毕业设计（论文）-单片机水温控制电路的设计.doc

目录摘要1第1章绪论2第2章方案论证32.1 分方案论证32.1.1 方案一32.1.2 方案二32.2 方案确定4第3章单元电路的设计53.1 电源电路的设计53.2 温度采集电路的设计53.3 键盘控制及显示电路硬件的设计73.3.1 键盘控制硬件的设计73.3.2 显示电路的设计83.4 主控电路硬件的设计9第4章软件的设计114.1 a/d转换软件的设计114.2 键盘部分134.3 总体电路流程图15第5章系统调试185.1 仿真软件简介185.2 测试与调试18总结21参考文献22附录1总体电路图23附录2源程序24附录3元器件明细表31ii摘要论文设计了一种水温控制器电路，该热水器控制系统可控2545的温度，在不可控下温度能继续升高，并在最高温度时报警。该系统采用单片机80c52进行温度的采集与控制。主要由液晶屏显示模块，a/d转换模块，电源模块，键盘控制模块，水温采集模块，继电器模块，二分频模块，工作指示模块组成。温度信号由热敏电阻采集，水温实时控制采用继电器控制电热丝进行水温加热与停止。系统具备较高的测量精度和控制精度，并能灵敏监测完成温度控制。关键词水温控制；温度控制；热敏电阻第1章绪论在现代社会中电子技术的发展越来越快，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化。因此，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会而今，电器随着生产技术的发展和生活水平的提高越来越普及，一个简单又稳定的温度控制系统能更好的适应市场。早期的温度控制器，由于体积大、操作复杂、抗干扰能力差，给工程现场的使用带来了很大不便。随着单片机技术的不断发展，温度控制器正向单片集成化、智能化的方向迅速发展，国内外各厂家也设计了许多应用在各个领域的温控器。目前，智能温控器总存在一些问题，如测温误差大、抗干扰能力差等，这是在工程界非常棘手的问题。而该设计是以mic-51系列单片机为控制核心，实现温度控制的设计，基本解决了测温误差大、抗干扰能力差等问题，而且整个系统灵活、可靠性高，系统达到热平衡较快，精确度也比较高。第31 页 第2章方案论证2.1 分方案论证2.1.1 方案一此方案主要由温度采样电路、电位器电路、运放比较器电路和控制电路组成，系统框图如图2-1所示。首先温度传感器把温度信号转换为电流信号，通过放大器变成电压信号，然后送入两个反向输入的运算放大器组成的比较器电路，让电位器来改变温度范围的取值，最后信号送入比较器电路，通过比较来判断控制电路是否需要工作。此方案是采用传统的模拟控制方法，选用模拟电路，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，决定是否加热。信号放大温度采集温度预设信号放大比较电路继电器图2-1 方案一系统框图2.1.2 方案二此方案主要由温度采集电路、a/d转换电路、单片机电路、继电器控制电路和键盘控制电路组成，系统框图如图2-2所示。首先温度传感器把温度信号转换成电流信号，通过放大器变成电压信号，然后送入a/d转换器，转换后，信号送入单片机，同时数码管显示温度值。单片机的cpu对数据进行处理和比较分析后来判断继电器工作电路是否需要工作。此方案采用单片机控制，用键盘电路设定给定值，采样的温度值与给定的温度值通过单片机比较判断后，决定是否加热。温度采集电路a/d转换电路单片机键盘控制电路继电器控制电路晶振电路显示电路复位晶振电路图2-2 方案二系统框图2.2 方案确定以上两种方案都能达到设计目的。采用模拟电路来设计，电路简单易懂。但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，难实现温度的显示，系统精度受外界温度变化而变化。采用单片机来设计电路，编程就能实现温度控制，易于实现温度的显示，并能达到较高的控制精度，而且用单片机实现热水器水温控制灵敏度更高。但是单片机编程比较复杂。比较两个方案可知，采用单片机来实现本题目，不管是从结构上，还是从工作量上都占有很大的优势，所以最后决定使用80c52，pt100和a/d0808数模转换器构成的温度采集电路作为该控制系统的核心。综合上述方案的优缺点，选择方案二来实现热水器水温控制电路的设计。第3章单元电路的设计本设计主要包括五个部分：电源电路设计；温度采集电路设计；功率控制电路设计；键盘控制及显示电路设计；报警电路设计及加热指示电路。3.1 电源电路的设计电源电路主要由整电路、滤波电路、稳压电路组成，如图3-1所示。220v的交流电经9v的变压器变压后输出9v电压到桥式整流电路中，由于本设计采用的是桥式整流，因此根据公式u0=0.9ui得到经桥式整流电路后的电压为8.1v。桥式整流电路的输出电压含有较大的脉动成分，因此必须加滤波电路，经过滤波电路的电压由公式u0=1.2ui计算得输出为10.8v。