超聲波液位可控恒溫水浴系統(tǒng)

超聲波液位可控恒溫水浴系統(tǒng),超聲波,可控,恒溫,水浴,系統(tǒng) 華南理工大學智能控制大賽之初級組第四題 超聲波液位可控恒溫水浴系統(tǒng) 隊名： 熱刃 作品： 熱刃牌恒溫水浴箱 專業(yè)： 自動化 隊長： 鄭陸楠(2013級創(chuàng)新班) 隊員： 陳思遠(2013級創(chuàng)新班) 隊員： 許耀釗(2013級1班) 日期： 2014,5,21 【摘要】 恒溫水浴系統(tǒng)是當今社會的一個主流研究，對于溫度的系統(tǒng)控制操作需要精密穩(wěn)定的感應模塊與精細適當?shù)恼{(diào)整控制，同時恒溫水浴亦被許多的科研項目所需求。本次大賽選擇了以恒溫水浴作為參賽作品，結(jié)合水位控制，準確的聲光報警系統(tǒng)以及提示系統(tǒng)，組裝成為一個較為完善的可控液位恒溫水浴裝置。同時，本次系統(tǒng)裝置的設計使得我們對于控制系統(tǒng)的認識進一步加深，對于算法以及硬件的設計運用進一步得到鍛煉。 【目錄】 摘要……………………………………………………… 2 參賽要求及作品功能展示……………………………… 4 1. 方案分析及比較……………………………………… 7 1.1系統(tǒng)總體設計及分析……………………………………… 7 1.1.1硬件電路部分…………………………………………………… 7 1.1.2軟件程序部分…………………………………………………… 8 1.2各模塊方案比較……………………………………………… 9 1.2.1外部模型部分……………………………………………………… 9 1.2.2最小系統(tǒng)板模塊…………………………………………………… 9 1.2.3加熱器、節(jié)流裝置………………………………………………… 10 1.2.4 LCD顯示模塊 ………………………………………………………10 1.2.5 超聲波模塊 ………………………………………………………10 1.2.6紅外線模塊 ……………………………………………………… 11 1.2.7電源穩(wěn)壓模塊 …………………………………………………… 11 1.2.8上位機模塊 ……………………………………………………… 11 1.2.9水冷模塊……………………………………………………………11 1.2.10語音模塊………………………………………………………… 11 1.2.11程序設計 …………………………………………………………12 2. 設計與論證………………………………………………12 2.1外部結(jié)構(gòu)………………………………………………………12 2.1.1鐵盒平臺（水泵）……………………………………………………12 2.1.2鐵盒平臺（水箱）……………………………………………………12 2.1.3 冷水系統(tǒng)（環(huán)）………………………………………………………12 2.1.4 水箱…………………………………………………………………13 2.2硬件部分………………………………………………………13 2.2.1單片機模塊（3機通信）……………………………………………13 2.2.2開關(guān)電源繼電器模塊………………………………………………14 2.2.3LCD12864顯示模塊…………………………………………………15 2.2.4語音模塊……………………………………………………………17 2.2.5紅外接收模塊………………………………………………………18 2.2.6電源穩(wěn)壓模塊………………………………………………………18 2.2.7超聲波模塊…………………………………………………………18 2.2.8LED及溫度表盤顯示模塊 …………………………………………18 2.2.9水冷模塊 …………………………………………………………18 2.3軟件部分………………………………………………………19 2.3.1程序設計……………………………………………………………19 3. 電路圖及相關(guān)設計資料…………………………………19 3.1最小系統(tǒng)板模塊 ……………………………………………19 3.2水冷模塊………………………………………………………24 3.3LCD12864顯示模塊……………………………………………29 3.4超聲波模塊……………………………………………………29 3.5溫度感應模塊…………………………………………………30 3.6紅外接收模塊…………………………………………………32 3.7電源及穩(wěn)壓模塊………………………………………………33 3.8制冷片模塊……………………………………………………33 3.9語音模塊………………………………………………………34 4. 調(diào)試及結(jié)果分析…………………………………………35 4.1上位機…………………………………………………………35 4.2溫度表盤………………………………………………………37 4.3溫度、液位曲線………………………………………………37 5. 總結(jié)……………………………………………………39 附錄…………………………………………………………41 初級組題目四：超聲波液位可控恒溫水浴系統(tǒng) 一 、設計任務： 計并制作出一個液位可調(diào)，溫度可調(diào)的水浴系統(tǒng)。 容器形狀、材質(zhì)不限，高度不高于35cm，長寬不長于10cm，容積大于等于500ml。 在容器除頂面外的任意位置安裝半導體制冷器件（制冷片冷熱兩用），制冷片的外側(cè)面可加散熱片、小風扇等加快熱交換的裝置。超聲波探頭安裝于容器底部，進水口、出水口安裝位置不做要求。 二、設計要求： 1) 系統(tǒng)穩(wěn)定，有明顯溫控表現(xiàn)，溫度可調(diào)節(jié)范圍為15℃～50℃（可寬于此范圍），最小設定分度為1℃。 2) 有明顯液位調(diào)控現(xiàn)象，液位可調(diào)范圍為15cm~30cm，最小設定分度為1cm。 