毕业设计（论文）-基于单片机的智能水温监控系统.doc

编编 号：号： 审定成绩：审定成绩： 重庆邮电大学重庆邮电大学 自考本科毕业论文自考本科毕业论文 专专 业：业： 通信工程通信工程 论文题目：论文题目： 智能水温监控系统设计智能水温监控系统设计 准考证号：准考证号： 姓姓 名：名： 指导教师：指导教师： 工作单位或家庭地址：工作单位或家庭地址： 重庆邮电大学重庆邮电大学 联系电话：联系电话： 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） i 重庆邮电大学通信工程重庆邮电大学通信工程( (本科本科) )专业专业 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 学学 生生 姓姓 名名 准考证号码准考证号码 专专 业业 通信工程通信工程 指导教师姓名指导教师姓名 指导教师单位指导教师单位 重庆邮电大学重庆邮电大学 一、一、设计题目：设计题目： 智能水温监控系统设计 二、设计（论文）要求：二、设计（论文）要求： 本设计要求为一升水由 1kw 的电炉加热，要求水温可以在一定范围内由人 工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。 主要研究要求： 具有通信能力，可接受其他数据设备发来的命令，或将结果传送到其他数 据设备。采用适当的控制方法实现当设定温度与环境温度突变时，减小系统的 调节时间和超调量。温度控制的静态误差1。 三、设计（论文）的主要内容：三、设计（论文）的主要内容： 该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从 水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的 全过程。 四、主要参考资料：四、主要参考资料： 1 舒庆莹，凌玲模拟电子技术基础实验m 武汉理工大学出版社， 2008 年 2 月 2 谢自美.电子线路设计、实验、测试m.华中科技大学出版社, 2006 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） ii 年 8 月. 3 徐瑞华.单片机原理与接口技术m.人民邮电出版社,2008 年 10 月. 4 阎石.数字电子技术基础m.高等教育了出版社,2006 年 5 月. 5 孟立凡，蓝金辉.传感器原理与应用m.电子工业出版社,2007 年 8 月. 6 余小平.电子系统设计m.北京航空航天大学出版社,2007 年 03 月. 7 孙玉军.protel dxp 电路设计技术m.冶金工业出版社,2008 年 6 月. 8 刘崇新.电路学习指导与习题分析m.高等教育出版社,2006 年 12 月. 9 吴友宇.模拟电子技术基础m.清华大学出版社, 2009 年 05 月. 10 黄锦安,付文红,蔡小玲.电路与模拟电子技术m.机械工业出版社, 2009 年 01 月. 11熊李艳,周美玲.visual basic 程序设计m.人民邮电出版社,2011 年 3 月. 12 许浩.visual basic 串行通信工程开发实例导航m.人民邮电出版社, 2003 年. 13刘炳文.visual basic 程序设计教程m.人民邮电出版社,2009 年 3 月. 14吴慎山.电子线路设计与实践m.电子工业出版社, 2005 年 09 月. 15 吴健.avt 单片机实用 c 语言程序设计与典型m.中国电力出版社， 2008 年 11 月. 16张军.电子元器件检测与维修m.科学出版社,2009 年 1 月. 17 霍罡.可编程序控制器模拟量及 pid 算法应用案例 m.高等教育出 版社,2008. 指指导导教教师师（签签名名） 部门负责人（签部门负责人（签 名）名） （校外设计请加盖单位公章）（校外设计请加盖单位公章） 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） iii 年年 月月 日日 重重 庆庆 邮邮 电电 大大 学学 自考本科自考本科毕业设计毕业设计（ （论论文）开文）开题报题报告告 考考 号号 姓姓 名名 导师单导师单位位 重重庆邮电庆邮电大学大学 导师导师姓名姓名 填表日期填表日期 2011 年年 9 月月 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） iv 论论文文 题题目目 智能水温监控系统设计 课课 题题 调调 查查 与与 文文 献献 阅阅 读读 1、选题背景： 在人类的生活环境中，温度扮演着及其重要的角色。自 18 世纪工 业革命以来，工业发展与是否能掌握温度有着密切的联系。在冶金、钢 铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎 80%的工业部门都得 考虑着温度的因素。温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日 常生活中都起着非常重要的作用，如电热水器、自动饮水机等，都要用 到水温控制系统。高校的发展同样要求用现代化手段提升现有的实验 设备，为学生提供更多更好更现代化的实验条件。因此我们应该应用 电子专业知识，实现温度控制的自动化，提高工业企业自动化水平。 2、技术现状： 目前的水温控制系统大多采用由模拟温度传感器、多路模拟开关 等组成的传输系统。这种系统需要布置大量的测温电缆，才能把现场 传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸复杂，成本也高。同时线路上 传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大，不利于控制 者根据温度变化及时做出决定。在这样的形式下，开发一种实时性高、 精度高，能够综合处理多点温度信息的系统就很有必要。 