计算机控制技术课程设计-基于单片机的水温控制系统设计.doc

课程设计 计算机控制技术计算机控制技术 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名学生姓名专业班级专业班级学号学号 题题 目目基于单片机的水温控制系统设计 课题性质课题性质课程设计课题来源课题来源自拟课题 指导教师指导教师 主要内容主要内容 针对水温控制系统的控制功能要求，设计一个计算机控制系统， 能够对水的温度进行测量及显示，并通过执行机构对水的温度进行 加热，满足用户的生活需求。 任务要求任务要求 第 1 天：熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。 第 2 天：确定设计方案。要求对设计方案进行分析、比较、论 证，画出方框图，并简述工作原理。 第 3-4 天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图， 元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。 第 5 天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理 流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于 5000 字。 主要参主要参 考资料考资料 （1）马忠梅等，单片机的 c 语言应用程序设计，北京航空航天大学 出版社，2009 修订版 （2）李广弟等 单片机基础 北京航空航天出版社， 2008.7 （3）肖洪兵. 跟我学用单片机. 北京：北京航空航天大学出版社, 2009.8 （4）沙占友. 单片机应用技术与实例. 北京：电子工业出版社， 2005 审查意见审查意见 系（教研室）主任签字：系（教研室）主任签字： 课程设计 年年 月月 日日 课程设计 目录目录 1 1 引言引言4 4 1.1 课题背景 4 1.2 控制对象 5 1.3 系统功能 5 2 2 总体方案设计总体方案设计5 5 2.1 单片机的选择 5 2.2 温度检测传感器的选择 6 2.3 传感器输出的放大电路的选择 6 2.4 驱动及加热控制电路的选择 7 2.5 电源电路的选择 7 2.6 显示器的选择 7 2.7 键盘的选择 7 2.8 系统组成框图及工作原理 8 3 3 硬件电路设计硬件电路设计8 8 3.1 单片机晶振电路 8 3.2 温度传感器及放大电路设计 9 3.3 过零检测电路图的设计 9 3.4 驱动电路的设计 9 3.5 报警驱动电路 .10 3.6 显示电路的设计 .11 4 4 软件设计软件设计1111 41 主程序流程图 11 4.2 中断程序流程图 .12 5 5 总结总结 1414 参考文献参考文献1515 附录附录 系统总原理图系统总原理图1616 课程设计 1 1 引言引言 1.11.1 课题背景课题背景 当今社会大部分人在使用热水器时，基本上都是采用的快热式的。这是因 为它给人们带来了极大的方便，人们不再为热水器耗电量大而发愁，所以快热 式电热水器走进千家万户应经成为必然的。我国也在不断大力提倡家庭使用快 热式电热水器，这样可以为国家节省很多电能。 普通电热水器有如下缺点：1、热水器长期通电，长期保持在六十度以上高 温，发热管易结垢，内胆易漏水，因而较易损坏；2、管道热水热量损耗大； 3、等候用水时间太长；4、在热水流出前都必须浪费一定量的冷水，根据管道 的长短，一般家庭中冷水损耗量大，基本可达 10-25 升/次。 而快热式电热水器 克服了上述缺点，它有很多优点，如：安全，干净环保； 即开即热，3-5 秒出热水无须等候，热水使用时间不受限制，想用多久就用多 久；用多少烧多少，省电省水，没有损耗；体积小不占空间，可以隐藏在厨柜 内，安装方便，特别适合新装修的房子，款式多样，美观实用，也是职工福利 和客户礼品的绝佳选择。特别方便于洗涤，和洗漱，是为现代家居厨房洗涤、 卫生间洗漱专业设计生产的快速电热水器，结合了燃气热水器和传统储水式电 热水器优点。 1.21.2 控制对象控制对象 快热式热水器的水温控制 1.31.3 系统功能系统功能 快热式热水器的设计要求：（1）必须做到隋开随用，所以这就要求加热功 率很大，以至于减少加热时间，所以温度检测元件的快速性就显得很重要。 （2）要做到安全可靠，这就要求控制电路要准确及时，防止热水器烧干而引发 火灾或出现爆炸危险危及人身安全。这里之所以设计快热式家用电热水器一是 兴趣所致，二是正是看到了它的未来，即将来人们将越来越多的使用它。 