经过整流滤波后的电压由三端稳压块7805的第一脚输入，第三脚输出+5v的电压，然后再输入到后级电路中。图3-1 电源电路原理图3.2 温度采集电路的设计温度采集电路由采样放大电路和a/d转换电路来构成温度采集电路。在采集装置中，温度采集用铂热电阻（pt100），经测量电路采样放大后输出25v电压，再经模数转换芯片adc0808进行转换，变为数字量后送入单片机进行分析处理。运放采用ht9274集成芯片，温度传感器使用pt热电阻。铂热电阻具有尺寸小、响应速度快、阻值大、灵敏度高等特点，因此它在许多领域被广泛应用。温度传感器的作用是将温度经过热敏电阻rt转换为电压信号，并从out端输出并输入a/d转换电路。温度采集电路如图3-2所示。图3-2 温度采集电路原理图由于测温电路输出的电压是模拟信号，需要经过a/d转换器转换成数字信号才能被单片机所识别。温度信号从a/d转换器的in0输入，转换后从a/d转换器的out端输出给单片机。adc0808的时钟信号参数为640khz，ale信号频率是晶振频率的1/6，ale的频率为1mhz，需要用触发器对ale进行二分频。这样就满足了80c52对时钟信号的需要。adc0808由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个a/d转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用a/d转换器进行转换。三态输j出锁器用于锁存a/d转换完的数字量，当oe端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。adc0808芯片如图3-3所示。图3-3 adc0808芯片引脚图如图所示：adc0808芯片有28条引脚，各引脚功能如下： p1p5和in0in7：8路模拟量输入端。 p8、p14、p15和p17p21：8位数字量输出端。 p22（ale）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 p6（start）： a/d转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲使其启动。 p7（eoc）： a/d转换结束信号，输出，当a/d转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 p9（oe）：数据输出允许信号，输入高电平有效。当a/d转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 p10（clk）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640khz。 p12（vref（+）和p16（vref（-）：参考电压输入端。p23p25（adda、addb、addc）：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。out8为最低位，out1为最高位，out8- out1分别接单片机的p0.0到p0.7端。3.3 键盘控制及显示电路硬件的设计3.3.1 键盘控制硬件的设计查询式键盘属于独立式键盘，键盘的各个按键之间彼此是独立的且是最简单的键盘电路。每个键接入一根数据输入线。由于每一个按键均需要一根i/o口线 ，当键盘按键数量比较多时，需要的i/o口线也较多，因此独立式键盘只适合于按键较少的应用场合。一般情况下，按键数等于占用i/o端口数。查询式键盘的结构图如图3-4所示。图3-4 查询式键盘接口电路原理图查询式键盘可以工作在多种方式下，中断方式、程序查询方式、定时查询发送和中断查询方式。在中断模式下，按键的数量受到外部中断源的限制。在有特殊需要的场合，还可以借用内部的定时器中断。所以在这种模式下，按键的数目小于外部中断源和单片机定时器数量之和。程序查询和定时查询类似，都是通过读i/o状态，当有键被按下时相应的i/o口线变为低电平，而未被按下的键对应的i/o口线保持为高电平，这样通过读i/o口状态可判断是否有键按下和哪一个键被按下。先初始化地址参数,显示缓冲区初始；输入前，锁存器置“1”；读取键盘状况；有键按下，若无键按下返回；延时去抖动；确有键按下则从键表中取键值然后相比较，若相等则等键释放，延时去抖动得键码；若不相等，到继续访问键值表，键值不在键值中，即多键同时按下；然后键表值静态显示。3.3.2 显示电路的设计采用led集成块7seg-mpx4来实现显示电路。led显示器由7条发光二极管组成显示字段，有的还带有一个小数点dp将7段发光二极管阴极连在一起，成为共阴极接法，当某个字段的阳极为高电平时，对应的字段就点亮。共阳极接法是将led的所有阳极并接后就连到+5v上，当某一字段的阴极为0时，对应的字段就点亮。显示器的结构图如3-5(a)、(b)所示。