3、未来发展 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专 用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 1.在智能仪器仪表上的应用。单片机具有体积小、功耗低、控制功 能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中， 结合不同类型的传感器，可实现如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、 速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片 机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或 数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析 仪）。 2.在工业控制中的应用。用单片机可以构成形式多样的控制系统、 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） v 数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种 报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 3.在家用电器中的应用。可以这样说，现在的家用电器基本上都采 用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响 视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有 着十分广泛的用途。 4、选题研究的方法 文献研究法： 查阅相关专业书籍，搜集相关文献，同时进行网络检索；在此基础 上整理、分析采用单片温度控制系统的相关理论知识与实践过程，总 结需要运用的相关技术，分析其技术重点。 实践研究法： 在单片机实训室掌握单片机的 i/o 接口与控制电路。从它的软件、 硬件、等方面进行全面分析与总结。以此为参考，为温度控制系统提供 良好的基础。 理理 论论 分分 析析 与与 实实 验验 方方 法法 理论分析： 1、水温控制系统构架的熟悉。 2、单片机最小系统构架的理解。 3、硬件与软件的选择与配置。 4、系统安装、测试与维护。 实验方法： 1、智能水温控制系统的构建。 2、实验参数的设置。 3、运行测试与分析。 注：注：此页不够可增加。 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） vi 工工 作作 进进 度度 计计 划划 1、第一、二周根据任务书要求，对相关资料进行收集、整理，撰写开题 报告。 2、第三、四周根据整理后的资料写出文章大纲，并提交指导老师检查、 讨论。 3、第五、六、七周根据大纲撰写论文的初稿，并提交指导老师审阅、修 改。 4、第八、九周根据指导老师给的修改意见完成论文的中稿。 5、第十周修正论文内容及格式，定稿。 6、第十一、十二周熟悉论文并打印论文，做好答辩课件，准备答辩。 学生学生签签字：字： 年年 月月 日日 指指 导导 教教 师师 意意 见见 签签字：字： 年年 月月 日日 部部 门门 意意 见见 负责负责人人签签字：字： 年年 月月 日日 说说明：明：1. 开题报告工作是毕业设计的重要环节，务必高度重视。 2. 开题报告在毕业设计的第三周内完成，并由导师和导师所在部门负责 人签字。 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） vii 重庆邮电大学通信工程重庆邮电大学通信工程( (本科本科) )专业毕业设计（论文）专业毕业设计（论文） 指指 导导 教教 师师 意意 见见 指导教师评语：指导教师评语： 建议成绩建议成绩 （分数）（分数） 指导教师（签名）指导教师（签名） 年年 月月 日日 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） viii 重庆邮电大学通信工程重庆邮电大学通信工程( (本科本科) )专业毕业设计（论文）专业毕业设计（论文） 评评 阅阅 教教 师师 意意 见见 评阅教师评语：评阅教师评语： 建议成绩建议成绩 （分数）（分数） 评阅教师（签名）评阅教师（签名） 年年 月月 日日 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） ix 重庆邮电大学通信工程重庆邮电大学通信工程( (本科本科) )专业毕业设计（论文）专业毕业设计（论文） 答答 辩辩 记记 录录 一、一、 学生介绍设计（论文）情况：学生介绍设计（论文）情况： 二、提问及答辩情况：二、提问及答辩情况： 提问一：提问一： 答答 辩：辩： 提问二：提问二： 答答 辩：辩： 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） x 提问三：提问三： 答答 辩：辩： 提问四：提问四： 答答 辩：辩： 提问五：提问五： 答答 辩：辩： 记记 录（签名）录（签名） 年年 月月 日日 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） xi 重庆邮电大学通信工程重庆邮电大学通信工程( (本科本科) )专业毕业设计（论文）专业毕业设计（论文） 答辩小组意见答辩小组意见 答辩小组评语：答辩小组评语： 答辩成绩答辩成绩 （分数）（分数） （校外加盖单位公章）（校外加盖单位公章） 毕业设计总评成绩：毕业设计总评成绩： 指导教师给定指导教师给定 建议成绩（建议成绩（1） 评阅教师给定评阅教师给定 建议成绩（建议成绩（2） 答辩小组给定答辩小组给定 答辩成绩（答辩成绩（3） 毕业设计总评成绩毕业设计总评成绩 （1）0.3（2）0.3（3）0.4 答辩小组结论性意见：答辩小组结论性意见： 答答 辩辩 小小 组组 负负 责责 人（签名）人（签名） 院答辩委员会负责人院答辩委员会负责人 （签名）（签名） 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） xii （校外设计请加盖单位公章）（校外设计请加盖单位公章） 年年 月月 日日 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） - 1 - 摘摘 要要 本设计以 89c52 单片机为核心，采用温度传感器 ad590，a/d 采样芯片 adc0804，可控硅 moc3041 及 pid 算法对温度进行控制。