基于單片機水溫控制系統(tǒng)

1、水溫控制系統(tǒng)設(shè)計 姓名：盛朋克 學(xué)號：B 系別：電氣工程與自動化系 水溫控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要本系統(tǒng)以AT89C51，AT89C2051單片機為核心，主要包括傳感器溫度采集，A/D模/數(shù)轉(zhuǎn)換，按扭操作，單片機控制，數(shù)碼管數(shù)字顯示等部分。本系統(tǒng)采用PID算法實現(xiàn)溫度控制功能，通過串行通信完成兩片單片機信息的交互而實現(xiàn)溫度設(shè)定、控制和顯示。本設(shè)計還可以通過串口與上位機（電腦）連接，實現(xiàn)電腦控制。系統(tǒng)設(shè)計有體積小、交互性強等優(yōu)點。為了實現(xiàn)高精度的水溫控制，本單片機系統(tǒng)采用PID算法控制和PWM脈寬調(diào)制相結(jié)合的技術(shù)，通過控制雙向可控硅改變電爐和電源的接通、斷開，從而改變水溫加熱時間的方法來實現(xiàn)對水溫的控制

2、。本系統(tǒng)由鍵盤顯示和溫度控制兩個模塊組成，通過模塊間的通信完成溫度設(shè)定、實溫顯示、水溫升降等功能。具有電路結(jié)構(gòu)簡單、程序簡短、系統(tǒng)可靠性高、操作簡便等特點。關(guān)鍵詞：單片機，繼電器，DS18B20，按鍵，數(shù)碼顯示，PID，PWM第1章 引言 在能源日益緊張的今天，電熱水器，飲水機，電飯煲之類的家用電器在保溫時，由于其簡單的溫控系統(tǒng)，利用溫敏電阻來實現(xiàn)溫控，因而會造成很大的能源浪費。但是利用AT89C51單片機為核心，配合溫度傳感器，信號處理電路，顯示電路，輸出控制電路，故障報警電路等組成，軟件選用匯編語言編程。單片機可將溫度傳感器檢測到的水溫模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，顯示于LED顯示器上。該系統(tǒng)靈活性

3、強，易于操作，可靠性高，將會有更廣闊的開發(fā)前景。1.1 水溫控制系統(tǒng)概述能源問題已經(jīng)是當(dāng)前最熱門的話題，離開能源的日子，世界將失去色彩，人們將寸步難行，雖然本設(shè)計是節(jié)省電能角度出發(fā)，而電能又是可再生能源，但是今天還是有很多的電能是依靠火力，核電等不可再生資源產(chǎn)生，一旦這些自然資源耗盡，我們將面臨電能資源的巨大缺口，因此本設(shè)計從開源節(jié)流的角度出發(fā)，節(jié)省電能，保護環(huán)境。1.2 本設(shè)計任務(wù)和主要內(nèi)容設(shè)計并制作一個水溫自動控制系統(tǒng)，控制對象為1升凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動控制，以保持設(shè)定的溫度基本不變。本設(shè)計主要內(nèi)容如下： （1）溫度設(shè)定范圍為4

4、0-90，最小區(qū)分度為1，標(biāo)定溫度1。 （2）環(huán)境溫度降低是溫度控制的靜態(tài)誤差1。 （3）用十進制數(shù)碼管顯示水的實際溫度。 （4）采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)設(shè)定溫度突變（由40提高到60）時，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。 （5）溫度控制的靜態(tài)誤差0.2。第2章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計2.1 單片機控制系統(tǒng)原理圖2-1 單片機控制系統(tǒng)原理框圖2.2 溫度采樣電路系統(tǒng)的信號采集電路主要由溫度傳感器（AD590）、基準(zhǔn)電壓(7812)及A/D轉(zhuǎn)換電路(ADC0804)三部分組成。如圖：2-2。圖2-2 信號采集電路2.2.1 溫度傳感器的選取目前市場上溫度傳感器較多，有一下幾種：方案一：選用鉑電阻溫度傳感器，

5、此類溫度傳感器線性度、穩(wěn)定性等當(dāng)面都很好，但其成本較高。方案二：采用熱敏電阻，選用此類元器件有價格便宜的優(yōu)點，但由于熱敏電阻的非線性特性會影響系統(tǒng)的精度。方案三：選用美國Analog Devices公司生產(chǎn)的二端集成電流傳感器AD590。其測量范圍在-50-+150之間，滿刻度范圍誤差為0.3，當(dāng)電源電壓在5-10V之間，穩(wěn)定度為1%時，誤差只有0.01。此器件具有體積小、質(zhì)量輕、線性度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的要求。比較以上三種方案，方案三具有明顯的優(yōu)點，因此選用方案三。2.2.2 溫度傳感器AD590測量范圍在-50-+50，滿刻度范圍誤差為0.3，當(dāng)電源電壓在5-10V