(a)共阴极 (b)共阳极图3-5 显示器结构原理图为了显示字符，要为led显示器提供显示段码，组成一个“8”字形的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供led显示器的显示段码为一个字节，置存储取首址；显示缓冲区首址（对应字形码）；置串行输出口即rxd，置时钟输出口即txd；存入显示数据。表头地址；查表指令；段码地址指针，显示段码字节数；输出子程序；取段码；段码左移则输出一位段码然后发送脉冲一位。3.4 主控电路硬件的设计采用单片机80c52来完成电路的控制。单片机微型计算机简称单片机，是指在一块芯片体上集成了中央处理器cpu、随机存储器ram、程序存储器rom或eprom、定时器/计数器、中断控制器以及串行和并行i/o接口等部件，构成一个完整的微型计算机。目前，新型单片机内还有a/d及d/a转换器、高速输入/输出部件、dma通道、浮点运算等特殊功能部件。由于它的结构和指令功能都是按工业控制设计要求设计的，特别适用于工业控制及其数据处理场合，因此，确切的称谓是微控制器，单片机只是习惯称呼。在单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的xtal1和xtal2引脚外接石英晶体，就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。晶振cys的振荡频率范围在1.212mhz间选择，典型值为12mhz和6mhz。复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。其目的是使cpu及各专用寄存器处于一个确定的初始状态。单片机的工作就是从复位开始的，当在单片机的rst引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执复位操作。实际应用中，复位操作有两种基本的形式：一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。为确保两点间温度控制系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般电路正常工作需要供电电源为5v5%，即4.755.25v。1.有优异的性能价值比。2.集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各个功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取措施，适于恶劣环境下工作；也易于产品化。3.控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有及其丰富的转移指令、i/o口逻辑操作及位处理指令。一般来说，单片机的逻辑控制功能及运行速度高于同意档次的微机。4.单片机的系统扩展和系统配置都比较典型、规范，而且非常容易构成各种规模的应用系统。主控电路如图3-6所示。图3-6 主控电路原理图第4章软件的设计4.1 a/d转换软件的设计a/d转换是将模拟量转换为数字量被单片机所识别，a/d转换流程图如图4-1所示。初始化启动a/d转换数据输出延时开始结束nyad转换完成?yn图4-1 a/d转换流程图首先，a/d地址清零，启动a/d转换器，延时等待转换结果然后读入结果送入数码管显示。累加器内容存入b中，a的内容高四位与低四位交换，a的内容高四位清零，a/d转换结果高位送入dbuf3中，取出a/d转换后的结果，a的内容高四位清零则结果低位送入dbf4中；串行静态显示“adxx”。静态显示子程序；显示表头地址；取段码到temp中去显示段码地址指针读出段码字节数；移位次数取段码；段码左移；输出一位段码；发送一个一位脉冲。a/d转换程序代码如下：if(eoc=1)/是否转换完毕oe=1;getdata=p0;oe=0;temp=getdata*25;/温度计算公式temp=temp/64;flag=szwd;/将设置的值赋给变量if(temp254)/大于99度要报警254*25/64=99lowflag=0;highflag=1;else/否则就不报警lowflag=0;highflag=0;st=1;st=0;/结束转换4.2 键盘部分温度设定由键盘电路来完成，查询式键盘流程图如图4-2所示。显示缓冲区初始led显示读取键值键值转换为显示数y开始有键输入？nyn图4-2 查询式键盘流程图先初始化地址参数,显示缓冲区初始；输入前，锁存器置“1”；读取键盘状况；有键按下，若无键按下返回；延时去抖动；确有键按下则从键表中取键值然后相比较，若相等则等键释放，延时去抖动得键码；若不相等，到继续访问键值表，键值不在键值中，即多键同时按下；然后键表值静态显示。