基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)(終稿)

1、目目 錄錄 1 1 水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)概述水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)概述-1 1 2 2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)任務(wù)與要求-2 2 2.12.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)-2 2 2.22.2 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求-2 2 3 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 -2 2 4 4 方案論證方案論證 -2 2 4.14.1 總體方案論證與比較總體方案論證與比較-3 3 4.24.2 各部分電路方案論證各部分電路方案論證-3 3 5 5 硬件電路設(shè)計(jì)與計(jì)算硬件電路設(shè)計(jì)與計(jì)算 -4 4 5.15.1 溫度采樣和轉(zhuǎn)換電路溫度采樣和轉(zhuǎn)換電路 -5 5 5.25.2 溫度控制電路溫度控制電路 -6 6 5.35.3 單片機(jī)控制部分單片機(jī)控

2、制部分 -7 7 5.45.4 鍵盤(pán)及數(shù)字顯示部分鍵盤(pán)及數(shù)字顯示部分-7 7 6 6 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)-8 8 水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)概述水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)概述 溫度控制是無(wú)論是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，還是在日常生活中都起著非常重要 的作用，過(guò)低的溫度或過(guò)高的溫度都會(huì)使水資源失去應(yīng)有的作用，從而造成水 資源的巨大浪費(fèi)。特別是在當(dāng)前全球水資源極度缺乏的情況下，我們更應(yīng)該掌 握好對(duì)水溫的控制，把身邊的水資源好好地利用起來(lái)。 在現(xiàn)代冶金、石油、化工及電力生產(chǎn)過(guò)程中，溫度是極為重要而又普遍的 熱工參數(shù)之一。在環(huán)境惡劣或溫度較高等場(chǎng)合下，為了保證生產(chǎn)過(guò)程正常安全 地進(jìn)

3、行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，以及減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約能源，要求 對(duì)加熱爐爐溫進(jìn)行測(cè)、顯示、控制，使之達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)，以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì) 的爐溫控制系統(tǒng)，可以同時(shí)采集多個(gè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)通訊口送至上位機(jī)進(jìn) 行顯示和控制。那么無(wú)論是哪種控制，我們都希望水溫控制系統(tǒng)能夠有很高的 精確度（起碼是在滿足我們要求的范圍內(nèi)） ，幫助我們實(shí)現(xiàn)我們想要的控制，解 決身邊的問(wèn)題。 在計(jì)算機(jī)沒(méi)有發(fā)明之前，這些控制都是我們難以想象的。而當(dāng)今，隨著電 子行業(yè)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷改進(jìn)，而且計(jì)算機(jī)和傳感 器的價(jià)格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)水溫控制并提高控 制的精確度不僅是可以達(dá)到的而

4、且是容易實(shí)現(xiàn)的。用高新技術(shù)來(lái)解決工業(yè)生產(chǎn) 問(wèn)題， 排除生活用水問(wèn)題實(shí)施對(duì)水溫的控制已成為我們電子行業(yè)的任務(wù)，以此來(lái)加強(qiáng) 工業(yè)化建設(shè)，提高人民的生活水平。 2 2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)能對(duì)水溫進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 2.2 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求 （1）通過(guò)設(shè)計(jì)，能獨(dú)立地查找資料，廣泛閱讀有關(guān)參考文獻(xiàn)； （2）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制對(duì)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(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 控制，以保持設(shè)定的溫度基本不變； （3）溫度設(shè)定范圍為 3585，最小區(qū)分度為 1，標(biāo)定溫度1，環(huán) 境溫度降低

5、時(shí)（例如用電風(fēng)扇降溫）溫度控制的靜態(tài)誤差1； （4）軟件調(diào)試：要求操作方便，調(diào)試成功并且可靠性高。 3 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 傳感器 電爐 信號(hào)放大 功率放大 A / D 鍵盤(pán) 顯示 鍵盤(pán)單片機(jī)基本系統(tǒng) 微型打 印機(jī) 圖 2-1 單片機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖 該水溫控制系統(tǒng)主要由 AT89C51 單片機(jī)控制系統(tǒng)、前向通道（溫度采樣轉(zhuǎn) 換電路） 、后向通道（溫度控制電路） 、鍵盤(pán)顯示電路等四部分組成，其總體設(shè) 計(jì)框圖如上圖所示。 4 4 方案論證方案論證 4.14.1 總體方案論證與比較總體方案論證與比較 本題目是設(shè)計(jì)制作一個(gè)水溫控制系統(tǒng)，對(duì)象為一升凈水，加熱器為 1KW 的 電爐。 要求能在

