基于单片机饮水机温度控制系统的设计

1、 毕业设计（论文）题 目：基于单片机饮水机温度控制系统的设计学习中心： 年级专业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 导师单位： 论文完成时间： 2007 年 5 月 15 日毕业设计（论文）任务书 发给学员 1设计(论文)题目： 基于单片机饮水机温度控制系统的设计 2学生完成设计(论文)期限2007年12月01日至2008年01月10日3设计(论文)课题要求：使用计算机仿真软件对电路,系统进行辅助分析,优化电路.结合实例对系统的电子仿真实验的研究.本文主要用tsc-51-/196实验开发系统来对程序进行分析,设计系统.主要从以下几个方便介绍:(一) 了解实验原理.（二）熟悉tsc-

2、51-/196实验开发系统 (三) 掌握和了解实验过程 (四) 能够编出程序 4实验（上机、调研）部分要求内容：(1)画出原理图 （2）写出程序 （2）对程序进行实验分析（3）tsc-51-/196实验开发系统 5文献查阅要求：(1) 武庆生，仇梅.单片机原理与应用.电子科技大学出版，1998,12.(2) 朱定华.单片机原理与接口技术.电子工业出版社，2001,4. 6发 出 日 期 ： 年 月 日 7学员完成日期： 年 月 日指导教师签名： 学 生 签 名: 摘 要在能源日益紧张的今天，电热水器，饮水机，电饭煲之类的家用电器在保温时，由于其简单的温控系统，利用温敏电阻来实现温控，因而会造成

3、很大的能源浪费浪费。 但是利用at89c51单片机为核心，配合温度传感器，信号处理电路，显示电路，输出控制电路，故障报警电路等组成，软件选用汇编语言编程。单片机可将温度传感器检测到的水温模拟量转换成数字量，显示于led显示器上。该系统灵活性强，易于操作，可靠性高，将会有更广阔的开发前景。关键字：单片机 饮水机 水温控制 传感器 目 录摘 要i目 录ii第1章 前 言1第2章 饮水机概况22.1 饮水机功能介绍22.2 饮水机涉水管路系统图3第3章 饮水机电气原理剖析53.1 电气原理图53.2饮水机电气控制走向6第4章 各种卡片使用及功能84.1 安装卡84.2 用户卡84.3 统计卡84.4

4、 清洗卡9第5章 使用注意事项10第6章单片机温度控制系统设计（一）11第7章单片机温度控制系统设计（二）167.1 整体方案设计167.2 系统程序设计25第8章 结论31致 谢33参考文献34第1章 前 言能源问题已经是当前最为热门的话题，离开能源的日子，世界将失去一切颜色，人们将寸步难行，虽然本设计是节省电能角度出发，而电能又是可再生能源，但是在今天还是有很多的电能是依靠火力，核电等一系列不可再生的自然资源所产生，一旦这些自然资源耗尽，我们将面临电能资源的巨大的缺口，因而本设计从开源节流的截流角度出发，节省电能，保护环境。本篇将阐述设计一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷

5、器皿。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控制，以保持设定的温度基本不变。本设计主要内容如下： （1）温度设定范围为4090，最小区分度为1，标定温度1。（2）环境温度降低时温度控制的静态误差1。（3）用十进制数码管显示水的实际温度。（4）采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40提高到60）时，减小系统的调节时间和超调量。（5）温度控制的静态误差0.2。第2章饮水机概况2.1饮水机功能介绍本机是公司最新研制ic卡智能型温热饮水机，采用了国际上成熟的ic卡智能控制、计费技术，具有体积小，使用简单，重量轻，无污染，低噪声，省电耐用等优点。 本机采用全新ic卡自动计费系统，