该水温控制系统是 一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、 输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。本设计实现了 水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口，系统由前向 通道模块（即温度采样模块） 、后向控制模块、系统主模块及键盘显示摸块等四 大模块组成。本系统的特点在于采用 pc 机及普通键盘实现了多机通信。 【关键词关键词】：单片机 温度传感器 可控硅 pid 算法 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） - 2 - abstract the single computer at89c52 is used as a core in this design. some important ic sush as ad590 adc0804 moc3041 was used in this system.we adopt pid to control the temperature. the system include four part-the previous model ,the last model ,keybord model ,the main control model. adopt annularity pulse distributor to come true to stepper motor speed regulation , the corner under the control of. display having realized time , the temperature here on the basis, and realize under the control of, display to the electric motor by pc machine. 【key words】：scm temperature sensors scr pid algorithm 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） - 3 - 目目 录录 第一章 需求分析1 第一节 研究背景.1 第二节 技术现状.1 第三节 确定研究 2 第二章 方案论证3 第一节 总体方案论证.3 第二节 模块方案论证.4 一、控制方法论证.4 二、系统组成论证.5 三、单片机系统选择.6 四、温度控制方案论证.6 五、键盘显示电路论证.7 第三章 系统硬件设计8 第一节 系统总体设计框图.8 第二节 温度采样电路.8 第三节 温度控制电路.10 第四节 主机控制部分.11 第五节 键盘及数字显示部分.11 第六节 微机控制及图形显示部分.13 第四章 系统的软件设计15 第一节 主程序流程图 15 第二节 键盘显示程序.16 第三节 pid 算法17 第五章 系统调试与测试结果分析19 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） - 4 - 第一节 系统测试仪器.19 第二节 测试方法.19 第三节 测试结果.19 结 论21 致 谢22 参考文献23 附 录.i 附录一 主系统电路原理图i 附录二 键盘与显示电路原理图ii 附录三 程序.iii 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） - 5 - 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 1 第一章第一章 需求分析需求分析 第一节第一节 研究背景研究背景 在人类的生活环境中，温度扮演着及其重要的角色。自 18 世纪工业革命以 来，工业发展与是否能掌握温度有着密切的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、 玻璃、医药等行业，可以说几乎 80%的工业部门都得考虑着温度的因素。温度 控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用， 如电热水器、自动饮水机等，都要用到水温控制系统。高校的发展同样要求用 现代化手段提升现有的实验设备，为学生提供更多更好更现代化的实验条件。 因此我们应该应用电子专业知识，实现温度控制的自动化，提高工业企业自动 化水平。 第二节第二节 技术现状技术现状 目前的水温控制系统大多采用由模拟温度传感器、多路模拟开关等组成的 传输系统。这种系统需要布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到 采集卡上，安装和拆卸复杂，成本也高。同时线路上传送的是模拟信号，易受 干扰和损耗，测量误差也比较大，不利于控制者根据温度变化及时做出决定。 在这样的形式下，开发一种实时性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的 系统就很有必要。 