基于单片机的水温控制系统.docx

桂林电子科技大学专业工程设计说明书专业工程设计说明书题 目： 基于单片机的水温控制系统设计 院 （系）： 电子工程与自动化学院 专 业： 测控技术与仪器 学生姓名： 胡 世 明 学 号： 1200820212 指导教师： 黄 源 2015年1月15日摘 要随着电子技术的发展，温度控制系统可以说是无所不在，热水器系统、空调系统、冰箱等家电产品均需要提供温度控制功能。该系统的设计可以用于热水器温度控制系统和饮水机等各种电器电路中。本设计主要以单片机STC89C52为核心，通过2个数码管来显示温度和设定值，12个按键来实现设定值的输入和显示的切换。使用单总线温度转换芯片DS18B20实时采集温度并可以通过数码管显示，用继电器来控制加热，用指示灯用来指示系统现在所处状态加热、保温。整个系统电路结构简单、程序简短、系统可靠性高、操作简便，实现了对水温的控制。关键词：单片机；数码管显示；DS18B20；矩阵按键AbstractWith the development of electronic technology,the temperature controlsystem can be said to beomnipresent,water heater,air conditioning system,refrigerator products are required toprovide temperaturecontrol function.The design of the systemcan be used forwater heatertemperature control system andwater dispensers and other electricalcircuit.This design is mainlyto the STC89C52 microcontroller as the core, to display thetemperature andthe set valueby2 digitals,12 keys to achieve the set valueinput and displayswitch.The use bus temperature conversion chip DS18B20 and thereal-time collection of temperaturecan be displayedthrough the digital tube, use therelayto control the heating,indicating lamp forindicatingthe state ofthe systemnowused,thermal insulation.The whole systemhas the advantage of simple circuit structure,a short program,system has high reliability,simple operate can control thewater temperature.Keywords: Single chip microcomputer; Digital tube display; DS18B20 ; Matrix keys目 录引言11 方案论证21.1 单片机系统选择21.2 温度测量模块选择22 系统总体设计33 硬件系统设计43.1 单片机最小系统模块43.1.1单片机43.1.2复位电路和晶振电路53.2 矩阵键盘模块63.3 数码管显示模块63.4 指示灯模块83.5 温度传感器模块94 软件设计114.1主程序流程图114.2 各函数模块的设计124.2.1延时模块124.2.2数码管显示模块124.2.3矩阵扫描模块124.2.4传感器测温模块135 系统调试145.1硬件电路调试145.2 软件调试156 总结167 结论16谢 辞18参考文献19附 录201 实物图202元器件清单213.电路原理图及PCB224 主程序代码237引言水温控制无论是在工业生产中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，为了保证生产过程正常安全地进行，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，要求对水温进监测、显示、控制，使之达到工艺标准，满足需要。传统的温度采集电路相当复杂，需要经过温度采集、信号放大、滤波、AD转换等一系列工作才能得到温度的数字量，并且这种方式不仅电路复杂，元器件个数多，而且线性度和准确度都不理想，抗干扰能力弱。现在常用的温度传感器芯片不但功率消耗低、准确率高，而且比传统的温度传感器有更好的线性表现，最重要的一点是使用起来方便。由于电子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，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精确度不仅是可以达到的而且是容易实现的。其发展必将带来新一轮的工业化的革命和社会发展的飞跃。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。单片机具有体积小、功耗低、编程灵活，控制简单、扩展功能强、微型化和使用方便等优点，结合不同类型的传感器，可实现诸多功能。