水温水位控制答辩论文PPT

毕业课题：水位检测与恒温控制系统设计院系名称：电气工程系专业：电气自动化指导老师：刘兴祥姓名：陈荣龙学号：091005201日期：2011年12月01日摘要本系统是高精度水温水位的检测和控制的设计方案。在当今世界大力发展水利的行业中,水温和水位传感器起着举足轻重的作用。系统的分析了数字式温度传感器DS18B20和耐高温电容式液位传感器分别检测水温和水位的原理,以STC89C51吃单片机为核心,实现对水温和水位、上水测量、显示、报警等功能,并以电磁阀、继电器为阀门开关全自动加热、上水。整个系统精度高，耐高温性强，易于调整，测试方便。测试结果表明，误差小于2%，达到设计要求。关键词:STC89C51单片机，水温水位，传感器，检测与控制目录1.1设计要求51.1.1设计任务:…………………………………………………………………………51.1.2主要技术指标：………………………………………………………………….51.1.3主要功能：………………………………………………………………………………………51.1.4显示要求：……………………………………………………………………….51.1.5故障显示：……………………………………………………………………….51.2方案的比较和论证51.2.1温度检测部分：…………………………………………………………………..51.2.2水位检测部分：………………………………………………………………….61.2.3核心控制部分：……………………………………………………………………81.2.4执行器部分：……………………………………………………………………..91.2.5显示器部分：………………………………………………………………………91.3系统方案的确定91.4系统的工作原理101系统设计2单元电路设计2.1水温检测部分112.1.1DS18B20简介：…………………………………………………112.1.2DS18B20的工作方式：…………………………………………112.1.3DS18B20的工作时序：…………………………………………122.2水位检测部分：…………………………………………………….132.3显示部分152.4执行器部分152.4.1继电器印制板电路的设计：………………………………………162.4.2加水控制电路：……………………………………………………162.4.3加热控制电路：……………………………………………………162.5电源部分172.6智能控制部分172.6.1报警和按键电路：…………………………………………………182.6.2时钟电路：…………………………………………………………182.6.3上电自动复位电路：………………………………………………192.6.4液晶显示接口电路：………………………………………………193软件的设计3.1系统正常工作子程序：203.2设定预置温度子程序：213.3设定预置水位子程序：223.4系统主程序：224系统的测试4.1测试仪器清单：234.2水温的测试：234.3水位的测试：234.4继电器控制电路的测试：235结束语24参考文献24附录附录1系统使用说明：25附录2主要元器件清单：25附录3系统原理图：26附录4印制板图：26附录5水温水位控制装置程序清单：271系统设计1.1设计要求1.1.1设计任务:设计一个水位检测与恒温控制系统1.1.2主要技术指标：测温精度：±2℃测温范围：0～100℃水位分档：5档1.1.3主要功能：1.开机自检：开机时发出“滴”提示音，表示机器处于正常状态；2.水位预置：可预置加水水位：20、50、80、100%；3.水温指示：显示内部的实际水温；4.水位指示：显示内部实际水位；5.温控上水：当未加满水，水温又偏高时（水温在60~100℃时），自动补水至合适水温50℃左右；6.自动上水：当缺水时延迟15分钟自动上水至预置水位，预置水位默认状态为50%档，启动时蜂鸣长声，关水时短鸣三声；上水时水位滚动显示。7.手动上水：当水位低于预置水位时，按手动上水按键，则加水至预置水位；按ON/OFF按键则停止上水；8.缺水报警：当缺水时（位于缺水档）报警，延迟15分钟自动进入自动上水；9.正常工作：正常工作时，水位、水温交替显示。1.1.4显示要求：1.水温：数字+℃；2.水位：缺水档一段发光管，其余两位。1.1.5故障显示1.传感器接触不良，显示：--℃1.2方案的比较和论证1.2方案的比较和论证1.2.1温度检测部分方案一：采用电桥电路，热敏电阻作为一个桥臂如图2.1所示，其中R为热电阻.电阻阻值随水温的变化而变化,电桥的输出也发生变化.其温度系数大，一般aT-3×10-26×10-2℃之间，热响应快，结构简单可靠，由于热敏电阻输出信号很小，必需对输出信号进行放大，然后将放大信号转换成数字信号，送到单片机进行处理。图1.1.1热电阻构成的电桥电路方案二：采用数字式温度传感器DS18B20,其可编程为9位～12位A/D转换精度，分辨率可达到0．0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；CPU只需一根端口线就能与DS18B20通信，可节省大量的引线和逻辑电路。编程简单,容易实现.方案三:采用数字式集成温度传感器AD7418测量水温,其内部包含有带隙温度传感器和10位模数转换器,可将感应温度转换为0.25℃量化间隔的数字信号直接送入单片机进行处理.方案比较和确定：热敏电阻测温虽然温度系数大,测量方便,但是由于热敏电阻是以横批信号传输的,模拟信号抗干扰能力差,传输过程会遇到高压线、电磁等信号的干扰，即使加上滤波电路，也不能达到理想的效果；而且方案一需要对信号进行放大和A/D转换，电路也比较复杂。方案二和方案三都是使用数字式温度传感器测温，采用数字信号传输，抗干扰能力强，灵敏度高，都适用于远距离温度检测系统，但AD7418成本较高，市场上也难买到，综合上所述，方案二为最佳选择。