水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)論文

1、. . . . 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文水溫自動(dòng)控制系統(tǒng) 鐘野院 系： 電子信息工程學(xué)系 專 業(yè)： 電氣自動(dòng)化技術(shù) 班 級(jí)：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：職稱（或?qū)W位）：2011年 5 月目 錄1 引言22 方案設(shè)計(jì)22.1 總體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路22.2 部分外圍系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路33 硬件電路設(shè)計(jì)33.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)33.2 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)與論證43.3 顯示功能電路的設(shè)計(jì)與論證53.4 溫度報(bào)警提示功能電路的設(shè)計(jì)與論證53.5 外圍電路控制設(shè)計(jì)63.6 擴(kuò)展部分方案設(shè)計(jì)74 軟件設(shè)計(jì)74.1 控制主程序設(shè)計(jì)74.2 溫度設(shè)置程序設(shè)計(jì)84.3 上下限報(bào)警程序設(shè)計(jì)85 結(jié)論9結(jié)束語9致10參考文獻(xiàn)1

2、0附錄1111 / 13水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)鐘野（XXXX電子信息工程學(xué)系 指導(dǎo)教師：CXJ）摘要：本文設(shè)計(jì)主要是采用AT89C51單片機(jī)為控制核心、以溫度傳感器（DS18B20）為溫度采集元件, 外加溫度設(shè)置電路、溫度采集電路、顯示電路、報(bào)警電路和加熱電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的顯示同時(shí)自動(dòng)檢測(cè)與線性化處理,其誤差小于±0.5。本文重點(diǎn)介紹硬件設(shè)計(jì)方案的論證和選擇，以與各部分功能控制的軟件的設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)在于：由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)水溫的自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化。關(guān)鍵詞：單片機(jī);溫度傳感器;自動(dòng)控制Abstract: This paper is designed AT89C51 mic

3、rocontroller as control core and temperature sensor DS18B20) for (temperature gathering element, plus the temperature setting circuit, temperature gathering electriccircuit, display circuit, alarm circuit and heating circuit to achieve water temperature display while automatically detecting and line

4、arization, its error is less than 0.5 + . This paper mainly introduces the hardware design argumentation and choice, and some functional control software design. This design goal is: by single-chip microcomputer to realize the automatic detection and automatic temperature control, realize the intell

5、ectualized equipment.Keywords:Microcontroller; Temperature sensors; Automatic control1 引言隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，對(duì)生活電器化的要求也越來越高；而電器化層度也越來越趨向于自動(dòng)控制控制乃至于智能控制。同時(shí)隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展與其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)電子產(chǎn)品的小型化和智能化要求越來越高，作為高新技術(shù)之一的單片機(jī)以其體積小、價(jià)格低、可靠性高、適用圍大以與本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)于生產(chǎn)效率和質(zhì)量的要求也越來越高，溫度、壓

6、力，流量和液位是四種最常見的過程變量，其中溫度是一個(gè)非常重要的過程變量，因?yàn)樗苯佑绊懭紵?、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結(jié)晶以與空氣流動(dòng)等物理和化學(xué)過程。生活中水溫控制的應(yīng)用十分廣泛，跟人們的生活息息相關(guān)。在此條件下利用溫度傳感器和單片機(jī)設(shè)計(jì)水溫控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)水溫的自動(dòng)控制與實(shí)時(shí)顯示，以方便人們生活所需。且單片機(jī)具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在溫度測(cè)量與控制方面，控制簡單方便，測(cè)量圍廣，精度較高。本文主要研究以AT89C51芯片作為該水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，溫度信號(hào)由新型的數(shù)字溫度傳感器（DS18B20）或熱電偶提供。通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制，使用繼電器作

7、執(zhí)行部件。本文研究若用于低溫設(shè)備（如熱水器）等時(shí)，采用以單片機(jī)為控制核心，系統(tǒng)通過新型的數(shù)字溫度傳感器（DS18B20）測(cè)得水溫，并送入單片機(jī)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度；若用于高溫設(shè)備（如鍋爐）等時(shí)，采用以單片機(jī)為控制核心，系統(tǒng)通過傳感器測(cè)得水溫，通過A/D轉(zhuǎn)換器將采樣輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機(jī)，并顯示當(dāng)前溫度。本文的研究成果適用于各類化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾等工藝過程的溫度檢測(cè)和控制；同時(shí)還可以應(yīng)用于熱水器等小型的生活電器。2 方案設(shè)計(jì)2.1總體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路通過模塊方案的比較與論證，最終確定的系統(tǒng)組成方框圖如圖1所示。本論文設(shè)計(jì)是主要采用AT89C51單片機(jī)芯片來實(shí)現(xiàn)溫度采集、信號(hào)

