水温自动控制系统毕业设计论文.doc

毕 业 设 计 论 文 水温自动控制系统 院 系： 电子信息工程学系 专 业： 电气自动化技术 班 级： 学 号： 指导教师： 职称（或学位）： 2011年 5 月目 录1 引言22 方案设计22.1 总体系统的设计思路22.2 部分外围系统的设计思路33 硬件电路设计33.1 单片机最小系统的设计33.2 温度检测电路的设计与论证43.3 显示功能电路的设计与论证53.4 温度报警提示功能电路的设计与论证53.5 外围电路控制设计63.6 扩展部分方案设计74 软件设计74.1 控制主程序设计74.2 温度设置程序设计84.3 上下限报警程序设计85 结论9结束语9致谢10参考文献10附录11水温自动控制系统 摘要：本文设计主要是采用AT89C51单片机为控制核心、以温度传感器（DS18B20）为温度采集元件, 外加温度设置电路、温度采集电路、显示电路、报警电路和加热电路来实现对水温的显示同时自动检测及线性化处理,其误差小于±0.5。本文重点介绍硬件设计方案的论证和选择，以及各部分功能控制的软件的设计。本次设计的目标在于：由单片机来实现水温的自动检测及自动控制，实现设备的智能化。关键词：单片机;温度传感器;自动控制Abstract: This paper is designed AT89C51 microcontroller 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 linearization, 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 intellectualized equipment.Keywords: Microcontroller; Temperature sensors; Automatic control1 引言随着经济的高速发展和人们生活水平的不断提高，对生活电器化的要求也越来越高；而电器化层度也越来越趋向于自动控制控制乃至于智能控制。同时随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。随着经济的发展对于生产效率和质量的要求也越来越高，温度、压力，流量和液位是四种最常见的过程变量，其中温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。生活中水温控制的应用十分广泛，跟人们的生活息息相关。在此条件下利用温度传感器和单片机设计水温控制系统以实现水温的自动控制及实时显示，以方便人们生活所需。且单片机具有处理能力强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。本文主要研究以AT89C51芯片作为该水温自动控制系统的核心，温度信号由新型的数字温度传感器（DS18B20）或热电偶提供。通过软件实现对水温的控制，使用继电器作执行部件。本文研究若用于低温设备（如热水器）等时，采用以单片机为控制核心，系统通过新型的数字温度传感器（DS18B20）测得水温，并送入单片机，实时显示当前温度；若用于高温设备（如锅炉）等时，采用以单片机为控制核心，系统通过传感器测得水温，通过A/D转换器将采样输入的模拟量转换成数字量送入单片机，并显示当前温度。本文的研究成果适用于各类化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏等工艺过程的温度检测和控制；同时还可以应用于热水器等小型的生活电器。2 方案设计2.1 总体系统的设计思路通过模块方案的比较与论证，最终确定的系统组成方框图如图1所示。本论文设计是主要采用AT89C51单片机芯片来实现温度采集、信号处理、温度设置、温度显示和继电器输出控制等功能的主要核心芯片。利用数字温度计来检测水温；采用A/D转换芯片ADC0809来实现对温度计采集到信号进行模数转换处理；采用四位共阴LED和按键实现温度的显示和温度的设置功能；采用继电器来实现间接控制外围设备。 图1 系统组成方框图2.2 部分外围系统的设计思路本文通过方案比较与论证，最终确定的外围系统组成方框图如图2所示。外围系统主要是利用数字温度计来检测水温，并把数据传送给单片机处理判断水温是否稳定，是否启动加热装置。加热部分是由单片机控制继电器的输出部分，并由继电器间接控制加热装置的启停。 图2 外围系统组成方框图3 硬件电路设计3.1 单片机最小系统的设计单片机最小系统是由单片机芯片AT89C51为核心，由电源部分、复位电路和晶振电路组成（如图3所示）。图3 单片机最小系统3.2 温度检测电路的设计与论证方案一：采用温度传感器（DS18B20）芯片来实现水温的检测（数字温度计检测电路如图4所示），且输出信号为数字信号。数字温度计DS18B20在0100时，最大线形偏差小于1。最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和单片机AT89C52构成的温度测量装置，它直接输出温度的数字信号。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。