本设计以STC89C52单片机系统进行温度采集与控制。温度信号由模拟温度传感器DS18B20采集输入STC89C52单片机中，利用温度传感器采集到当前的温度，通过STC89C52单片机进行控制，最后通过LED数码管以串行口传送数据实现温度显示。可以通过按键任意设定一个两位数的温度。将水环境数据与所设置的数据进行比较，当水温低于设定值时，开始加热，一旦水温高于预定值时，则马上停止加热。通过该课程的学习使我们对计算机控制系统有一个全面的了解、掌握常规控制算法的使用方法、掌握简单微型计算机应用系统软硬的设计方法，进一步锻炼我们在微型计算机应用方面的实际工作能力。1 方案论证对于快热式家用电热水器来说，硬件系统是它的最基本的框架，硬件的选择和所选硬件的性能对系统的功能实现以及系统的精度都有直接的影响，系统的设计成功与否很大程度上取决于硬件系统的设汁。本系统硬件方案论证包括单片机、温度检测传感器。1.1 单片机系统选择方案一：建立单片机水温控制系统可以采用8031作为控制核心，以使用最为普遍的器ADC0804作模数转换，控制上使用对电阻丝加电使其升温。此方案简易可行，器件的价格便宜。但8031内部没有程序存储器，需要扩展，增加了电路的复杂性。此方案在硬件、软件上的成本都比较高，而且易受外部环境的影响和限制，系统工作相对不稳定。方案二：STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，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。具有8K字节程序存储空，512字节数据存储空间，内带4K字节EEPROM存储空间，可直接使用串口下载。该单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。进行数据转换，控制电路部分采用继电器控制，此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的数据。经过比较，选择方案二。1.2温度测量模块选择方案一：采用热电阻传感器，铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高、测量范围大、稳定性好等特点，被广泛用于中温（-200+650）范围的温度测量中。但铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性较正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。有变化率非线性，不适合测量高温区等缺点。方案二：集成测温传感器：DS18B20，直接将温度转换为数字信号传送给单片机。DS18B20 的测温范围-55125，分辨率最大可达0.0625 。DS18B20 可以直接读出被测温度值。而且采用3 线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。 DS18B20 是Dallas 半导体公司的数字化温度传感器，它是一种支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。一线总线将独特的电源和信号复合在一起，并仅使用一条线，每个芯片都有唯一的编码，支持联网寻址，简单的网络化的温度感知，零功耗等待等特点。经过比较，选择方案二。2.系统总体设计设计上采用获得温度值和键盘设定值进行比较运算的方法来简单精确地控制温度。先通过键盘输入设定温度，保存在AT89S52单片机的指定单元中，再利用温度传感器DS18B20进行信号的采集，送入单片机中，温度值与设定值进行比较运算，得出控制量，从而调节继电器触发端的通断，来实现将水温控制在一定的范围内。当水温超出单片机预存温度时，继电器断开，热得快停止加热。单片机控制系统是一个完整的智能化的集数据采集、显示、处理、控制于一体的系统。包括数码管显示，传感器获取温度等部分。基于单片机的水温控制系统的结构框图如图2-1所示。STC89C52单片机电源温度传感器复位继电器键盘控制指示灯数码管图21系统结构框图3硬件系统设计3.1 单片机最小系统模块 单片机最小系统的电路图如图3-1所示。3.1.1单片机STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为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Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，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35Mhz，6T/12T可选。和atmel的对比，STC89C52RC单片机具有8K字节程序存储空间，512字节数据存储空间，内带4K字节EEPROM存储空间，可直接使用串口下载。STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7;P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7;P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7;P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7。