近年来，单片机以其功能强、体积小、使用方便、性能价格比较高等优点, 在实时控制、自动测试、智能仪表、计算机终端、遥测通讯、家用电器等许多 方面得到了广泛的应用。用单片机对温度进行实时检测和控制来解决工业及日 常生活中对温度的及时自动控制，是现代温控系统发展的趋势。 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 2 第三节第三节 确定研究确定研究 随着科技的不断发展和人们不同的需求，温度控制在人们的生活中出现的 频率较多，因此对各大车站、机场饮用水温度控制系统设计成为我的设计课题。 以 at89c52 单片机为核心，采用温度传感器 ad590，a/d 采样芯片 adc0804，可控硅 moc3041 及 pid 算法对温度进行控制。该水温控制系统是 一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、 输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。本设计实现了 水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口，系统由前向 通道模块（即温度采样模块） 、后向控制模块、系统主模块及键盘显示摸块等四 大模块组成。本系统的特点在于采用 pc 机及普通键盘实现了多机通信。 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 3 第二章第二章 方案论证方案论证 第一节第一节 总体方案论证总体方案论证 方案一：此方案是采用传统的模拟控制1方法（方案框图如图 1-1） ，选用 模拟电路2，用电位器设定给定值，反馈的温度值与给定的温度值比较后，决 定加热或者不加热。其特点是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度 不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定。系统受环境的影响大，不能实 现复杂的控制算法，而且不易实现对系统的控制及对温度的显示，人机交换性 能差。 信号放大 温度预置 比较器 信号放大 控制开关 数据采集 图 1-1 模拟控制框图 方案二：采用单片机 at89c52 为核心3。采用了温度传感器 ad590 采集 温度变化信号，a/d 采样芯片 adc0804 将其转换成数字信号并通过单片机处 理后去控制温度，使其达到稳定。使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点， 使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算 法使系统还具有控制精度高的特点。该水温控制系统是一个典型的检测、控制 型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制 电炉加热功率以实现水温控制的全过程。以单片微型计算机为核心组成一个专 用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。另外，单片机的 使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 4 提供了可能，而这些功能在常规数字逻辑电路4中往往是难以实现或无法实现 的。所以，本例采用以单片机为核心的直接数字控制系统。 比较两种方案，方案二明显的改善了方案一的不足及缺点，并具有控制简 单、控制温度精度高的特点。因此本设计电路采用方案二。 第二节第二节 模块方案论证模块方案论证 本电路以单片机为基础核心，系统由前向通道模块、后向控制模块、系统 主模块及键盘显示摸块等四大模块组成。现将各部分主要元件及电路做以下的 论证： 一、控制方法论证一、控制方法论证 由于水温控制系统的控制对象具有热存储能力大，惯性也较大的特点。水 在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具有纯滞后的一 阶大惯性环节。一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应 都会推迟一段时间，使输出与输入之间产生相移。对于这样一些存在大的滞后 特性的过渡过程控制，一般来说可以采用以下几种控制方案。 1 1、输出开关量控制、输出开关量控制 对于惯性较大的过程可以简单地采用输出开关量控制的方法。这种方法通 过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态：开关或者通断，因此控制 过程十分简单，也容易实现。但由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在 两个方向上变化的速率均为最大，因此容易硬气反馈回路产生振荡，对自动控 制系统会产生十分不利的影响，甚至会因为输出开关的频繁动作而不能满足系 统对控制精度的要求。因此，这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动 态特性要求不高的情况下采用。 2 2、比例控制（、比例控制（p 控制）控制） 比例控制的特点是控制器的输出与偏差成比例，输出量的大小与偏差之间 有对应关系。当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡时间短，但过程终了存在余 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 5 差。因此它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围 内变化的系统。使用时还应注意经过一段时间后需将累积误差消除。 