6、之間，穩(wěn)定度為1%時，誤差只有0.01。AD590為電流型傳感器溫度沒變化1其電流變化1uA在35和95時輸出電流分別為308.2uA和368.2uA。2.2.3 電路原理及參數(shù)計算溫度采樣電路的基本原理是采用電流型溫度傳感器AD590將溫度的變化量轉(zhuǎn)化為電流量，再將電流量轉(zhuǎn)化為電壓量通過A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804將其轉(zhuǎn)換成數(shù)值量交由單片機處理。2.2.4 ADC0804性能描述ADC0804為8bit的一路A/D轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓范圍在0-5V，轉(zhuǎn)換速度小于100us，轉(zhuǎn)換精度0.39%。滿足系統(tǒng)的要求。如圖2-3A/D轉(zhuǎn)換電路。圖2-3 溫度轉(zhuǎn)換電路2.3 溫度控制電路此部分電路主要由光電

7、耦合器MOC3041和雙向可控硅BTA12組成。MOC3041光電耦合器的耐壓值為400V，它的輸出級由過零觸發(fā)的雙向可控硅構(gòu)成，它控制著主電路雙向可控硅的導(dǎo)通和關(guān)閉。100歐電阻和0.01uF電容組成雙向可控硅保護電路?？刂撇糠蛛娐穲D 如圖2-4部分控制電路。圖2-4 部分控制電路2.4 主機控制部分此部分是電路的核心部分，系統(tǒng)的控制采用了單片機89C52。單片機內(nèi)部有8K單元的程序存儲器及256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器。因此系統(tǒng)不必擴展外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器這樣大大減少了系統(tǒng)的硬件部分。如圖 2-5 主機控制部分。 圖2-5 主機控制部分2.5 鍵盤及數(shù)字顯示部分在設(shè)計鍵盤/顯示電路時，我們使

8、用單片機2051作為電路控制電路的核心，單片機2051具有一個全雙工的串行口，利用此串行口能夠方便的實現(xiàn)系統(tǒng)的控制和顯示功能。鍵盤/顯示電路如圖2-6圖 2-6 鍵盤/顯示部分電路如圖2-7中單片機2051的P1口接數(shù)碼管道的8只引腳，這樣易于度數(shù)碼管的譯碼，使數(shù)碼管能顯示設(shè)計者所需的各數(shù)值、小數(shù)點、符號等等。單片機2051的P3.3、P3.4、P3.5接3-8譯碼器74L138，譯碼器的輸出端和鍵盤，鍵盤掃描和顯示器掃描同用端口這樣能大大的減少單片機的I/O，減少硬件的花費。圖 2-7 單片機2051連接圖鍵盤的接法的差別直接影響到硬件和軟件的設(shè)計，考慮到單片機2051的端口資源有限，所以我

9、們在設(shè)計中將傳統(tǒng)的4*4的鍵盤接成8*2的形式（如圖2-8），鍵盤的掃描除了和顯示公用的8個端外，另外的兩個端直接和2051的P3.2和P3.7相連。圖 2-8 鍵盤接線如圖2-8的接法已經(jīng)完全用了單片機的15個I/O口，有效的利用了單片機的資源。第3章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計3.1 系統(tǒng)的主程序設(shè)計軟件設(shè)計流程圖如下：圖3-1 主程序流程圖3.2 主程序主程序在附錄中。3.3 鍵盤和顯示程序設(shè)計鍵盤和顯示程序流程圖如下：圖3-2 鍵盤顯示程序流程圖3.4 鍵盤和顯示程序具體程序在附錄中?？?結(jié)首先，通過這次課程設(shè)計，在很大程度上提高了自己的獨立思考能力和單片機的專業(yè)知識，熟悉了下載調(diào)試等一系列的操作

10、。我設(shè)計系統(tǒng)的主要思想符合目前節(jié)省能源和國內(nèi)實際的應(yīng)用特點和要求，采用計算機控制的形式，實現(xiàn)對水溫的自動控制。通過本設(shè)計的思考，更加加深了對單片機的認(rèn)識，熟練了單片機的編程，更對當(dāng)前的溫度傳感器有了更深刻的認(rèn)識和了解，但是由于此系統(tǒng)依賴溫度傳感器，因而對溫度傳感器的線性和穩(wěn)定性等諸多方面有著嚴(yán)格的要求，但是傳感器的性能越好，相對而言其價格也就越高，因而在此設(shè)計中，溫度傳感器還是存在遺憾，其次，由于采用了匯編語言，所以其編程過程復(fù)雜不易查錯。最后，由于時間緊迫，本設(shè)計還有諸多地方需要改進?？偟膩碚f，收獲很大。把書本知識應(yīng)用到實際中，讓我對書本中的理論知識有了更加深刻和立體的認(rèn)識，同時，讓我了解到

