水溫監(jiān)控及水位越限報警系統(tǒng)( 本科E題)

1、題目名稱 水溫監(jiān)控及水位越限報警系統(tǒng)( 本科E題)摘要：本系統(tǒng)采用嵌入式微處理器作為核心部件，采用DS18B20集成溫度傳感器對溫度進行實時采樣，通過對采集到的溫度值與人工設(shè)定的值進行比例積分微分算法并運用脈寬調(diào)制技術(shù)，控制電熱器的加熱功率和自動注入冷水來實現(xiàn)溫度控制，并顯示當(dāng)前值與設(shè)定值。對于水位越限報警局部，那么采用電接觸式液位控制,通過插入液體中的三根電極實現(xiàn)上下位報警，當(dāng)超出設(shè)定的液位范圍時，電路就會發(fā)出報警，同時單片機通過水泵控制抽水和放水，使液位到達規(guī)定范圍。測試結(jié)果說明,該系統(tǒng)具有良好的可靠性、穩(wěn)定性及溫控能力。關(guān)鍵詞： 微控制器；溫度測量；PID控制；脈沖調(diào)寬技術(shù)； Abstr

2、act: This system takes core part by monolithic integrated circuit STC89C52. Regarding water temperature monitoring part，it uses DS18B20 to carry on the real-time sampling to the temperature and programed with the software which cllected on the temperature and artificial set of values PID processing

3、to control the generation of PWM wave, then control the heating or electric heater to the cold water into the container to realize temperature control, and on the real-time use display of equipment to display the two temperature Value . Regarding the warning part of water level overstep, uses the el

4、ectrode to make the height fluid position examination. When the liquid level exceeded the set range, the circuit will issue a report to the police, at the same time through the single-chip control of pumps and pumping water, so that the liquid level up to the required range.The test result indicated

5、 that this system has the good reliability, the stability and controls ability warm.Keyword: MCU；Temperature measurement ；PID control ； PWM； 目錄前言4 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc113951468 1 方案論證與比擬4 HYPERLINK l _Toc113951469 1.1 溫度采樣方法方案論證4 HYPERLINK l _Toc113951470 1.2 水位越限報警的選擇方案論證4 HYPERLINK l _

6、Toc113951471 1.3 顯示方法方案論證5 HYPERLINK l _Toc113951474 2 系統(tǒng)設(shè)計5 HYPERLINK l _Toc113951475 2.1 總體設(shè)計5 HYPERLINK l _Toc113951476 2.2 單元電路設(shè)計7 HYPERLINK l _Toc113951477 2.2.1 測溫控制電路設(shè)計7 HYPERLINK l _Toc113951478 2.2.2 液位報警電路設(shè)計8 HYPERLINK l _Toc113951479 2.2.3 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計9 HYPERLINK l _Toc113951481 3 軟件設(shè)計9 HYPE

7、RLINK l _Toc113951482 4系統(tǒng)調(diào)試及功能12 HYPERLINK l _Toc113951483 5 設(shè)計總結(jié)12 HYPERLINK l _Toc113951484 參考文獻：12 HYPERLINK l _Toc113951485 附錄：13 HYPERLINK l _Toc113951488 附1：電路圖圖紙13 HYPERLINK l _Toc113951489 附2：程序清單14前 言水溫監(jiān)控及水位越限報警系統(tǒng)在工業(yè)及日常生活中應(yīng)用廣泛,分類較多。不同水溫控制系統(tǒng)的控制方法也不盡相同,其中以PID控制法最為常見。單片機控制局部采用STC89C52單片機為核心，采用

8、軟件編程，實現(xiàn)用PID算法來控制PWM波的產(chǎn)生，進而控制電熱器的加熱來實現(xiàn)溫度控制。然而,單純的PID算法無法適應(yīng)不同的溫度環(huán)境,在某個特定場合運行性能非常良好的溫度控制器,到了新環(huán)境往往無法很好勝任,甚至使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定,需要重新改變 PID 調(diào)節(jié)參數(shù)值以取得好性能，因此需要擴展EEPROM來存儲不斷整定的參數(shù)。水位控制的方式也多種多樣，如電容式、差壓式、電磁式、差壓式等，在選用方式時根據(jù)具體情況而論，本系統(tǒng)采用一種簡單的電接觸式。方案論證與比擬1.1 溫度采樣方法比擬與選擇方案1：采用熱敏電阻。可滿足35-95的測量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性和可靠性都比擬差，對于檢測精度小于1的溫度信號