6、有效地解决目前人们饮水难，管理难、收费难等社会上存在的种种困扰，进一步推动纯净饮用水健康、良性发展。本饮水机与水接触的部件均采用进口食品级无毒材料制成，效率高,寿命长，符合国家卫生标准。2.2饮水机涉水管路系统图图2-11-储水罐；2-出水口；3-入水管；4-气管；5-排污口一 外部结构图图2-2序号名称序号名称序号名称1 水瓶抱箍5 水龙头9 显示屏2 水瓶箍锁6 接水盒10 ic卡插口3 聪明座7 制热指示灯11 电源线4 ic控制面板8 制热开关12 固定架总成第3章 电气原理图3.1电气原理图图3-132饮水机电气控制走向a、功率板： 第4章 各种卡片使用及功能4.1 安装卡：专门用来

7、启动饮水机a安装卡上存有机器收费费率。b插入安装卡时，机器显示屏上显示“good”,表示安装成功。c在使用ic卡饮水机之前，必须用安装卡对机器进行安装。d当机器收费费率需要修改时，请用修改后的安装卡重新对机器进行安装。4.2 用户卡：及用户消费卡a需要饮水时，将用户卡插入卡口，显示屏上显示卡上所剩余额。同时放水阀打开。b出水口定量供水，当需要再次喝水时，请将卡拔出，重复插入，即可获得定量的饮用水。c用户卡可反复充值。4.3 统计卡：专门用来统计销售情况a、可统计出每台机器每个阶段的销售额。b、插入统计卡，显示屏上显示“good”即可。c、每次统计完之后，将饮水机的销售额清零。4.4 清洗卡：专

8、门用来清洗机器a、当饮水机需要清洗时，插入清洗卡即可打开出水阀。b、插入清洗卡后，出水阀自动打开，同时显示屏上显示“good”，直到拔卡为止。第5章 使用注意事项1请先将固定架总成按图纸安装要求固定在墙上, 然后将饮水机平稳地固定在固定架总成面上。2 饮水机应置于人多、方便、干燥、阴凉通风的地方，并避开可能有液体喷溅的地方，请勿靠近发电机或其他有强磁干扰的电器，以免影响整机正常工作。3饮水机在初次使用前用户应进行消毒处理，具体方法是：用0.25公斤加有活化剂的clo2与5公斤纯净水混合配制成消毒液。将消毒液由聪明座注入饮水机持续消毒20分钟后，松开底版下热罐排水阀堵头上的卡簧，拔掉堵头，排空消

9、毒液，然后塞上堵头，再用纯净水注入机内进行冲洗，直至排污管出水无气味为止，最后塞紧堵头，装上卡簧。4将接水盒按前页结构图中位置装好。5不要改装电源插头，也不要加长电源线，以免导致过热和火灾。第6章单片机温度控制系统设计（一）温度是工业 控制中主要的被控参数之一，特别是在 冶金化 工、建材、食品、机械、石油等工业中 ，具有举 足 重轻作用。对于不 同场所、 不同工 艺、所 需温 度高低范围不 同、精度不同， 则采用的测 温元件 、测温方法以及对温度的控制 方法也将不 同；产 品工艺不同、控制温度的精度 不同、时效不 同，则对数据采集的精度和采用的 控制算法也不同因而，对温度的测控方法多种 多样。

10、随着 电子技术和微型计算机的迅速发展， 微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛 的应用。利用微机对温度进行测控的技术，也便 随之而生 ，并得到 日益发展和完善，越来越显示 出其优越性。本设计即用微机对温度进行实时检 测与控制。 系统功能及 实现原理： 系统设计 目标 用单片机对温度进行实时检测和控制，以解决工业及 常生活中对温度的及 时自动控制问题 ；用十进制数码显示实际温度值， 方便人工监视；用键盘输入温度控制范围值，便 于在不同应用场所设置不同温度范围值。当实际 温度值不在该范围时，系统能 自动调节温度，以 保持设定的温度基本不变，达到自动控制的目的。 系统的温度最小区分度为 1。在环

