水温监控及水位越限报警系统作品论文

1水温监控及水位越限报警系统摘要本系统主要通过51单片机实现水温的自动监控和水位越限报警及调整，这个系统是闭环控制系统，单片机获取被控对象即水容器里的水温和水位信息，与预置的水温和水位进行比较，通过继电器输出差异控制信息作用于加热器和抽水泵，实现水温和水位的自动调节。本系统使用高精度温度传感器，系统可靠性高，易操作，在一般的加热水缸、热水池等具有一定参考使用价值。关键词：51单片机水温监控水位调整AbstractThesystemprimarytocontrolthewatertemperatureandthemonitoringofwaterlevelautomaticallyandalarmthroughthe51MCU，thesystemisclosedloopcontrolsystem，theMCUaccesstotheobjectthatischargedwithwatercontainers,watertemperatureandwaterlevel,watertemperatureandthepre-Andthewaterlevelincomparison,thedifferencebetweenthecontroloutputRelaypassedtheinformationontheroleoftheheaterandpumpwaterpumps,watertemperatureandwaterleveltoachieveself-adjustmentmechanism.Keyword：51MCUtemperaturecontrolwaterlevelcontrol2目录摘要……………………………………………………………………………1目录……………………………………………………………………………21.系统设计………………………………………………………………………31.1总体设计方案……………………………………………………………31.2工作原理…………………………………………………………………31.3方案论证与比较…………………………………………………………41.3.1控制器模块的设计方案论证与选择………………………………41.3.2温度采集模块的设计方案论证与选择……………………………41.3.3显示模块的设计方案论证与选择…………………………………52.单元电路设计…………………………………………………………………52.1温度测量……………………………………………………………………52.2水位检测电路………………………………………………………………62.3继电器控制电路……………………………………………………………62.4音播报电路…………………………………………………………………72.5报警电路……………………………………………………………………83软件设计………………………………………………………………………83.1水位设定及报警子程序…………………………………………………93.2温度比较及温度调整子程序……………………………………………94.系统测试………………………………………………………………………104.1测试仪器…………………………………………………………………104.2测试结果…………………………………………………………………105.发现的问题……………………………………………………………………116.系统功能………………………………………………………………………117.设计总结………………………………………………………………………128.本系统程序清单………………………………………………………………12【参考文献】……………………………………………………………………149.附表本系统电路图………………………………………………………………1531系统设计1.1总体设计方案水温监控及水位越限报警系统总体方框图如下图所示。系统包括控制器模块、键盘模块、温度采集模块、水位信息采集模块、显示模块、继电器模块、与pc连接模块报警和语音模块等几个部分。图1.1系统总体方框图1.2.工作原理系统加电，初始化。经过修正的程序发现水温低于设置值时，单片机给加热继电器提供高电平，继电器接通加热器电源，加热器迅速加热到预定温度后停止加热，此过程同时给2个抽水泵提供低电平，抽水泵不工作。当实时水温高于预置值时，给加热器继电器提供低电平，给2个抽水泵继电器提供高电平，则加热器不工作，2个抽水泵分别抽出热水和注入冷水，迅速冷却到预定的温度。水位检测和报警及调整：为了防止空烧或者溢出发生危险，所以本子程序具有最高键盘设定温度采集水位信息采集AT89S52单片机需设定的温度的显示、实时温度显示继电器加热器水位越限警报（蜂鸣或指示灯）水泵出水泵入ＰＣ机串行接口实时语音播报4优先级，当发生水位超限时，优先调整水位。水位高时进水泵不工作，出水泵工作，往外抽水直至水位低于预设上限水位；过低时，进水泵工作，出水泵停止，往容器里面注水，使水位升高，直至水位高于预设下限水位。当系统于pc机连接时，pc机发出命令（要设定的温度），单片机启动中断并判断与实时温度比较做出相应的加热或进出水的控制。1.3方案论证与比较1.3.1控制器模块的设计方案论证与选择方案一采用传统的模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不回热。系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法。方案二采用51系列中的ATMEL公司的89S52单片机控制，单片机软件编程灵活、简单、自由度大，可用软件编程实现各种控制看法和逻辑控制。可实现液晶显示和键盘设定等多种功能，并且该单片机系统集成度高，廉价可靠。本系统采用89S52单片机。1.3.2温度采集模块的设计方案论证与选择方案一采用热敏电阻，可基本满足测量，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测小于1摄氏度的信号是不适用的。