9、是不適用的。 方案2：采用溫度傳感器AD590。AD590具有體積小、質(zhì)量輕、線形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。其測量范圍在-50- +150，滿刻度范圍誤差為，當(dāng)電源電壓在510V之間，穩(wěn)定度好，其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設(shè)計要求。此外AD590是溫度-電流傳感器，對于提高系統(tǒng)抗干擾能力有很大的幫助。但增加程序的長度，占用大量CPU的時間。方案3：采用溫度傳感器DS18B20。它是一種數(shù)字式的溫度傳感器，直接將被測溫度轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號，具有微型化，低功耗，高性能，抗干擾能力強等優(yōu)點。從微處理器到DS18B20僅需連接一條信號線和地線。它可以實現(xiàn)912位的溫度讀數(shù)，測量范圍為-55+125，在-10

10、+85范圍內(nèi)誤差為0.5 ，將12位的溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量所需時間不超過750ms。讀寫和執(zhí)行溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，而不需要外部電源。經(jīng)上述比擬，方案3明顯優(yōu)于1、2，應(yīng)選用方案3。1.2 水位越限報警的選擇方案論證方案1：利用浮球在上下限的受力變化經(jīng)過放大器放大控制電機開啟水泵和放水閥的開閉。由于采用模擬控制及浮球作液位傳感器，系統(tǒng)受環(huán)境的影響大，不能實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，也不能使控制精度做得較高，而且不能用數(shù)碼顯示和鍵盤設(shè)定。方案2：采用超聲波液位傳感器。雖然可以實現(xiàn)非接觸測量，但它對被測液體的純潔度，容器的選擇要求較高，并且適合遠距離測量，最短測量距離為20cm, 本系統(tǒng)中

11、的水容量僅為1左右，不適合用此類傳感器。方案3：采用電接觸式液位控制。因為水是導(dǎo)電液體，將一根導(dǎo)線放入水中，另兩根導(dǎo)線分別置于容器的上下限水位處。當(dāng)水位低于下限值時下限電路截止，單片機對應(yīng)控制端口收到低電平信號，立即控制水泵進水和發(fā)出報警；當(dāng)水高于上限值時，上限電路導(dǎo)通，經(jīng)運放為單片機對應(yīng)控制端口送入低電平，單片機立即控制水閥放水并發(fā)出越限警告。綜上考慮，方案3的各方面性能較好，應(yīng)選擇方案3。1.3 顯示方法方案論證方案1：采用1602液晶。體積扁平、輕巧，但編程較復(fù)雜，且顯示屏幕太小，不適合遠距離觀測。 方案2：采用點陣LED。LED顯示屏可以顯示變化的數(shù)字、文字、圖形圖像，亮度高、工作電壓

12、低、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定。但本系統(tǒng)要求顯示的內(nèi)容較少，只需能顯示數(shù)字就行。方案3：采用數(shù)碼管?？刂坪唵危恍柽x中相應(yīng)的段碼和位碼就能顯示。亮度好，適合遠距離觀測。從經(jīng)濟方面考慮，也較方案1和方案2好。因此，對于顯示方法那么采用方案三的數(shù)碼管來顯示。2 系統(tǒng)設(shè)計2.1 總體設(shè)計根據(jù)控制要求，本水溫監(jiān)控及水位越限報警系統(tǒng)主要由STC89C52單片機最小控制系統(tǒng)、測溫控制電路、液位報警電路、鍵盤及顯示電路和PC控制電路五大局部組成，其總體設(shè)計框圖如下列圖所示。圖1 總體設(shè)計框圖1用鍵盤設(shè)定水溫，范圍是4090，用溫度傳感器DS18B20檢測水的實時溫度，單片機對兩溫度進行比擬，根據(jù)差值輸出一脈沖