6、 35-95范圍內(nèi)設(shè)定控制水溫，并具有較好的快速性和較 小的超調(diào)，以及十進(jìn)制數(shù)碼管顯示等功能。 根據(jù)題目的要求，我們提出了以下的兩種方案： 方案 1：此方案是采用傳統(tǒng)的二位模擬控制方法，選用模擬電路，用電位 器設(shè)定給定值，采用上下限比較電路將反饋的溫度值與給定的溫度值比較后， 決定加熱或者不加熱。由于采用模擬控制方式，系統(tǒng)受環(huán)境的影響大，不能實(shí) 現(xiàn)復(fù)雜的控制算法使控制精度做得教高，而且不能用數(shù)碼顯示和鍵盤(pán)設(shè)定。 方案 2：采用單片機(jī) AT89C51 為核心。采用了溫度傳感器 AD590 采集溫度 變化信號(hào)，A/D 采樣芯片 ADC0804 將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并通過(guò)單片機(jī)處理后去 控制溫度，使其

7、達(dá)到穩(wěn)定。使用單片機(jī)具有編程靈活，控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，使系 統(tǒng)能簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)溫度的控制及顯示，并且通過(guò)軟件編程能實(shí)現(xiàn)各種控制算法使 系統(tǒng)還具有控制精度高的特點(diǎn)。比較上述兩種方案，方案 2 明顯的改善了方案 1 的不足及缺點(diǎn)，并具有控制簡(jiǎn)單、控制溫度精度高的特點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)電路 采用方案 2。 4.24.2 各部分電路方案論證各部分電路方案論證 本電路以單片機(jī)為基礎(chǔ)核心，系統(tǒng)由前向通道模塊、后向控制模塊、系統(tǒng) 主模塊及鍵盤(pán)顯示摸塊等四大模塊組成。現(xiàn)將各部分主要元件及電路做以下的 論證： （1）溫度采樣部分 方案 1：采用熱敏電阻，可滿足 35-95的測(cè)量范圍，但熱敏電阻精度、 重復(fù)性和可靠性都比較差，

8、對(duì)于檢測(cè)精度小于 1的溫度信號(hào)是不適用的。 方案 2：采用溫度傳感器 AD590。：AD590 具有體積小、質(zhì)量輕、線形度好、 性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。其測(cè)量范圍在-50- +150，滿刻度范圍誤差為0.3， 當(dāng)電源電壓在 510V 之間，穩(wěn)定度為 1時(shí)，誤差只有0.01，其各方面特 性都滿足此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。此外 AD590 是溫度-電流傳感器，對(duì)于提高系統(tǒng)抗 干擾能力有很大的幫助。 經(jīng)上述比較，方案 2 明顯優(yōu)于方案 1，故選用方案 2。 （2）鍵盤(pán)顯示部分 控制與顯示電路是反映電路性能、外觀的最直觀部分，所以此部分電路設(shè) 計(jì)的好壞直接影響到電路的好壞。 方案 1：采用可編程控制器 8279 與數(shù)

9、碼管及地址譯碼器 74LS138 組成，可 編程/顯示器件 8279 實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的掃描、消除抖動(dòng)、提供 LED 的顯示信號(hào)，并 對(duì) LED 顯示控制。用 8279 和鍵盤(pán)組成的人機(jī)控制平臺(tái)，能夠方便的進(jìn)行控制單 片機(jī)的輸出。 方案 2：采用單片機(jī) AT2051 與地址譯碼器 74LS138 組成控制和掃描系統(tǒng)， 并用 2051 的串口對(duì)主電路的單片機(jī)進(jìn)行通信，這種方案既能很好的控制鍵盤(pán)及 顯示，又為主單片機(jī)大大的減少了程序的復(fù)雜性，而且具有體積小，價(jià)格便宜 的特點(diǎn)。 對(duì)比兩種方案可知，方案 1 雖然也能很好的實(shí)現(xiàn)電路的要求，但考慮到電 路設(shè)計(jì)的成本和電路整體的性能，我們采用方案 2。 （3）控