同时采用AT89C51单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且硬件实现简单，安装方便。同时DS18B20单线数字温度传感器是一种新型的“一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，DS18B20对f0计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以被偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9位（符号点1位），但因符号位扩展成高8位，故以16位被码形式读出，表1给出了温度和数字量的关系。表1 DS18B20温度/数据关系表温度/二进制表示十六进制表示+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 1111 0101 1110FF5EH-25.0625°C1111 1110 0110 1111FF6FH-55°C1111 1100 1001 0000FC90H图4 数字温度计检测电路方案二：采用热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成（热电偶的构成如图5），热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集部分则使用带有A/D 通道的单片机，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D 转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。热电偶的优点是工作温度范围非常宽，且体积小，还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。图5 热电偶电路图经综合考虑，本设计如果应用于热水器等温度范围在0+100时采用方案一；如果应用于锅炉控制等高温设备（最高温度100）时，则采用方案二（此方案为扩展部分方案）。3.3 显示功能电路的设计与论证方案一：采用四个LED七段码共阴极来实现行驶距离和时间的交替显示，但是此方案需要占用较多的I/O地址端口，考虑到I/O不够用，同时采用多个LED七段数码在制作PCB板时太过繁杂且容易产生干扰。方案二：采用74LS138和74LS248分别驱动同一块四位共阴LED的位选和数选，这不仅节省了I/O地址端口，也节省了单片机的内部空间容量，同时不容易产生干扰（显示电路如图6所示）。经综合考虑，本设计采用方案二。图6 显示功能电路3.4 温度报警提示功能电路的设计与论证方案一：本设计的发挥部分，是加入了报警，如果我们所设计的系统是监控某一设备的水温，当水的温度超过我们所设定的温度值时，系统会产生报警。报警时由单片机产生一定频率的脉冲，由P0.0引脚输出，P0.0外接一只NPN的三极管来驱动扬声器发出声音，以便操作员来维护，从而达到报警的目的。此方案能完成声光提示功能，给人以提示的可懂性比较差，但在一定程度上能满足要求，而且易于实现，成本也不高（报警提示电路如图7所示）。方案二：采用DS1420可分段录放音模块，能够给人以直观的提示，但DS1420录放音模块价格比较高，也可以采用此方案来处理，但方案二性价比不如方案一，且在短时间内不能够采购到到该元件。综合考虑，本设计采用方案一。图7 温度报警提示电路3.5 外围电路控制设计本部分设计根据温度传感器检测到的水温信号通过处理后，由AT89C51单片机判断是否进行加热还是降温或者稳定不变。模式一：对于单相加热装置，若要加热则采用AT89C51的输出引脚端接5V中间继电器的线圈，由单片机产生的相对应的脉冲信号来接通5V中间继电器的线圈，同时使中间继电器的常开触点闭合，接通外围电路220V电压并控制外围单相加热装置工作（如图8所示）。图8 单相加热装置电路图模式二：对于三相加热装置，若要加热则采用AT89C51的输出引脚端接5V中间继电器的线圈，由单片机产生的相对应的脉冲信号来接通5V中间继电器的线圈，再由中继电器的常开触点去控制主接触器的线圈，接通外围电路380V电压并控制外围三相加热装置工作（如图9所示）。图9 三相加热装置电路图3.6 扩展部分方案设计本部分设计主要是应用于锅炉控制等高温设备（最高温度100）时，采用A/D转换芯片ADC0809来实现对温度计采集到信号进行模数转换处理（如图10所示）。而温度检测电路，则采用温度检测电路中的方案二，即采用热电偶温差电路测温。对于ADC0809转换数据的传送，本设计将采用中断方式进行，即转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，确定转换完成以中断方式通过指令进行数据传送，首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受，再由单片机进行处理。图10 A/D转换电路4 软件设计4.1 控制主程序设计控制程序启动后程序进入5S的倒计时状态，并开启四位数码显示工作；5S倒计时结束后程序开始运行，首先程序先判断是否运行温度设置程序，否则运行正常的温度检测、上下限报警及外围电路控制程序。