(jīng) FPGA 程序?qū)ζ溥M(jìn)行處理，控制加熱裝置動(dòng)作。但由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求不高，F(xiàn)PGA 的高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)，并且其成本偏高，引腳較多，硬件電路布線復(fù)雜。9方案二：采用模擬運(yùn)算放大器組成控制系統(tǒng)。對(duì)于水溫控制是足夠的。但要附加顯示、溫度設(shè)定等功能，要附加許多電路，稍顯麻煩。方案三：采用 ATMEL 公司的 AT89C52 作為系統(tǒng)控制器。單片機(jī)算

6、術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟10件編程靈活、度大，可用編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本優(yōu)點(diǎn)?；谝陨戏治鰯M訂方案二，由 AT89C52 作為控制，對(duì)溫度和實(shí)時(shí)顯示以及加熱裝置進(jìn)行控制。 12（ ）調(diào)溫裝置控制模塊根據(jù)題目，可以使用制冷（熱）片進(jìn)行調(diào)溫。對(duì)調(diào)溫裝置控制模塊有以下方案：方案一：采用可控硅來(lái)控制加熱器有效功率。可控硅是一種半控器件，應(yīng)用于交流電的功率控制有兩種形式：控制導(dǎo)通的交流周期數(shù)達(dá)到控制功率的目的；控制導(dǎo)通角的方式控制交流功率。由交流過(guò)零檢測(cè)電路輸出經(jīng)適當(dāng)延時(shí)控制雙向可控硅的導(dǎo)通角，延時(shí)時(shí)間即移相偏移量由溫度誤差計(jì)算得到?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)交流電單個(gè)周期有效值周期性

7、控制，保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。該方案電路稍復(fù)雜，需使用光耦合驅(qū)動(dòng)以及變壓器等器件。但該方案可以實(shí)現(xiàn)功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，因此響應(yīng)速度快，控制精度也高。方案二：采用繼電器控制。使用繼電器可以很容易實(shí)現(xiàn)地通過(guò)較高的電壓和電流，在正常條件下，工作十分可靠。繼電器無(wú)需外加光耦，自身即可實(shí)現(xiàn)電氣。這種電路無(wú)法精確實(shí)現(xiàn)電熱絲功率控制，電熱絲只能工作在最大功率或零功率，對(duì)控制精度將造成影響。但Output顯示電路加熱裝置控制部分鍵盤(pán)輸入Input測(cè)溫部分可以由多路加熱絲組成功率控制，由單片機(jī)對(duì)溫差的處理實(shí)現(xiàn)分級(jí)功率控制提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能?；谝陨戏治鲆约艾F(xiàn)有器件限制選擇方案二，采用繼電器控制省去光耦和交流過(guò)零檢測(cè)電

8、路，在上選用適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，同樣可以達(dá)到較好的效果13. （3）溫度模塊14. 題目要求水溫的波動(dòng)控制在2以內(nèi)，溫度信號(hào)為模擬信號(hào)，本設(shè)計(jì)要對(duì)溫度進(jìn)行控制和顯示，所以要把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。該溫度模塊有以下方案：15. 方案一：利用熱電阻傳感器作為感溫元件，熱電阻隨溫度變化而變化，用儀表測(cè)量出熱電阻的阻值變化，從而得到與電阻值相應(yīng)的溫度值。最常用的的是鉑電阻傳感器，鉑電阻在氧化介質(zhì)中，甚至在高溫的條件下其物理，化學(xué)性質(zhì)不變。由鉑電阻阻值的變化經(jīng)小信號(hào)變送器 XTR101 將鉑電阻隨溫度變化的轉(zhuǎn)換為420mA 線形變化電路，再將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，送到 A/D 轉(zhuǎn)換器ADC0809.即將模擬

9、信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該方案線性度優(yōu)于 0.01。16. 方案二：采用溫度傳感器 AD590K。AD590K 具有較高精度和重復(fù)性，良好的非線性保證0.1的測(cè)量精度。加上非線性補(bǔ)償可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。AD590將溫度轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，因此要加相應(yīng)的調(diào)理電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。送入 8 為 A/D 轉(zhuǎn)換器，可以獲得 255 級(jí)的精度，基本滿足題目要求。17. 方案三：采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20。DS18B20 為數(shù)字式溫度傳感器，無(wú)需其他外加電路，直接輸出數(shù)字量?？芍苯优c單片機(jī)通信，單。如圖 1.2.2 所示 。測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，電路簡(jiǎn)18.19.20. 圖 1.2.2 DS18B20 測(cè)溫