10、制電路部分 方案 1：采用 8031 芯片，其內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，需要進(jìn)行外部擴(kuò)展，這 給電路增加了復(fù)雜度。 方案 2：本方案的 CPU 模塊采用 2051 芯片，其內(nèi)部有 2KB 單元的程序存儲(chǔ) 器，不需外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。但由于系統(tǒng)用到較多的 I/O 口，因此此芯片資 源不夠用。 方案 3：采用 AT89C51 單片機(jī)，其內(nèi)部有 8KB 單元的程序存儲(chǔ)器，不需外 部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，而且它的 I/O 口也足夠本次設(shè)計(jì)的要求。 比較這 3 種方案，綜合考慮單片機(jī)的各部分資源，因此此次設(shè)計(jì)選用方案 3。設(shè)計(jì)電路圖如圖 2-2 所示： 圖 2-2 AT89C51 單片機(jī)原理圖 5 5 硬件電路設(shè)計(jì)

11、與計(jì)算硬件電路設(shè)計(jì)與計(jì)算 本電路總體設(shè)計(jì)包括四部分：主機(jī)控制部分（89C51） 、前向通道（溫度采 樣和轉(zhuǎn)換電路） 、后向通道（溫度控制電路） 、鍵盤(pán)顯示部分。 5.15.1 溫度采樣和轉(zhuǎn)換電路溫度采樣和轉(zhuǎn)換電路 系統(tǒng)的信號(hào)采樣和轉(zhuǎn)換電路主要由溫度傳感器 AD590、基準(zhǔn)電壓 7812、運(yùn) 算放大器 OP-07 及 A/D 轉(zhuǎn)換電路 ADC0804 四部分組成。設(shè)計(jì)電路圖如圖 3-1 所 示： 圖 3-1 溫度采樣和轉(zhuǎn)換電路原理圖 （1） AD590 性能描述 測(cè)量范圍在-50-+150，滿刻度范圍誤差為0.3，當(dāng)電源電壓在 510V 之間，穩(wěn)定度為 1時(shí)，誤差只有0.01 。AD590 為電

12、流型傳感器溫 度每變化 1其電流變化 1uA 在 35和 95時(shí)輸出電流分別為 308.2uA 和 368.2uA。 （2）基準(zhǔn)電壓 7812 提供 12V 標(biāo)準(zhǔn)電壓，它與運(yùn)算放大器 OP-07 和電阻組成 信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大電路，將 35-95的溫度轉(zhuǎn)換為 05V 的電壓信號(hào)。 （3）ADC0804 性能描述 ADC0804 為 8 位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓范圍在 05v，轉(zhuǎn)換速 度為 100us，轉(zhuǎn)換精度為 0.39，對(duì)應(yīng)誤差為 0.234。 滿足系統(tǒng)的要求。 （4）電路原理及參數(shù)計(jì)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)換成電流量，再通

13、過(guò) OP-07 將電流量轉(zhuǎn)換成電壓量，通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0804 將其轉(zhuǎn)換成數(shù)值量交由單片機(jī)處理。圖 3-1 中三端穩(wěn)壓 7812 作為基準(zhǔn) 電壓,由運(yùn)放虛短虛斷可知運(yùn)放 OP-07 的反向輸入端（2 腳）的電壓為零伏。 i U 當(dāng)輸出電壓為零伏時(shí)(即 Uo=0v) ，令 7812 的輸出電壓為=12V，OP-07 的 2 b U 腳處為 A 點(diǎn)，AD590 的轉(zhuǎn)換電流為。列出 A 點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)方程如下: c I (1) b 12 U R c I R 由于系統(tǒng)控制的水溫范圍為 35-95,所以當(dāng)輸出電壓為零伏時(shí) AD590 的輸出電流為 308.2uA,因此為了使 Ui的電位為零就必須使