键盘扫描程序代码如下：void keyscan()if(sz=0)/温度加delay(5);if(sz=0)szwd=szwd+1;if(szwd45)/当温度设置最大45度szwd=45;while(!sz);/键盘松手检测if(szj=0)/温度减delay(5);if(szj=0)szwd=szwd-1;if(szwd25)/温度值设定最小25度szwd=25;while(!szj);if(p27=0)/设定温度不受控delay(5);if(p27=0)szwd=99;while(!p27);4.3 总体电路流程图总体流程图如图4-3所示。启动a/d转换数据输出led显示开始nyad转换完成?t设定t采样？发出指令加热电路工作结束yn键盘扫描led显示读取键值有键输入？初始化键值转换为显示数nyny图4-3 总体流程图当按下开始按钮，单片机执行复位，并读取当前设置温度。温度采样电路获取当前温度后，反馈给单片机并执行温度比较，当前温度小于设置温度时，单片机p3.6口输出高电频，电磁继电器闭合带动加热装置加热，温度上升。当当前温度大于或等于设置温度时，单片机p3.6口输出低电频，电磁继电器断开，加热装置不加热。当p2.7口置低电频时，单片机执行程序，将设置温度调节到99。此时水温控制器工作于不可控状态，来完成温度控制。主函数程序代码如下：void main(void)st=0;/ad初始化oe=0;tmod=0x12;/设置定时器工作方式th0=216;/定时器赋初值tl0=216;th1=(65536-4000)/256;tl1=(65536-4000)%256;tr1=1;/开定时器1tr0=0;/关定时器0et0=1;/定时器0允许中断et1=1;/定时器1允许中断ea=1; /开总中断st=1;st=0;szwd=30;/温度设定赋初值while(1)if(ks=0) /开始按键while(1) tr0=1;/打开定时器if(lowflag=1) &(highflag=0)/温度超过范围led1=0; /开始工作 else if(highflag=1) & (lowflag=0)/温度超过范围led1=1;/停止工作 else led1=1;/停止工作 第5章 系统调试5.1 仿真软件简介1proteus软件proteus软件是英国labcenter electronics公司出版的eda工具软件。它不仅具有其它eda工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是专业的单片机软件仿真系统。该软件的特点：（1）全部满足单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。（2）具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、rs232动态仿真、1c调试器、spi调试器、键盘和led系统仿真的功能。（3）有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。（4）支持大量的存储器和外围芯片。2keil c51keil c51软件是目前最流行的开发mcs-51系列单片机的软件。keil c51提供了包括c编译器，宏汇编，链接器，库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，并通过一个集成开发环境将他们组合在一起。keil的操作介绍：（1）首先启动keil c51软件集成开发环境，双击uvision图标以启动软件。（2）建立工程文件。通常单片机应用系统软件包含多个源程序文件，keil c51使用工程这一概念，将这些参数设置和所需的所有文件都加在一个工程中。（3）建立并添加源文件。使用菜单或者单击工具栏的新建文件按钮，出现文本便捷窗口，在该窗口中输入新编制的源程序并保存该文件。5.2 测试与调试该设计的电路在proteus软件中进行仿真，运行 proteus 的 isis 程序后，进入该仿真软件的主界面。主界面由菜单栏、工具栏、预览窗口、元件选择按钮、元件列表窗口、原理图绘制窗口和仿真进程控制按钮组成。通过元件选择按钮 p 命令，在弹出的 pick devices 窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置，位置放好后，对元件进行连线，完成单片机系统的硬件原理图绘制。然后，打开已经画好的仿真图，再将生成的hex文件导入单片机里，点击开始按钮，然后出现下面的仿真整体效果图，电路正常工作，并且能够实现预先设想的所有功能，而且效果很好，从而验证了该设计。该设计的仿真整体效果如图5-1所示。图5-1整机仿真原理图仿真开始，按下开始按键，当检测到的实际温度小于设置温度时，工作电路和指示电路工作，此时工作指示灯d1亮，代替加热电路的灯泡l1发光。此时系统处于加热状态，仿真效果如图5-2所示。图5-2加热状态电路仿真原理图仿真开始，按下不可控按键，此时整机电路进入不受控状态，此时，设置温度变为99度，工作电路和指示电路工作。仿真效果如图5-3所示。