3 3、比例积分控制（、比例积分控制（pi 控制）控制） 由于比例积分控制的特点是控制器的输出与偏差的积分成比例，积分的作 用使得过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。虽然加大比例度可以使 稳定性提高，但又使过渡时间加长。因此，pi 控制适用于滞后较小、负荷变化 不大、被控量不允许有余差的控制系统，它是工程上使用最多、应用最广的一 种控制方法。 4 4、比例积分加微分控制（、比例积分加微分控制（pid 控制）控制） 比例积分加微分控制的特点是微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速 度成正比例,它对克服对象的容量滞后有显著的效果。在比例基础上加上微分作 用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差。因此，pid 控制适用于 负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。 结合本例题设计任务与要求，由于水温系统的传递函数事先难以精确获得， 因而很难判断哪一种控制方法能够满足系统对控制品质的要求。但从以上对控 制方法的分析来看，pid 控制方法最适合本例采用。另一方面，由于可以采用 单片机实现控制过程，无论采用上述哪一种控制方法都不会增加系统硬件成本， 而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案。因此本系统可以采用 pid 的控制方式，以最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控 制品质的要求。 二、系统组成论证二、系统组成论证 就控制器本身而言，控制电路可以采用及经典控制理论和常规模拟控制系 统实现水温的自动团结。但随着计算机与超大规模集成电路的迅速发展，以现 代控制理论和计算机为基础，采用数字控制、显示、a/d 与 d/a 转换，配额 后执行器与控制阀构成的计算机控制系统，在过程控制过程中得到越来越广泛 的应用。 由于本例是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 6 测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。 因此，应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、 控制应用类型的功能要求。另外，单片机的使用也为实现水温的智能化控制以 及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口提供了可能，而这些功能在常规数 字逻辑道路中往往是难以实现或无法实现的。所以，本例采用以单片机为核心 的直接数字控制系统（ddc） 。 三、单片机系统选择三、单片机系统选择 方案一：采用 at8031 芯片，其内部没有程序存储器，需要进行外部扩展， 这给电路增加了复杂度。 方案二：本方案的 cpu 模块采用 at2051 芯片，其内部有 2kb 单元的程 序存储器，不需外部扩展程序存储器。但由于系统用到较多的 i/o 口，因此此 芯片资源不够用。 方案三：采用 at89c52 单片机，at89c52 是一种低损耗、高性能、cmos 八位微处理器。at89c52 与 mcs-51 系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼 容，而且能使系统具有许多 mcs-51 系列产品没有的功能，功能强、灵活性高 而且价格低廉。at89c52 可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积， 增加系统的可靠性，降低了系统成本。其内部有 8kb 单元的程序存储器，32 个外部双向输入 /输出（i/o）端口，同时内含 2 个外中断口， 3 个 16 位可 编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口， 2 个读写口线 。系统运行中需要存 放的中间变量较少，可不必再扩充外部 ram。正好满足系统多机通信时所用。 比较以上三种方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用方 案三。 四、温度控制方案论证四、温度控制方案论证 传感器5的选取目前市场上温度传感器繁多就此提出了以下两重选取方案： 方案一：用热敏电阻：通过电阻的变化来获得电压的变化，起价格虽然便 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 7 宜但是精度不是很高。对于一个精度要求高的系统不宜采用 方案二：用 ad590：键盘输入一个需要控制的温度，通过单片机 at89c2051 的串口把数据传送到 at89c52，at89c52 通过数据比较，pid 分析， t0，t1 产生 pwm 波来控制电炉是否继续加热还是停止加热。通过 ad590 温 度传感器采集温度，由于 ad590 是电流传感器，经过电阻转换为电压。虽然价 格较高但是精度高。 经比较，我们选择方案二。 五、键盘显示电路论证五、键盘显示电路论证 控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，所以此部分电路设 计的好坏直接影响到电路的好坏。 方案一：采用可编程控制器 8279 与数码管及地址译码器 74ls138 组成， 可编程/显示器件 8279 实现对按键的扫描、消除抖动、提供 led 的显示信号， 并对 led 显示控制。用 8279 和键盘组成的人机控制平台，能够方便的进行控 制单片机的输出。 方案二：采用单片机 at2051 与地址译码器 74ls138 组成控制和扫描系统， 并用 at89c2051 的串口对主电路的单片机进行通信，这种方案既能很好的控制 键盘及显示又为主单片机大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，价格 便宜的特点。 