课程设计 2 2 总体方案总体方案设计设计 对于快热式家用电热水器来说，硬件系统是它的最基本的框架，是系统的 所有功能的丛础。硬件的选择和所选硬件的性能对系统的功能实现以及系统的 精度都有直接的影响，系统的设计成功与否很大程度上取决于硬件系统的设汁。 本系统硬件方案论证包括单片机、温度检测传感器、加热控制驱动电路、电源 电路、及键盘和显示电路的选择。 2.12.1 单片机的选择单片机的选择 方案一：我们知道 8031 芯片内部无 rom，需要外扩程序存储器,由此造成 电路焊接的困难，况且使用 8031 还需要另外购买其他的芯片，如 a/d 转换及定 时/计数器（pwm）等芯片，从而造成成本较高，不实用。 方案二:因为 895c1 芯片内部有 rom，且片内 rom 全部采用 flash rom，它 能于 3v 的超低压工作，与 mcs-51 系列单片机完全兼容，由于 89c51 单片机成 本低廉且工作可靠，采用 12mh z 的晶振， 所以我们选择 89c51 作为系统微处 理器。 2.22.2 温度检测传感器的选择温度检测传感器的选择 温度检测的方法很多，有热点阻，热电偶，热敏电阻，还有专门的集成测 温传感器等。 方案一：热电式传感器是将温度变化转化为电量变化的装置，它利用敏感 元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。通常把被测温度的 变化转换为敏感元件的电阻变化、电势的变化，再经过相应的测量电路输出电 压或电流，然后由这些参数的变化来检测对象的温度变化。热敏电阻具有灵敏 度高、体积小、较稳定、制作简单、寿命长、易于维护、动态特性好等优点,但 有变化率非线性，不适合测量高温区等缺点。 方案二：集成测温传感器如：ds18b20，直接将温度转换为数字信号传送给 单片机。这种方法虽然比较先进，但电路也比较复杂,成本也较高。 方案三：温度/频率转化测温法，直接将温度信息转换成频率信号，用单片 机测出频率的大小，从而间接测出温度值温度/频率转换电路简单可靠，成本低 廉。所以采用此方案。 课程设计 2.32.3 传感器输出的放大电路的选择传感器输出的放大电路的选择 方案一：运算放大器 lm324 带有真差动输入的四运算放大器。该四放大器 可以工作在低到 3 伏或者高到 32 伏的电源下，静态电流为 mc1741 的静态电流 的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外 部偏置元件的必要性。它的性能特点是短跑保护输出、真差动输入级、底偏置 电流为最大 100ma、每封装含四个运算放大器、具有内部补偿的功能、共模范 围扩展到负电源、行业标准的引脚排列、输入端具有静电保护功能。但用在本 电路中接线较复杂，且价格昂贵所以不用。 方案二：采用 74ls04 作为输出放大电路的选择，它还可以作为驱动电路使 用，74ls04 是 ttl 电平反相器，使用较经济且性能也很理想，所以在本方案中 采用。 2.42.4 驱动及加热控制电路的选择驱动及加热控制电路的选择 方案一：若干不同功率的电热丝组合而成，但需要几组电热丝和继电器， 成本增高且工作可靠性降低，所以不用。 方案二：通过一个继电器驱动，采用可控硅控制功率，能经受较高的功率， 所以可以设置较多的档位，成本大大降低可靠性较高，而且电路简单，所以本 方案采用。 2.52.5 电源电路的选择电源电路的选择 方案一：采用干电池，使用方便，安全可靠，但价格昂贵，且使用时间较 短，所以不采用。 方案二：经市电降压整流后输出+5v 电压，由于 89c51 对电源要求不甚严 格，市电来源方便，且经稳压管稳压也较可靠，较经济实惠，所以采用此方案。 2.62.6 显示器的选择显示器的选择 led 数码管显示器可分为两种显示方式：静态显示和动态显示。 方案一： led 数码管静态显示，多片七段译码器驱动显示，这不仅增加了 成本，还需要占用单片机多个 i/o 口，也给电路的焊接带来一定的困难，因此 不选用这种方案作为显示模块，所以排除此方案。 课程设计 方案二： led 数码管显示器动态显示方式下，将所有位的段选线并联在起， 由位选线控制哪位接收字段码。采用动态扫描显示，也就是在显示过中，轮流 向各位送出字形码和相应的字位选择，同一时刻只有一位显示，其他各位熄灭。 利用显示器的余晖和人眼的视觉暂留现象，只要每一位显示足够短，则人看到 的就是所有数码管同时显示，在动态显示方式下电路设计简单，易采用。 2.72.7 键盘的选择键盘的选择 方案一：键盘选用行列式键盘，行列式键盘的接口方法，直接接口于单片 机的 i/o 口上。键盘设置在行、列线的交点上，行、列线分别连接到按键开关 的两端。