水温自动控制系统毕业论文.doc
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1、长春工业大学本科毕业论文基于MSP430F149的水温低动控制系统的设计摘要本设计基于计算机控制技术、传感器技术、智能控制技术、单片机技术、机电一体化论文分析了自动定量水温控制器的硬件电路、主控系统、信息感知单元、驱动单元等模块的理论设计与调试过程,并结合实际调试过程的分析,详细阐述了基于德州仪器公司生产的MSP430F149单片机的自动定量水温控制器参数的规划与实现。本设计在特色部分论文分析了以MSP430F149芯片为主,基于概率分析检测单元的设计与实现,串行扫描方式实现的人机接口,数据传输,水位控制和温度控制等内容。本设计的理论设计方案、调试方法、测试数据分析方法及设计中的特色与创新点等
2、对相关领域的设计与实现有一定的参考意义。关键字:传感器,智能控制,单片机,机电一体化AbstractThe design of computer-based control technology,Sensor technology,Intelligent Control Technology,SCM technologyand Mechatronics Thesis of automatic quantitative analysis of the hardware circuit temperature controller,Control systems, information-awar
3、e unit, drive unit, such as the theory of modular design and debugging process, and in light of the actual debugging process analysis, detailed quantitative automatic temperature controller parameters of the planning and implementation. Part of the design characteristics of this thesis in an analysi
4、s of MSP430F149 made by the Texas Instruments chip to the main detection unit based on the probability analysis of the design and realization of the realization of the serial scanning of man-machine interface, data transmission, the water level control and temperature control and so on. The theory o
5、f theoretic design , testing measures, testing data analysis methods and design features and innovation are meaningful to the related fields such as design and implementation of a certain reference value.Keywords:sensor,intelligent control technology,MCU, SCM technologyand Mechatronics Thesis of aut
6、omatic目录前言第一章 概述1水温自动控制系统设计的时代背景第二章 总体设计方案2.1设计要求及主要任务2.2总体设计方案第三章 硬件设计3.1传感器的选择3.1.1温度传感器的选择3.1.2压力传感器的选择3.2单片机的选择3.2.1功能特性说明3.2.2引脚功能说明3.3A/D转换电路3.4基准电压的设计第四章 软件设计第五章 结论附录一 电路图附录二 程序代码前言第一章 绪论1.1课题的目的和意义众所周知,在我们日常生活中不可缺少电器之一是的电热水器,尤其是炎炎夏日,劳作了一天的人们总要冲个热水澡。而普通的电热水器的原理基本上都是靠电能把热水器储水箱中的水加热到某一温度后,让热水与冷
7、水混合,靠人工调节流量阀中热水和冷水的混合比例来达到使用者自己觉得较为合适的温度。而在科技日益发达的今天,家用电器的智能化已经成为各大制造商提高自身竞争力的重要手段。自1983年Honeywell推出智能仪表Smart变送器之后,世界各厂家都相继推出各有特色的智能仪表,智能变送器便是其中之一。由于各个厂家的智能仪表都按照自己的通讯标准进行设计生产,不同厂家的设备之间兼容通用仍然存在问题。但现在随着信息技术的快速发展和广泛的应用,智能仪表仍在不断进步,并向着全数字化的方向发展。智能仪表的全数字化意味着将取消传统的模拟信号的传送方式,而要求系统中的每一个现场设备都具有智能及数字通信能力, 使得操作
