课程设计（论文）基于单片机水温控制

1、目 录摘 要2前 言3第1节 课题任务要求 .4第2节 总体方案设计 .4 2.1 控制方法选择.4 2.2系统组成5 2.3单片机系统选择6 2.4 温度控制.6 2.5方案选择.6 2.6 温度传感器.6第3节 系统硬件设计.83.1 系统框图.73.2 温度传感器电路图.83.2 程序流程图.83.3 硬件电路的安装与调试.10附录一 软件源程序附录二 实物硬件连接图附录三 元器件清单附录四 参考文献 摘 要 本系统以stc89c52单片机为核心，主要包括传感器温度采集，a/d模/数转换，按扭操作，单片机控制，液晶显示器显示等部分。本系统采用pid算法实现温度控制功能，通过串行通信完成两

2、片单片机信息的交互而实现温度设定、控制和显示。本设计还可以通过串口与上位机（电脑）连接，实现电脑控制。系统设计有体积小、交互性强等优点。为了实现高精度的水温控制，本单片机系统采用pid算法控制和pwm脉宽调制相结合的技术，通过控制双向可控硅改变电炉和电源的接通、断开，从而改变水温加热时间的方法来实现对水温的控制。本系统由键盘显示和温度控制两个模块组成，通过模块间的通信完成温度设定、实温显示、水温升降等功能。具有电路结构简单、程序简短、系统可靠性高、操作简便等特点。 前 言单片机具有功能全、体积小、价格低、可靠性高等优点，因此它被广泛地应用于各个领域。同时随着微电子技术的迅猛发展，单片机的相关理

3、论、技术、产品等日新月异。我国科技工作者、教育工作者和广大青年学生面临着如何紧跟当前形势，与时俱进地更新知识，变被动为主动，进一步发挥创新精神的问题。然而，在许多高校实践教学上存在着一些问题，例如：学生对微电子数字信息技术的实际现场比较陌生；实践参与能力较差，不懂产品化；对所学知识缺乏感性认识等。为了使学生明确目标、提高兴趣和自觉性、发挥主动性，将学习的理论知识运用于实践，培养独立开发和自己动手的能力。 本报告温度测量系统组成由温度传感器、液晶显示屏、单片机以及4*4键盘组成。第1节 课题任务与要求：1.基本要求 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

4、时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。2.主要性能指标a. 温度设定范围：0-90，最小区分度为0.1。b. 控制精度：温度控制的静态误差1。c. 用1602液晶显示屏显示温度。d. 由4*4键盘输入设定温度3.扩展功能a. 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。b. 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。c. 温度控制的静态误差1。d. 能自动显示水温随时间变化的曲线。 第2节 总体方案设计2.1控制方法选择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

5、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）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

6、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）比例控制（p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。a比例积分控制（pi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

7、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。b比例积分加微分控制（pid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

8、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。2.2.系统组成就控制器本身而言，控制电路可以采用急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、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

9、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。2.3.单片机系统选择stc89c51、stc89c52单片机是最常用的单片机，是一种低损耗、高性能、cmos八位微处理器。stc89c52系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容，功能强、灵活性高而且价格低廉。stc89c52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。只要程序长

10、度小于4k，四个i/o口全部提供给拥护。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。2.4温度控制键盘输入一个需要控制的温度，把数据传送stc89c52，stc89c52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。2.5方案选择方案一：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a/d590：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。2.6温度传感器;（一）ds18b20芯片特点ds18b20是dalla

11、s半导体公司生产的，是一种单总线温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，有两种封装形式分别为3脚pr-35封装和16脚ssop封装。本文采用的是3脚pr-35封装，其具有以下特点：（1）采用了单总线技术，传感器直接以二进制输出被测温度，可通过串行口线，也可与单片机通过i/o口连接；（2）测量温度范围为：-55+125，测量精度高达+0.5；（3）内含寄生电源，在两线方式下可通过数据线提供寄生电源，而不需要再单独供电（4）转换时间在分辨率为12位（即0.0625）时最大为750ms；（5）用户可分别对每个器件设定温度上下限；（6）ds18b20在使用时不需要任何外围元件，全部传感元件