行线通过上拉电阻接5v，被拉在高电平状态。但线路较复杂，价格 较昂贵，不适用。 方案二：独立式按键是指直接用输入端口线构成的单个按键电路，常用于 需要少量几个按键的计算机控制系统。每个独立式按键单独占用一根输入端口 线，各键的工作状态不会相互影响。采用轻触式独立小按钮，即实用又方便， 因为本电路对键盘的要求不高，所以采用这种方案。 2.82.8 系统组成框图系统组成框图及工作原理及工作原理 快热式热水器组成框图如图 2.1 所示，主要由 7 部分组成：单片机系统及 外围电路、电源电路、按键输入电路、温度检测电路、led 数码管及指示灯电 路、报警电路和加热控制电路。 单片机 89c51 温度检测 按键输入 电源 led显示 蜂鸣报警 加热控制 图 2.1 系统组成框图 课程设计 3 3 硬件电路硬件电路设计设计 本系统硬件电路主要包涵:单片机，报警电路、加热控制电路、过零检测电 路和温度检测电路等部分。其中加热部分采用双向二极管控制的热敏电阻，控 制方便可靠；报警电路采用自鸣式报警器，实用也很方便买到；过零检测部分 桥式电路，三极管和一个“非”门组成的电路，灵明度更高；而温度检测部分 很重要，所以采用 rc 震荡电路和由热敏电阻组成的电路进行检测，简单并且成 本很低，也很容易实现。 3.13.1 单片机晶振电路单片机晶振电路 在整个单片机控制系统中，cpu 既是运算处理中心，又是控制中心，是控制 系统中最关键的器件。此系统控制方案简单，数据量也不大，因此选用 89c51 作为控制系统的主机。 3.23.2 温度传感器及放大电路设计温度传感器及放大电路设计 温度/频率变换电路由多谐振荡器组成，r24 是一个热敏电阻，当温度变化 是引起它的阻值变化，因而电流发生变化，从而振荡器的输出频率发生变化， 所以通过频率值可以求得温度值。它的电路如图 3.1 所示： r4 100 r24 1k u3c 74ls04 u3a 74ls04 u3b 74ls04 c1 0.056uf port 图 3.1 温度传感器及放大电路 3.33.3 过零检测电路图的设计过零检测电路图的设计 此电路应用三极管的通断来引发输出脉冲的有无，每当三极管接通时电路 输出一个正的脉冲，而当三级管截止时不输出脉冲，以此来控制双向晶闸管的 导通。它的电路如图 3.2 所示： 课程设计 r2 1m r3 10k r1 10k t1 220/9v u3d 74ls04 q1 8050 220v 1 2 3 4 d2d5 in4007*4 port+5 gnd 图 3.2 过零检测电路 3.43.4 驱动电路的设计驱动电路的设计 加热控制驱动电路：通过光耦二极管来控制加热丝的导通，而加热电阻通 过发光二极管来显示加热于否，当加热时二极管发光，而不加热时二极管不发 光，其中利用热继电器来控制电路的通断，当通电时它的常开触头闭合，电路 接通，电热丝加热，否则电路断开。它的熔断丝选为 110 度的热保险丝，控制 加热温度。电路如图 3.3 所示： r7 510 r8 2k/1w r22 20k/2w r25 heeter q6 bta41 u5 moc3023 r23 4.7k led1 d6 in4007 q5 9012 k1 220v f1 fuse portport +5 图 3.3 加热控制驱动电路图 3.53.5 报警驱动电路报警驱动电路 当水温超过 65 度时停止加热并蜂鸣报警，当温度降到 45 度一下时恢复。 报警器驱动电路，电路图如图 3.4 所示： 课程设计 u4 5v r6 4.7k q2 9012 +5 gnd port 图 3.4 报警器驱动电路 3.63.6 显示电路的设计显示电路的设计 数码管显示电路的设计是采用双向共阳极串行接口电路，用来显示加热 档位，直观性更强。它的电路图如图 3.5 所示： a bf c g d e dpy1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp ds? dpy_7-seg_dp a bf c g d e dpy1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp ds? dpy_7-seg_dp r11 200*8 r12 r13 r15 r17 r18 r16 r14 r9 4.7k r10 4.7k q? pnp1 q? pnp1 +5 图 3.5 显示电路 4 4 软件软件设计设计 单片机的快热式家用电热水器的软件设计主要包括主程序、显示扫描、按 键扫描子程序、加热控制子程序和温度检测子程序。 