6多功能水温控制系统

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1、编号：6校级高校生创新性试验支配项目申 报 书 项 目 名 称： 多功能水温限制系统申 请 者： 程超才所 在 院 系： 电子科学与技术学院 专 业 年 级： 07级 测控技术与仪器专业指 导 教 师： 李桂华 起 止 时 间： 2023年5月16日2023年5月16日 联 系 电 话： 电 子 信 箱： 申 报 时 间： 2023年10月27日安徽高校教务处制表填 表 须 知一、安徽高校校级高校生创新性试验支配项目申报书要按依次逐项填写，内容要实事求是，表达要明确、严谨。空缺项要填“无”。要求一律用A4纸打印，于左侧装订成册。 二、申请参与安徽高校校级高校生创新性试验支配项目团队人数不得超过

2、5人（1人为立项负责人，参与合作探讨者1-4人为宜）。三、安徽高校校级高校生创新性试验支配项目申报书由申报学生所在学院初审，签署看法后，一式三份（均为原件），报送教务处实践教学中心。项目名称多功能水温限制系统申请经费3000元起止时间2023年5月16日2023年5月16日负责人学号姓名年级所在院系、专业联系电话E-mail P60714069程超才07级电子学院测控参与成员P60714045张文可07级电子学院测控871829586qq P60714004孙辰07级电子学院测控575854437qq P60714020武秀秀07级电子学院测控348792863qq P60714016何航平0

3、7级电子学院测控578103181qq 指导老师姓名职称所在院系联系电话 E-mail李桂华副教授电子科学与技术学院倪双舞讲师电子科学与技术学院曾野讲师电子科学与技术学院一、项目申请理由（包括项目背景及自身具备的学问、素养、实力等探讨等条件）项目背景：本课题是在分析水族箱加热棒HA168的基础上设计了温度实时限制系统。该系统以水温为主要限制目标，下位机系统的核心是高档8位AVR单片机ATmega128，采纳PID 算法更加合理地调控水温。单片机限制系统自动运行，以曲线方式显示温度信息，并且能够与PC 机进行通信和状态设定；上位机程序采纳图形化编程语言LabVIEW。经过实际运行表明，系统能够较

4、好地限制水温，并且该模块也可以应用于其它的温度限制场合，如塑料大棚温度限制，粮仓温湿度检测系统等，所以本系统在实际中运用特别广泛。申请条件：项目负责人曾参与高校生创新试验项目，理论功底扎实，常常动手焊些电路并编程实现其效果，并曾于大一学年获得国家励志奖学金一次，大二学年获得校一等奖学金一次。项目组其他成员各有所长，再加上所申请的创新项目与本专业所学学问亲密相关，能够很好的把我们所学到的书本上的东西应用于实践，真正达到学以致用的目的。二、项目探讨内容（目前探讨的现状、方法、观点、难点、特点和提出的创新点等）自动限制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度限制是限制系统中最为常见的限

5、制类型之一。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行限制日益成为今后自动限制领域的一个重要发展方向，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都须要对工业及日常生活中的温度进行检测和限制系统的设计大体方案：系统主要以AT89C51，AT89C2051单片机为核心，包括传感器温度采集，A/D模/数转换，按扭操作，单片机限制，数码管数字显示等部分。采纳PID算法实现温度限制功能，通过串行通信完成两片单片机信息的交互而实现温度设定、限制和显示。还可以通过串口与上位机（电脑）连接，实现

6、电脑限制。系统设计有体积小、交互性强等优点。为了实现高精度的水温限制，单片机系统采纳PID算法限制和PWM脉宽调制相结合的技术，通过限制双向可控硅变更电炉和电源的接通、断开，从而变更水温加热时间的方法来实现对水温的限制。系统主要由键盘显示和温度限制两个模块组成，通过模块间的通信完成温度设定、实温显示、水温升降等功能。具有电路结构简洁、程序简短、系统牢靠性高、操作简便等特点。目前世界上的温度限制都是这样的设计方法。目前，市场上已经制作出类似的产品，我们在其基础之上加上了一些功能，例如，LabVIEW界面设计和利用AVR单片机作为我们的主控芯片，这已经可以证明该方案的可行性。项目负责人已经制作过5