11、境温度变化 时，温度控制的静态误差小于等于05。 系统设计的出发点 在达到对温度的检测和 控制的基础上，达到一定的测控精度，并尽量使 系统的可靠性高、稳定性好、性价 比高、速度快、 使用灵活、实现容易、便于扩充。 设计原理 本设计采用 89(251单片机应用系 统来实现设计要求，因 89c51在片内含 4kb的 eeprom，不需外扩展存储器，可使系统整体结构 简单。利用 89c51串行口输出工作方式，使 89c51的利用率大大提高 ，外部电路得以简化。89c51可直接对键盘进行扫描读数，可直接用串并转换模块 74ls104驱动 led显示温度值。因其利用率高负载重 ，后 向电路只需加一块同向

12、驱动器即可正常工作。在 串行 传输数据时，频率可达到 1mhz对温度的显示完全达到测控精度要求。 具体方案 硬件电路由单片机、拨码开关显示器、温度采集电路、执行部件等构成，框图见图6-1。 系统硬件电路的元器件选择及其工作原理 本系统硬件包括：温度采集器件、ad转换器件 、单片机、io设备、键盘输入、控制执行器件等，各实现部分的元器件选择如下。 温度采集器件选择 采用集成温度传感器ad590，其具有较高的精度和重复性，不需辅助电源 ，线性好 ，使用方便，可实现远距离测量，便于微机系统远程测控。 ad590是美 国模拟器件公司生产的单片集成两端感温传感器 ，可以显示正负温度数值，只需要一个直流电

13、压源 (4v30v)，功率的需求 比较低 (15mw，5v)。其输出是高阻抗 (710mg2)电流 ，因而长线上 的电阻对器件工作影响不大。 ad590是 已作过校正 的，共有 i、j、k、lm五挡 ，m挡精度最高。k挡精度居中，测温精度为 03，测温重复性优于 01，经非线性补偿 ，精度可达 01。 放大器件选择 微机测控系统中用到的放大器件品种繁多，功能各异，在此选用低失调电压运放 op07，工 作原理见图 6-2。因信号采集电路输出的电压较小 ，一般为几百毫伏 ，故对失调电压要求较严 ，为保证精度，采用该高精度运放。也可考虑用单片集成测量放大器。低失调运放的输入失调电压温漂和输入失调电流

14、温漂都很小，输入失调电压和输入失调电流也很小，因而这类运放精度较高。op07采用超高工艺和齐纳微调技术，使其温漂很小，广泛用于精密加法、检波、微弱信号精密放大。其要求双电源供电，使用温度范围 070c。一般不需调零，如要调零 ，可采用调零电位器调整，阻值可选 200ki2。使用时，先将输入端接地，进行调零调零后，接一输入电压，调节反馈精密可调电阻使输出为输入的 50倍，即得增益为 50。 adc的选择及其与 cpu的接口电路 现阶段 生产的 adc具有模块化、与微机总线兼容等特 点，在选择 adc芯片时，除需要满足用户的各种 技术要求外，还须注意：数字输出的方式； 对启动信号的要求；转换精度和

15、转换时问； 稳定性及抗干扰性 。 逐次逼近式 adc具有较高的转换速度、转换 程序固定和精度高的特点，适用于快速 自动检测 系统与多回路的快速数据采集系统，一般是转换 速度小于 lms的场合。 日常生活中温度变化范围不会太大，本系统 要求最小温度分辨率为 1，假使温度变化范围为 100，整个系统的温度采集点应为 1002=200 个，8位转换器分辨率为 1256，完全满足转换精 度要求，故本系统采用 8位逐次逼近式 a_d转换 器 adc0809，其为双列直插式封装，28只管脚。 cpu与 adc的输入输 出接 口电路采用 8212， 它是典型的通用 io接口。输入信号 usr来 自采样 保持