13、信號控制固態(tài)繼電器對水進行加熱，加熱時間的長短取決于兩溫度的差，差值越大，加熱時間越長，通過PID調(diào)節(jié)使實際溫度最終與設(shè)定值一致，水溫控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖二所示圖2 水溫控制結(jié)構(gòu)框圖2用數(shù)碼管實時顯示當(dāng)前的水溫值。3為防止容器中的水燒干或溢出，即實現(xiàn)水位越限報警功能，用三根導(dǎo)線組成電極放入水中，一根放到水底部，另外兩根分別至于上下水位限處，當(dāng)水位低于下限位時，下限位報警器報警，單片機輸出一信號控制水泵抽水；同樣，當(dāng)水位高于上限位時，上限位報警器報警，單片機輸出一信號控制水泵放水。4用串口實現(xiàn)單片機與上位機之間的通信。串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機后，上位機接收到數(shù)據(jù)并將信息反映出來。 水溫控制的關(guān)鍵點在

14、于采用PID算法來控制PWM波的輸出。其中P為比例控制，I為積分控制，D為微分控控制，PID控制即比例積分微分控制，這是一種較理想的控制規(guī)律。它是在比例的根底上引入積分，可以消除余差，再參加微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，它適用于控制通道時間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場合，如此題中的水溫控制。數(shù)字PID的控制算法 將積分與微分項分別改寫成差分方程，得 式中T為采樣周期，k為采樣序號，e(k-1)、e(k)分別為第k-1和第k次采樣所得的偏差信號 ，由此可得k時刻的控制增量為式中 Kc是比例增益，值為；Ki是積分增益，值為；Kd是微分增益，值為采用增量型PID算式，第k時刻的實際輸出為，

15、 由式可知，計算和u(k)也僅需用到第k-1、(k-2)時刻的歷史數(shù)據(jù) e(k-1)、e(k-2)和u(k-1)，編程序簡單，占用存儲單元少，運算速度快，因此本系統(tǒng)采用增量型PID算式。設(shè)PWM波的周期為400ms, 通過改變它的占空比來改變加熱時間，當(dāng)PWM輸出低電平時，固態(tài)繼電器接通，給水加熱；當(dāng)PWM輸出高電平時，固態(tài)繼電器斷開，不給水加熱。假設(shè)一個時刻u(k)的最大值為AK，此時PWM的低電平為整個周期，即對水進行全功率加熱，計算第k時刻的實際輸出u(k)與AK的比值，再乘以周期，所得的值就是 PWM輸出低電平的時間，即對水進行脈沖式加熱的時間。此后PWM輸出高電平，直到下一個周期的到

16、來。2.2 單元電路設(shè)計測溫控制電路設(shè)計 圖3 DS18B20的接法 圖4 固態(tài)繼電器的驅(qū)動電路如上圖的圖3所示是DS18B20在Protel的原理圖，它是8引腳SOIC的封裝，但有5個是空引腳，所以圖中只畫有用的三腳。DS18B20采用單線技術(shù)，單根信號線即可傳輸時鐘，又能傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，這需要一定的協(xié)議來對讀寫數(shù)據(jù)提出嚴格的時序要求。當(dāng)主機操作單線器件DS18B20必須遵循下面的順序：初始化ROM操作命令內(nèi)存操作命令數(shù)據(jù)處理。它采用的是單線技術(shù)，單線協(xié)議由復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫1、寫0、讀1和讀0幾種信號類型組成。 圖4是固態(tài)繼電器的驅(qū)動電路，通過單片機的IO口輸出一信號來