3) 當溫度或液位達到某一設定值并穩(wěn)定后，水溫的波動控制在±2℃以內(nèi)，液位的波動控制在±1cm以內(nèi)。要求溫度或液位調(diào)控達到穩(wěn)定狀態(tài)時，必須分別給出聲或光提示信號。 4) 在超調(diào)量<=10%的情況下，調(diào)節(jié)時間盡量短 3、 發(fā)揮部分： 1) 溫度可調(diào)節(jié)范圍盡量寬；當水溫達到某一設定值并穩(wěn)定后，其波動控制 在±1℃內(nèi) 2) 能記錄并實時顯示溫度和液位調(diào)節(jié)過程的曲線, 溫度顯示的誤差絕對值小于2℃，液位顯示的誤差絕對值小于1cm。 3) 在不影響以上水浴功能的情況下，增加必要器件(如小水泵等)，改裝成水冷循環(huán)系統(tǒng)，給外部發(fā)熱器件散熱。 4) 其他。 4、 說明： 1. 系統(tǒng)電源可使用市售開關(guān)電源或者主辦方提供的學生電源。參賽隊亦可使用自制電源。 2. 采用半導體致冷器件實現(xiàn)制冷或加熱（亦可通過向容器內(nèi)抽進冷水降溫），如果單片功率不夠允許多片串聯(lián)，最多不能超過3片。 3. 測評時,此題參賽者以5隊為一小組同時測評,可自帶檢測工具。測評時,每隊注入相同體積熱水,測報當前溫度后，先統(tǒng)一設定某一和較低溫度值制冷，同時向設定的某一較低液位調(diào)節(jié),再設定某一較高溫度值加熱，同時向設定的某一較高液位調(diào)節(jié)。 4. 當溫度或液位達到穩(wěn)定狀態(tài)的提示信號出現(xiàn)后立即檢測并記錄調(diào)控的溫度值和液位值，檢測時間延續(xù)120s，以記錄溫度波動和液位波動的最大值；能實時顯示溫度曲線或液位曲線的可直接記錄曲線。 5. 超調(diào)量：輸出量的最大值減去穩(wěn)態(tài)值，所得之差與穩(wěn)態(tài)值之比的百分數(shù)。 6. 調(diào)節(jié)時間：響應曲線達到并保持在偏離穩(wěn)態(tài)值±5%（或±2%）之內(nèi)所需要的最短時間。 7. 以上液位值為超聲波探頭傳感器位置到液面位置的距離。 5、 評分標準 ? 項目 中 良 優(yōu) 基本要求 設計與總結(jié)報告：方案比較、設計與論證，理論分析與計算，電路圖及有關(guān)設計文件，測試方法與儀器，測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果分析。 18-22 23-26 27-30 第（1）項 18-22 23-26 27-30 第（2）項 6-7 8-9 10 第（3）項 12-14 15-17 18-20 第（4）項， 6-7 8-9 10 發(fā)揮部分 第（1）項 10-11 12-13 14-15 第（2）項 12-14 15-17 18-20 第（3）項 10-11 12-13 14-15 所做作品： （作品名字：熱刃牌恒溫水浴箱） 本次作品應要求利用超聲波檢測液面高度，利用溫度傳感器感應水流溫度，利用繼電器控制制冷片完成冷卻與加熱對水箱的水，其中水的環(huán)流也將被用于輔助該功能，減少消耗時長。同時，LCD12864屏幕、語音模塊與指示燈等聲光提示模塊會及時提醒使用者相關(guān)狀態(tài)與操作。另外，紅外遙控的操作使得該“熱刃牌恒溫水浴箱”的使用更加方便，液位、溫度的更是可以在遠處控制。 完成要求： 1.系統(tǒng)穩(wěn)定，溫度可調(diào)節(jié)范圍為10℃～60℃，最小設定分度為0.1℃。 2.液位可調(diào)范圍為15cm~30cm，最小設定分度為0.1cm 3.溫度、液位達到設定值并穩(wěn)定，水溫波動在±1℃以內(nèi)，液位波動在±0.5cm以內(nèi)。達到穩(wěn)定狀態(tài)時，分別給出聲或光提示。 4.能記錄并實時顯示溫度和液位調(diào)節(jié)過程的曲線, 溫度顯示的誤差絕對值小于2℃，液位顯示的誤差絕對值小于1cm。 5.利用小水泵水制成冷循環(huán)系統(tǒng)，給外部發(fā)熱器件散熱。 創(chuàng)新點： 1. 內(nèi)、外水箱一體式：解決水冷系統(tǒng)的水回收問題。 2. 塑料板內(nèi)放置超聲波探頭：解決進出水時液面的震動帶來讀書誤差。 3. 噴水式水冷系統(tǒng)：改變傳統(tǒng)的接觸式冷水系統(tǒng)，冷卻效率大大提高。 4. 利用塑料板將液體隔開，給超聲波提供一個穩(wěn)定的檢測空間。 5. 大粗調(diào)系統(tǒng)：設定溫度與當前溫度相差較大時，利用換水快速改變溫度，高效利用熱能，節(jié)省電能。 存在問題： 1. 缺攪拌系統(tǒng):改變溫度后，上下水層存在較大溫差。 2. 水冷系統(tǒng)缺少冷卻裝置：水泵不間斷工作，容易發(fā)熱。 3. 導線多是分節(jié)連接：工程量增加，焊點出容易出現(xiàn)斷開、放電問題。 1． 方案分析及比較 1.1.系統(tǒng)總體設計及分析 1.1.1硬件電路部分 STC15F2K60S2 主機 （處理數(shù)據(jù)） 紅外遙控模塊 語音模塊 制冷片、水泵 LCD顯示模塊 直接 直接控制 直接控制 超聲波模塊 溫度感應模塊 影響 STC15F2K60S2 副機1 （顯示數(shù)據(jù)，接受設定 直接 處理 結(jié)果 設定值 傳 回 檢 查 結(jié) 果 上位機 收集數(shù)據(jù)并處理 數(shù)據(jù) 樣本 間接 STC15F2K60S2 副機2 （顯示數(shù)據(jù)，接受設定 處 理 結(jié) 果 LED顯示模塊 溫表顯示模塊 溫液設定數(shù)值傳輸 硬件電路的設計如下圖所示： 各個主模塊主要實現(xiàn)功能： 51單片機系統(tǒng)板（主機）：作為處理中心，接受來自超聲波模塊、溫度感應模塊的數(shù)據(jù)，簡單處理后判斷是否達到設定的要求，并憑借處理結(jié)果通過PID控制繼電器模塊，進而控制制冷片、水泵的工作，另外，主機還把接收到的數(shù)據(jù)分別通過串口跟藍牙傳給副機和上位機。 51單片機系統(tǒng)板（副機1）：作為與用戶交流的界面。