7、1系列单片机的温度限制系统，对温控的各个模块都比较熟识。本限制器所用的元器件温度传感器DS18B20是一种数字式温度传感器,其精度特别高,可达到精度可达0.5，且内部自带A/D转换器。电路我们已经在仿真软件上运行了，理论上我们已经可以将该系统完成，而且我们队里的成员都对单片机的限制系统有比较全面的相识，所以实现该限制系统没有什么问题。LabVIEW的设计是串口通信模块和计算机相互连接在一起的，可以让用户进行对水温的远程限制，串口采纳RS232 接口电路，理论上是可以实现的。 1、 目前探讨的现状、方法、观点一、各模块介绍（一） 温度采集电路温度采集运用的是DTC 数字温度传感器。该传感器是基于

8、DS18B20上设计的，具有特地设计的不锈钢外壳，壁厚仅0.2 mm，而且具有导热性高的密封胶，可以保证灵敏度，并可在水中长期运用。数字式温度传感器DS18B20 是美国DALLAS 公司推出的一种可组网数字温度传感器，采纳1-wire 总线接口，测温范围为-55 到+125 ，精度可达0.0675，最大转换时间为200ms。DS18B20能够干脆读取被测物体的温度值，体积小，电压适用范围宽(3V5V)，用户还可以通过编程实现912位的温度读数，即具有可调的温度辨别率。DS18B20与单片机的接口简洁，只需将信号线与单片机的一位双向端口相连即可。系统中DS18B20 采纳外接电源方式，VDD

9、端用3 V5.5 V 电源供电。由于其测温辨别率较高(12位)，因此对时序及电特性参数要求较高，必需严格根据时序要求操作。其数据的读写是由主机读写特定时间片来完成的，包括初始化、读时间片和写时间片。（二） 温度限制电路在整个限制系统中，温度限制是重点，也是难点，考虑到我们从前接触的大多是弱电，对强电部分部分没有了解过多，所以温度限制成了我们探讨的重点。我们的温度限制电路主要由光电耦合器MOC3401 和双向可控BT138-600 组成。沟通220 V 电压在全周期内都能够加载在加热棒上如图4 所示。单片机发出限制信号(PWM) 经驱动器后限制光电耦合器的状态。当光电耦合器工作后，使双向可控硅的

10、触发极处于高电平，可控硅处于导通状态，进而限制加热棒RL 工作。运用光电耦合器能够有效地降低外界对系统的影响，增加系统的稳定性。（三） 键盘和LCD 显示功能键盘采纳扫描式12 键设计，可以设定当前的时间、温度调控的时间、限制温度等。LCD 采纳12864 型，共有128 行，64列。主要显示的内容包括：1、当前时间，格式为：年/月/日/时/分/秒；2、设定温度和采样温度；3、时间和温度设定界面；4、当前温度曲线显示等。本系统可以动态地在LCD 上显示温度变更曲线，由于LCD显示范围的限制，其精度为2 /格，时间范围为2 分钟，运用者可以了解温度在此时间段内的变更状况。（四） RS232 接口

11、电路通过RS232 接口电路，系统能够与上位机进行通信，将测量的温度实时地传向计算机，使限制人员可以在限制中心了解水域中的状况。另外，也可以通过计算机调整系统的时间和限制温度。二、 PID 算法设计及实现本系统运用增量式的PID算法，PWM的来自下位机ATMega128的定时/计数器1 的输出OC1A，其中PID如式(2)= 1 + 2 (2) 式中：误差值，干脆把的值送给ATMega128 内部的比较寄存器。分两种状态：1、假如当前值小于输入的设定值，则PWM波形占空比增加，输出加热，直到输出值等于设定值。2、假如输出值大于或等于设定值，则PWM 输出占空比减小，让系统(水)自然散热，当一旦

12、检测到输出值小于设定值时，又变更PWM 波型输出，返回状态1。通过不断的加热和散热，让水温维持恒定。三、基于LabVIEW 的上位机程序上位机程序采纳美国NI 公司的图形化编程语言Lab-VIEW7.1 编写，系统总体界面如图5 所示，代码如图6 所示。根据功能模块划分可分为：串口通信模块、数据打包和解析模块、数据显示和存储模块、参数设定模块等。（一）串口通信模块串口通信模块包括VisaWrite.VI，Visa Read.VI，Visa Close.VI 以及一个Property Node。其功能包括：实现串口的基本参数设定，如波特率、缓存区大小，奇偶校验位、数据位数和是否包含结束位等；实现