17、驅(qū)動固態(tài)繼電器工作，實現(xiàn)對水進行加熱，為滿足題目中要求到達的快速性，應(yīng)選用功率大些的，本系統(tǒng)所用的功率為1850W。液位報警電路設(shè)計圖5 液位檢測圖6 越限報警 圖7 液位檢測報警電路圖5、圖6、圖7實現(xiàn)了液位超限報警的功能，三根金屬絲放水中形成三個電極，通過水的導(dǎo)電性能將兩信號通過電壓比擬器進行比擬，以此來驅(qū)動發(fā)光二級管的亮滅以及蜂鳴器報警。 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計圖8 數(shù)碼管顯示采用兩個四位八段共陰的數(shù)碼管實現(xiàn)實時溫度及PID參數(shù)的顯示。由于是共陰型，單片機輸出的電流缺乏以驅(qū)動數(shù)碼管工作，因此，在單片機的I/O端增加一PNP三極管，將電流放大，就可使數(shù)碼管正常工作。當(dāng)顯示溫度時，前四位顯示的是

18、實際的溫度值，后兩位顯示的是設(shè)定的溫度值，由此可以直觀的比擬出兩者的偏差。另外，當(dāng)配合按鍵使用時，數(shù)碼管還可顯示出PID的參數(shù)值。3 軟件設(shè)計本系統(tǒng)的主控制芯片為STC89C52單片機，采用C語言編程，軟件流程圖主要分為：主程序、按鍵的外部中斷、定時器中斷、串口中斷。主程序中只是對一些系統(tǒng)的初始化和顯示函數(shù)的處理，根據(jù)要求，理清編程思路。 以上兩外部中斷的按鍵程序流程圖實現(xiàn)加1和減1的功能。將其設(shè)為外部中斷可使系統(tǒng)快速響應(yīng)中斷，到達實時控制的目的。通過按鍵可以設(shè)定溫度的初始值，調(diào)整PID參數(shù)，功能切換等。定時中斷流程圖如上圖所示，實現(xiàn)20ms的定時，等時間采樣溫度，同時對加熱時間進行嚴格的控制

19、，以使實際與設(shè)定溫度的誤差減小。單片機與上位機之間通訊時，單片機按以上的通信流程圖進行。在編程時應(yīng)注意模塊化編程，將各子功能模塊編好后，再整合為一完整程序代碼。注意區(qū)分各變量之間的關(guān)系，分清局部和全局變量。系統(tǒng)調(diào)試及功能在系統(tǒng)調(diào)試之前，應(yīng)先把硬件做好，并保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，防止浪費時間和精力。本系統(tǒng)調(diào)試的關(guān)鍵在于PID參數(shù)的整定，取適宜的PID參數(shù)，可使系統(tǒng)到達良好的性能。經(jīng)屢次試驗，每次試驗后，仔細分析 PID參數(shù)的變化對系統(tǒng)的影響效果，總結(jié)變換規(guī)律，并在此根底上進行計算，最終找到適宜的值。經(jīng)過屢次調(diào)試比擬，本系統(tǒng)根本上完成了題目的所有功能要求，由于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計合理，功能電路實現(xiàn)較好，

20、系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，較好地到達了題目要求的各項指標(biāo)。設(shè)計總結(jié)參加此次電子設(shè)計大賽，讓我們受益匪淺，真正領(lǐng)悟到了，學(xué)有所為，學(xué)以致用。在本次設(shè)計的過程中，遇到了一些突發(fā)事件和各種困難，但通過仔細分析和不斷調(diào)適解決了問題。大家各方面能力有了進一步的提高，在這個過程中我們深刻的體會到共同協(xié)作和團隊精神的重要性，提高了自己解決問題的能力，在以后的日子里，我們也會更加努力地提高自己、充實自己。參考文獻：1 童詩白, 華成英著 .模擬電子技術(shù)根底.北京: 高等教育出版社,2003年2 閻石著.數(shù)字電子技術(shù)根底. 北京:高等教育出版社, 2003年3 邵裕森,戴先中著.過程控制工程.機械工業(yè)出版社4 程鵬主