方案一虽然也能很好的实现电路的要求，但考虑到电路设计的成本和电路 整体的性能，我们采用方案二。 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 8 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计 本电路总体设计包括五部分：主机控制部分（at89c52） 、前向通道（温度 采样电路） 、后向通道（温度控制电路） 、键盘和数字显示部分、微机控制及图 形显示。 第一节第一节 系统总体设计框图系统总体设计框图 本系统以 at89c52 单片机为核心，采用了温度传感器 ad590，a/d 采样 芯片 adc0804，可控硅 moc3041 及 pid 算法实现对温度的精确控制。系统框 图如图 2-1。 温度 传感 器 ad 采样电路 键盘显 示电路 微机控 制系统 at89c52控制系统 图形显示 数值显示 功率放大电路 开关控制电路 电 炉 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 9 图 2-1 系统框图 第二节第二节 温度采样电路温度采样电路 系统的信号采集电路6主要由温度传感器（ad590） 、基准电压（7812）及 a/d 转换电路（adc0804）三部分组成。温度采样电路5原理图6如图 2-2。 r2 5k db0 18 db1 17 db2 16 db3 15 db4 14 db5 13 db6 12 db7 11 /cs 1 /rd 2 /wr 3 /intr 5 v+ 20 clk r 19 clk in 4 vin+ 6 vin- 7 agnd 8 vref/2 9 dgnd 10 j6 adc0804 - 2 + 3 6 74 1 85 j3 op07 12 j4 4148 12 j5 4148 r8 10k c2 150p vcc r7 20k +15 -15 r4 30k r3 81k 2 13 vin gnd out j1 7812+15 12 j2 ad590 -15 agnd r1 30k r6 5k r5 5k 89c52 vcc + c1 10u 图 2-2 温度采样电路原理图 （1）ad590 性能描述。测量范围在-55- +150，满刻度范围误差为 0.3，当电源电压在 510v 之间，稳定度为 1时，误差只有0.01。 ad590 为电流型传感器温度每变化 1其电流变化 1ua 在 35和 95时输出 电流分别为 308.2ua 和 368.2ua。 （2）adc0804 性能描述。adc0804 为 8bit 的一路 a/d 转换器，其输入电 压范围在 05v，转换速度小于 100us，转换精度 0.39。满足系统的要求。 （3）电路原理及参数计算7。温度采样电路的基本原理是采用电流型温度 传感器 ad590 将温度的变化量转换成电流量，再将电流量转换成电压量通过 a/d 转换 器 adc0804 将其 转换成数值量交由单片机 处理。如图 2-2 温度采样 电路原理图。 +15 7812 -15 主主 ad590 out r5 81k r1 30k r2 5k r3 30k r4 30k uo ui op07 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 10 图 2-2 温度采样电路原理图 图中三端稳压 7812 作为基准电压,由运放虚短虚断可知运放的反向输入端 ui 的电压为零伏。当输出电压为零伏时(即 uo=0v) 列出 a 点的结点方程如下: （3-1） ( 12)ubrric 由于系统控制的水温范围为 35-95,所以当输出电压为零伏时 ad590 的输出电流为 308.2ua,因此为了使的电位为零就必须使电流等于电流uiib 等于 308.2ua, 三端稳压 7812 的输出电压为 12v 所以由方程(3-1)得 ic (3-2) 12 1238.94 308.2 ubv rrk icua 由方程(3-2)的取电阻 r2=30k , r1=10k 的电位器。由方程(3-2)的取电阻 r2=30k , r1=10k 的电位器。由于 adc0804 的输入电压范围为 05v ，为了 提高精度所以令水温为 95时 adc0804 的输入电压为 5v（即 uo=5v） 。此时列 出 a 点的结点方程如下: （3-3） ( 54)( 12)uorrubrric 5( 54)308.2368.2vrruaua 5483.33rrk 当水温为 95时 ad590 的输出电流为 368.2ua。由方程式（3-3）得 r4+r5=83.33k 因此取 r5=81k , r5=5k 的电位器。 第三节第三节 温度控制电路温度控制电路 此部分电路主要由光电耦合器 moc3041 和双向可控硅 bta12 组成。 a uc ub 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 11 moc3041 光电耦合器的耐压值为 400v，它的输出级由过零触发的双向可控硅 构成，它控制着主电路双向可控硅的导通和关闭。100 电阻与 0.01uf 电容组 成双向可控硅保护电路。其温度控制电路9如图 2-3。 220v 100 0.01uf bta12 moc3041 74ls07 250 主主 vcc in 27 图 2-3 温度控制电路 第四节第四节 主机控制部分主机控制部分 此部分是电路的核心部分，系统的控制采用了单片机 at89c52。单片机 at89c52 内部有 8kb 单元的程序存储器及 256 字节的数据存储器。因此系统 不必扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。 