8、人员或其他设备可以方便地向现场发送指令,同时也能实时地得到现场设备各方面的情况。这种实时通讯大大提高了系统的可靠性和灵活性。但是目前,一方面现场总线标准正处在完善和发展阶段,另一方面传统的基于420mA的模拟设备还在广泛应用于工业控制信各个领域。因此,马上全数字化是不现实的。为满足从模拟到全数字的过渡,需要设计一种具有这两种功能的过渡性产品。所以此次设计的水温自动控制系统就是属于这类过渡式的控制仪器,主要实现水温自动控制的数字化设计,它在工业环境控制领域应该有一定的应用空间。从这个角度上讲,本设计的构想具有一定的推广前景. 本文所考虑的设计任务就是在这种背景下产生的。通过使用超低功率的德州仪器
9、公司生产的MSP430F149单片机为控制核心,辅以辅助电路,实现水温智能控制、显示功能。如果加以更深入的研发设计,最终可以实现通过无线遥控,自动调节水温的功能。1.2 国内外现状与发展目前国内外对水温自动控制系统的设计单位中比较突出的是西门子公司采用DS18B20的数字式检测及控制,然后通过无限传输系统将数据进行传输。以单片机为核心组成水温自动控制系统。现在就从这几方面天一谈国内外的发展状况。1.2.1温度传感器 温度传感器有四种主要类型:热电偶式、热敏电阻式、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。IC温度传感去又包括模拟输出和数字输出两种类型。接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好
10、的接触,又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡,从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内,温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差,常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究,测量120K以下温度的低温温度计得到了发展,如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、
11、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件,可用于测量1.6300K范围内的温度。非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触,又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速(瞬变)对象的表面温度,也可用于测量温度场的温度分布。最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律,称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法(见光学高温计)、辐射法(见辐射高温计)和比色法(见比色温度计)。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色
12、温度。只有对黑体(吸收全部辐射并不反射光的物体)所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度,则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长,而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关,因此很难精确测量。在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度,如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下,物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制,可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应
13、的修正,最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射,从而提高有效发射系数:式中为材料表面发射率,为反射镜的反射率。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量,则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度(即介质温度)进行修正而得到介质的真实温度。 非接触测温优点:测量上限不受感温元件耐温程度的限制,因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800以上的高温,主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展,辐射测温
14、逐渐由可见光向红外线扩展,700以下直至常温都已采用,且分辨率很高。温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种,现代的温度传感器外形非常得小,这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中,也为我们的生活提供了无数的便利和功能。1.2.2 液位检测传感器按照常理,液体的液位高度检测多是采用开关控制或者专门的液位高度传感器,但是其价格一般都很昂贵。1.3 主要内容 随着自动化水平的不断发展,温度和液位检测的产品也成出不穷。本文介绍的是基于单片机的水温自动控制系统的设计,利用温度传感器的检测,将检测的数据分析处理,实现温度的实时显示,直观的展现当前的水温,并能使混合后的水的温度可以自由控制。设计