8、處理、溫度設(shè)置、溫度顯示和繼電器輸出控制等功能的主要核心芯片。利用數(shù)字溫度計(jì)來檢測(cè)水溫；采用A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度計(jì)采集到信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理；采用四位共陰LED和按鍵實(shí)現(xiàn)溫度的顯示和溫度的設(shè)置功能；采用繼電器來實(shí)現(xiàn)間接控制外圍設(shè)備。圖1 系統(tǒng)組成方框圖2.2部分外圍系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路本文通過方案比較與論證，最終確定的外圍系統(tǒng)組成方框圖如圖2所示。外圍系統(tǒng)主要是利用數(shù)字溫度計(jì)來檢測(cè)水溫，并把數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)處理判斷水溫是否穩(wěn)定，是否啟動(dòng)加熱裝置。加熱部分是由單片機(jī)控制繼電器的輸出部分，并由繼電器間接控制加熱裝置的啟停。圖2 外圍系統(tǒng)組成方框圖3 硬件電路設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)的

9、設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)是由單片機(jī)芯片AT89C51為核心，由電源部分、復(fù)位電路和晶振電路組成（如圖3所示）。圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)與論證方案一：采用溫度傳感器（DS18B20）芯片來實(shí)現(xiàn)水溫的檢測(cè)（數(shù)字溫度計(jì)檢測(cè)電路如圖4所示），且輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字溫度計(jì)DS18B20在0100時(shí)，最大線形偏差小于1。最大特點(diǎn)之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計(jì)DS18B20和單片機(jī)AT89C52構(gòu)成的溫度測(cè)量裝置，它直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào)。便于單片機(jī)處理與控制，省去傳統(tǒng)的測(cè)溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測(cè)溫元件，此元件線形較好。同時(shí)采用AT89C5

10、1單片機(jī)控制，軟件編程的自由度大，可通過編程實(shí)現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制，而且硬件實(shí)現(xiàn)簡單，安裝方便。同時(shí)DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器是一種新型的“一線器件”，其體積更小、更適用于多種場(chǎng)合、且適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)。DS18B20部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào)f0，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)f。當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20對(duì)f0計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)門開通時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片部還有斜率累加器，可對(duì)頻率的非線性予以被償。測(cè)量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應(yīng)為9位（符號(hào)點(diǎn)1位），但因符號(hào)位擴(kuò)展成高8位，故以16位被碼形式讀出，表1給出了溫度和數(shù)字量的關(guān)系

11、。表1DS18B20溫度/數(shù)據(jù)關(guān)系表溫度/二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示+125°C0000 0111 1101 000007D0H+85°C0000 0101 0101 00000550H+25.0625°C0000 0001 1001 00010191H+10.125°C0000 0000 1010 001000A2H+0.5°C0000 0000 0000 10000008H0°C0000 0000 0000 00000000H-0.5°C1111 1111 1111 1000FFF8H-10.125°C1111 1

12、111 0101 1110FF5EH-25.0625°C1111 1110 0110 1111FF6FH-55°C1111 1100 1001 0000FC90H圖4 數(shù)字溫度計(jì)檢測(cè)電路方案二：采用熱電偶溫差電路測(cè)溫，溫度檢測(cè)部分可以使用低溫?zé)崤?，熱電偶由兩個(gè)焊接在一起的異金屬導(dǎo)線所組成（熱電偶的構(gòu)成如圖5），熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩種金屬的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)組成。通過將參考結(jié)點(diǎn)保持在已知溫度并測(cè)量該電壓，便可推斷出檢測(cè)結(jié)點(diǎn)的溫度。數(shù)據(jù)采集部分則使用帶有A/D 通道的單片機(jī)，在將隨被測(cè)溫度變化的電壓或電流采集過來，進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在

13、顯示電路上，就可以將被測(cè)溫度顯示出來。熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是工作溫度圍非常寬，且體積小，還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。圖5 熱電偶電路圖經(jīng)綜合考慮，本設(shè)計(jì)如果應(yīng)用于熱水器等溫度圍在0+100時(shí)采用方案一；如果應(yīng)用于鍋爐控制等高溫設(shè)備（最高溫度100）時(shí)，則采用方案二（此方案為擴(kuò)展部分方案）。3.3 顯示功能電路的設(shè)計(jì)與論證方案一：采用四個(gè)LED七段碼共陰極來實(shí)現(xiàn)行駛距離和時(shí)間的交替顯示，但是此方案需要占用較多的I/O地址端口，考慮到I/O不夠用，同時(shí)采用多個(gè)LED七段數(shù)碼在制作PCB板時(shí)太過繁雜且容易產(chǎn)生干擾。方案二：采用74LS138和74LS248分別驅(qū)動(dòng)同一塊四位共陰LED的位