第五节第五节 键盘及数字显示部分键盘及数字显示部分 在设计键盘/显示电路时，我们使用单片机 at89c2051 做为电路控制的核 心，单片机 at89c2051 具有一个全双工的串行口采用串口，利用此串行口能够 方便的实现系统的控制和显示10功能。键盘/显示接口电路如图 2-4。 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 12 rst/vpp 1 (rxd)p3.0 2 (txd)p3.1 3 xtal2 4 xtal1 5 (/int0)p3.2 6 (/int1)p3.3 7 (t0)p3.4 8 (t1)p3.5 9 gnd 10 vcc 20 p3.7 11 p1.7 19 p1.0 12 p1.6 18 p1.1 13 p1.5 17 p1.2 14 p1.4 16 p1.3 15 89c2051 j1 a 1 b 2 c 3 e1 4 e2 5 e3 6 y0 15 y1 14 y2 13 y3 12 y4 11 y5 10 y6 9 y7 7 u1 1 2 j2 r1r2r3r4r5r6r7r8 a fb c d e g h a 7 b 6 c 4 d 2 e 1 f 9 g 10 gnd/vcc 3 8 h 5 ds1 a fb c d e g h a 7 b 6 c 4 d 2 e 1 f 9 g 10 gnd/vcc 3 8 h 5 ds2 a fb c d e g h a 7 b 6 c 4 d 2 e 1 f 9 g 10 gnd/vcc 3 8 h 5 ds3 a fb c d e g h a 7 b 6 c 4 d 2 e 1 f 9 g 10 gnd/vcc 3 8 h 5 ds4 a fb c d e g h a 7 b 6 c 4 d 2 e 1 f 9 g 10 gnd/vcc 3 8 h 5 ds5 a fb c d e g h a 7 b 6 c 4 d 2 e 1 f 9 g 10 gnd/vcc 3 8 h 5 ds6 a fb c d e g h a 7 b 6 c 4 d 2 e 1 f 9 g 10 gnd/vcc 3 8 h 5 ds7 a fb c d e g h a 7 b 6 c 4 d 2 e 1 f 9 g 10 gnd/vcc 3 8 h 5 ds8 vccvccvccvccvccvccvccvcc h y0 y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 y0 y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 vcc vcc gnd p3.3 p3.4 p3.5 p3.5 p3.4 p3.3 j3 c1 c2 gnd + c3 h gnd vcc a f b c d e g ggggggggffffffffeeeeeeeddddddddccccccccebbbbbbbaaaaaaaba y0y2y1y3y4y5y6y7 p3.2 p3.2 p3.7 p3.7 q1 q2q3q4q5q6q7q8 r9 r10 r11 r12 r13 r14 r15 r16 01 01 aj1 01 01 aj2 01 01 aj3 01 01 aj4 01 01 aj5 01 01 aj6 01 01 aj7 01 01 aj8 01 01 aj9 01 01 aj10 01 01 aj11 01 01 aj12 01 01 aj13 01 01 aj14 01 01 aj15 01 01 aj16 图 2-4 键盘/显示接口电路 图 2-4 中单片机 at89c2051 的 p1 口接数码管的 8 只引脚，这样易于对数 码管的译码，使数码管能显示设计者所需的各数值、小数点、符号等等。 单片机 at89c2051 的 p3.3、p3.4、p3.5 接 3-8 译码器 74l138，译码器的 输出端直接接八个数码管的控制端和键盘，键盘扫描和显示器扫描同用端口这 样能大大的减少单片机的 i/o，减少硬件的花费。 键盘接法的差别直接影响到硬件和软件的设计，考虑到单片机 at89c2051 的端口资源有限，所以我们在设计中将传统的 4*4 的键盘接成 8*2 的形式（如 图 2-5 键盘接线） ，键盘的扫描除了和显示共用的 8 个端外，另外的两个端直接 和 2051 的 p3.2 和 p3.7 相连。图 2-5 的接法已经完全用完了单片机的 15 个 i/o 口，有效的利用了单片机的资源。 y 0y 1y 2y 3y 4y 5y 6y 7 p3.2 p3.7 图 2-5 键盘接线 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 13 第六节第六节 微机控制及图形显示部分微机控制及图形显示部分 为了使系统具有更好的人机交换界面，在系统设计中我们通过 visual basic 语言11设计了微机控制界面。通过系统与微机的通信大大的提高了系统的各方 面性能12。其控制界面见图 2-6。图 2-6 的微机控制界面，具有温度控制及显 示的功能。图中左半部分为水温的实测温度和给定温度的数值显示及对主系统 （89c52 部分）的控制界面，右半部分为水温的实测温度的逐点采样及图形显 示13，通过此界面可以更直观的显示温度的变化，并且通过对图形的保存能方 便的打印出水温的变化曲线。 图 2-6 微机控制界面 由于单片机 at89c52 串行口为 ttl 电平，而 pc 机为 rs232 电平，因此 系统采用了 max232 电平转换芯片。 由于系统设计了多机通信的功能，即主系统（at89c52）和键盘及数字显 示部分的通信、主系统（at89c52）和 pc 机的通信，所以在设计电路时要特 别注意多机通信的时序及竞争问题14，针对此类问题在设计中特别的在两根串 行通信线上增加了如图 2-7 的与门电路。 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 14 图 2-7 与门电路 如图 2-7 由于主机部分发送两个从机都可以接受，因此主机的发送部分 （及主机 txd）不存在竞争问题。