图5-3不受控状态电路仿真原理图调试时出现的错误：1led显示器上无显示，经过仔细检查发现程序出错。2程序不能运行，发现保存路径不对，必须加后缀“.asm”。3进入仿真器前必须选择仿真器的型号。4led显示器上无显示，经仔细检查发现两端没有接地，必须接地。总结写完此篇毕业论文总结预示着即将毕业，即将走出校园步入社会的大讲堂，开始又一个新的人生旅程。此毕业设计是单片机的温度控制。当接到选题通知后，开始着手论文的准备工作。开始的时候，不知道要如何写起，要往哪方面着手。这个时候导师王老师给了很大的帮助，指明了设计的思路。通过老师的指导与帮助，并开始了第一步搜集资料的重要工作。从搜集文献到硬件电路的完成，到软件程序的实现，到论文的完成。每一次导师的指点都让我收获良多，每一次遇到困难都是挑战自我。通过这次的设计，实现了温度控制的硬件连接，了解了芯片的选用，模块的建立，都会遇到这样那样的问题，而每一次的冲破阻碍就会感到知识得到了升华。硬件设计分为了以下模块：显示模块、a/d转换模块、键盘模块、温度控制模块和温度传感器模块。然后设计软件，编写程序调试硬件电路各个模块的功能。最后对整个系统联调，实现设计要求。最终结果表明：此设计是合理的，能很好的达到预期的效果和要求。大学三年从书本中学了很多知识，这是第一次自己动手完成一项任务。以前虽然也做过一些实验，但那都是简单、单一的任务，远远没有这次毕业设计这样的系统。通过这次系统的设计，不但增强了编程的能力，更培养了分析问题和解决问题的能力。而且是画图能力得到了进一步的提高，知道了很多以前不知道的技巧，明白了“实践出真知”的道理。通过本次的课程设计对智能仪器有了更深入的了解，对proteus软件的认识进一步提高，使我总体提升很多。参考文献1 陈伟人mcs-51系列单片机实用子程序集锦北京：清华大学出版社，19982 方彦军智能仪器技术及其应用：化学工业出版社，20033 潘永雄电子线路cad实用教程：电子科技大学出版社，20014 余锡存单片机原理及接口技术西安：电子科技大学出版社，20075 张 杰单片机原理与应用m.北京：机械工业出版社，20056 谢云敏单片机原理及应用m.北京：中国水利水电出版社，20047 迟钦河电子技能与实训：电子工业出版社 8 周 雪模拟电子技术m西安电子科技大学出版社，20049 张晓东有趣的家用电子制作m人民邮电出版社，2003附录1总体电路图附录2源程序#include/数码管显示数组 #define uchar unsigned char#define uint unsigned intunsigned char code dispbitcode=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,/定义位选数组 0xef,0xdf,0xbf,0x7f;unsigned char code dispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,/定义段选数组 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00;unsigned char dispbuf6=10,10,10,10,10,10;/定义显示数组/变量声明unsigned char dispcount;unsigned char getdata;unsigned int temp;unsigned char i;uchar szwd,flag,xs;/位定义sbit st=p30;sbit oe=p31;sbit eoc=p32;sbit clk=p33;sbit led1=p36;sbit spk=p35;sbit sz=p34;sbit ks=p37;sbit szj=p26;sbit p27=p27;bit lowflag;bit highflag;unsigned int cnta;unsigned int cntb;bit alarmflag;void delay(uint z)/延时函数 uchar x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-);/*/*按键控制*/*/void keyscan() if(sz=0)/温度加delay(5);if(sz=0)szwd=szwd+1;if(szwd45)/当温度设置最大45度szwd=45;while(!sz);/键盘松手检测if(szj=0)/温度减delay(5);if(szj=0)szwd=szwd-1;if(szwd25)/温度值设定最小25度szwd=25;while(!szj);if(p27=0)/不可控，设定温度99 度delay(5);if(p27=0)szwd=99;while(!p27);/*/*主函数（main）*/*/void main(void)st=0;/ad初始化oe=0;tmod=