14、電流 等于電流等于 308.2uA, 三端穩(wěn)壓 7812 的輸出電壓為 12v 所以由方程(1)得 = =38.94k (2) 12 R b c U R I 12v 308.2uA 由(2)取電阻 R1=30k , R2=20k 的電位器。 又由于 ADC0804 的輸入電壓范圍為 05v ，為了提高精度所以令水溫為 95時(shí) ADC0804 的輸入電壓為 5v（即 Uo=5v） 。此時(shí)列出 A 點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)方程如下: （3） 0b 3412 UU R +RR +R C I 34 5V 308.2 uA368.2uA R +R 34 R +R =83.33K 當(dāng)水溫為 95時(shí) AD590 的輸出電流

15、為 368.2uA。由方程式（3）得 +=83.33k 因此取=81k , =5k 的電位器。 3 R 4 R 3 R 4 R 5.25.2 溫度控制電路溫度控制電路 此部分電路主要由光電耦合器 MOC3041 和雙向可控硅 BTA12 組成。采用脈 寬調(diào)制輸出控制電爐與電源的接通和斷開(kāi)比例，以通斷控制調(diào)壓法控制電爐的 輸入功率。MOC3041 光電耦合器的耐壓值為 400v，它的輸出級(jí)由過(guò)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 電阻與 0.01uF 電容組成雙向可控硅保護(hù)電路。控制部分電路圖如圖 3-2 所示： 圖 3-2 溫度控制電路原理圖 5.35.3 單

16、片機(jī)控制部分單片機(jī)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(jī) AT89C51。單片機(jī) AT89C51 內(nèi)部有 8KB 單元的程序存儲(chǔ)器及 256 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。因此系統(tǒng) 不必?cái)U(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器這樣大大的減少了系統(tǒng)硬件部分。電 路原理圖如圖 3-3 所示： 圖 3-3 單片機(jī)控制電路部分原理圖 5.45.4 鍵盤(pán)及數(shù)字顯示部分鍵盤(pán)及數(shù)字顯示部分 在設(shè)計(jì)鍵盤(pán)/顯示電路時(shí)，我們使用單片機(jī) 2051 作為電路控制的核心，單 片機(jī) 2051 具有一個(gè)全雙工的串行口采用串口，利用此串行口能夠方便的實(shí)現(xiàn)系 統(tǒng)的控制和顯示功能。鍵盤(pán)/顯示接口電路如圖 3-4 所示 圖 3-4 鍵

17、盤(pán)/顯示部分電路 圖 3-4 中單片機(jī) 2051 的 P1 口接數(shù)碼管的 8 只引腳，這樣易于對(duì)數(shù)碼管 的譯碼，使數(shù)碼管能顯示設(shè)計(jì)者所需的各數(shù)值、符號(hào)等等。單片機(jī) 2051 的 P3.3、P3.4、P3.5 接 3-8 譯碼器 74L138，譯碼器的輸出端直接接八個(gè)數(shù)碼管的 控制端和鍵盤(pán)，鍵盤(pán)掃描和顯示器掃描同用端口這樣能大大 的減少單片機(jī)的 I/O，減少硬件的花費(fèi)。鍵盤(pán)的接法的差別直接影響到硬件和軟件的設(shè)計(jì)，考慮 到單片機(jī) 2051 的端口資源有限，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)中將傳統(tǒng)的 4*4 的鍵盤(pán)接成 8*2 的形式（如圖 3-4） ，鍵盤(pán)的掃描除了和顯示共用的 8 個(gè)端外，另外的兩個(gè) 端直接和 2051 的 P3.2 和 P3.7 相連。 圖 3-5 譯碼顯示部分 如圖 3-5 的接法已經(jīng)完全用完了單片機(jī)的 15 個(gè) I/O 口，有效的利用了單片 機(jī)的資源。 6 6 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 李朝青