13、计算机与PC 之间的数据传输。本程序中，波特率选用9 600，8 位数据位，不进行奇偶校验，一位停止位，每次通信的间隔为0.5 s。（二） 数据打包解析模块由于采纳连续的通信方式，在数据之间没有明显的区分。即假如发送“0x01”，无论上位机还是下位机都不能确定该数据是时钟信息还是设定的温度信息。因此，有必要定义肯定的通信协议。数据包括下位机和上位机两部分，如表1、表2 所示。 表1 下位机向上位机发送的数据格式D7D6D5D4D3D2D1D0说明0000xxxx测量温度十位0001xxxx测量温度个位0010xxxx测量温度特别位0100xxxx读设定温度十位0101xxxx读设定温度个位表2

14、 上位机向下位机发送的数据格式D7D6D5D4D3D2D1D0说明1100xxxx设定温度十位1101xxxx设定温度个位（三） 数据显示和存储模块、参数设定模块数据显示模块能够直观地显示当前时间、限制状态、被控水域的温度状况以及可以将测量得到的数据进行存储为Excel格式的文档。参数设定模块能够设定限制温度，并通过串口模块发送给下位机。2、项目的难点和创新点：（1）难点： 在整个限制系统中，温度限制是重点，也是难点，考虑到我们从前接触的大多是弱电，对强电部分部分没有了解过多，所以温度限制成了我们探讨的重点，经多方面查阅资料我们最终确定了如上面所示的电路。（2）创新点：1、 运用低功耗，高性能

15、单片机ATmega128作为主控芯片，ATmega128片上资源丰富， 其内部I/O设计便于用较少的元件扩展外围电路，实现用最少的元件达到满足的限制效果的目的。2、 本系统采纳了12864液晶显示，可以动态地在LCD 上显示温度变更曲线，让用户可以了解水温的实时变更。3、 图形化编程语言Lab-VIEW7.1 编写上位机程序，设计一个可以让用户便利运用的界面，该模块包括串口通信模块、数据打包和解析模块、数据显示和存储模块、参数设定模块等。4、设计限制用FFT 算法进行加速；在三维曲面上进行合成，增加算法的运用范围三、项目进度支配（查阅资料、选题、自主设计项目探讨方案、开题报告、试验探讨、数据统

16、计、处理与分析、研制开发、填写结题表、撰写探讨论文和总结报告、参与结题答辩和成果推广等）项目进度及支配主要探讨阶段（起止时间）阶段预期成果成果形式前期2023-10-2至2023-11-27收集资料，分析改善电路电路图及相关描述中期2023-1-1至2023-2-1焊接电路，完成各模块电路电路板后期2023-2-2至2023-5-30完成各模块的连接和程序调试多功能水温限制系统最终探讨成果最终成果名称最终成果形式多功能水温限制系统多功能水温限制系统的成品及相关论文四、拟利用资源（试验室、探讨所、试验教学示范中心、创新实践基地、仪器设备、资料等）直流稳压源，继电器，AVR单片机开发板，LabVI

17、EW软件，模电试验箱，万用表，沟通毫伏表，温湿度传感器，焊接所需设备等。五、项目经费预算与用途（购置试验材料、试剂、药品、加工测试、资料、复印、调研、交通等经费开支）序号预算项目预算金额（元）备注1试验室材料5002资料3003加工测试500制作电路板3复印1004其他1400总计2800六、项目预期成果（探讨论文、申请专利、工程设计、调研报告、开发软件、研制产品、项目鉴定等）前期：分析设计原理电路图和PROTEL制板雕刻，设计图纸(电路原理图)中期：制作电路板，组装各功能模块胜利，试验室初期成品(能够完成预定功能的电路板)后期：调试各功能模块胜利，完整实物。最终探讨车成果名称：多功能水温限制系统的成品成果形式：试验室模拟样品七、项目诚信承诺 本项目负责人和全体成员慎重承诺，该项目探讨不抄袭他人成果，不弄虚作假，先诚恳做人，再诚信做学问和探讨，按项目探讨进度保质保量完成各项探讨任务。 项目负责人签名： 项目组成员签名： 年 月 日 年 月 日八、指导老师看法（从项目学科性、前沿性、可行性、探讨性、可操作性和成效性加以评价） 签 名：年 月 日九、学院看法： 签名盖章：年 月 日十、学校看法： 签名盖章：年 月 日