图1.1.1热电阻构成的电桥电路1.2.2水位检测部分方案一：采用用压阻式压力传感器19C300A3K构成电桥电路。固体受到的作用力发生改变后,电阻率就发生变化,即产生了压阻效应。这种效应促使电桥的输出电压也产生了相应的变化.输出电压经放大和AD转换后送入单片机.其核心部分是一块圆形硅膜片(见图2。2）,在膜片上利用集成电路工艺方法扩散上四个阻值相等的P型电阻。用导线将其构成平衡电桥。膜片的四周用圆硅环（硅杯）固定，其下部是与被测系统相连的高压腔。当硅片受力时，膜片的变形使扩散电阻的阻值发生变化。其相对的变化可表示为:=πeσ(2-1)其中,πe为压阻系数;σ为应力。图1.2.1压阻式压力传感器结构图.电平模片上的扩散电阻构成桥式测量电路,相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所演戏压力成对应关系，硅环的内外则输入被测差压及参考压力，压力差使硅膜片变形，膜片上的两对电阻阻值发生变化，使电桥输出相应的压力变化的信号。方案二：基于液位的变化使电容值的改变的原理进行测量。示意图如图1.2.2所示.同时通过改变电容值的方法来改变震荡电路的频率。即所谓的电容式液位传感器。图1.2.2电容式传感器测量示意图电容式传感器的输出信号静电容量是单片机所不能识别的,可以采用C/F转换电路,将电容量转变成的频率,计算出水位—电容—频率之间的关系,单片机根据不同的频率得出该频率所对应的水位\位数值，并显示出来。图1.2.3为电容式液位传感器的方框图。电容式液位传感器C/F图1.2.3电容式传感器方案三：采用超声波液位传感器。超声波液位传感器的探头安装在的上方，探头受电激励后，通过空气向其下的液体发射超声波，超声波被液体反射，回波被探头接收和测量，并被转换为电信号。其工作原理图如图1.2.4所示。图1.2.4超声波传感器水痊测量原理水位测量计算公式如下:H2=H–H1=H-C×T／2式中，H2为液位高度；H1为传感器到液体表面的距离；C为超声波在空气中的传播速度；T为超声波渡越时间；H为超声传感器至液体容器底面的总距离。电容式液位传感器C/F转换单片机显示器方案的比较与确定:方案一使用的电阻式液位传感器．其优点是装置简单、体积小，灵敏系数大，成本低；缺点是电极浸泡在液体中易腐蚀、可靠性差、耐温性差，方案二使用的电容式传感器静电容量与液位是线性关系，这样给计算带来很大方便，且传感器导体不与液体接触，无触点，耐腐蚀，抗干扰能力强，成本低。方案三使用的超声波传感器，不与液体接触，因而具有耐腐蚀，安装方便，但由于超声波的传播速度受空气密度的影响，密度越大，传播速度越快，而空气密度和温度有密切关系，所以,温度变化时，声速也变化，导致测量不准确.经分析综合，本设计采用方案二测量水位。1.2.3核心控制部分方案一：以AT89S51单片机作为系统核心,分析处理水温水位传感器的信息，并作出相应的控制，并输出显示。方案二：用FPGA（可编程门阵列）实现：，对信息进行分析处理，然后作相应的控制。方案三：采用西门子公司生产的S7-200系列PLC（可编程控制器）控制。PLC是以计算机技术为核心，通过简单的编程可以实现强大的功能。在现代化大规模控制系统中，PLC集散控制系统正被广泛采用。方案的比较与确定:单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点.其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。方案二使用FPGA控制，稳定性好，抗干扰能力强，编程及调试也相对简单，但就目前来说其成本过高，会造成资源的浪费,能满足设计要求，方案三功能强大，编程简单，但是广泛应用的中小型PLC显示功能较差，往往只能通过面板信号灯的状态来确定输出状态，对于设备的状态过程无法显示，从而给调试程序员带来不便，而且成本也很高。综上所述本设计的核心部分采用方案一。1.2.4执行器部分方案一：采用双向可控硅作为水温或水位的控制开关。图1.2.5是双向可控硅控制电路一个简单例子.图1.2.5双向可控硅电路原理图当A电位高于B电位时,既交流电压在正闰周期时,加上控制电压Ug,S1导通,负载电路工作.在负闰周期时,S2导通,负载工作,因此无论在正半周还是负半周,负载电路均处于工作状态,我们只要调节控制角的大小来调节电压的高低即可,而这必需采用触发电路(如晶体管).方案二：采用电磁式继电器控制加热器或进水阀的通断，电磁式继电器根据外来信号（电压和电流），利用电磁原理便衔铁产生闭合或断开动作，从而带动触点动作，使控制电路接通或断开，方案的比较与确定：方案一采用的双向可控硅内部结构简单,但外部电路较复杂,触发电路计算比较复杂.方案二采用的电磁继电器具有可靠性高，抗干扰性强，功能齐全，体积小，灵活可扩，软件直接、简单，维护方便，外形美观等优点,因此采用方案二。1.2.5显示器部分方案一：采用四位一体的LED数码管交替显示水温和位。数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。方案二：运用字符型液晶显示,液晶显示屏是以若干个5×8或5×11点阵块组成的显示字符群,每个点阵块为一个字符位.字符间距的行距都为一个点的宽度.采用这种液晶显示功耗低,可靠性高,可以同时显示水温和水位。方案的比较和确定：数码管具有电路结构简单、低损耗、寿命长、耐老化、成本低、对外界要求低、易于维护、操作简单等优点，可采用数码管动态显示,方案二内部模块复杂,外部的液晶显示虽然功能较强,但费用高,编程也很复杂.不易测试仿真.所以本系统采用第一种方案。1.3系统方案的确定由上述分析与论证,确定了系统的总体设计方案:以AT89S51单片机为核心,使用数字式温度传感器DS18B20和耐高温液位传感器19C300VKY液位传感器检测水温水位,八位数码管显示水温和水位