接收來自主機的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)分別顯示在LCD12865上，供用戶了解。另外接收來自紅外遙控器的信號，根據(jù)用戶的操作，設定溫度和液位并將結(jié)果反饋給主機及副機2。 51單片機系統(tǒng)板（副機2）：作為輔助系統(tǒng)。接收來自主機的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)控制工作指示燈、溫度和液位表、語音提示。 電源穩(wěn)壓模塊：作為51單片機系統(tǒng)板的電源供給模塊，使電壓穩(wěn)定在5v。主要由L7805CV組成。 溫度感應模塊：用于感應水溫，將溫度信號傳給單片機。單片機根據(jù)傳回溫度數(shù)據(jù)與設定溫度作比較后通過繼電器控制制冷片的工作狀態(tài)。 超聲波模塊：用于測出水箱液位的高度，將液位信號傳給單片機。單片機根據(jù)傳回液位數(shù)據(jù)與設定的液位數(shù)據(jù)作比較后通過繼電器控制水泵的工作狀態(tài)。 語音模塊：主要由單片機控制，在需要時發(fā)出語音提醒，告知當前狀態(tài)，提醒動作完成。使設計人性化程度加強。 LCD12864模塊：用于顯示操作界面，方便使用者設置各種參數(shù)，同時，該模塊能夠顯示出溫度、液位關(guān)于時間的變化曲線（粗略），有利于對數(shù)據(jù)的分析和系統(tǒng)的改進。 紅外感應模塊：用于對水箱進行遠程控制，可以設定目標溫度和目標水位，查看溫液的變化曲線。 上位機模塊：用于對溫、液數(shù)據(jù)進行處理，分別畫溫度和液位關(guān)于時間的變化曲線圖（精確）。 水冷模塊：用于對工作中的制冷片回溫（制冷時降溫，制熱時升溫），提高溫度控制的效率。 LED燈顯示模塊：用于顯示當前的工作狀態(tài)。 開關(guān)電源繼電器模塊：通過開關(guān)電源把220V轉(zhuǎn)化為12V。以繼電器當媒介，實現(xiàn)弱電控強電。 1.1.2軟件程序部分 各種初始化 主機程序初始化 紅外輸入判斷執(zhí)行 繼電器輸出PWM輸出 傳感器工作，讀取數(shù)據(jù) 執(zhí)行器工作，數(shù)據(jù)反饋 副機1程序初始化 12864液晶屏幕顯示，紅外工作 濾波算法，PID算法執(zhí)行 溫液設定參數(shù)改變 串口數(shù)據(jù)傳輸啟動 上位機圖像顯示 副機2程序初始化 步進電機表盤角度調(diào)整 語音芯片放音執(zhí)行 指示燈閃爍執(zhí)行 濾波算法：采用一階互補濾波，平均濾波及限幅濾波的手法對溫度液位數(shù)據(jù)進行處理。使得圖線盡可能的光滑，除去噪聲。 PID算法：采用PID算法對溫度進行控制，PID算法可以使得控制量準確，快速，超調(diào)量小的情況下對繼電器及溫度進行調(diào)節(jié)，使得測量曲線穩(wěn)定快速得達到設定值。 串口數(shù)據(jù)協(xié)議：僅使用了傳輸標記命令的簡單的協(xié)議對串口數(shù)據(jù)進行傳輸處理。 1.2各模塊方案比較 1.2.1外部模型部分 水浴箱： 方案1：用盒飯盒。獲取方便，大部分飯盒底比較大，不符合規(guī)格。 方案2：用保溫杯。保溫效果好，基本為圓筒型，制冷片難以安裝。 方案3：用亞克力板。規(guī)格、形狀可以定制。但密封性能不佳。 1.2.2最小系統(tǒng)板模塊 方案1：使用傳統(tǒng)C51或S51系列單片機，片內(nèi)功能較少，運算速度較慢。 方案2：采用stm32單片機，運算效果好，功能強大。缺點為對伍內(nèi)部無熟悉stm32單片機的隊員，重新學習較費時間。 方案3：采用STC15系列51單片機。STC15系列51單片機內(nèi)部集成了許多傳統(tǒng)51所不具有的功能，如內(nèi)置AD，PWM，DA，SPI等模塊，中斷服務齊全，隊伍內(nèi)較stm32更為熟悉。除去許多外設。同時也減少IO口的使用。 1.2.3加熱器、節(jié)流裝置 A. 加熱器： 方案1：熱得快。功率高，加熱快，使用簡單。220V使用電壓過高，難以控制，危險系數(shù)較大。防水性差，價格貴，性價比低。 方案2：加熱片。價格便宜，但功率較低，且不防水，放在水里引起短路。 方案3：制冷片。加熱速度快，防水性能適中，接12V直流電，可控性強，網(wǎng)上有套裝，購買方便。 B. 節(jié)流裝置： 方案1：電磁閥。電磁控制，方便弱電控制。無法產(chǎn)生動力，只能依托重力勢能使水流動，對水的控制不靈活。 方案2：水泵。通過繼電器，可以達到很好的控制性能。安裝要求低，使用方便。 1.2.4 LCD顯示模塊 方案1：數(shù)碼管?？梢燥@示數(shù)字，所需IO口教少，使用簡單，可顯示字符過少。動態(tài)顯示對程序占用大。靜態(tài)顯示需借助轉(zhuǎn)串口芯片。 方案2：LCD1602?？娠@示所有字符以及數(shù)字，操作方便，編程簡單，分辨率低，畫圖效果差。 方案3：LCD12864。自帶漢字庫，使用方便，分辨率高，作圖精確，靈活性較大。編程較難，所需IO口較多。 1.2.5超聲波模塊 方案1：防水型超聲波模塊。具有防水性能，可直接放在水里，直接測出液位高度。價格很貴。 方案2：利用浮標把液位轉(zhuǎn)化到水箱外，用一般超聲波探頭進行檢測，可以貼合題意，從下方直接檢測液位。工程量大，浮標容易晃動，容易被制冷模塊卡住。 方案3：普通超聲波模塊。不具防水性，價格便宜。 1.2.6紅外接收模塊 方案1：紅外接收。紅外接收是指使用紅外接收頭接收紅外線發(fā)射管所發(fā)出的紅外線，波長在750-1150NM。所需光學元件為紅外接收頭及紅外發(fā)射器，電路較為簡便，感應迅速，可在適當距離進行遠程控制?？傻钟渌饩€的干擾。利用紅外接收三極管作為接收元件，價格低廉。 方案2：無線電接收。利用電磁波作為信號傳遞，遙控距離遠。相較紅外模塊效果更佳。不足之處為拓展功能部分隊內(nèi)隊員對無線電模塊了解得較少。 