21、編.自動控制原理.高等教育出版社5 張毅剛主編.單片機原理附錄：附1：電路圖圖紙附2：程序清單#include#include#include#define uint unsigned int#defineucharunsignedchar uint time=25,heattime=1,cooltime=0;uchartplsb,tpmsb;/保存溫度的上下字節(jié) uint xs;ucharsum,shi,ge,xs1,xs2;/定義溫度十位個位小數(shù)點的存儲單元uchardigbit;/定義數(shù)碼管顯示字位ucharnum1,num2,num3,num4;/定義設(shè)定溫度存儲單元 ucharnum

22、=40;/設(shè)定溫度的初值為50ucharcount;/定義檢測溫度循環(huán)次數(shù)uinttime1;/定義定時器1的初值存儲單元ucharKc=9000,Ki=10,Kd=1000;/設(shè)定PID參數(shù) uint cnt=20,count1; uintsjtemp,sdtemp,diftemp,ek1=0,ek2=0,ek3=0,uk_1=0,difuk; unsigned long AK=100000; signed long difek=0,uk=0;sbitup=P32;/上鍵的控制位sbitdown=P33;/下鍵的控制位 sbit enter=P34; /確定鍵的控制位sbitchange=P

23、35;sbitheat=P25;/PWM開/關(guān)控制位sbitDQ=P20;/溫度傳感器的數(shù)據(jù)通信位sbitwaterL=P21; /當(dāng)P21為低電平那么水位低于設(shè)定下限sbitwaterH=P37;/當(dāng)P37為低電平那么水位高于設(shè)定上限sbitalarm=P24;/超限報警 sbit Inwater=P27; sbit Outwater=P26;bitshowflag;/定義數(shù)碼管顯示標(biāo)志位bitheatflag;/定義是否加熱標(biāo)志位bittempcmpflag;/定義是否進行比擬的標(biāo)志位 bit flag;bitupflag1,upflag2;bitdownflag1,downflag2;b

24、itenterflag1,enterflag2;ucharcodetable=0 xeb,0 x28,0 xb3,0 xba,0 x78,0 xda,0 xdb,0 xa8,0 xfb,0 xfa,0 x00;/數(shù)碼管的段碼void delay1ms(uint t)/延時大約1ms子程序uinti;while(t-)for(i=0;i125;i+);void delay(uint t)/延時大約1ms子程序uinti;while(t-)for(i=0;i0)i-;DQ=1;/產(chǎn)生上升沿；i=4;while(i0)i-;voidRxwait(void)/等待應(yīng)答脈沖；uinti;while(DQ

25、);while(DQ);/檢測到應(yīng)答脈沖? i=4;while(i0)i-;bitRdbit(void)/讀取數(shù)據(jù)的一位，滿足讀時隙要求；uinti;bitb;DQ=0;i+;/保持低至少一微秒；DQ=1;i+;i+;/延時15微秒以上；b=DQ;i=8;while(i0)/讀時隙不低于60微秒；i-;return(b);ucharRdbyte(void)/讀取數(shù)據(jù)的一個字節(jié)；uchari,j,b;b=0;for(i=1;i=8;i+)j=Rdbit();b=(j1);return(b);voidWrbyte(uchar b)/寫數(shù)據(jù)的一個字節(jié)；滿足寫1和寫0的時隙要求；uinti;uchar

26、j;bitbtmp;for(j=1;j1;/取下一位由低位向高位；if(btmp)DQ=0;i+;i+;/延時使得15微秒以內(nèi)拉高；DQ=1;i=8;while(i0)i-;/整個寫1時隙不低于60微秒；elseDQ=0;i=8;while(i0)i-;/保持低在60120微秒之間；DQ=1;i+;i+;voidconvert(void)/啟動溫度轉(zhuǎn)換；TxReset();/產(chǎn)生復(fù)位脈沖；初始化DS18B20;Rxwait();/等待DS18B20給出應(yīng)答脈沖delay1ms(1);/延時Wrbyte(0 xcc);/跳過讀ROM存放器命令Wrbyte(0 x44);/溫度轉(zhuǎn)換命令；voidR