14、選和數(shù)選，這不僅節(jié)省了I/O地址端口，也節(jié)省了單片機(jī)的部空間容量，同時(shí)不容易產(chǎn)生干擾（顯示電路如圖6所示）。經(jīng)綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用方案二。圖6 顯示功能電路3.4 溫度報(bào)警提示功能電路的設(shè)計(jì)與論證方案一：本設(shè)計(jì)的發(fā)揮部分，是加入了報(bào)警，如果我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是監(jiān)控某一設(shè)備的水溫，當(dāng)水的溫度超過我們所設(shè)定的溫度值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。報(bào)警時(shí)由單片機(jī)產(chǎn)生一定頻率的脈沖，由P0.0引腳輸出，P0.0外接一只NPN的三極管來驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，以便操作員來維護(hù)，從而達(dá)到報(bào)警的目的。此方案能完成聲光提示功能，給人以提示的可懂性比較差，但在一定程度上能滿足要求，而且易于實(shí)現(xiàn)，成本也不高（報(bào)警提示電路如圖7所示

15、）。方案二：采用DS1420可分段錄放音模塊，能夠給人以直觀的提示，但DS1420錄放音模塊價(jià)格比較高，也可以采用此方案來處理，但方案二性價(jià)比不如方案一，且在短時(shí)間不能夠采購到到該元件。綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用方案一。圖7 溫度報(bào)警提示電路3.5 外圍電路控制設(shè)計(jì)本部分設(shè)計(jì)根據(jù)溫度傳感器檢測(cè)到的水溫信號(hào)通過處理后，由AT89C51單片機(jī)判斷是否進(jìn)行加熱還是降溫或者穩(wěn)定不變。模式一：對(duì)于單相加熱裝置，若要加熱則采用AT89C51的輸出引腳端接5V中間繼電器的線圈，由單片機(jī)產(chǎn)生的相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)來接通5V中間繼電器的線圈，同時(shí)使中間繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，接通外圍電路220V電壓并控制外圍單相加熱裝置工

16、作（如圖8所示）。圖8 單相加熱裝置電路圖模式二：對(duì)于三相加熱裝置，若要加熱則采用AT89C51的輸出引腳端接5V中間繼電器的線圈，由單片機(jī)產(chǎn)生的相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)來接通5V中間繼電器的線圈，再由中繼電器的常開觸點(diǎn)去控制主接觸器的線圈，接通外圍電路380V電壓并控制外圍三相加熱裝置工作（如圖9所示）。圖9 三相加熱裝置電路圖3.6 擴(kuò)展部分方案設(shè)計(jì)本部分設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用于鍋爐控制等高溫設(shè)備（最高溫度100）時(shí)，采用A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度計(jì)采集到信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理（如圖10所示）。而溫度檢測(cè)電路，則采用溫度檢測(cè)電路中的方案二，即采用熱電偶溫差電路測(cè)溫。對(duì)于ADC0809轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的

17、傳送，本設(shè)計(jì)將采用中斷方式進(jìn)行，即轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)（EOC）作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，確定轉(zhuǎn)換完成以中斷方式通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，首先送出口地址并以信號(hào)有效時(shí)，OE信號(hào)即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接受，再由單片機(jī)進(jìn)行處理。圖10 A/D轉(zhuǎn)換電路4 軟件設(shè)計(jì)4.1控制主程序設(shè)計(jì)控制程序啟動(dòng)后程序進(jìn)入5S的倒計(jì)時(shí)狀態(tài)，并開啟四位數(shù)碼顯示工作；5S倒計(jì)時(shí)結(jié)束后程序開始運(yùn)行，首先程序先判斷是否運(yùn)行溫度設(shè)置程序，否則運(yùn)行正常的溫度檢測(cè)、上下限報(bào)警與外圍電路控制程序。即由溫度傳感器DS18B20檢測(cè)水溫，再通過單片機(jī)對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，并對(duì)實(shí)際溫度和設(shè)定溫度進(jìn)行比較，判斷是否達(dá)到上下限報(bào)警要求，把結(jié)