1.2.7電源穩(wěn)壓模塊 對單片機供電： 方案：采用L7805CV穩(wěn)壓芯片驅(qū)動穩(wěn)壓電路，單片機使用9V紐扣電池組進行供電，質(zhì)輕且體積小，大小適合。 對水泵、制冷片供電： 方案：使用開關(guān)電源，220V轉(zhuǎn)12V，使用方便，功率大。 1.2.8上位機模塊 方案1：利用Visual Basic編寫。操作簡單，但VB語言不熟，編寫時間長。 方案2：利用C #編寫。操作較難，且C#不熟，編寫時間長。 方案3：利用Labview編寫。操作簡單，掌握編寫程序時間短。 1.2.9水冷模塊 方案1：利用軟管讓水繞過過熱部位帶走熱量。對水管的耐熱性以及柔軟程度要求較高，熱傳遞受到管壁阻礙。 方案2：利用舵機牽動水管對散熱片進行噴水。降溫效果好，效果均勻。舵機架空固定難度大，角度控制要求高。 方案3：在水管上打孔，利用水泵使水噴出，冷卻制冷片。固定簡單，操作簡單，降溫效果好，水資源利用率大。 1.2.10語音模塊 方案1：功放芯片1、8腳懸空，為20倍增益。20倍增益的雜音較少，但是音量也相對較小，喇叭移遠一點就會聽不清所說的話。 方案2：功放芯片1、8腳之間接10uF電容，200倍增益。200倍增益相對電流聲較大，但是聲音較為清晰，不放音時可以使芯片下電而消除電流聲。 1.2.11 程序設計 A：濾波算法 方案1：使用一階互補濾波算法，濾波效果好，曲線光滑度高。但滯后程度過大，不適合用于處理液位數(shù)據(jù)，容易導致調(diào)節(jié)滯后。 方案2：使用算術(shù)平均濾波算法和限幅濾波算法的結(jié)合算法，濾波效果不錯，曲線相對光滑，但不滯后，實時性高，同時也排除瞬間的較大干擾。 B：PWM輸出算法 方案1：僅適用設定死區(qū)的簡單調(diào)節(jié)操作，程序簡便，調(diào)節(jié)簡單，占用單片機CPU時間小，效果較差。 方案2：一階函數(shù)式PWM調(diào)節(jié)：PWM呈現(xiàn)一階函數(shù)形式，然而在接近死區(qū)部分時，PWM輸出將會大大受到削弱，升溫降溫效果不好。 方案3：PID控制PWM輸出。PID控制可以使得調(diào)節(jié)迅速，穩(wěn)定，并且超調(diào)量可以降到最低。然而PID程序調(diào)節(jié)需要占用較大的CPU時間及單片機內(nèi)存，并且調(diào)節(jié)參數(shù)難度較大。 2． 設計與論證 2.1外部結(jié)構(gòu) 2.1.1 鐵盒平臺（水泵） 為了使水泵順利抽水，利用既有材料搭構(gòu)平臺，放置水泵，避免水管大角度彎曲而抽水不暢的情況。 2.1.2 鐵盒平臺（水箱） 為了方便水冷系統(tǒng)的水循環(huán)使用，利用既有材料搭構(gòu)平臺，放置水箱，使噴水式水冷系統(tǒng)的水直接往下流即可回到蓄水箱供其他水泵利用，同時又避免了水箱下部長時間浸泡在水里導致水箱內(nèi)部水溫變化。 2.1.3 冷水系統(tǒng)（環(huán)） 由于外部有散熱片阻擋，只需把幾個螺絲孔堵住，就可以直接往散熱片上噴水，回溫效果非常好。 2.1.4 水箱 為了達到規(guī)定的規(guī)格要求，把底面設計成40*60（mm），高為350mm，在一較寬側(cè)面開了兩個方孔，上方蓋子開了大小4個圓孔。底面較小的底面積利于液位控制；方孔的開鑿剛好可以放進制冷片的導熱片，讓導熱片直接與水接觸，可提高控溫效率；圓孔剛好能放進超聲波探頭、溫感探頭和輸水管。 2.2硬件部分 2.2.1單片機模塊（3機通信） 由于傳統(tǒng)51系列（AT89S52）內(nèi)部功能較少，運算速度較慢，故棄用。而stm32芯片功能齊全，不過學習控制所化時間較長，故亦棄用，最終選擇STC15系列單片機（STC15F2K60S2） STC15F2K60S2芯片選擇原因如下： 由于上位機信息的傳輸需要較高晶振頻率，恒溫水箱功能較多，液位、 溫度、繼電器、LCD12864等多個功能需要處理的數(shù)據(jù)量大，該芯片能夠軟件 設定晶振且處理速度快?；谏鲜鲈?因，我們選擇STC15F2K60S2系列 8051芯片。 STC15F2K60S2引腳部分功能圖 STC15F2K60S2芯片優(yōu)勢： 該芯片具有以下優(yōu)勢： 1） 自帶內(nèi)部課配置時鐘（晶振），并可以通過軟件選擇時鐘頻率。 2） 提供7中復位方式：外部RST引腳復位，軟件復位，掉電復位/上電復位（并選擇增加額外的復位延時180ms，也叫MAX810專用復位電路），內(nèi)部低壓檢測復位，MAX810專用復位電路復位，看門狗復位以及程序地址非法復位。 3） 內(nèi)部硬件完備，大量減少準備階段的工作量 4） 內(nèi)部集成3路可編程計數(shù)器陣列（CCP/PCA）模塊，可用于軟件定時器、外部脈沖捕捉、高速脈沖輸出以及脈寬調(diào)制（PWM）輸出 2.2.2開關(guān)電源繼電器模塊 繼電器電路選擇： 利用三極管放大電路驅(qū)動繼電器模塊。利用SRD-05VDC-SL-C固態(tài)繼電器搭建簡易的控制電路?？刂品奖阌行В憫杆??？沈?qū)動10A以內(nèi)電流，無火花，壽命長。IO口變?yōu)榈碗妷杭蠢^電器制動。 主要驅(qū)動控制部件有水泵，制冷片。 　　因為考慮到制冷片工作效率，采取反接方式驅(qū)動兩片制冷片。故采用兩個繼電器構(gòu)成一個可控的反向電流控制模塊。 NE555繼電器模塊選擇原因： 由于考慮到散熱水泵不需要持續(xù)開著，可以開一小段時間又關(guān)一段時間實現(xiàn)類似PWM的模式，但是因為水冷降溫不需要太精確，用單片機實現(xiàn)方波輸出對單片機的資源有點浪費，于是考慮用簡單的數(shù)字電路實現(xiàn)該功能，實現(xiàn)方波輸出我們想到了NE555芯片，因為要控制繼電器，因此頻率不能太高，因此將頻率定在0.8s左右，占空比可調(diào)。并用仿真軟件檢測確認原理正確。 測試結(jié)果（NE555輸出電位）： 2.2.3 LCD12864顯示模塊 主界面（顯示溫度與顯示液位反應曲線，溫度設定進入設定界面）： PS：紅外2鍵光標向上，8鍵為光標向下，EQ鍵為確認。 