3.1.2复位电路和晶振电路因为STC89C52单片机内部自带8K的ROM和512字节的RAM，因此不必构建单片机系统的扩展电路。单片机STC89C52具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。晶振采用12MHZ。复位电路采用上电加按钮复位,在按键两端并联一个电解电容，滤除交流干扰，增加系统抗干扰能力。 图3-1 单片机最小系统3.2矩阵键盘模块矩阵键盘电路如图3-2所示，键盘是单片机应用系统中的主要输入设备，单片机使用的键盘分为编码键盘和非编码键盘。编码键盘采用硬件线路来实现键盘的编码，每按下一个键，键盘能够自动生成按键代码，并有去抖功能，因此使用方便。在该设计中使用12个按键，其中有10个数字键S0到S9，分别表示输入数字0到9，2个功能键用来选定十位数码管和个位数码管及切换显示。通过单片机的P1口来控制矩阵键盘。 图3-2 矩阵键盘电路3.3 数码管显示模块共阴极数码管是一类数字形式的显示屏，通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数。由于它的价格便宜、使用简单、在电器，特别是家电领域应用极为广泛，空调、热水器、冰箱等等。绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏。LED显示器有共阴极和共阳极两种结构，系统中使用共阴极。在共阴极结构中，各段发光二极管的阴极连在一起，将此公共点接地，某一段发光二极管的阴极为高电平时，该段发光，如图3-3所示。 图3-3 共阴极数码管结构图字符：0123456789对应字段码：3fh06h5bh4fh66h6dh7dh07h7fh6fh显示电路采用了7段共阴数码管扫描电路，2个数码管的段码都是单片机的P1口输出，位选是有P2口来控制。2个数码管输入的段码是不一样的，采用动态显示的方式，先选定十位，经过一段延时再选定个位，如此类推。由视觉暂留，只要我们的延时时间足够短，就能够使得数码的显示看起来非常的稳定清楚。电路图如图3-4所示。 图3-4数码管电路图3.4 指示灯模块 如图3-5指示灯电路所示，该温度控制系统中共使用到3个LED指示灯。左上角的绿色LED0是电源指示灯；中间的红色LED2是加热指示灯，当所测的温度低于设定值时，该灯会亮，表示目前处于加热状态；当温度上升到设定温度时，该LED2灭，同时右边的红色LED1亮，表示目前处于保温状态，当温度再次下降到低于设定值时，LED1灭，红色加热的LED2灯亮，不断循环。LED1和LED2都是由单片机的管脚电压来控制的，LED1低电平亮，LED2高电平亮。LED0是有电源开关控制。 图3-5 指示灯电路3.5 温度传感器模块DS18B20的测温原理:低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的测量温度范围是-55+125。该温度传感器的输出温度数据可与摄氏度校准，使用查找表或转换规则就可计算温度值。它采用单根信号线，既传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双向的，因此具有节省IO口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。它可以直接将模拟温度信号转化为数字信号，降低了电路的复杂程度，提高了电路的运行质量DS18B20温度传感器能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现位的数字值读数方式。DS18B20可以采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。如图3-6所示，直接把信号线与P20口相连，把采集的信号转给单片机处理。 图3-6 DS18B20电路图4 软件设计4.1主程序流程图主程序流程图如图4-1所示。图4-1 主程序流程图4.2 各函数模块的设计4.2.1延时模块 定义两个变量I,j,使用两个for函数使其能延时1毫秒，如图4-1所示。 图4-1 延迟函数4.2.2数码管显示模块在display函数中使用两个形参，分别代表了十位、个位数码管。调用函数时，先打开十位数码管的位选，关闭个位数码管的位选，然后P0口输出相应数字的编码；然后关闭十位数码管的位选，打开个位数码管的位，P0口输出相应数字的编码，如图4-2所示。 图4-2 数码管显示模块4.2.3矩阵扫描模块在矩阵模块中，当调用矩阵函数时，单片机会先拉低第一行，然后检查是否有相应的列有低电平，如果有，则能判断有按键按下，这时就会返回该按键所对应的数字，其他行依次类推，如没有，则返回一个无效的值12，如图4-3所示。 图4-3 键盘扫描4.2.4传感器测温模块 传感器测温模块的流程图如图4-4所示，使用温度传感器模块的目的是使主函数能得到一个关于温度的数值，然后进行比较。初始化函数读一位数据函数读一个字节数据函数获取温度并进行转换读取寄存器中存储的温度数据返回一个温度数值 图4-4 传感器测温模块流程图5 系统调试5.1硬件电路调试板子焊好后，要仔细检查所接电路，按照硬件原理图接线，尤其需要测试正负极时候导通，不能在还没检测的情况下接通电源，防止芯片被烧坏。接通电源后，分模块检测。