18、果傳送至顯示部分并調(diào)用顯示子程序顯示，同時(shí)判斷是否啟動(dòng)加熱功能，是則控制繼電器輸出控制外圍設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的工作；否則系統(tǒng)進(jìn)入恒溫控制狀態(tài)。完成后進(jìn)入下一個(gè)掃描周期。圖11 單片機(jī)主程序流程圖4.2 溫度設(shè)置程序設(shè)計(jì)程序進(jìn)入溫度設(shè)置狀態(tài)后,程序會(huì)檢測(cè)判斷片選鍵是否按下，否則片選閃爍并進(jìn)入位選檢測(cè)狀態(tài)；是則片選位閃爍并使累加器加1，判斷是否為4（片選總位數(shù)）若是返回重新檢測(cè)判斷片選鍵是否按下，若否把累加器的值賦值給片選存儲(chǔ)器，同時(shí)進(jìn)入位選檢測(cè)狀態(tài)。程序進(jìn)入位選狀態(tài)后，等待10S并檢測(cè)判斷位選鍵是否按下，否則子程序返回；是則進(jìn)入位選狀態(tài)并使累回器加1，再對(duì)累加器的數(shù)據(jù)進(jìn)入十進(jìn)制調(diào)整，同時(shí)賦值給設(shè)定值存

19、儲(chǔ)器與顯示存儲(chǔ)器，結(jié)束子程序并返回。圖12 溫度設(shè)置子程序流程圖4.3 上下限報(bào)警程序設(shè)計(jì)程序運(yùn)行后，溫度傳感器DS18B20檢測(cè)水溫，通過單片機(jī)對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，并對(duì)實(shí)際溫度和設(shè)定溫度進(jìn)行比較，判斷實(shí)際溫度是否小于設(shè)定值？是則進(jìn)行下限報(bào)警并啟動(dòng)外圍加熱電路；否則判斷實(shí)際溫度是否大于設(shè)定值？是則進(jìn)行上限報(bào)警并降溫，同時(shí)子程序返回；否則進(jìn)行恒溫控制，同時(shí)子程序返回。圖13 上下限報(bào)警子程序流程圖5 結(jié)論本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)低功耗、處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)，使用單片機(jī)作為主控制器，對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)控。其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性較高，大提高了溫度控制的智能性，易用性與節(jié)能性等主要性能指標(biāo)，給我們的生活帶來舒適和方便的

20、同時(shí)，也極提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，具有很好的實(shí)用價(jià)值和發(fā)展前景。基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)立足于單片機(jī)的小巧靈活、易于產(chǎn)品化、安全可靠。所以與傳統(tǒng)的水溫控制系統(tǒng)相比基于單片機(jī)的水溫控制更經(jīng)濟(jì)、更可靠、精度更高，滿足了人們對(duì)于生活消費(fèi)類電子產(chǎn)品的需求。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)通過對(duì)它的學(xué)習(xí)、應(yīng)用，感受很深刻。從認(rèn)識(shí)書本上到實(shí)際的具體應(yīng)用上，我經(jīng)歷了一段不少的時(shí)間來認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)單片機(jī)。本論文是以80C51為載體，以其他輔助電路為依托，設(shè)計(jì)的一個(gè)靠單片機(jī)控制的水溫系統(tǒng)。整個(gè)體系操作簡單明了，通過電源模塊、主控模塊、顯示模塊、警示模塊、外圍電路模塊等將系統(tǒng)成功運(yùn)行。但是在編程的同時(shí)發(fā)現(xiàn)自己的知識(shí)很有限，而且在硬

21、件設(shè)計(jì)上自己還是存在太多的不足，再此很希望自己在今后的求知道路上繼續(xù)努力加油！在設(shè)計(jì)過程中，我通過請(qǐng)教老師、查閱相關(guān)資料和與多位同學(xué)交流合作等方式，使自己充實(shí)了許多。雖然歷程艱辛，但收獲同樣巨大。在整個(gè)項(xiàng)目開發(fā)過程中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立思考、工作的能力，而且大大提高了動(dòng)手能力，使我充分體會(huì)到了探索中的艱難和成功的喜悅。相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活都有重要影響。雖然這個(gè)項(xiàng)目還不是很完善，比如在硬件設(shè)計(jì)、軟件方面等都存在很多不足之處。但是在設(shè)計(jì)過程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。結(jié)束語:光陰似箭，日月如梭，不知不覺之中即將告別大學(xué)生涯，心中頓時(shí)泛起美好的回憶，在這畢業(yè)離校之際，美麗的校園令我充滿無限的眷戀。我的畢業(yè)論文讓老師花費(fèi)大量的心血，在此感老師在各方面的耐心指導(dǎo)與幫助；同時(shí)我還要感其他老師和同學(xué)的熱心幫助與支持。感激之情無以言表，只能在日后的工作和學(xué)習(xí)中踏實(shí)做人、勤奮做事，做出一番成績來回報(bào)他對(duì)我的恩惠。在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下，同學(xué)的互幫互助和深厚友誼更是賜予了我大學(xué)生活不可磨滅的記憶。在這三年中