16、电路的输出，先由 cpu输出一条指令控制启 动，而转换总是需要一定时问才能完成，转换结 束后，adc给出一个 donebusy的状态信息详见 图 6-3。 io设备 单片机是通过 io口线 与外部 电 路连接的，io口即可作输人口又可作输出口，即可工作在串行方式下，又可以并行方式工作。常用的 io扩展芯片有 8155、8212、8255、键盘显 示接口8279等。本系统利用 8951串行口输出工作方式 ，可直接驱动数码管、发光二极管，直接扫 描键盘，充分利用资源，简化系统电路。 25 控制执行器件 用键盘输入温度控制范围值，此处选用 1o线拨码开关，其简单易行，方便直观，而阵列式键盘或拨码盘结

17、构复杂，使用不灵活 。 用共 阳极数码 管 led显示温度值。 输出控制部分在此只用各种颜色发光二极管的亮灭进行各温度状态下系统对温度的调节方式的模拟演 示。在实现过程中只要在相应电路中通过继电器驱动电炉、电扇等加温降温执行部件即可 。图 6-1 单片机温度控制系统方案原理示意图图 6-2 op07工作原理图图6-3 cpu与 adc接 口电路第7章单片机温度控制系统设计（二）7.1 整体方案设计单片机温度控制系统是以msp430单片机为控制核心。整个系统硬件部分包括温度检测系统、信号放大系统、a/d转换、单片机、i/o设备、控制执行系统等。单片机温度控制系统控制框图如下所示：图7-1控制系统

18、框图温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号后，将电压信号放大到单片机可以处理的范围内，经过低通滤波，滤掉干扰信号送入单片机。在单片机中对信号进行采样，为进一步提高测量精度，采样后对信号再进行数字滤波。单片机将检测到的温度信息与设定值进行比较，如果不相符，数字调节程序根据给定值与测得值的差值按pid控制算法设计控制量，触发程序根据控制量控制执行单元。如果检测值高于设定值，则启动制冷系统，降低环境温度；如果检测值低于设定值，则启动加热系统，提高环境温度，达到控制温度的目的。 温度信号检测：本系统中对检测精度要求不是很高，室温下即可，所以选用高精度热敏电阻作为温度传感器。热敏电阻具有灵敏度较高、稳定

19、性强、互换精度高的特点。可使放大器电路极为简单, 又免去了互换补偿的麻烦。 热敏电阻具有负的电阻温度特性,当温度升高时,电阻值减小,它的阻值温度特性曲线是一条指数曲线,非线性度较大。而对于本设计，因为温度要求不高，是在室温环境下，热敏电阻的阻值与环境温度基本呈线性关系2，这样可以通过电阻分压简单地将温度值转化为电压值。 给热敏电阻通以恒定的电流，可得到电阻两端的电压，根据与热敏电阻特性有关的温度参数t0 以及特性系数k，可得下式tt0-kv(t) (1)式中t为被测温度。根据上式，可以把电阻值随温度的变化关系转化为电压值随温度变化的关系,由于热敏电阻的电信号一般都是毫伏级，必须经过放大，将热敏

20、电阻测量到的电信号转化为03.6之间，才能在单片机中使用。下图为放大电路原理图。稳压管的稳压值为1.5v。图7-2放大电路原理图由于传感器输出微弱的模拟信号，当信号中存在环境干扰时，干扰信号也被同时放大，影响检测的精度，需用滤波电路对先对模拟信号进行处理，以提高信号的抗干扰能力。本系统采用巴特沃斯二阶有源低通滤波电路。选取该巴特沃斯二阶有源低通滤波电路的截止频率fh=10 khz 。 控制系统设计： 软件设计： 单片机温度控制器控制温度范围100到400，采用通断控制，通过改变给定控制周期内加热和制冷设备的导通和关断时间，来提高和降低温度，以达到调节温度的目的。 软件设计中选取控制周期tc 为