12、及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；（7）电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作；（8）每个dsl8b20器件对应一个唯一的64位长的序号，该序号值存放rom中，可通过序号匹配实现多点测温。如图1所示，dq是数据线，用于和cpu连接传送串行数据，不需要外部件，不需要备份电源、可用数据线供电；gnd是地线；voo是3055v电源。由于dsl8820具有寄生电源的特性，所以在实际应用中，vno常接地。图1第3节 系统硬件设计3.1系统框图根据这次课题题目基于单片机的水温控制，以及所要实现的功能与程序流程图，设计系统框图如图3.1所示：传 感器ds18b20电炉单 片 机 基

13、本 系 统键盘继电器图3-1 单片机控制图3.1 系统原理框图3.2温度传感器电路图 ds18b20传感器管脚连接如图3.2所示： 图3.2 温度传感器仿真图2系统温度控制以stc89c52单片机为控制核心，采集到温度，送单片机处理，再通过串行口发送到显示模块因为考虑到pid运算时需要调用浮点数运算程序库,系统中运行中需要存放的中间变量只有给定温度和实测,pid运算中间结果及输出结果等十几个变量.系统仿真图如图3.3所示：图3.3 系统结构仿真图以上就是整个电路的框图, 将前述各单元电路连接起来，就可构成完整的系统硬件电路图。系统硬件电路中除了包含前、后向通道的输入、输出插座外，还应考虑增加苦

14、干个插座，以方便主控板与各部件的连接。硬件电路制作包括印刷线路板制作、焊接和系统连接等几个方面。3.3 程序流程图系统软件由主程序、键盘扫描、led显示、串行口中断组成。由于本模块就进行键盘与显示任务，且键盘扫描与led扫描是用同个74ls138来完成，可以将程序精简，即把键盘和显示的程序合在一起放在主程序里。1. （1）初始化。设定可编程芯片的工作方式，对内存中的工作参数区进行初始化，显示系统初始状态。（2）读温度程序. 通过ds18b20的侧温.（3）调用pid算法子程序通过键盘模块发送过来的数据,即给定值,和测量值进行计算,输出pwm波.对电炉的水温度进行控制.（4）返回2.定时中断服务

15、程序: 采样定时由定时器o的定时操作完成，定时器o的定时初值时间由pid的运算结果控制。程序流程如图所示:3脉宽入口p0.0输出高电平脉宽标志位清0返回脉宽标志位是高电平?p0.0输出低电平把脉宽标志位置1yn调制输出子程序流程图如图3.4所示： 图3.4 子程序流程图初始化调用水温检测子程序调用pid算法子程序开起定时器定时时间到?调用脉宽子程序返回yn 图3.5 程序流程图 3.4 硬件电路的安装与调试电路的安装与调试是我们这次课程设计的主要任务之一，也是整个过程的最难阶段。在整个过程中，开始的时候我和我们组的组员们都信心百倍，一切进展顺利，直到硬件连接完毕接上5v电源时，第一个问题摆在我

16、们面前，显示器示数存在却不发生变化，甚至在外界温度变化比较大时也一样，开始我们怀疑是硬件连线有问题，可是经过反复检查，并不断对照资料上各个元器件管脚图及其相应功能，并没发现连线方面的错误。之后，有的组员怀疑是程序有问题，可是也有的组员提出系统仿真并没有出现类似问题，所以不应该是这样。最后经过讨论，我们一致决定检查程序。因为软件为硬件服务，硬件出现了问题，也不能完全说程序一定正确。可是经过重新确认，检查程序漏洞，并没有发现任何错误，大家开始感觉有点烦了，不过好在大家的信心并没有丧失，我们开始查找资料而且向身边的同学虚心求教，最终我们把目标锁定在器件显示器上。因此我们对程序进行了修改，发现一切运行

17、正常，经过测试各方面的性能，而且反复检查了几遍，一致认定硬件电路的性能完全符合我们的任务要求指标。直到这时，大家才松了一口气，每个人都很兴奋，完全没有了之前的烦闷。至此，装调工作结束。3.5 总结与体会 本课程设计是在学完单片机原理及课程之后综合利用所学单片机知识完成一个单片机应用系统设计并在实验室实现，从而加深对单片机软硬知识的理解，获得初步的应用经验，为走出校门从事单片机应用的相关工作打下基础。在为期两周的课程设计中，我觉得自己学到了很多平时所学不到的知识。通过查资料、动手连接电路、焊电路板及解决问题，我认识到平时做实验的许多不足之处，我懂得如何更好地理解每个单元电路的作用及每一个程序的设

