水温自动控制系统

《电子技术综合设计》

设计报告

设计题目：水温自动控制系统

组长姓名：学号：

专业与班级：工业自动化14-16班

姓名：学号：

专业与班级：工业自动化14-16班

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专业与班级：工业自动化14-16班

时间： 2016 ～ 2017 学年第（1）学期指导教师：陈烨成绩：评阅日期：

一、课题任务

设计并制作一个水温自动控制系统，对1.5L净水进行加。水温保持在一定范围内且由人工设定。

细节要求如下：

1.温度设定范围为40℃~90℃，最小分辨率为0.1℃，误差≤1℃。

2.可通过LCD显示屏显示温度目标值与实时温度。

3.可以通过键盘调整目标温度的数值。

二、方案比较

1.系统模块设计

为完成任务目标，可以将系统分为如下几个部分：5V直流电供电模块、测温模块、80C52单片机控制系统、键盘控制电路、温度显示模块、继电器控制模块、强电加热电路。通过各模块之间的相互配合，可以完成水温检测、液晶显示、目标值设置、水温控制等功能。

系统方框图如下：

2.5V直流电供电模块

方案一：直接用GP品牌的9v电池，然后接通过三端稳压芯片7805稳压成5伏直流电源提供给单片机系统使用，接两个5伏电源的滤波电容后输出。

方案二：通过变压器，将220v的市电转换成9v左右的交流电，变压器输出端的9V电压经桥式整流并电容滤波。要得到一个比较稳定的5v电压，在这里接一个三端稳压器的元件7805。

由于需要给继电器提供稳定的5V电压，而方案一中导致电池的过度损耗，无法稳定带动继电器持续工作，所以我们选用能够提供更加稳定5v电源的方案二。

3.测温模块

经查阅资料,IC式感温器在市场上应用比较广泛的有以下几种：

AD590：电流输出型的测温组件,温度每升高1 摄氏度，电流增加1μA，温度测量范围在-55℃～150℃之间。其所采集到的数据需经A/D 转换，才能得到实际的温度值。

DS18B20：内含AD转换器，所以除了测量温度外，它还可以把温度值以数字的方式(9 B i t ) 送出，因此线路连接十分简单，它无需其他外加电路，直接输出数字量，可直接与单片机通信，读取测温数据。它能够达到0.5℃的固有分辨率，使用读取温度暂存寄存器的方法还能达到0.0625℃以上精度，温度测量范围在-55℃～125℃之间，应用方便。

SMARTEC感温组件:这是一只3个管脚感温IC，温度测量范围在

-45℃～13℃，误差可以保持在0.7℃以内。

max6225/6626：最大测温范围也是-55～+125℃，带有串行总线接口，测量温度在可测范围内的的误差在4℃以内，较大，故舍弃该方案。

本设计选用DS18B20感温IC，这是因其性能参数符合设计要求，接口简单，内部集成了A/D 转换，测温更简便，精度较高，反应速度快，且经过市场考察，该芯片易购买，使用方便。

下面是DS18B20感温IC的实物和接口图片

4.80C52单片机控制系统

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器

（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

5.键盘控制电路

方案一：四键设定，一个十位控制键，一个个位控制键，一个位控制键，一个确认键，通过四键的配合设定为度，该方案接线和程序简单，但实际操作不太便捷。

方案二：矩阵键盘设定，通过按键输入不同数字实现温度的设定，电路连接比较简单，程序较方案一复杂，但已经在学习过程中接触过矩阵键盘的编程技巧，有一定的可行性，且操作起来更加符合我们的日常习惯。

本次设计暂定采用矩阵键盘来作为温度设定电路的输入。

6.温度显示模块

方案一：使用数码管显示，通过数码管显示被测温度和设定温度。该方案程序简单，且已学习过其编程技巧，但硬件占用单片机I/O口较多，对于尽量节约端口，让线路简单来说不是好方法，而且显示也不够直观灵活，只能显示数字，。

方案二：使用液晶屏1602显示。1602可显示两行字符及数字，可以用来显示设定温度及测量温度，较之数码管显示更加清晰直观，虽然此前没有接触过相关知识，但该器件上手比较容易，可以在短期内学会其使用方法。

1602较之数码管更加符合本次设计要求，因此使用1602作为显示器件。

7.继电器控制模块

方案一：采用普通的控制方法，即水温温度到达临界温度时，控制继电器开闭。但由于水温变化快，且惯性大，不易控制精度。

方案二：采用PWM控制加PID算法，通过采用PWM可以产生一个ＰＷＭ波形，而PWM波形的占空比是通过PID算法调节，这样就可以通过控制加热电路的开、断时间比来控制加热器功率进而控制温度的变化，从而使精度提高。此方法中硬件上可以使用固态继电器或晶闸管控制加热器工作。

我们选择方案二。

三、电路设计

1.电源电路

整个系统需要使用5V直流电和220V交流电。电源电路采用变压器与稳压模块，将工频电压降为5V直流电，为系统供电。首先用变压器模块20V 交流电降为9V交流电，接入整流电桥，变为直流电输出，再使用三端稳压芯片7805稳压为5V。L7805输出端要联上电解电容，滤除交流电干扰，防止损坏单片机系统。

LM7805最大可以输出1A的电流，内部有限流式短路保护，短时间内，例如几秒钟的时间，输出端对地（2脚）短路并不会使7805烧坏。

2.温度传感器

DS18B20温度传感器只有三根外引线：单线数据传输总线端口DQ ，外供电源线VDD，共用地线GND。外部供电方式(VDD接+5V，且数据传输总线接4.7k的上拉电阻，其接口电路如下图（外接电源工作方式）所示。

3.单片机最小系统

单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路