11、動手實踐的重要性，以后會更加注重理論與實踐的結(jié)合。參考文獻(xiàn)1張毅剛、彭喜元、姜守達(dá)、喬立巖新編MCS-51系列單片機應(yīng)用設(shè)計哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.6 2胡漢才.單片機原理及接口技術(shù).清華大學(xué)出版社,19963沈德金，陳粵初MCS-51系列單片機接口電路與應(yīng)用程序?qū)嵗本┖娇蘸教齑髮W(xué)出版社,19904李建民.單片機在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.江漢大學(xué)學(xué)報,1996.65何立民MCS-51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計北京航空航天大學(xué)出版社，19906李志全等.智能儀表設(shè)計原理及應(yīng)用.國防工業(yè)出版社,1998.67楊素行，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程，高等教育出版社，1985附 錄 匯編程序主程序如下：

12、 ORG 0000HAJMP START ；主程序ORG 000BHAJMP TIMO ；T0中斷子程序ORG 0023HAJMP RT ；串口中斷接受子程序ORG 0100HSTART: MOV 50H ,#00H ；初始化設(shè)定溫度 MOV 51H,#00HMOV 52H,#00HMOV 53H,#00HMOV 54H,#0C6H ；發(fā)送第五個數(shù)碼管字形碼CMOV TMOD,#01H ；T0工作在MODE1MOV TH0,#0ECH ；晶振12M，50ms中斷一次MOV TL0，#78HSETB TR0MOV TOMD,#20H ；T1工作在MODE2MOV TH1，#0E6H ；設(shè)波特率M

13、OV TL1，#0E6HSTE TR1MOV SCON,#50HMOV IE,#92H ；允許T0，R1中斷MOV R6，#04H ；初始要接收的數(shù)據(jù)個數(shù)MOV R1，#50H ；初始要接收的其實地址MOV R4，#00H REY:MOV A,53HCJNE A,#00H,YESSJMP REY YES:MOV R3,#00H YES1:CLR P2.0 ；開始A/D轉(zhuǎn)換CLR P3.6SETB P3.6ACALL DELAYJ1：MOVX A,R0 ACALL SJCL ；調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序ACALL DISPDJNZ R3,MMACALL FS ；調(diào)用串口發(fā)送子程序AJMP YES MM:

14、 AJMP YES1SJCL: MOV B,#60HMUL ABMOV 61H,AMOV A,BADD A,#35ACALL L10MOV 60H,R5 ；存十進制高八位（個位和十位）MOV A，61HMOV B,#9MUL ABMOV 61H,B ；存十進制低八位（小數(shù)點）RETL10：CLR C MOV R5，#00H ；初始化十進制轉(zhuǎn)換的地位寄存器 MOV R4，#08H ；調(diào)整次數(shù)NEXT: RLC A MOV R2，AMOV A,R5ADDC A,R5DA AMOV R5,AMOV A,R2DJNZ R4，NEXTRETDISP: MOV A,60HANL A,#0F0H ；取D2的

15、顯示數(shù)據(jù)存入70HSWAP AMOV 70H,AMOV A,60HANL A,#0F0H ；取D1的顯示數(shù)據(jù)存入71HMOV 71H,A MOV 72H,61H ；取D0的顯示數(shù)據(jù)存入72HMOV R0，#70H ；取相應(yīng)的字形碼分別存入55-57HMOV DPTR,#TABMOV A,R0MOVC A,A+DPTRMOV 55H,AINC R0MOV A,R0MOVC A,A+DPTRMOV 56H,AINC R0MOV A,R0MOVC A,A+DPTRMOV 57H,AMOV A,56HADD A,#80H ；在D1字形碼上加小數(shù)點MOV 56H,ARETFS: MOV A ,R0PUS

16、H ACCMOV TMOD,#20HMOV TH1,#0E6HMOV TL1,#0E6HSET TR1MOV SCON,#50HMOV R0,#54H ；設(shè)定發(fā)送起始地址MOV R7,#04HLOOP: MOV SBUF,R0JNB T1,$CLR T1INC R0DJNZ R7,LOOPPOP ACCMOV R0,ARET ；串口中斷接受子程序RT: PUSH ACCPUSH PSWCLR ET0CLR ESSJ: MOV R1,SBUFINC R1CJNE R4,#03H,MOVESJMP MOVE1 MOVE: INC R4CLR RIJNB RI,$ MOVE1: DJNZ R6,SJ