15、要求:1、 水温误差:0.52、 3、 4、 第二章 总体设计方案一、方案设计2.1 方案的选择和论证根据设计任务的要求,该系统主要由主控单元、温度检测单元、高度检测单元、电机驱动单元、显示单元、A/D转换单元、按键控制单元七大部分组成。控制单元由单片机组成。2.1.1 单片机的选择和论证这里单片机的选择主要依据以下几方面:1、具有性能良好的开发工具。由于大部分单片机自身无开发和编程能力,必须借助开发工具来开发,因此具有某一种机型的开发工具是选择机型的重要条件。2、单片机的体系结构为许多开发人员熟悉,以利于缩短研制周期。3、市场货源成分,有非常多的厂家提供,有同类产品可供替换。考虑到本设置中需
16、要较多的IO口,而普通51系列单片机IO口较少,且功耗比较大,本次设计任务以德州仪器公司生产的MSP430F149单片机为核心, 主控芯片MSP430F149单片机具有以下主要特性:1.8V3.6V超宽供电电压 5种低功耗模式,从standby模式唤醒时间小于6s 0.1uA RAM 保持 0.8uA 实时时钟模式 2K RAM,60KB+256B Flash Memory(支持IAP) 片内硬件乘法器支持四种乘法运算 两个具有PWM输出单元的16-Bit定时器(TimerA3,TimerB7) 两个UART接口,两个SPI接口(与UART复用) 一个8通道12-Bit模数转换器(ADC),具
17、有片内参考电压源 一个模拟比较器,看门狗电路等 2.1.2温度检测单元方案一:方案二:2.1.3 液位传感器的选择方案一:方案二:使用高精度称重压力传感器。2.1.4电机驱动单元方案一:方案二:2.1.5 显示单元发光二极管显示器LED是指发光二极管和发光二极管构成的LED数码管、LED点阵显示器等。与LCD相比,LED成本低、操作简单、抗干扰能力强等特点,在工业仪表中有广泛的应用。LED显示器显示接口按驱动方式分成静态显示和动态显示两种显示方式,动态显示的扫描可由单片机软件或专门的硬件完成。按CPU向显示器接口传送数据的方式则可分成并行传送接口和串行传送接口两种显示数据传送方式。静态显示时,
18、除变更显示数据期间外,各显示器均处于通电显示状态,每个显示器通电占空比约为100%。静态显示的优点是显示稳定,亮度高,系统在运行过称中仅仅在需要更新显示内容时CPU才执行一次显示更新子程序,这样大大节省了CPU的时间,提高了效率;缺点是占用的硬件电路(如I/O口、驱动器等)多,功耗也相对较大。动态显示时,N个显示器共占用一个显示数据驱动器,每个显示器通电占空比时间为1/N。动态显示的优点是节省硬件电路(如I/O口、驱动器等),功耗较小;缺点是采用软件扫描时占用CPU时间多,与软件扫描相比,采用硬件扫描时将增加硬件成本。除此之外,动态显示位数较多时,显示器亮度将受到影响。液晶显示器LCD由于体积
19、小、重量轻、功耗低等优点使得液晶显示器件在仪表中得到了广泛的应用,与数码管相比,液晶可以更加方便的显示汉字、图形、甚至动画。液晶显示器件从显示内容来分类,可以分为字符型和点阵型两种。其中字符型的显示方法与数码管相似。比较而言点阵型LCD相对复杂,需要特殊的显示控制芯片。常用的液晶显示控制芯片是一种带有驱动输出的图形液晶显示控制器,一般内藏6464=4096位显示RAM,RAM中每位数据对应LCD屏上一个点的亮、暗状态;它们可直接与8位微处理器相连,对液晶屏行、列进行驱动。为了方便使用者观察和研究,本次设计采用液晶显示器。2.1.6 AD转换单元2.1.7 键盘键盘在单片机应用系统中能实现向单片
20、机输入数据、传送命令等功能,是人工干预单片机的主要手段。一个安全可靠的控制系统通常具有方便的交互功能,操作人员可以通过外设键盘灵活地输人各种参数以调节系统的运行,掌握系统的工作状态。在一些复杂的应用系统中,为准确判断系统的运行状态和故障定位,设计人员往往会在程序中加入一些用于系统定位的代码。一种简便的做法便是额外设置几个按键,通过按键的组合以及显示状态的不同来判定系统的工作状况,以便及时了解系统内部运行状态,一旦出现故障,可以在最短的时间内找出故障原因,及时恢复。所以可以这样认为:键盘是单片机系统中实现人机对话的纽带和桥梁。键盘的种类:1.独立式键盘独立式键盘是指直接用I/O口线构成的单个按键
21、电路。每个独立式按键单独占有一根I/O口线,每根I/O口线的按键的工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态。独立式键盘电路配置灵活,软件结构简单,但是每个按键必须占用一根I/O口线,在按键较多时,I/O口线浪费较大。故在按键数量不多时,常采用这种按键电路。2.行列式键盘行列式键盘又叫矩阵式键盘。用I/O口线组成行、列结构,按键设置在行列的交点上。例如用2*2的行列结构可构成4个键的键盘,4*4的行列结构可构成16个键的键盘。因此,在按键数量较多时,可以节省I/O口线。3.8279键盘、显示接口芯片上面是采用软件方法实现对键盘和显示器的扫描,不但程序比较复杂,而且实时性差。若要简化键盘编码所需要
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