21、200(t1c) ，导通时间取pn t1c ，其中pn 为输出的控制量，pn值介于0200之间， t1 为定时器定时的时间，c为常数。由上两式可看出，通过改变t1 定时时间或常数c，就可改变控制周期tc 的大小。温度控制器控制的最高温度为400，当给定温度超过400时以400计算。图6-3为采样中断流程图。图7-3采样中断流程图数模转换部分使用单片机自带的12位a/d转换器，能同时实现数模转换和控制，免去使用专用的转换芯片，使系统处理速度更快，精度更高，使电路简化。采样周期为500 s ，当采集完16个点的数据以后，设置标志“nadcflag =1”，通知主程序采集完16个点的数据，主程序从全

22、局缓冲区里读出数据。 为进一步减小随机信号对系统精度的影响，a/d转换后，用平均值法对采样值进行数字滤波。每16个采样点取一次平均值。然后将计算到的平均值作为测量数据进行显示。同时，按照pid算法，对温度采样值和给定值之间的偏差进行控制，得到控制量。采样全过程完成后就可屏蔽采样中断，同时启动t1定时3，进入控制过程。 温度值和热敏电阻的测量值在整个温度采样区间内基本呈线性变化，因此在程序中不需要对测量数据进行线性校正。msp430的t1定时器中断作为控制中断，温度采样过程和控制输出过程采用了互锁结构，即在进行温度采样，温度值处理和运算等过程时t1不定时，待采样全过程进行完时再启动t1定时并同时

23、屏蔽采样中断。t1定时开始就进入控制过程，在整个控制过程中都不采样，直到200(t1c) 定时时间到，要开始新一轮的控制周期。在启动采样的同时屏蔽t1中断。图6-4为t1定时中断流程图。图7-4定时器中断流程图图中，m代表定时器控制周期计数值，n则表示由调节器计算出的控制量。首先判断控制周期tc是否己经结束。若控制周期tc已结束(即m=0)，则屏蔽t1定时器中断，进行新一轮温度采样；若控制周期tc还未结束即m0 ，则开始判断导通时间是否结束。若导通时间己结束(即n=0)，则置输出控制信号为低，并重新赋常数c值，启动定时器定时，同时退出中断服务程序；若导通时间还未结束(即n 0 )，则置输出控制

24、信号为高，控制执行其间继续导通，重新赋常数c值，启动定时器定时，同时退出中断服务程序。数字pid：本文控制算法采用数字pid 控制，数字pid 算法表达式如下所示：其中，kp 为比例系数；ki=kpt/ti 为积分系数；t 为采样周期，ti 为积分时间系数；kd=kptd/t 为微分系数，td 为微分时间系数。u(k) 为调节器第k次输出， e(k) 为第k 次给定与反馈偏差。 对于pid 调节器，当偏差值输出较大时，输出值会很大，可能导致系统不稳定，所以在实际中，需要对调节器的输出限幅4，即当|u|umax 时，令u=umax 或u=-umax ，或根据具体情况确定。图7-5pid子程序 温

25、度调节： pi 控制器根据温度给定值和测量值之间的偏差调节，给出调节量，再通过单片机输出pwm 波，调节可控硅的触发相位的相位角，以此来控制执行部件的关断和开启时间，达到使温度升高或降低的目的。随后整个系统再通过检测前一阶段控制后的温度，进行近一步的控制修正，最终实现预期的温度监控目的。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，对室内环境温度进行监控。其结构简单、可靠性较高，具有一定的实用价值和发展前景。7.2系统程序设计主程序如下：org 0000h ajmp start ;主程序 org 000bh ajmp tim0 ;t0中断子程序 org 0023h

26、ajmp rt ;串口中断接受子程序 org 0100hstart:mov 50h,#00h ;初始化设定温度 mov 51h,#00h mov 52h,#00h mov 53h,#00h mov 54h,#0c6h ;发送第5个数码管字形码“c” mov tmod,#01h ;t0工作在mode1 mov th0,#0ech ;晶振12m，50ms中断一次 mov tl0,#78h setb tr0 mov tmod,#20h ;t1工作在mode2 mov th1,#0e6h ;设波特率 mov tl1,#0e6h setb tr1 mov scon,#50h mov ie,#92h ;允

