基于单片机的水温控制系统课程设计报告

1、-PAGE . z. . . . . 资料. . .目录TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc2745098611水温自动控制系统概述 PAGEREF _Toc274509861 h 1HYPERLINK l _Toc2745098622设计任务与要求 PAGEREF _Toc274509862 h 2HYPERLINK l _Toc2745098632.1 设计任务 PAGEREF _Toc274509863 h2HYPERLINK l _Toc2745098642.2 设计要求 PAGEREF _Toc274509864 h 2HYPERLINK l _Toc274

2、5098653 系统设计原理 PAGEREF _Toc274509865 h 2HYPERLINK l _Toc2745098664 方案论证 PAGEREF _Toc274509866 h 2 HYPERLINK l _Toc274509867 4.1 总体方案论证与比拟 PAGEREF _Toc274509867 h 3 HYPERLINK l _Toc274509868 4.2 各局部电路方案论证 PAGEREF _Toc274509868 h 3HYPERLINK l _Toc2745098695硬件电路设计与计算 PAGEREF _Toc274509869 h 4 HYPERLINK

3、 l _Toc274509870 5.1 温度采样和转换电路 PAGEREF _Toc274509870 h 5 HYPERLINK l _Toc274509871 5.2 温度控制电路 PAGEREF _Toc274509871 h 6 HYPERLINK l _Toc274509872 5.3 单片机控制局部 PAGEREF _Toc274509872 h 7 HYPERLINK l _Toc274509873 5.4 键盘及数字显示局部 PAGEREF _Toc274509873 h 7HYPERLINK l _Toc2745098746参考文献 PAGEREF _Toc27450987

4、4 h 8水温自动控制系统设计水温自动控制系统概述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，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源的巨大浪费。特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对水温的控制，把身边的水资源好好地利用起来。在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，温度是极为重要而又普遍的热工参数之一。在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程正常平安地进展，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对加热炉炉温进展测、显示、控制，使之到达工艺标准，以单片机为核心设计的炉温控制系统，可以同时采集多个数

5、据，并将数据通过通讯口送至上位机进展显示和控制。则无论是哪种控制，我们都希望水温控制系统能够有很高的准确度起码是在满足我们要求的*围内，帮助我们实现我们想要的控制，解决身边的问题。在计算机没有创造之前，这些控制都是我们难以想象的。而当今，随着电 子行业的迅猛开展，计算机技术和传感器技术的不断改良，而且计算机和传感器的价格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技术来实现水温控制并提高控制的准确度不仅是可以到达的而且是容易实现的。用高新技术来解决工业生产问题， 排除生活用水问题实施对水温的控制已成为我们电子行业的任务，以此来加强工业化建立，提高人民的生活水平。设计任务与要求2.1 设计任务设计一个能对

6、水温进展自动调节的自动控制系统。2.2 设计要求1通过设计，能独立地查找资料，广泛阅读有关参考文献； 2设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定*围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度根本不变； 3温度设定*围为3585，最小区分度为1，标定温度1，环境温度降低时例如用电风扇降温温度控制的静态误差1；4软件调试：要求操作方便，调试成功并且可靠性高。3 系统设计原理传感器电炉信号放大功率放大A / D键盘显示键盘单片机根本系统微型打印机图2-1 单片机控制系统原理框图该水温控制系统主要由AT89C51单片机控制系统、前向通道温

7、度采样转换电路、后向通道温度控制电路、键盘显示电路等四局部组成，其总体设计框图如上图所示。4 方案论证4.1 总体方案论证与比拟此题目是设计制作一个水温控制系统，对象为一升净水，加热器为1KW的电炉。 要求能在35-95*围内设定控制水温，并具有较好的快速性和较小的超调，以及十进制数码管显示等功能。根据题目的要求，我们提出了以下的两种方案：方案1：此方案是采用传统的二位模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，采用上下限比拟电路将反应的温度值与给定的温度值比拟后，决定加热或者不加热。由于采用模拟控制方式，系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法使控制精度做得教高，而且不能用数码显示和键

8、盘设定。方案2：采用单片机AT89C51为核心。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，使其到达稳定。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。比拟上述两种方案，方案2明显的改善了方案1的缺乏及缺点，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2。4.2 各局部电路方案论证本电路以单片机为根底核心，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。现将各局部主要元件及电路做以下的