溫度曲線界面（其中運行時T顯示為現(xiàn)在溫度，T0為設定溫度，液位曲線類似。）： PS：紅外CH—鍵為退出。 溫液設定主界面（溫度設定及液位設定選擇后跳入設定界面，溫液清零跳入溫度液位曲線清零界面。）： PS：紅外2鍵光標向上，8鍵為光標向下，EQ鍵為確認。 液位設定子屏幕：（其中R0為現(xiàn)在想要的設定溫度，r為上次設定溫度，若無設定則會顯示“無”，初始狀態(tài)下恒定原箱內(nèi)水溫，R為現(xiàn)在的溫度。溫度設定模塊類似。） PS：紅外2鍵光標向上，8鍵為光標向下，EQ鍵為確認。寫入設定數(shù)字時，數(shù)字鍵為鍵入數(shù)字，CH—鍵為清零，|<<鍵為退格，>||為退出（不改變設定溫度），EQ為確認鍵 溫液清零界面（兩個清零選項用于清除12864畫曲線時的曲線數(shù)組，鍵入后自動返回溫液設定主屏幕）： PS：紅外2鍵光標向上，8鍵為光標向下，EQ鍵為確認。 2.2.4 語音模塊 功放芯片1、8腳懸空，為20倍增益，用軟件延時或定時器延時讀秒停止放音，然后開始下一個指令（連續(xù)播音或下電），用軟件延時或定時器延時讀秒停止放音，然后開始下一個指令（連續(xù)播音或下電），對于較長的語音用外部中斷進行判斷，對于讀數(shù)字用軟件延時實現(xiàn)。 語音-地址對應表： 2.2.5紅外接收模塊 鑒于對無線電遙控模塊的認知較為陌生，本次設計選擇了紅外線接收模塊。該模塊具有小巧輕便，可直接連接到單片機上且紅外線精準快速，抗干擾能力強，可遠距離控制等優(yōu)點。 接收元件選用了紅外接收三極管，它集接收與放大功能于一體，使用方便。 發(fā)射模塊的初步設定為利用單片機和紅外發(fā)射二極管制作發(fā)射模塊，最終由于濾波不足沒能完成此模塊，考慮到時間限制，最終選擇使用現(xiàn)成附帶編碼芯片的遙控器。 2.2.6電源及穩(wěn)壓模塊 對單片機供電部分： 對于穩(wěn)壓5v的單片機電源輸入，本次采用了L7805CV穩(wěn)壓芯片。電源上利用9v紐扣電池，通過穩(wěn)壓模塊穩(wěn)定后形成了穩(wěn)定的5V VCC電壓。模塊小且電池質(zhì)輕，減輕了小車重量。 輸出電壓：4.75-5.25V； 最大輸入電壓：35V； 靜態(tài)電流：4.2-8mA； 輸出噪音電壓：40uV； 紋波抑制比：78dB； 輸出電阻：17mΩ； 輸出電壓溫度系數(shù)-1.1mV/°C；（注：L7805CV與7805相通） 2.2.7超聲波模塊 利用超聲波模塊的探測距離的功能，從水箱頂部探測水箱頂蓋到液面的距離，再由水箱高度減去探測的距離，得出水位高度?？紤]到防水探頭比較貴，故選用普通超聲波模塊。 2.2.8LED及溫度表盤顯示模塊 把LED燈串成鏈，固定在水箱一側(cè)，當水位到達該高度時，燈發(fā)亮，另外，兩對紅、綠LEC燈分別作為制冷片、水泵的工作指示燈，不同工作狀態(tài)有不同的亮燈組合。溫度表盤則是以步進電機作為動力，自制指針和表盤，直觀地顯示當前的溫度。 2.2.9水冷模塊 考慮到普通水管冷凝效果不佳，舵機控制較為麻煩。 把水泵作為動力源，把出水管的末端堵住，再往水管邊上開孔，使水在水泵的作用下從水管側(cè)面噴出，直接灑在散熱片上，調(diào)節(jié)制冷片的溫度。 2.3軟件部分 2.3.1程序設計 程序部分使用keil軟件編程，使用STC專用下載器進行下載，頭文件上無需包含普通51頭文件,取而代之的是STC15系列專用頭文件。主機模塊間有：溫感模塊，超聲波模塊，PID控制PWM模塊，子應用程序模塊等。副機1包括紅外模塊，12864顯示模塊及副機1子程序模塊等。副機2包括語音模塊，溫度表盤模塊，led顯示模塊，副機2子程序模塊等（具體程序內(nèi)容見附錄） 3． 電路圖及相關(guān)設計資料 3.1最小系統(tǒng)板模塊 STC15F2K60S2芯片引腳圖： STC15F2K60S2引腳部分功能圖 相關(guān)寄存器： 定時器2： 串口2： 3.2水冷模塊 NE555 相關(guān)資料： 控制電路電路圖： 【圖解】 3.3LCD12864顯示模塊： 3.3.1.模塊引腳說明 3.3.2.液晶硬件接口 1、邏輯工作電壓(VDD)：4.5～5.5V 2、電源地(GND)：0V 3、工作溫度(Ta)：0～60℃(常溫) / -20～75℃（寬溫） 4、電氣特性見附圖1 外部連接圖（參考附圖2） 模塊有并行和串行兩種連接方法（時序如下）： 1、8位并行連接時序圖 MPU寫資料到模塊 MPU寫資料: MPU讀出資料: 3.3.3.用戶指令集 a、指令表1：（RE=0：基本指令集） 3.3.4.顯示坐標關(guān)系 a、圖形顯示坐標 B、漢字顯示坐標 3.3.5.顯示步驟 1、 顯示資料RAM（DDRAM） 顯示資料RAM提供64×2個位元組的空間，最多可以控制4行16字（16個字）的中文字型顯示，當寫入顯示資料RAM時，可以分別顯示CGROM、HCGROM與CGRAM的字型；ST7920A可以顯示三種字型 ，分別是半寬的HCGROM字型、CGRAM字型及中文CGROM字型 ，三種字型的選擇，由在DDRAM中寫入的編碼選擇，在0000H—0006H的編碼中將自動的結(jié)合下一個位元組，組成兩個位元組的編碼達成中文字型 的編碼（A140—D75F），各種字型詳細編碼如下： 1、 顯示半寬字型 ：將8位元資料寫入DDRAM中，范圍為02H—7FH的編碼。 2、 顯示CGRAM字型：將16位元資料寫入DDRAM中，總共有0000H，0002H，0004H， 0006H四種編碼。 3、 顯示中文字形：將16位元資料寫入DDRAMK ，范圍為A1A1H—F7FEH的編碼。 2、繪圖RAM（GDRAM） 繪圖顯示RAM提供64×32個位元組的記憶空間，最多可以控制256×64點的二維也納繪圖緩沖空間，在更改繪圖RAM時，先連續(xù)寫入水平與垂直的坐標值，再寫入兩個8位元的資料到繪圖RAM，而地址計數(shù)器（AC）會自動加一；在寫入繪圖RAM的期間，繪圖顯示必須關(guān)閉，整個寫入繪圖RAM的步驟如下： 1、 關(guān)閉繪圖顯示功能。 