而两个从机可能同时向主机发送各类控制信 息，因此会存在竞争问题。其实图 2-7 为一个与门电路，图中 r1 为提升电阻， d1、d2 为开关二极管，当 pc txd（或 2051 txd）中有一个为低电平时主机 rxd 为低电平，同时另一个分机无效，当 pc txd（或 2051 txd）中有一个为 高电平时主机 rxd 为高低电平16。 d1 pc txd 2051 txd 2051 主pc rxd vcc 主主 rxd 主主 txd d2 r1 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 15 第四章第四章 系统的软件设计系统的软件设计 本系统的软件系统主要可分为主程序、定时计数中断程序、时间调整或定 闹设置程序三大模块。在程序设计过程中，加强了部分软件抗干扰措施，下面 对部分模块作介绍。 第一节第一节 主程序流程图主程序流程图 主程序流程图15如图 3-1 所示，程序主要完成以下的几部分任务： （1）初始化。设定各参数的初始值，设定各中断及定时器。 （2）接收/发射。此部分程序主要完成数据的控制及显示，其主要通过 at89c52 单片机的全双工串行口完成和键盘部分的双向通信。 （3）pc 机通信。此部分完成与微机控制接口 rs232 的联接及通信的控制。 （4）数值转换子程序。由于主程序中用到了很多的数值转换及数值的运算 （如十进制转换成十六进制、双字节与单字节的除法运算等等） ，为了程序调用 的方便，特地将其编写成子程序的形式。 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 16 开 机 机 系统初始化显示清零，各记 数指针清零，设定定时器及 中断 否 是 调用相映的中断程序 判断是否有中断？ pid 算法 pwm 波产生 接收及发射串 显示数据 pc 机通信 子程序 各类数值转 换子程序 图 3-1 主程序流程图 第二节第二节 键盘显示程序键盘显示程序 图 3-2 定水温、显示温度、确定、取消、清零、输出，均为各种子程序， 1、2、3、4、5、6 代表个子程序的应用程序。 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 17 图 3-2 键盘显示程序 第三节第三节 pid 算法算法 pid 算法17为此温控系统的性能好坏的决定性因数，程序流程图如图 3-3 所示。pid 为控制中最为成熟的一种算法，其一般算式及模拟控制规律表达式 如下： 0 1( ) ( ) ( )( ) t de t u tkc e te t dttd tidt 上式中为控制器的输出；为偏差，即设定值与反馈值之差；为)(tu)(tekc 控制器的放大系数，即比例增益；为控制器的积分常数；为控制器的微分titd 时间常数。pid 算法的原理即调节、三个参数使系统达到稳定。kctitd 由于 pid 的一般算式不易与单片机的处理，因此我们在设计中采用了增量 型 pid 算法。数字 pid 增量型控制算式如下式： )2() 1(2)()()1()() 1()()(kekekekkekkekekkukuku dip 开机 机 系统初始化 显示清零，各记数指针清零 否 是 消除颤抖 判断是否有键按下？ 设定水温显示温度确定 单步 清 零取消 输出 输 出 123456 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 18 式中，为比列系数；=为积分系数； t t kk d pi p k i k i p t t k 由上式可得：( )( )(1)u ku ku k 由上式中的即输出 pwm 波的导通时间。 )(ku 图 3-3 pid 算法 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 19 第五章第五章 系统调试与测试结果分析系统调试与测试结果分析 第一节第一节 系统测试仪器系统测试仪器 1 1、系统测试仪器及设备、系统测试仪器及设备 双路跟踪稳压稳流电源 dh1718e-5。 伟福 e6000/l 仿真器。 数字万用表。 p4 cpu2.4 内存 261.616ram haier 机。 0100温度计、调温电热杯、秒表。 第二节第二节 测试方法测试方法 （1）在调温电热杯中放入 1 升清水，电热杯和控制系统相连，给系统上电， 系统进入准备工作状态。 （2）用温度计测量及调节水杯中清水，水温为 35，给系统调零。分别 设定温度为 40、45、60、75、80，观察设定温度和实际温度，并记 录数据。填写表 4-1。观察水温变化的动态情况，并记温度稳定的时间。填写 表 4-2。 第三节第三节 测试结果测试结果 （1）给定温度与实测温度的数据对比如表 4-1。从表 4-1 中的数据可知， 系统的误差基本稳定在正负 1基本满足系统的设计要求。 重庆邮电大学自考毕业设计（论文） 20 表 4-1 误差分析表 设定温 度（） 实测温 度（） 绝对误 差（） 相对误 差 （） 设定温 度（） 实测温 度（） 绝对误 差（） 相对误 差 （） 135350 0 460611 1.64 240411 2.43 575741 1.33 34544-1 - 2.27 680811 1.22 （2）温度稳定和时间的关系。设定温度为 50，每隔 30s 记录实测温度 表 4-2。 表 4-2 温度稳定速度关系表（设定温度 50） 测量时间 （分） 0.5 分1 分1.5 分2.0 分2.5 分3.5 分4.0 分 实测温度 35374043485255 测量时间 （分） 4.5 分5.0 分5.5 分6.0 分6.5 分 实测温度 5249515051 从表 4-2 中的数据可知，系统运行 5 分钟时系统基本达到稳定。由微机逐 点采样所的曲线图如图 4-1 所示。 图 4-1 温度变化图 50 重庆邮电大学自考毕业