基于STC89C52单片机的水温控制系统设计方案

- 1 - 基于 计方案 第 1 章 方案 论证 本设计中的芯片可以采用二种方案。 方案一： 采用 热电偶 温度传感器，放大器， A/D 转换器作为测量温度的 电路。 热电偶通过电位差的数值与不加热部位测量点的温度来测温 ，和这两种导体的材质有关。热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好 的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。硬件电路复杂，需要设计 A/及与其相关的编程，总体设计起来较困难，软件、硬件调试复杂，硬件成本较高。而且器传感器有以下缺点：它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响 。所以总体来说，在硬件、软件上的成本都比较高，而且易受外部环境的影响，系统工作不稳定。 方案二： 采用数字可编程温度传感器作为温度检测元件。 数字可编程温度传感器可以直接读出被测温度值。不需要将温度 - 2 - 传感器的输出信号接到 A/少了系统的硬件电路的成本和整个系统的体积 同时具有极强的抗干扰纠错能力；负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。由于采用的是具有一总线特点的温度传感器，所以电路连接简单；而且该传感器拥有强大的通信协议，同过几个简单的操作就可以实现传感器与单片机的交互，包括复位传感器、对传感器读写数据、对传感器写命令 2。软件、硬件易于调试，制作成本较低。也使得系统所测结果精度大大提高。 通过以上二种方案的论证和比较，从设计的实用性、方便性和成本等诸多方面考虑，最终选择了以 设计，这样设计在本次毕业设计中能够在经费有限的情况下，进行最优的实现方法。 具体方案 ： 采用 为整个电路的核心控制器件，用 感器采集温度信息。当采集到温度信息时，通过一系列处理后从单片机输出来实现声光报警及温度控制。总体框图如下图 1设计方案的优点是 结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉并且智能化。 - 3 - 图 1体框图 度检测 18光二极管报警 1602 液晶显示 继电器 按键模块 抽水泵、 加热器 温度检测 18- 4 - 第 2 章 主要元器件介绍 片机的介绍 1 司生产的一种低功耗、高性能 微控制器，具有 8K 在系统可编程 储器 。 用经典的 核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 在系统可编程 得 众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k 字节 512 字节 32 位I/O 口线， 看门狗定时器 ，内置 4位电路， 3个 16 位 、 计数器， 4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5向量 2级中断结构），全双工 串行口 。另外 降至 0态逻辑操作，支持 2 种 软件 可选择节电模式。空闲模式下， 止工作，允许 定时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， 容被保存，振荡器被冻结， 单片机 一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作 频率 35特性有： 8 512 字节数据存储空间； 内带 2K 字节 储空间 ; 可直接使用串口下载； 片机 : - 5 - 8 256 字节数据存储空间； 字化温度传感器 司生产的一线式数字温度传感器，具有 3引脚 92 小体积封装形式；温度测量范围为 55 125 ,可编程为 9 位 12 位 A/D 转换精度，测温分辨率可达 ，被测温度用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出；其工作 电源 既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个 以并联到 3 根或 2 根线 上， 需一根端口线就能与诸多 用微处理器 的端口较少，可节省大量的引线和 逻辑电路 。以上特点使测系统 。 2内部结构 ： 示，主要由 4 部分组成： 64位 度传感器、非挥发的温度报警 触发器 L、配置 寄存器 。 - 6 - 图 2出端；电源地； 图 2态继电器 固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与 电磁继电器 一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。固态继电器专用的固态继 - 7 - 电器可以具有短路保护，过载保护和过热保护功能，与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块，直接用于控制系统中。 图 2固态继电器 - 8 - 第 3 章 硬件电路设计 件总体模块 温度检测模块：由 集温度 信息，是实现温度控制的基本条件。 