2、 先將水平的位元組坐標（X）寫入繪圖RAM地址； 3、 再將垂直的坐標（Y）寫入繪圖RAM地址； 4、 將D15——D8寫入到RAM中； 5、 將D7——D0寫入到RAM中； 6、 打開繪圖顯示功能。 繪圖顯示的記憶體對應分布請參考表 3、游標/閃爍控制 ST7920A提供硬體游標及閃爍控制電路，由地址計數(shù)器（address counter）的值來指定DDRAM中的游標或閃爍位置。 3.4超聲波模塊 超聲波模塊電路圖： 發(fā)射電路 接收電路 距離計算公式： 15~50°C，平均溫度32.5°C，此溫度的聲速是351.5175m/s 機器周期=4.52112268518519*10^(-8)s 時間周期=12*機器周期=5.425347222222*10^(-7)s 距離= 351.5175m/s*0.542534*10^（-6）s*time*10^（2）/2(0.01cm) 3.5溫度感應模塊 溫感探頭資料： 相關(guān)電路圖： 3.6紅外接收模塊 紅外接收器電路圖： 紅外遙控模型圖： 紅外控制數(shù)據(jù)格式： 紅外控制位定義： 遙控器上對應按鍵的數(shù)據(jù)碼: 1010 0010 0110 0010 1110 0010 0010 0010 0000 0001 1100 0010 1110 0000 1010 1000 1001 0000 0110 1000 1001 1000 1011 0000 0011 0000 0001 1000 0111 1010 0001 0000 0011 1000 0101 1010 0100 0010 0100 1010 0101 0010 3.7電源及穩(wěn)壓模塊 電路圖： 輸出電壓：4.75-5.25V； 最大輸入電壓：35V； 靜態(tài)電流：4.2-8mA； 輸出噪音電壓：40uV； 紋波抑制比：78dB； 輸出電阻：17mΩ； 輸出電壓溫度系數(shù)-1.1mV/°C；（注：L7805CV與7805相通） 3.8制冷片模塊 定電壓為：12v， 額定電流為4.5A，大概是50--60W，最大溫差可達60攝氏度，外型尺寸為4 X 4 X 0.４Cm，重約25克。它的工作特點是一面制冷而一面發(fā)熱。 冷熱兩面溫差68度（只要熱面溫度包持68度以下，冷面溫度就能控制在0到-68度或者更底） 接上12伏的電源制冷片的兩面就會出現(xiàn)溫差，一面冷，一面熱，千萬不要在無散熱器的情況下為致冷器長時間通電，否則會造成致冷器內(nèi)部過熱而燒毀。 可應用于各種制冷場合(如，冷熱飲水機，電腦的CPU，顯卡散熱等) 還可以把它應用于其他用途和領域 如電子冰箱，電子降溫頭帶 ，電子降溫頭盔，電子冷熱杯等等 用做電腦散熱，5伏電壓足夠了也就是電腦電源那一把線中 任意一根紅線和黑線就是5伏，紅線是正極，黑線是負極（制冷片也如同紅正黑負） 安裝使用 制冷片的安裝及使用很簡單。在安裝前，最好準備一點導熱硅脂，然后，找一節(jié)干電池，接在制冷器兩根引線上，就可感到一端明顯發(fā)涼而另一端發(fā)熱，記住引線的極性并確定好制冷器的冷、熱端。如果想得到更大的制泠量,建議采用二級制冷方式,即用兩片疊起來用,上面一塊的冷面吸收下面一塊的發(fā)熱,實驗證明二級制冷比單級效果好得多,如果有條件可以選三級的,當然要有大功率電源支持。 3.9語音模塊 電路圖如下： 4． 結(jié)果分析及問題解決 主要記錄如下: 上位機： 一開始時遇到過較多問題。后來就一個個基本解決掉了 1、終止符問題 一開始是默認終止符是0x00，在測試的時候發(fā)現(xiàn)溫度圖線沒變化一段會出現(xiàn)未知的突變再過一段時間有恢復正常，后來檢查發(fā)現(xiàn)是終止符的問題，因為數(shù)據(jù)是分成整數(shù)部分和小數(shù)部分分別發(fā)到上位機，小數(shù)部分的數(shù)值會出現(xiàn)0的數(shù)值，上位機誤認為這個是終止符，于是數(shù)據(jù)就開始出錯，后來講終止符改成0xff后就沒出現(xiàn)該問題了。 最后上位機數(shù)據(jù)格式為：溫度整數(shù)部分 溫度小數(shù)部分 液位整數(shù)部分 液位小數(shù)部分 終止符 2、數(shù)據(jù)延時問題 測試的時候發(fā)現(xiàn)當溫度或液位改變時，上位機過了將近半分鐘才出現(xiàn)剛才變化的圖線，后來發(fā)現(xiàn)，上位機是通過串口接收數(shù)據(jù)然后放在緩沖區(qū)中，圖線是通過讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)作出圖像，因為上位機并不是讀取數(shù)據(jù)就畫出來，而是每過一定時間讀取一個數(shù)據(jù)將其畫出來，沒有讀取出來的數(shù)據(jù)被堆積在緩沖區(qū)中，于是每過一段時間讀出來的數(shù)據(jù)是緩沖區(qū)中最舊的數(shù)據(jù)，新的數(shù)據(jù)沒有被讀取出來，于是出現(xiàn)了延時現(xiàn)象，后來我們在每讀取一個數(shù)據(jù)后就將緩沖區(qū)清空，使得數(shù)據(jù)不會發(fā)生堆積，延遲問題基本解決。 溫度表盤： 溫度、液位曲線：（PS：上位機讀取數(shù)據(jù)存在BUG出現(xiàn)，偶爾出現(xiàn)巨大跳變） 降溫曲線：40°C -> 15°C 升溫曲線：20°C -> 40°C 波動曲線：20°C 大粗調(diào)：20°C -> 40°C； 20cm -> 40cm 部分溫液變化數(shù)據(jù)： 初始溫度 /°C 設定溫度 /°C 初始液位/cm 設定液位/cm 是否大粗調(diào) 過程用時/min 30 20 27 27 否 10 30 15 27 27 否 14 40 15 25 25 否 14 30 40 25 25 否 6 20 40 19 19 否 6 20 40 20 25 是 6 30 20 20 20 否 9 問題：超聲波測距存在死區(qū) 解決方案：把超聲波探頭架高，使液面變化總在有效測距范圍內(nèi) 問題：進出水時，液面波動大，引起讀數(shù)變化 解決方案：把水隔離開為不同區(qū)域，構(gòu)造一個穩(wěn)定液面的空間 問題：超聲波探頭過于靈敏，曲線不夠平滑 解決方案：利用均值濾波算法，使變化更加平緩 5． 