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嵌入式系统设计性实验报告 水温控制系统
院 别： 控制工程学院 专 业： 自动 学 号： 5090633 姓 名： 邱飒飒 指导老师： 孙文义
2012年6月8日
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嵌入式系统设计性实验报告
作者：邱飒飒 班级：50906 学号： 5090633
摘要：在工业生产中，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。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而大大的提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是工业生产中经常会遇到的控制问题.该实验设计基于飞思卡尔MC9S12DG128开发板平台，根据实验任务要求，完成了基于单片机的水温自动控制系统的设计该实验设计基于飞思卡尔MC9S12DG128开发板平台，根据实验任务要求，完成了水温自动控制系统的设计。 关键字： 水温控制 单片机MC9S12DG128
一、 系统设计的功能
1.1 水温控制系统设计任务和要求
该系统为一实验系统，系统设计任务： 设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。同时满足以下要求：
（1）温度设定范围为 40～90℃，最小区分度为1℃，标定温度≤1℃。 （2）环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差≤1℃。 （3）用十进制数码管显示水的实际温度保留一位小数。
（4）采用适当的控制方法（如数字PID），当设定温度突变（由 40℃提高到60℃）时，减小系统的调节时间和超调量。 （5）温度控制的静态误差≤0.2℃。
（6）从串口输出水温随时间变化的数值。 1.2 水温控制系统部分
水温控制系统是一个过程控制系统，组成框图如下所示，有控制器、执行器、被控对象及其反馈作用的测量变送组成。
图1 控制系统框图
1.3 系统总体功能分析
本系统是一个简单的单回路控制系统，为了实现温度的测量及自动控制，根据任务要求及要求，系统由单片机系统，前向通道，后向通道，及人机通话四个模块构成。总体框图如图2 所示。
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热电阻 调理电路 A/D I/O口 驱动 电路 LED 显示 MC9S12DG128 电阻丝 SSR PWM I/O口 键盘设定 串行通信 PC机
图2 水温控制系统总体框图
1.3.1 各功能模块作用分析
(1) 单片机系统是控制系统的核心，MC9S12DG128可以提供系统所需的IO口及内置的功能模块。
A/D转换模块是将外部采集到的模拟量转换为数字量，不需要加另外的AD转换芯片，在本设计实验中采用内部10位AD转换方式测量温度值。
PWM模块通过软件编程可以输出任意占空比的波形，在本设计实验中可以通过输出电压波形控制电阻丝的通断，从而模拟水的加热程度，达到控制水温的目的。
SCI模块使单片机与PC机连接，将采样温度值上传到PC机，从而可以通过PC机实时地看到温度的变化，还可以从PC机下载程序，人机交互方便。
(2) 前向通路：用电位器模拟温度变化，然后进行温度值采样，主要包括热电阻的传感器，信号放大电路组成。
pt100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。PT100的阻值与温度变化关系为：当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的;
(3) 数据显示:采用了四位共阴极数码管进行显示设定温度值及测量温度值。 (4) 键盘采用4*4扫描键盘用于设定温度值
(5) 继电器、电阻丝电路：通过PWM输出电压波形控制SSR固态继电器的通断，从而控制电阻丝的加热程度。
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交流固态继电器（缩写 SSR）是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点通断电子开关,为四端有源器件。其中两个端子为输入控制端,另外两端为输出受控端,中间采用光电隔离,作为输入输出之间电气隔离(浮空)。在输入端加上直流或脉冲信号,输出端就能从关断状态转变成导通状态(无信号时呈阻断状态),从而控制较大负载。整个器件无可动部件及触点,可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。
二、硬件设计原理及内容
1 硬件设计原理图
图3 硬件原理图
硬件原理图主要包括：
1. 单片机最小系统部分：电源电路，晶振时钟电路，复位电路，串口通信电路，BDM调
试电路 2. 键盘设置电路 3. 数码管显示电路 4. 输入采样电路
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5. 输出驱动电路
2 各部分电路分析 2.1单片机最小系统部分
2.1.1 单片机电源电路
图4 单片机电源电路
最小系统电源电路中，用两个电容构成滤波电路，可以改善系统的电磁兼容性，降低电源波动对系统的影响，增强电路工作稳定性。 2.1.2 单片机晶振电路
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