4 41 1 主程序流程图主程序流程图 由于 51 系列单片机没有停机命令，所以可以利用主程序设置死循环反复运 行各个任务。把有实时要求的子程序（显示扫描、按键扫描、加热控制）放在 课程设计 最内层的循环中，计算其运行一次占用的 cpu 时间，然后根据温度检测定时的 间隔时间，计算出该循环的循环次数。该系统每运行一次有实时要求的子程序 （即显示扫描、按键扫描、加热控制）约占用 5mscpu 时间，运行测温子程序的 时间间隔为 0.5s，那么循环次数应为 100 次。 主程序流程图如图 4.1 所示： 开始 系统初始化 i=1 按键扫描若有 键按下，i=6 显示扫描 加热控制 完成100次 循环？ 温度检测 -i=0？ 刷新显示温度 n n 图 4.1 主程序流程图 4.24.2 中断程序中断程序流程图流程图 中断服务程序主要用于各种键的功能散转。中断程序流程图如图 4.2 所示： 课程设计 中断返回 保护现场 读键值 进行键功 能散转 恢复现场 清除键存 放单元 开中断 开始 图 4.2 中断程序流程图 课程设计 5 5 总结总结 本次设计的快热式家用电热水器采用单片机对电路进行简单的控制，因此 系统的稳定性比较高。本方案着重体现在较热速度之快上，它采用双向晶闸管 （即可控硅）对加热电路进行控制，这样系统的可靠性就大大增强，因为晶闸 管能够根据门极电压可靠的接通或断开，而且采用发光二极管来及时地检测电 路的加热情况。而设计的另一个优势还在于它采用了温度/频率检测电路，通过 电路频率的变化来及时的反应出当时的温度，这样就避免了因为热敏电阻的变 化不能及时的传给单片机而带来的滞后问题。频率的变化受到外界的干扰要远 远小于电阻变化所带来的干扰，因此准确性，可靠性大大提高。 在这次设计中还采用了两位共阳数码管来反映功率档位，通过它们的亮灭 数量来反映加热时功率输出，及时地提醒人们当时的水温变化情况，更加清晰。 而在设计中还采用轻触式按钮来调节功率的档位，其中一个按钮时逐渐增加功 率档位，而另一个按钮时逐渐减小功率档位，还有一个是控制电源开关的通断， 即总开关。设计中还采用报警器来及时的反应温度是否超标，提示操作者是否 将继续加热热水器。 尽管这次设计中我还不能做到尽善尽美，一些内容还有待于进一步的研究， 但为了这次课程设计，我提前翻阅了很多资料，特别是了解很多有关单片机的 书籍，这给我以后学习单片机课程打下了基础，也开拓了我的视野。在设计中 我遇到了很多困难，也让我对一些生疏的知识有了更深刻的了解。虽然设计中 的困难使我很是头疼，但通过自己的不懈努力和同学的大力帮助，最终还是一 点点地克服了困难。 本次课程设计使我真正了解到了实践与理论结合的重要性，以前总是在头 脑中产生一种想法，却从没有机会去认真地做它们，以至不知道结果是行通还 是行不通，但通过这一周的课程设计终于可以使我独立地去完成一个项目，虽 然结果难免有不足之处，但毕竟是亲自动手去做的，收获是可想而知的。 课程设计 参考文献参考文献 （1）夏继强. 单片机实验与实践教程. 北京：北京航空航天大学出版社,2007 （2）赵晓安. mcs-51 单片机原理及应用. 天津：天津大学出版社，2009.3 （3）徐惠民 单片微型计算机原理接口与应用 第 3 版 北京：北京邮电 大学出版社，2009 （4）吴国经等 单片机应用技术 中国电力出版社， 2008.1 （5）李全利，迟荣强编著 单片机原理及接口技术 高等教育出版社，2009.1 （6）张毅刚等， mcs-51 单片机应用设计，哈工大出版社，2007 年第 4 版 （7）马忠梅等，单片机的 c 语言应用程序设计，北京航空航天大学出版社， 2009 修订版 （8）李广弟等 单片机基础 北京航空航天出版社， 2008.7 （9）肖洪兵. 跟我学用单片机. 北京：北京航空航天大学出版社,2009.8 （10）沙占友. 单片机应用技术与实例. 北京：电子工业出版社，2005 课程设计 附录附录 系统总原理图系统总原理图 123456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize b date:18-jun-2010sheet of file:c:documents and settingsadministrator件件件件件 件件ba5a9b1.ddbdrawn by: u4 5v r6 4.7k q2 9012 +5 gnd a bf c g d e dpy 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp ds? dpy_7-seg_dp a bf c g d e dpy 1 2 3 4 5 6 7 a b c