總結(jié) 關(guān)于作品，熱刃牌恒溫水浴箱修修改改，現(xiàn)在基本定型，以上下兩塊制冷片調(diào)節(jié)溫度；利用兩個水泵實現(xiàn)水位升降，另外一個水泵用于保持制冷片的溫度；超聲波放置于塑料豎板內(nèi)檢測水位；紅外控制用于發(fā)送指令；LCD、LED用于顯示提醒。 智控大賽個人總結(jié)（陳思遠） 比賽進行得如火如荼，各個隊伍都拼盡全力地準備著作品。我們隊也一樣。 由于是未接觸過的題目類型，許多模塊都不熟悉甚至有些是第一次接觸，困難重重，總會遇到些許難題。例如超聲波模塊的死區(qū)內(nèi)死機、非定時器啟動無限循環(huán)、制冷片的防水問題、散熱問題等。經(jīng)常得把一整天的時間用在調(diào)試、檢測上。鍛煉了我們查找資料的能力以及不斷嘗試的精神。 同時，在面臨困難并試圖解決問題的過程中，我們的大腦、思維也得到了極大的鍛煉，思維更加活躍、更加發(fā)散。期間還有不少小創(chuàng)意出現(xiàn)，例如用復印紙包裹超聲波防止水管噴水得水位檢測的影響、用筷子搭成井字形固定架固定水箱底座、水浴箱和水浴箱雙箱一體、零食瓶作平臺支腳、飲料瓶當防水罩等等。這極大地增強了我們的動手能力以及團隊合作能力。 雖然有時候總是熬到凌晨1~2點，但收獲的總是跟付出的成正比，看到我們的作品，我感到很滿意。 智控大賽總結(jié)（許耀釗） 在本次大賽中我主要負責傳感器及外設，其中包括有l(wèi)abview上位機制作，藍牙數(shù)據(jù)傳輸，溫度傳感器，語言模塊，步進電機溫度表盤，散熱裝置數(shù)字電路設計，以及后期參數(shù)調(diào)整。 因為我的工作涉及到大量新的模塊、芯片、軟件等，因此要迅速地學習使用新的東西，比如labview，我以前從未聽過，stc15系列，isd4004，hc05等以前最多只是聽說過但從未接觸過。因此我努力研究數(shù)據(jù)手冊理解網(wǎng)上的程序，從無到有實現(xiàn)了所有模塊的程序封裝，因為要最后由另一個隊友整合起來，因此每個程序都要做好注釋與備注，以方便他人使用。 調(diào)試工作非常耗時間，還要處理大量的數(shù)據(jù)，參數(shù)調(diào)整的同時也要不斷思考模型是否還要改動，實驗中遇到的問題應如何解決，這鍛煉了我面對問題的處理能力與團隊合作能力，讓我學到了很多東西。 這次的比賽讓我獲益良多。 智能控制大賽總結(jié)(鄭陸楠) 本次為期一個月的智能控制大賽，已逐步接近了尾聲。就三個大一學生而言，沒有充足的比賽經(jīng)驗與豐富的電路知識，參加本次大賽無疑充滿著未知的挑戰(zhàn)，再加上要與大多數(shù)的學長同臺競技，足以看到我們所要面臨的挑戰(zhàn)是多么巨大。 雖然在大一期間已經(jīng)接觸了許多關(guān)于電路與控制的知識，在比賽開始時對伍內(nèi)也并不認為能產(chǎn)生多大優(yōu)勢，首次作為隊長，也希望自己所在的隊伍能在比賽中脫穎而出。從最初的題目分析與選題，到系統(tǒng)的構(gòu)建，再到模塊的分工與組裝，我們都進行了充分的討論與試驗，雖然期間碰到了許多問題，也在我們的努力之下被一一攻克。比賽的時間較短讓我們的精神總處于緊張的狀態(tài)，在短短的一個月時間內(nèi)，我們完成了一個較為滿意的作品，無論結(jié)果如何，已經(jīng)可以從中學到不少的東西。 在本次比賽中學到了很多。以往的幾次比賽中，都是選擇小車作為主題進行比賽，而本次選擇了水浴系統(tǒng)，作為隊長而言也是有一定考慮的，首先可以學到更多的東西，其次是初級組，相對競爭壓力也較小，故在討論后選擇水浴做為題目。同時，這也是我們所完成的第一個系統(tǒng)類的作品。溫度液位控制，PID算法，冷凝水循環(huán)系統(tǒng)，上位機，一些陌生的名詞在一步步的學習和改進之中，被我們所熟悉。雖然期間波瀾不斷，也在我們的細心調(diào)整下，模塊被完成，系統(tǒng)越來越穩(wěn)定。而我們也對本次的作品充滿了希望。 總得來說，本次比賽學到了很多，收獲了很多。我們依舊沖著第一努力，然而即便沒有獲獎，也覺得心滿意足，以為已經(jīng)盡了最大的力氣了。 6． 附錄 (主機程序) File:Main engine.c #include "STC15F2K60S2.h" //STC15F2K60S2專用頭文件 #include "subprogram_main.h" //包含所有獨立子函數(shù) #include "ds18b20.h" //包含溫度傳感模塊 #include "SuperWave.h" //包含超聲波模塊 #include "PID.h" //包含PID控制模塊 #include "1602.h" //1602頭文件 void main() { UartInit(); //串口初始化 WC_init(); //超聲波模塊初始化 lcd1602_init(); //1602初始化 Timer1_Init(); //定時器初始化 INIT_EX0(); //外部中斷初始化 while(button==1); //開啟按鈕 while(1) { xianshi_1602(); //1602顯示函數(shù) } } File: ds18b20.c #include "STC15F2K60S2.h" //STC15F2K60S2專用頭文件 #include "ds18b20.h" //包含溫度傳感模塊 #include //_nop_()函數(shù) /*************************** 以下3個延時為22.1184M下的延時，由軟件延時計算器算出 ***************************/ void delay15(void) //用16us計算 { unsigned char i; i = 86; while (--i); } void delay60(void) //用64us計算 { unsigned char