方案二采用温度传感器铂电阻Pt1000。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。在0—100摄氏度时，最大非线性偏差1摄氏度左右，误差大。方案三用DS18B20（数字温度采集）DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，具有明显的优势。故本系统采用DS18B20。51.3.3显示模块的设计方案论证与选择方案一采用数码管显示。采用数码管显示原理简单，易于实现，但所需IO口多，单片机可能不够，且不能显示汉字。方案二采用带中文字库的128X64液晶。4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集，利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令。故采用采用带中文字库的128X64液晶2.单元电路设计2.1温度测量本系统最关键在测温部分要求精度比较高，经过比较，选用一种容易买到且精度高、使用方便的DS18b20，经过一定的程序修正即可测得比较精确的温度。由于传统的热敏电阻等测温元件测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部元件支持，所以硬件电路复杂，并且占用太多单片机控制端口，制作成本相对较高。而l8B20温度传感器一种改进型智能温度传感器，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。DS18b20的特点：（1）、只要求一个端口即可实现通信。（2）、在DS18b20中的每个器件上都有独一无二的序列号。（3）、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。（4）、测量温度范围在－55℃到＋125℃之间。（5）、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。（6）、内部有温度上、下限告警设置。6图2.1测温电路示意图2.2水位检测电路在水中水位检测电路由探针六根探针组成——三根做上限、三根做下限，D1~D6位于容器内，水位电信号通过三极管反映到D7~D12。单片机可以通过D7~D12的电平高低判断水位。该电路具有结构简单，工作可靠等优势。图2.2水位检测原理图及pcb板72.3继电器控制电路继电器，采用3个继电器分别控制1个加热器、2个水泵：继电器外接+12V驱动电源，P1、P2、P3接单片机IO口控制继电器工作。图2.3继电器电路2.4语音实时播报电路本系统采用ZY1420语音模块。ZY1420是广州致远电子有限公司开发的微型语音录放模块，ZY1420内部使用ISD1420作为主控芯片，且具有ISD1420全部优良性能，如大容量的EEROM存储器，消噪的话筒放大，专用语音滤波电路等功能。除此之外，ZY1420还对ISD1420的标准电路做了全部优化并集成于模块内部。ISD1420特点：★现优质原音★基本上不消耗电信息存储★信息可保存100年，可反复录放10万次★选址处理多达160段信息8★具有自动节电模式图2.4ZY1420最小录放系统2.5报警电路四声音乐ck9561芯片，只要给它规定的工作电压可发出警车声、火警声、救护车声、机关枪声。本系统将其连接成警车声即可。图2.5报警电路3软件设计9系统的软件设计采用C语言编程，在凌阳KeiluVision3平台上完成了单片机系统的开发，实现了各项设计功能和系统设计要求。3.1水位设定及报警子程序图4.1水位设定及报警流程图3.2温度比较及温度调整子程序温度比较及温度调整子流程图为图4.2所示：图4.2温度比较及温度调整子流程图104.系统测试4.1测试仪器测试使用的仪器如表5.1.1所示:表5.1测试使用的仪器设备4.2测试结果：水温（℃）初始值（℃）设置值（℃）达到值（平衡值）（℃）误差值（℃）22.8230.0030.130.1322.6435.0035.320.3225.2436.0036.210.2131.6940.0040.130.1335.3746.0046.370.3740.1350.0050.350.3545.3265.5065.320.1850.1166.5066.420.1258.3470.2069.860.3471.2590.0090.380.3881.3675.0075.320.3270.2360.0059.630.3756.2245.0045.000.0050.4240.2040.220.0246.1030.5030.250.2540.6626.3026.680.3835.2122.3022.330.03序号名称、型号、规格数量备注1数字温度表1分辨力0.1℃用于温度测量基准2秒表1主要用于测量系统响应快慢3PC机一台1惠普11系统调节时间（s）初始值（℃）设置值（℃）相差值（℃）首次达到设置值时间T（s）30.6241.00.10.3852.6241.2151.3010.0951.1251.8462.0010.1652.5775.4765.0010.4756.5682.7272.0010.7254.6870.2050.0020.20126.3560.0240.0020.02116.0252.2032.0020.20102.3630.2050.2020.00132.5150.2370.6020.37135.275.发现的问题为了达到较高的精度，可能会导致继电器频繁的跳动，对系统的安全稳定运行造成一定的影响，特别是接大功率加热器的继电器尤其难以承受，也就是系统的动态性能不好。首先要对程序进行优化修改，进行模糊控制，对继电器部分加上电容也能滤除一定的尖峰脉冲，其次加热部分要考虑到微调优化，综合来看就要用PID算法来控制，在误差信号中恰当地引入其微分项和积分项，既改善系统的精度又能改善系统的动态性能。水位探头傍有残留水导致水位误判。刚开始试测