10、電路21.22. 基于以上分析和現(xiàn)有器件所限，溫度模塊選用上述方案。DS18B20 與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 912 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。并且從 DS18B20 讀出的信息或?qū)懭?DS18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫(xiě),因而使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。他在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面帶來(lái)了令人滿意的效果。（ ）鍵盤(pán)與顯示模塊根據(jù)題目要求，水溫要由人工設(shè)定，并能實(shí)時(shí)顯示溫度值。方案一：采用液晶顯示屏和通用矩陣鍵盤(pán)。液晶顯示屏（LCD）具有功耗小、輕薄短小無(wú)輻射果好，平面直角顯示以及影象穩(wěn)

11、定不閃爍，可視面積大，畫(huà)面效能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但由于只需顯示三位溫度值，信息量比較少，且由于液晶是以點(diǎn)陣的模式顯示各種符號(hào)，需要利用控制工作量大，控制器資源占用較多，其成本也偏高。創(chuàng)建字符庫(kù)，編程26. 方案二：采用三位 LED 七段數(shù)碼管分別顯示溫度的十位、個(gè)位和小數(shù)位。按鍵采用單列 3 按鍵進(jìn)行溫度設(shè)定。數(shù)碼管具有：低能耗、低損耗、低壓、長(zhǎng)、耐老化，對(duì)外界環(huán)境要求較低。同時(shí)數(shù)碼管采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。27. 根據(jù)以上論述，采用方案二。本系統(tǒng)中，采用了數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示，節(jié)省單片機(jī)的資源。28. 1.2.2系統(tǒng)各模塊的最終方案29. 根據(jù)以上分析，結(jié)合器件和設(shè)備等

12、，確定如下方案：30. 1. 采用 AT89S52 單片機(jī)作為控制器，分別對(duì)溫度制。、溫度設(shè)定、調(diào)溫裝置控31. 2. 溫度測(cè)量模塊采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20。此器件經(jīng)分辨率測(cè)量。設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)高3. 半導(dǎo)體制冷（熱）片控制采用繼電器控制，實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單實(shí)用。4. 顯示用四位八段數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)以及預(yù)設(shè)溫度值，用兩個(gè)單鍵實(shí)現(xiàn)溫度值的加減。34.35.36. 圖 1.2.3 系統(tǒng)基本框圖37.38. 系統(tǒng)的基本框圖如圖1.2.3 所示。CT 89S52）首先寫(xiě)入命令給 DS18B20，然后 DS18B20 開(kāi)始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后通過(guò) 89S52 來(lái)處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果就顯示到數(shù)碼管上。另外

13、由鍵盤(pán)設(shè)定溫度值送到單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)處AT89S52Output數(shù)碼管繼電器鍵盤(pán)加減InputDS18B20理發(fā)出溫度控制信息到繼電器。DS18B20 可以被編程，所以箭頭是雙向的。39. 恒溫水浴控制系統(tǒng)總程序(詳見(jiàn)附表 1)40. 恒溫水浴系統(tǒng)控制總電路圖41. 51 最小系統(tǒng)板電路原理圖（詳見(jiàn)附表 2）；3. 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示原理及工作效果：動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。這樣一來(lái)，就沒(méi)有必要每一位數(shù)碼管配一個(gè)鎖存器，從而大大地簡(jiǎn)化了硬件電路。選亮數(shù)碼 管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂動(dòng)態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用

14、發(fā)光管的和人眼視覺(jué)暫留作用，使人的感覺(jué)好像各位數(shù)碼管同時(shí)都在顯示。4. 鍵盤(pán)輸入原理及工作流程：（1）鍵盤(pán)檢測(cè)原理：系統(tǒng)采用兩個(gè)獨(dú)立鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)設(shè)溫度的輸入，其中一個(gè)對(duì)預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行升高，另一個(gè)實(shí)現(xiàn)降低。這兩個(gè)按鍵一端接地，另一端則分別連到單片機(jī)的 P20 和 P21 口，因?yàn)檫@兩個(gè) IO 口為非三態(tài)狀態(tài)，所以該線為線與關(guān)系，即只要有一端置零即為零。并且鍵盤(pán)是一種常開(kāi)型開(kāi)關(guān)，常態(tài)下，按鍵的兩個(gè)觸點(diǎn)處于斷開(kāi)狀態(tài)，按下時(shí)，兩個(gè)觸點(diǎn)閉合。所以只要把 P20 和 P21 置，再通過(guò)程序來(lái)讀回來(lái)這兩個(gè) IO 口的電平狀態(tài)，若高即沒(méi)按下，低即已被按下，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。（2）按鍵的消抖處理系統(tǒng)采