温度显示模块（ 1602利用 1602 液晶显示当前温度。 声光报警模块： 来具体展现所采集到的温度的信息，通过蜂鸣器是否响和 是否亮来体现。 按键模块：通过人为操作来控制温度的控制功能。 继电器模块：实现对当前环境温度的控制 ,控制加温和降温的执行器 。 时钟模块：产生时钟信号。 钟电路设计 时钟电路是用来产生 片机工作时所必须的时钟信号， 身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现， 唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作 ，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性 1。通常时钟由于两种形式：内部时钟和外 部时钟。 系统采用内部时钟方式来为系统提供时钟信号 ， 采用的晶振频率为 12次系统的时钟电路设计如图 3示。 - 9 - 图 3钟电路图 统复位电路 在图 3复位开关 按下并松开，使 获得低电平， 输出复位信号，单片机复位。或由于 ( 入并超过复位门限电压 ) 引起系统正常复位。 图 3位电路图 警与控制电路设计 在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于 一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数设定值进行比较，如 - 10 - 果高于设置值 1度（或低于设置数 1度）则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。同样水箱内的温度超出低高设定的温度范围内时当 0”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约 +5V 电压而鸣叫，出报警声音；单片机的 出低电平，此时红色指示灯亮，直到低于（高于）于设定的最高（低）温度时 ， 极管截止，蜂鸣器停止发声， 出电平高电平，发光二极管灭 . 度检测电路设计 本次设计所采用的温度传感器为 导体公司的数字化温度传感器 是世界上第一片支持 “ 一线总线 ” 接口的温度传感器。 “ 一线器件 ” 体积更小、适用电压更宽、更经济。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内 。 以程序设定 9 12位的分辨率，精度为 。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在，掉电后依然保存。 图 3- 11 - 片机接口电路的设计 位 (二进制 )温度读数 ， 指示器件的温度信息经过单线接口送入 从 ，因此从主机 当 收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以 16 位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第 1、 2 字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以 式表示。 当符号位 S 0 时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制； 当符号位 S 1 时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数 值。表 3一部分温度值对应的二进制温度数据 12。 表 3度值对应的二进制温度数据 - 12 - D S 1 0 0 S T A A L 218X T A L 119A L E 9P 0 A D 039P 0 A D 138P 0 A D 237P 0 A D 336P 0 A D 435P 0 A D 534P 0 A D 633P 0 A D 732P 1 T 21P 1 T 2 E R X T X I 12P 3 I 13P 3 T 014P 3 R W T 115P 2 A 1 528P 2 A 821P 2 A 922P 2 A 1 023P 2 A 1 124P 2 A 1 225P 2 A 1 326P 2 A 1 427 8 9 3 5 8 B 2 0V C E E 8件连接图 线总线”接口，测量温度范围为 25 C，在 5 C 范围内 ,精度为 C。现场温度直接以“一线总 - 13 - 线”的 数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。 品的特点 （ 1）只要求一个端口即可实现通信。 （ 2）在 的每个器件上都有独一无二的序列号。 （ 3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 （ 4）测量温度范围在 125 C 之间。 （ 5）数字温度计的分辨率用户可以从 9 位到 12 位选择。 （ 6）内部有温度上、下限设置。 引脚介绍 92 封装的 脚功能描述见表 1。 