27、dtemp(void)/讀取溫度值；TxReset();/產(chǎn)生復(fù)位脈沖；初始化DS18B20;Rxwait();/等待DS18B20給出應(yīng)答脈沖delay1ms(1);/延時Wrbyte(0 xcc);/跳過讀ROM存放器命令Wrbyte(0 xbe);/讀暫存器命令；tplsb=Rdbyte();/溫度低位字節(jié)tpmsb=Rdbyte();/溫度高位字節(jié)voidresolve_10(void)/把溫度傳感器設(shè)定為10位分辨率；Wrbyte(0 xcc);/發(fā)跳過ROM命令；Wrbyte(0 x4E);/寫暫存器命令Wrbyte(0 x00);/設(shè)定傳感器檢測溫度上限值；Wrbyte(0 x0

28、0);/設(shè)定傳感器檢測溫度下限值Wrbyte(0 x3f);/選11位溫度分辨率；/*.數(shù)值轉(zhuǎn)換函數(shù).*/voidconvert_value(void)ucharp;uchart;/保存小數(shù)位的單元p=tplsb;sum=(tpmsb & 0 x07)*16+(tplsb & 0 xf0)/16;/不帶小數(shù)點的實際溫度處理表達式t=(p & 0 x0f);/小數(shù)點的實際溫度處理表達式shi=sum/10;/十位處理ge=sum%10;/個位處理switch(t) case 0 x00: xs=0;break; case 0 x04: xs=25;break; case 0 x08: xs=50

29、;break; case 0 x0c: xs=75;break; default: break; xs1=xs/10;xs2=xs%10;num1=num/1000; /顯示設(shè)定溫度的十位個位處理num2=num%1000/100; num3=num%1000%100/10; num4=num%1000%100%10;/*.實際溫度與設(shè)定溫度的比照與處理函數(shù).*/voidtempcmp(void)sjtemp=sum*100+(xs/10);/實際溫度與設(shè)定溫度均放大100倍sdtemp=num*100;if(sdtempsjtemp)/如果設(shè)定溫度大于實際溫度diftemp=sdtemp-s

30、jtemp;/計算溫差并減去一定的保持功率 if(diftemp350) heattime=time; cooltime=0; heatflag=1; else if(count=0) ek3=ek2; ek2=ek1; ek1=diftemp;/保存第一次溫差 difek=Kc*(ek1-ek2)+Ki*ek1+Kd*(ek1+ek3-2*ek2); /增量PID計算公式 uk=uk_1+difek; if(uk=0) heattime=0; else heattime=uk*time/AK; cooltime=time-heattime; uk_1=uk; else cooltime=ti

31、me; /*.顯示子函數(shù).*/voiddisplay(void) uchari;switch(digbit)case 1:i=tableshi;break;case 2: i=(tablege|0 x04);break;case 4: i=tablexs1;break;case 8: i=tablexs2;break; case 16:i=tablenum1;break;case 32:i=tablenum2;break;case 64:i=tablenum3;break; case 128: i=tablenum4; break;default:break;P0=0 xff;/關(guān)閉所有數(shù)碼管

32、P1=i;/送段碼P0=digbit;/送字位if(digbit0 x80)digbit=digbit*2;/如果判斷不超過第六位數(shù)碼管移向下一位數(shù)碼管elsedigbit=0 x01;/重新從第一位數(shù)碼管開始/*.主程序.*/voidmain() resolve_10();/初始化暫存器 P0=0 xff;/先關(guān)閉所有數(shù)碼管TMOD=0 x11;/設(shè)置兩個計數(shù)器的工作方式均為10 TH0=-10000/256;/設(shè)置定時器0的初值TL0=-10000%256; ET0=1;/允許定時器0中斷 TR0=1;/開啟定時器0IT0=1;IT1=1; EX0=1; EX1=1; EA=1; /開總中斷delay1ms(1); /延時約1ms convert();/啟動溫度轉(zhuǎn)換；Rdtemp();/讀取溫度convert_value(); /轉(zhuǎn)換溫度 flag=0; digbit=0 x01;count1=time; while(1) display(); if(flag=1) convert(); Rdtemp(); flag=0; delay1ms(1); convert_value(); tempcmp(); if(heatflag=1) heat=0; else heat=1; if(up=1)