15、用鍵盤(pán)是機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，按鍵閉合和接通時(shí)都不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通和斷開(kāi)，產(chǎn)生一些抖動(dòng)。如果不消除這種抖動(dòng)現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)對(duì)按鍵的錯(cuò)誤判斷，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤。通常情況下抖動(dòng)時(shí)間為 5ms10ms，而穩(wěn)定時(shí)間一般會(huì)超于 100ms，利用按鍵穩(wěn)定穩(wěn)定閉合與按鍵中的抖動(dòng)時(shí)間的較大差別，可以的辦法進(jìn)行消抖處理。消抖原理為：當(dāng)檢測(cè)到按鍵閉合后執(zhí)行一個(gè) 5ms10ms 的延時(shí)程序，即避開(kāi)按鍵的前沿的抖動(dòng)部分，再一次檢測(cè)按鍵的狀態(tài)，若按鍵仍然為閉合狀態(tài)，即可確認(rèn)按鍵被按下。（3）流程圖：開(kāi)始檢測(cè)相應(yīng) IO口的電平狀態(tài)再次檢測(cè)相應(yīng) IO 口的電平狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的指令，即預(yù)設(shè)溫度加1 或減一低高進(jìn)行

16、約 10ms 的延時(shí)低高a) 繼電器工作原理，控制流程以及控制電路：本設(shè)計(jì)采用 5V3A 六管腳繼電器。繼電器通過(guò) VCC 口以及與單片機(jī)IO 口連接從而實(shí)現(xiàn)其開(kāi)關(guān)端口的控制，當(dāng)對(duì)其連接IO 口進(jìn)行操作時(shí)，可以使繼電器的常開(kāi)端在滿足條件的情況下閉合從而控制制冷片制冷或者制熱。繼電器控制工作流程圖預(yù)設(shè)溫 度是否 小于實(shí) 際溫度預(yù)設(shè)溫 度是否 滿足 實(shí)際溫度結(jié)束繼電器停止工作是控制制冷片的繼電器常閉端閉合，使制冷片工作制冷否控制制熱片的繼電器閉合，制熱片工作否是比較預(yù)設(shè)溫度和實(shí)際溫度大小開(kāi)始b)DS18B20 溫度測(cè)量及傳感原理：本系統(tǒng)采用半導(dǎo)體溫度傳感器作為敏感元件。傳感器1采用了 DS18B2

17、0 單總線可編程溫度傳感器,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和轉(zhuǎn)換，直接輸出數(shù)字量，可以直接和單片機(jī)進(jìn)行通訊，大大簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜度。DS18B20 應(yīng)用廣泛，性能可以滿足題目的設(shè)計(jì)要求。DS18B20 的測(cè)溫電路如圖 2.2.1 所示。23456圖 2.2.1（1）DSI8B20 的測(cè)溫功能的實(shí)現(xiàn)：其測(cè)溫電路的實(shí)現(xiàn)是依靠單片機(jī)的編程上。當(dāng) DSI8B20 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以 16 位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式在，高速暫存器的 0，1 字節(jié)。單片機(jī)可通過(guò)單線接口讀到該數(shù)據(jù)時(shí)低位在后，數(shù)據(jù)格式以 0062 5LSB 形式表示。溫度值格式如表 2.2.1 所示，其中“S”為標(biāo)志

18、位，對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位 S=0 時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng) S=1 時(shí)，先將補(bǔ)碼變換為原碼，再計(jì)算十進(jìn)制值。78表 2.2.1DS18B20 溫度值格式表LS Byte161718器操作命令如表 2.2.3 所示19表 2.2.3器操作命令表202122（3）溫度轉(zhuǎn)換算法及分析由于 DS18B20 轉(zhuǎn)換后的代碼并不是實(shí)際的溫度值，所以要進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換。溫度高字節(jié)（MS Byte）高 5 位是用來(lái)保存溫度的正負(fù)（標(biāo)志為 S 的 bit11bit15），高字節(jié)（MS Byte）低 3 位和低字節(jié)來(lái)保存溫度值（bit0 bit10）。其中低字節(jié)（LS Byte）的低 4 位來(lái)保存溫度的小數(shù)位（bit0 bit 3）。232425（4）DS18B20 溫度測(cè)量流程圖指令代碼Write Scratchpad(寫(xiě)暫存器)4EHRead Scratchp