表 3细引脚功能描述 序号 名称 引脚功能描述 1 信号 2 据输入 /输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源 下 也可以向器件提供电源。 3 选择的 脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。 - 14 - 因为一线通信接口，必须在先完成 定，否则记忆和控制功能将无法使用。主要首先 配，搜索 过 警检查。若指令成功地使 据存储在 个控制功能指挥指示 演出测温。测量结果将被放置在 可以让阅读发出记忆功能的指挥，阅读内容的片上存储器。温度报警触发器 有一字节 数据。如果 些寄存器可作为一般的用户记忆用途。在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换。写 有的数据的读、写都是从最低位开始。 键电路设计 键盘共有三个键，判断 4 键是否按下，可采用软件查询和中断的方法，当某个键按下时，低电平有效。 3 个键 4的功能定义如表所示。 5 键的定义如表 3 33键的定义 按键 键名 功能 能转换键 此键按下，显示温度设定值，按键松开，显示当前温度 1 键 设定温度值加 1 1 键 设定温度值减 1 - 15 - 图 3键电路 电器控制电路 别控制 高低电平来控制继电器的打开和闭合，从而能实现加热和降温的功能。 当 为低电平时，三极管导通 【 5】 ，加热发光二极管亮，控制继电器闭合，加热棒开始加热，当 高电平时，三极管截止，继电器断开，停止加热。 图 3加热继电器电路图 - 16 - 当 为 低电平时，三极管导通，降温发光二极管亮，控制继电器闭合，抽水泵开始加水 降温，当 极管截止，继电器断开，停止降温。 图 3温继电器电路图 - 17 - 第 4 章 软件设计 程序方案 首先要根据系统的总体功能和键盘设置选择一种最合适的监控程序结构，然后根据实时性的要求，合理地安排监控软件和各执行模块之间地调度关系。 本部分详细介绍了基于 据系统功能，可以将系统设计分为若干个子程序进行设计，如温度采集子程序，数据处理子程序、显示子程序、执行子程序。采用 章从设计思路、软件系统框图出发，先介绍整体的思路后，再逐一分析各模块程序算法的实现，最终编写出满足任务需求的程序。 并对温度进行实时显示。采用 鉴于篇幅限制及应用已经规范和成熟 , 本文仅就主程序流程图和显示子程序流程图及其代码进行说明。通过定时器 在此不再赘述。主程序流程图主程序通过调用温度采集子程序完成温度数据采集 , 然后调用温度转换子程序转换读取温度数据 ,调用显示子程序进行温度显 示和判断温度数据。 主程序（见附录 1）调用四个子程序，分别是温度采集程序、 1602 - 18 - 显示程序、温度处理程序和数据存储程序。 温度采集程序：对温度芯片送过来的数据进行处理，进行判断和显示。 1602显示程序：向 1602显示送数，控制系统的显示部分。 温度处理程序：对采集到的温度和设置的上、下限进行比较，做出判断，向继电器输出。 数据存储程序：对键盘的设置的数据进行存储。 图 4系统总流程图 显示当前温度 判断当前温度值 超过设定 温度 1 度 红 灯亮 ，抽水泵进水 设定温度值 是 否 低于设定 温度 1 度 是 红灯亮 ，加热器加热 否 - 19 - 程序设计 程序 主程序的主要功能 是负责温度的实时显示、读出并处理 度测量每 1s 进行一次 2。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图 4 通过调用读温度子程序把存入内存储中的整数部分与小数部分分开存放在不同的两个单元中，然后通过调用显示子程序显示出来。 图 4程序流程图 出温度子程序 读出温度子程序的主要功能是读出 的 9字节，在读出时需进行 验有错时不进行温度数据的改写 2。 位、应答子程序 - 20 - 图 4 读 出温度子程序 跳过 配命令 写入子程序 温度转换命令 显示子程序 (延时 ) 写入子程序 写入子程序 位、应答子程序 跳过 配命令 读温度命令子程序 终 止 - 21 - 第 5 章 系统调试及整体工作过程 本系统通过键盘设定水温，当实际温度小于设定温度时 ，单片机通过控制继电器的 开通、关断来使 加热器开始加热，并在通过温度传感器18时的检测水的实时温度 ，并通过 示水的实时温度整体图 当加热到所设定的温度时， 停止加热。因为水温的大滞后的特性，水温持续往上升。这时，通过水泵抽水来降温，达到控制水温的目的 。本系统能在加热、抽水几个回合之后达到稳态，实际温度 与设定 的温度差不到 - 22 - 52单片机部分 显示部分 - 23 - 继电器部分 - 24 - 第 6 章 总结与感想 经过一个多月的单片机课程设计，我体会到理论知识与实践的根本性的区别 。在实践中，我可以清楚地了解到自己对理论的认识有没有到位和透彻。实践能把我们对理论知识的欠缺清清楚楚的表现出来，并在改正和做东西的过程中让我一步步地成长。我认识到，做东西不能存有一丝的侥幸心理，很多错误都是我们的侥幸心理一点点地累积起来的，并最终爆发出来，大问题就出现了。然后就是感谢这一个多月来，我们的 指导老师董老师的悉心教导，董老师他一丝不苟的教学态度，渊博的知识