即由温度传感器DS18B20检测水温，再通过单片机对检测信号进行处理，并对实际温度和设定温度进行比较，判断是否达到上下限报警要求，把结果传送至显示部分并调用显示子程序显示，同时判断是否启动加热功能，是则控制继电器输出控制外围设备执行相应的工作；否则系统进入恒温控制状态。完成后进入下一个扫描周期。图11 单片机主程序流程图4.2 温度设置程序设计程序进入温度设置状态后,程序会检测判断片选键是否按下，否则片选闪烁并进入位选检测状态；是则片选位闪烁并使累加器加1，判断是否为4（片选总位数）若是返回重新检测判断片选键是否按下，若否把累加器的值赋值给片选存储器，同时进入位选检测状态。程序进入位选状态后，等待10S并检测判断位选键是否按下，否则子程序返回；是则进入位选状态并使累回器加1，再对累加器的数据进入十进制调整，同时赋值给设定值存储器及显示存储器，结束子程序并返回。图12 温度设置子程序流程图4.3 上下限报警程序设计程序运行后，温度传感器DS18B20检测水温，通过单片机对检测信号进行处理，并对实际温度和设定温度进行比较，判断实际温度是否小于设定值？是则进行下限报警并启动外围加热电路；否则判断实际温度是否大于设定值？是则进行上限报警并降温，同时子程序返回；否则进行恒温控制，同时子程序返回。图13 上下限报警子程序流程图5 结论本设计利用单片机低功耗、处理能力强的特点，使用单片机作为主控制器，对环境温度进行监控。其结构简单、可靠性较高，大大地提高了温度控制的智能性，易用性及节能性等主要性能指标，给我们的生活带来舒适和方便的同时，也极大地提高了生产效率和产品质量，具有很好的实用价值和发展前景。基于单片机的水温控制系统设计立足于单片机的小巧灵活、易于产品化、安全可靠。所以与传统的水温控制系统相比基于单片机的水温控制更经济、更可靠、精度更高，满足了人们对于生活消费类电子产品的需求。这次毕业设计通过对它的学习、应用，感受很深刻。从认识书本上到实际的具体应用上，我经历了一段不少的时间来认识和学习单片机。本论文是以80C51为载体，以其他辅助电路为依托，设计的一个靠单片机控制的水温系统。整个体系操作简单明了，通过电源模块、主控模块、显示模块、警示模块、外围电路模块等将系统成功运行。但是在编程的同时发现自己的知识很有限，而且在硬件设计上自己还是存在太多的不足，再此很希望自己在今后的求知道路上继续努力加油！在设计过程中，我通过请教老师、查阅相关资料和与多位同学交流合作等方式，使自己充实了许多。虽然历程艰辛，但收获同样巨大。在整个项目开发过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立思考、工作的能力，而且大大提高了动手能力，使我充分体会到了探索中的艰难和成功的喜悦。相信会对今后的学习工作生活都有重要影响。虽然这个项目还不是很完善，比如在硬件设计、软件方面等都存在很多不足之处。但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。结束语:光阴似箭，日月如梭，不知不觉之中即将告别大学生涯，心中顿时泛起美好的回忆，在这毕业离校之际，美丽的校园令我充满无限的眷恋。我的毕业论文让陈老师花费大量的心血，在此感谢老师在各方面的耐心指导与帮助；同时我还要感谢其他老师和同学的热心帮助与支持。感激之情无以言表，只能在日后的工作和学习中踏实做人、勤奋做事，做出一番成绩来回报他对我的恩惠。在导师的带领下，同学的互帮互助和深厚友谊更是赐予了我大学生活不可磨灭的记忆。在这三年中，我收获快乐并且成长，更是让我感受在高压的工作下得到帮助的力量，以及工作被认可和受到赞赏的成就感。在毕业前最后的时光，仍旧要感谢我生命中出现的那些十分重要的师姐师兄、师弟师妹们，以及我结识的朋友们。他们不仅在学术上给予我指点，同时也是我生活中一起同行的人，在交往的过程中我们建立信任、彼此鼓励、互相支持与帮助。当然，在我求学期间，还要感谢我深爱的父母亲一直以来对我无怨无悔的付出、支持、关爱、尊重和信任，在我学习、生活、感情、工作上遇到困难时，是您们帮我抵御风霜，谢谢您们。我是幸运而幸福的，我知足并且义无反顾的在大家的关爱下坚持自己的信念和理想一路前行。致谢:通过这一阶段的努力，我的毕业论文 水温自动控制系统终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在本论文的写作过程中，我的导师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。参考文献:1 娄建忠，李彦波，王永青，孙荣霞，郭宝增水温控制系统J河北大学学报(自然科学版)，2001，（04）2 侯志林过程控制与自动化仪表M北京：机械工业出版社，2003：15-263 赵丽娟，邵欣基于单片机的温度监控系统的设计与实现J机械制造，2006，(01)4 张开生，郭国法单片机温度控制系统的设计J微计算机信息，2005，(07)5 楼苗然，李光飞单片机课程设计指导M北京：北京航空航天大学出版社，2007：(07)6 张毅刚单片机原理与应用M北京：高等教育出版社，2004：101-120