i, j; i = 2; j = 93; do { while (--j); } while (--i); } void delay500(void) //用500us計算 { unsigned char i, j; _nop_(); _nop_(); _nop_(); i = 11; j = 190; do { while (--j); } while (--i); } //初始化DS18B20 //讓DS18B20一段相對長時間低電平, 然后一段相對非常短時間高電平, 即可啟動 void dsInit() { ds = 0; delay500(); //拉低約500us, 符合協(xié)議要求的480us以上 ds = 1; //產(chǎn)生一個上升沿, 進入等待應答狀態(tài) delay15(); delay15(); } void dsWait() { while(ds); while(~ds); //檢測到應答脈沖 delay15(); delay15(); } //向DS18B20讀取一位數(shù)據(jù) //讀一位, 讓DS18B20一小周期低電平, 然后兩小周期高電平, //之后DS18B20則會輸出持續(xù)一段時間的一位數(shù)據(jù) bit readBit() { bit b; ds = 0; _nop_(); //符合協(xié)議要求至少保持1us _nop_(); _nop_(); ds = 1; delay15(); //符合協(xié)議要求的至少延時15us以上 b = ds; delay60(); //符合讀時隙不低于60us要求 return b; } //讀取一字節(jié)數(shù)據(jù), 通過調(diào)用readBit()來實現(xiàn) unsigned char readByte() { unsigned int i; unsigned char j, dat; dat = 0; for(i=0; i<8; i++) { j = readBit(); //最先讀出的是最低位數(shù)據(jù) dat = (j << 7) | (dat >> 1); } return dat; } //向DS18B20寫入一字節(jié)數(shù)據(jù) void writeByte(unsigned char dat) { unsigned char j; bit b; for(j = 0; j < 8; j++) { b = dat & 0x01; dat >>= 1; //寫"1", 將DQ拉低15us后, 在15us~60us內(nèi)將DQ拉高, 即完成寫1 if(b) { ds = 0; delay15(); //符號要求15~60us內(nèi) ds = 1; delay60(); //符合寫時隙不低于60us要求 } else //寫"0", 將DQ拉低60us~120us ds = 0; delay60(); //符號要求 ds = 1; delay15(); //整個寫0時隙過程已經(jīng)超過60us, 這里就不用像寫1那樣, 再延時60us了 } } //向DS18B20發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令 void sendChangeCmd() { dsInit(); //初始化DS18B20, 無論什么命令, 首先都要發(fā)起初始化 dsWait(); //等待DS18B20應答 delay500(); //延時500us, 因為DS18B20會拉低DQ 60~240us作為應答信號 writeByte(0xcc); //寫入跳過序列號命令字 Skip Rom writeByte(0x44); //寫入溫度轉(zhuǎn)換命令字 Convert T } //向DS18B20發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令 void sendReadCmd() { dsInit(); dsWait(); delay500(); writeByte(0xcc); //寫入跳過序列號命令字 Skip Rom writeByte(0xbe); //寫入讀取數(shù)據(jù)令字 Read Scratchpad } //獲取當前溫度值 int getTmpValue() { unsigned int tmpvalue; int value; //存放溫度數(shù)值 unsigned char low, high; sendReadCmd(); //連續(xù)讀取兩個字節(jié)數(shù)據(jù) low = readByte(); high = readByte(); //將高低兩個字節(jié)合成一個整形變量 //計算機中對于負數(shù)是利用補碼來表示的 //若是負值, 讀取出來的數(shù)值是用補碼表示的, 可直接賦值給int型的value tmpvalue = high; tmpvalue <<= 8; tmpvalue |= low; value = tmpvalue; return value; } int ds_getdata() { int ds_t; sendChangeCmd(); //發(fā)送轉(zhuǎn)換命令 //使用DS18B20的默認分辨率12位, 精確度為0.0625度, 即讀回數(shù)據(jù)的最低位代表0.0625度 ds_t = getTmpValue() * 6.25; //度數(shù)并轉(zhuǎn)單位，處理小數(shù)就是你的事了 return ds_t; } File: ds18b20.h #ifndef _ds18b20_h_ #define _ds18b20_h_ sbit ds = P1^6; //數(shù)據(jù)線 extern void dsInit(); //初始化DS18B20 extern void dsWait(); //檢測應答脈沖 extern bit readBit(); //向DS18B20讀取一位數(shù)據(jù) extern uns