27、许t0,ri中断 mov r6,#04h ;初始要接收的数据个数 mov r1,#50h ;初始要接收数据的起始地址 mov r4,#00h rey: mov a,53h cjne a,#00h,yes sjmp reyyes: mov r3,#00hyes1: clr p2.0 ;开始ad转换 clr p3.6 setb p3.6 acall delayj1: movx a,r0 acall sjcl ;调用数据处理子程序 acall disp djnz r3,mm acall fs ;调用串口发送子程序 ajmp yesmm: ajmp yes1sjcl:mov b,#60 mul ab

28、mov 61h,a mov a,b add a,#35 acall l10 mov 60h,r5 ;存十进制高八位 （个位和十位） mov a,61h mov b,#9 mul ab mov 61h,b ;存十进制低八位 （小数点） retl10: clr c mov r5,#00h ;初始化十进制转换的地位寄存器 mov r4,#08h ;调整次数next:rlc a mov r2,a mov a,r5 addc a,r5 da a mov r5,a mov a,r2 djnz r4,next retdisp: mov a,60h anl a,#0f0h ;取d2的显示数据存入70h swa

29、p a mov 70h,a mov a,60h anl a,#0fh ;取d1的显示数据存入71h mov 71h,a mov 72h,61h ;取d0的显示数据存入72h mov r0,#70h ;取相应的字形码分别存入55-57h mov dptr,#tab mov a,r0 movc a,a+dptr mov 55h,a inc r0 mov a,r0 movc a,a+dptr mov 56h,a inc r0 mov a,r0 movc a,a+dptr mov 57h,a mov a,56h add a,#80h ;在d1字形码上加小数点 mov 56h,a retfs: mov

30、a,r0 push acc mov tmod,#20h mov th1,#0e6h mov tl1,#0e6h setb tr1 mov scon,#50h mov r0,#54h ;设定发送起始地址 mov r7,#04hloop:mov sbuf,r0 jnb ti,$ clr ti inc r0 djnz r7,loop pop acc mov r0,a ret ;串口中断接受子程序 rt: push acc push psw clr et0 clr es sj: mov r1,sbuf inc r1 cjne r4,#03h,move sjmp move1 move :inc r4 c

31、lr ri jnb ri, $move1:djnz r6,sj mov r4,#00h mov r1,#50h ;重置接收起始地址 mov r6,#04h ;重置接收个数 setb et0 setb es pop psw pop acc reti;t0中断子程序tim0: push acc push psw mov th0,#0ech ;重设中断时间 mov tl0,#78h clr c ;acall js mov a,51h cjne a,70h,q1 ;最高位比 sjmp q2q1: jc off sjmp onq2: mov a,52h cjne a,71h,q3q3: jc offon

32、: clr p1.4 clr p1.2re: pop psw pop acc retioff: setb p1.4 setb p1.2 sjmp redelay:mov r7,#50 djnz r7,$ rettab:db 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h,99h,92h,82h,0f8h,80h,90h第8章 结论首先，通过这次应用系统设计，在很大程度上提高了自己的独立思考能力和单片机的专业知识，也深刻了解写一篇应用系统的步骤和格式，有过这样的一次训练，相信在接下来的日子我们都会了，而且会做得更好。 我所写的系统主要根据目前节省能源的发展趋势和国内实际的应用特点和要求，采用了自动化的结构形式，实现对水温的自动检测和控制。 系统以单片机at89c52为核心部件，单片机系统完成对水温信号的采集、处理、显示等功能;用protel软件绘制电路原理图和pcb电路印刷板图，并在电路板厂制作控制主板;利用mcs51汇编语言编制,运行程序该系统的主要特点是: 1)适用性强，用户只需对界面参数进行设置并启动系统正常运行便可满足不同用户水温的要求，