18、计方法，我明白如何去设计电路，如何一步一步地编写及调试程序。通过本次课程设计，我知道了stc89c51芯片的扩展和它与液晶显示1602的接口技术。 我能把我所学的理论知识应用于实践，设计出非常实用的东西，很多课题比如说我们所做的，还有自动报警装置，图书馆人数统计系统等等，都能极大的锻炼我们的设计能力，提高我们的动手能力，另外，也可以更好的理解理论知识。附录一：3.4软件源程序 #include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit lcdrs=p30;/液晶数据命令控制端sbit lcden=p31;/液晶使能控制端sb

19、it ds=p32;/ds18b20信号端sbit control=p37;/温度控制信号输出端sbit controll=p35;sbit surekey=p33;uchar code disps=set t:;uchar code disps1=now t:;float ftemp;uint temp;uchar key;uint t,sure;uchar num,wei;uchar qs,qg;uint setp,nowp,e;uint z;uint time=0;uint period=80;void delay(uint z) /延时函数uint x,y;for(x=z;x0;x-)

20、for(y=110;y0;y-);void pwminit()controll=1;tmod=0x01;th0=(65535-55535)/256;th0=(65535-55535)%256;ea=1;et0=1;tr0=1;void dsreset(void) /ds18b20复位，初始化函数uint i;ds=0;i=103;while(i0)i-;ds=1;i=4;while(i0)i-;bit tempreadbit(void) /读一位数据uint i;bit dat;ds=0;i+;/i+起延时作用ds=1;i+;i+;dat=ds;i=8;while(i0)i-;return(d

21、at);uchar tempread(void) /读一个字节数据函数uchar i,j,dat;dat=0;for(i=1;i=8;i+)j=tempreadbit();dat=(j1); /读出的数据最低位在最前面，这样刚还一个字节在dat里return(dat);void tempwritebyte(uchar dat) /向ds18b20写一个字节的数据函数uint i;uchar j;bit testb;for(j=1;j1;if(testb) /写1ds=0;i+;i+;ds=1;i=8;while(i0)i-;else /写0ds=0;i=8;while(i0)i-;ds=1;i

22、+;i+;void tempchange(void)/ ds18b20开始获取温度并转化dsreset();delay(1);tempwritebyte(0xcc); /写跳过读rom指令tempwritebyte(0x44); /写温度转换指令uint gettemp() /读取寄存器中存储的温度数据uchar a,b;dsreset();delay(1);tempwritebyte(0xcc);tempwritebyte(0xbe);a=tempread();/读低8位b=tempread();/读高8位temp=b;tempnowp)control=1;if(setpnowp)contr

23、ol=0;*/ void keyscan()uchar tem;p1=0x7f;/ 优先扫描功能键，若按下，则跳过flag=0时的程序tem=p1;tem=tem&0x0f;if(tem!=0x0f)delay(10);tem=p1;tem=tem&0x0f;if(tem!=0x0f)tem=p1;switch(tem) case 0x77: key=0; break;case 0x7e:key=3;break;case 0x7d:key=7;break;while(tem!=0x0f)tem=p1;tem=tem&0x0f;displykey(key);p1=0xbf;tem=p1;tem=

24、tem&0x0f;if(tem!=0x0f)delay(5);tem=p1;tem=tem&0x0f;if(tem!=0x0f)tem=p1;switch(tem) case 0xb7: key=4; break;case 0xbe:key=2;break;case 0xbd:key=6;break; displykey(key);while(tem!=0x0f)tem=p1;tem=tem&0x0f;p1=0xdf;tem=p1;tem=tem&0x0f;if(tem!=0x0f)delay(5);tem=p1;tem=tem&0x0f;if(tem!=0x0f)tem=p1;switch(

25、tem)case 0xd7: key=8;break;case 0xde:key=1;break;case 0xdb:key=9;break;case 0xdd:key=5;break;/*case 0xde: displykey(key-);break;*/displykey(key);while(tem!=0x0f)tem=p1;tem=tem&0x0f; p1=0xef;tem=p1;tem=tem&0x0f;if(tem!=0x0f)delay(5);tem=p1;tem=tem&0x0f;if(tem!=0x0f)tem=p1;switch(tem)case 0xee: key=0; break; case 0xed:key=4;break;case 0xeb:key=8;break;while(tem!=0x0f)tem=p1;tem=tem&0x0f;displykey(key); void wuedingkccay() keyscan(); if(surekey=0)delay(2);if(surekey=0) sure+;while(!surekey);if(sure=1) /定位第1个数字位置 wei=6; / qs=key; write_com(0x0f);/光标开始闪烁 if(sure=2) wei=7;/qg