9、论证： 1温度采样局部 方案1：采用热敏电阻，可满足35-95的测量*围，但热敏电阻精度、重复性和可靠性都比拟差，对于检测精度小于1的温度信号是不适用的。 方案2：采用温度传感器AD590。：AD590具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点。其测量*围在-50- +150，满刻度*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，其各方面特性都满足此系统的设计要求。此外AD590是温度-电流传感器，对于提高系统抗干扰能力有很大的帮助。经上述比拟，方案2明显优于方案1，应选用方案2。 2键盘显示局部 控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观局部，所以此局部电路设计

10、的好坏直接影响到电路的好坏。 方案1：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，能够方便的进展控制单片机的输出。方案2：采用单片机AT2051与地址译码器74LS138组成控制和扫描系统，并用2051的串口对主电路的单片机进展通信，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，价格廉价的特点。 比照两种方案可知，方案1虽然也能很好的实现电路的要求，但考虑到电路设计的本钱和电路整体的性能，我们采用方案2。

11、 3控制电路局部方案1：采用8031芯片，其内部没有程序存储器，需要进展外部扩展，这给电路增加了复杂度。 方案2：本方案的CPU模块采用2051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3：采用AT89C51单片机，其内部有8KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器，而且它的I/O口也足够本次设计的要求。比拟这3种方案，综合考虑单片机的各局部资源，因此此次设计选用方案3。设计电路图如图2-2所示：图2-2AT89C51单片机原理图硬件电路设计与计算本电路总体设计包括四局部：主机控制局部89C51、前向通道温度采样

12、和转换电路、后向通道温度控制电路、键盘显示局部。5.1 温度采样和转换电路系统的信号采样和转换电路主要由温度传感器AD590、基准电压7812、运算放大器OP-07及A/D转换电路ADC0804四局部组成。设计电路图如图3-1所示：图3-1温度采样和转换电路原理图1AD590性能描述测量*围在-50-+150，满刻度*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基准电压7812提供12V标准电压，它与运算放大器OP-07和电阻组成信号转换与放大电路，

13、将35-95的温度转换为05V的电压信号。 3ADC0804性能描述ADC0804为8位逐次逼近型A/D转换器，其输入电压*围在05v，转换速度为100us，转换精度为0.39，对应误差为0.234。满足系统的要求。4电路原理及参数计算温度采样电路的根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，再通过OP-07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。图3-1中三端稳压7812作为基准电压,由运放虚短虚断可知运放OP-07的反向输入端2脚的电压为零伏。当输出电压为零伏时(即Uo=0v)，令7812的输出电压为=12V，OP-07的

14、2脚处为A点，AD590的转换电流为。列出A点的结点方程如下: (1)由于系统控制的水温*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Ui的电位为零就必须使电流等于电流等于308.2uA,三端稳压7812的输出电压为12v所以由方程(1)得=38.94k(2)由(2)取电阻R1=30k,R2=20k的电位器。又由于ADC0804的输入电压*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当水温为95时AD590的输出电流为368.2uA。由方程式3得+=83.33k因此取=81k, =

15、5k的电位器。5.2 温度控制电路此局部电路主要由光电耦合器MOC3041和双向可控硅BTA12组成。采用脉宽调制输出控制电炉与电源的接通和断开比例，以通断控制调压法控制电炉的输入功率。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。控制局部电路图如图3-2所示：图3-2温度控制电路原理图单片机控制局部此局部是电路的核心局部，系统的控制采用了单片机AT89C51。单片机AT89C51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

16、存储器这样大大的减少了系统硬件局部。电路原理图如图3-3所示：图3-3单片机控制电路局部原理图5.4 键盘及数字显示局部 在设计键盘/显示电路时，我们使用单片机2051作为电路控制的核心，单片机2051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功能。键盘/显示接口电路如图3-4所示图3-4键盘/显示局部电路 图3-4中单片机2051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、符号等等。单片机2051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。键盘的接法的差异直接影响到硬件和软件的设计，考虑到单片机2051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3-4，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3-5 译码显示局部如图3-5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