首先，通电后检查LED0灯是否亮，如果亮，则说明了电源输入部分是没问题的。第二步，写一个简单的程序，检查LED1,LED2,继电器是否工作，不工作时，用万用表检查单片机是否能输出相应的电平。第三，检查数码管与按键是都能正常工作如果数码管不显示，则应该检查线路是否正确，或是因为单片机没有工作，还有集电极和发射极是否接对。第四，单独检查温度传感器是否能工作，把检查到的值直接输入都数码管，如果数码管不亮，那就说明是温度传感器模块的问题，先检查硬件在检查软件的问题。当以上部分的功能都能实现是话，那就说明电路基本没问题了。5.2 软件调试如果硬件电路检查后，没有问题却实现不了设计要求，则可能是软件编程的问题，首先应检查初始化程序，然后是读温度程序，显示程序，以及继电器控制程序，对这些分段程序，要注意逻辑顺序，调用关系，以及涉及到了标号，有时会因为一个标号而影响程序的执行，除此之外，还要熟悉各指令的用法，以免出错。还有一个容易忽略的问题就是，源程序生成的代码是否烧入到单片机中，如果这一过程出错，那不能实现设计要求也是情理之中的事硬件与软件调试相结合，仔细检查各个模块的设计，旧能顺利完成任务，实现设计要求，在调试过程中必须认真耐心，不能有一点马虎，否则遗漏一个小的问题就会导致整个设计的失败。5.3 测试1、测试环境：测试时如不能外设小型制冷设备，则室温不应超过30。测试初始时水温以30以下为宜。2、测试注意事项：应保证DS18B20传感器位于容器内水的中央部位且不能与加热器接触，否则会造成温度测量不准确甚至元器件的损害；测试不同温度时，所测试温度应由低到高。3、测试温度范围：3090之间（模拟设计要求范围内的不同温度值环境）。4、测试仪器：数字万用表、温度计（可测量0.0100.0）、盛有清水的器皿、220V电源等。5、测试方法：接通电后，系统可实时显示当前水温温度。可分别通过按键设定系统上限温度为30、35、40、45、50、55，60、65、70、75等不同温度。利用测试表格数据，观察显示数据是否相符合即可。采用温度传感器和温度计同时测量水温变化情况，目测显示电路是否正常。待温度稳定后，在单位时间内采样记录显示屏温度值，与温度计实际温度值比较，计算出选定度数的误差百分比精确度，得出系统的温度指标。6、测试结果分析：系统自检正常，温度显示正常。因为芯片是塑料封装，所以对温度的感应灵敏度不是相当高，需要一个很短的时间达到稳定。经反复测试验证，本系统满足要求。用单片机控制水温可以在一定范围内设定，并能在环境温度变化时保持温度不变。6 总结通过本次的设计，使我不仅对单片机这门课程有了更深刻的认识，懂得了如何运用课本知识结合实际来完成数码管的显示和编程方法以及单片机电路的驱动方法，使我能够很快的适应现代控制技术发展的需求，同时也提高了我的思维能力和实际操作能力，为以后更好的走上工作岗位奠定了坚实的基础。这次的设计还让我更进一步的认识了关于STC89C51等芯片的引脚功能以及使用方法，使我学会了应用不同的芯片来配合完成整个设计的操作。在做硬件电路的这段时间里，从思考设计到对电路的调试经过了许多困难。同样在对软件进行设计时，也可为一路坎坷。但是通过对软硬件不断撞墙，不断思考解决问题的过程中，我学会了很多东西，同时对单片机也有了更深的认识。在做设计的时候，很需要耐心和对事物的细心，很多时候一个简单问题的一个简单的疏忽就会导致整个电路的不工作，只有不断的检查不断的调试，才能真正完成一个设计的制作。只有不断的发现问题解决问题，才能从问题中改变自己，提升自己对单片机的能力。7 结论本设计叙述了基于STC89C52单片机的水温控制系统，包括硬件组成和软件的设计。该系统在硬件设计上主要是通过DS18B20温度传感器对温度进行采集，通过键盘输入设定值。硬件设计中最核心的器件是单片机STC89C52。一方面，将采集到的数字温度信号经数据处理得到相应的温度值，送至LED显示器以十进制数字形式实时显示测量的温度；另一方面，利用按键系统调整控制水温的上限设定。本系统采用多电Z源供电方式，即对数字电路、驱动电路分别供电，提高系统的可靠性。软件设计方面利用STC89C52与DS18B20成熟的程序设计方法。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，使用C语言进行编程出满足任务需求的程序。设计系统最终实现了课程设计的要求的功能，在设计中运用了单片机最小系统，运用了数码管动态扫描原理来实现数值的显示，运用矩阵键盘的工作原理和使用方法实现了数值的输入和功能的选定，选用温度传感器检测到了水温并将其显示出来，单片机控制加热部件进行加热至设定温度则停止加热并保持恒温。系统在温适用性强，可实现对水温的实时监控。系统成本低廉，结构紧凑，操作非常简便，可扩展性强，只要稍加改变，即可增加其他使用功能。较好的满足了现代工业生产和科研的需要。系统存在一定的缺陷，只要是一开始设计时没考虑全面，可以进一步改进。显示模块可以用两个两位的数码管来显示，这样就不用来回切换显示了，使得系统更加简单人性化。谢 辞经过近三个星期的忙碌和学习，本次专业工程设计已经顺利完成。在这里，我首先感谢黄源老师的指导帮助，给予了我许多建议和方法，使我解决了许多难题。在这次课程设计中，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方以及技术的不熟练，如果没有老师的督促指导和同学的帮助支持，想要完成此次设计是难以想象的，