17、 MOV R4,#00H MOV R1,#50H ；重置接收起始地址 MOV R6,#04H ；重置接收個數(shù) SETB ET0 SET ES POP PSW POP ACC RETI ；T0中斷子程序TIM0: PUSH ACCPUSH PSWMOV TH0,#0ECH ；重設(shè)中斷時間MOV TL0,#78HCLR CACCAL JSMOV A,51HCJNE A,70H,Q1 ；最高位比SJMP Q2Q1: JC OFFSJMP ONQ2: MOV AM,52HCJNE A,71H,Q3Q3: JC OFFON: CLR P1.4 CLR P1.2RE: POP PSWPOP ACCRETI

18、OFF: SETB P1.4 SETB P1.2 SJMP REDELAY: MOV R7,#50 DJNZ R7,$ RET TAB:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H鍵盤顯示程序如下：FLAGA BIT 4EHFLAGB BIT 4FHORG 00HJMP STARTORG 23HJMP UARTISTART: CLR FLAGACLR FLAGBMOV 30H,#07H ；系統(tǒng)顯示MOV 31H,#07HMOV 32H,#07HMOV 33H,#07HMOV 34H,#07HMOV 35H,#07HMOV 36H,#07HMOV

19、 37H,#07HMOV R1，#90HMOV R0，#50HPP：CLR P3.3 ；P3.5P3.4P3.3=000CLR P3.4CLR P3.5MOV A,30HMOV P1，ASETB P3.3 ；001MOV A,31HMOV P1，ASETB P3.4 ；010MOV A,32HMOV P1，ASETB P3.3MOV A,33HMOV P1，ASETB P3.5CLR P3.4CLR P3.3MOV A,34HMOV P1，ASETB P3.3MOV A,35HMOV P1，ASETB P3.4CLR P3.3MOV A,36HMOV P1，ASETB P3.3MOV A,37

20、HMOV P1，ADJNZ R0，PPMOV R0，#0FFHDJNZ R0，$DJNZ R1，PPMOV SCON,#52HMOV 30H,#0FHMOV 34H,#0FHMOV 33H,#93HMOV 37H,#93HZ1：CLR P3.3CLR P3.4CLR P3.5MOV A,30HMOV P1，AJB P3.2，Z11ACALL DELAY JNB P3.2，$SETB FLAGAJMP Z2Z11：JB P3.7，Z2 ACALL DELAY JNB P3.7 JNB FLAGA,Z2 JB FLAGB,Z12 MOV 31H,#0C0H MOV R0，#0 SETB FLAGB

21、 JMP Z2 Z12： MOV 32H,#0C0H MOV R1，#0CLR FLAGB Z2： SETB P3.3 MOV A,31HMOV P1，AJB P3.2，Z21ACALL DELAYJNB P3.2，$JNB FLAGA,Z3JB FLAGB,Z22MOV 31H,#0F9HMOV R1，#1SETB FLAGBJMP Z3Z22： MOV 32H,#0F9HMOV R1，#1CLR FLAGBJMP Z3Z21： JB P3.7,Z3ACALL DELAYJNB P3.7,$JNB FLAGA,Z3JB FLAGB,Z23MOV R0，#2MOV 31H,#0A4HSETB

22、FLAGBJMP Z3Z23： MOV 32H,#A4HMOV R1，#2CLR FLAGBZ3:SETB P3.4CLR P3.3MOV A,32HMOV P1,AJB P3.2,Z31ACALL DELAYJNB P3.2,$JNB FLAGA,Z4JB FLAGB,Z32MOV 31H,#0B0HMOV R0,#3SETB FLAGBJMP Z4Z32: MOV 32H,#0B0HMOV R1,#3CLR FLAGBJMP Z4Z31: JB P3.7,Z4 ACALL DELAYJNB P3.7,$JNB FLAGA,Z4JB FLAGB,Z33MOV 31H,#99HMOV R0,#

23、4SETB FLAGBJMP Z4Z33: MOV 32H，#99HH MOV R1，#4CLR FLAGBZ4： SETB P3.3 MOV A,33H MOV P1，A JB P3.2，Z41 ACALL DELAY JNB P3.2，$ JNB FLAGA,Z5 JB FLAGB,Z42 MOV 31H,#92H MOV RO,#5 SETB FLAGB JMP Z5Z42： MOV 32H,#92HMOV R1，#5CLR FLAGBJMP Z5Z41： JB P3.7，Z5ACALL DELAY JNB P3.7，$JNB FLAGA,Z5JB FLAGB,Z43MOV 31H,#82HMOV R0，#6SETB FLAGBJMP Z5Z43： MOV 32H,#82HMOV R1，#6CLR FLAGBZ5： CLR P3.3CLR P3.4SETB P3.5MOV A,34HMOV P1，AJB P3.2，Z51ACALL DELAY JNB P3.2，$JNB FLAGA,Z6JB FLAGB,Z52MOV 31H,#0F8HMOV R0，#7SETB FLAGBJMP Z6Z52： MOV 32H,#0F8HMOV