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DZ056浴室水温控制系统设计,毕业设计

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浴室水温控制系统设计 摘要 本文介绍了以 51单片机为核心的温度控制器的设计，从硬件和软件设计两方面作了较为详尽的阐述。 关键词 ： 数据采集 ， 温度调节 ， 温控系统 ， 51单片机 Abstract This paper introduces a temperature control system that is based on the 51 single-chip computer The hardware composition and software design are described in detail of this Control System of Water Temperature Keywords ： Data acquisition Temperature regulation Control system of water temperature 51 Single-chip Computer nts 目 录 1 绪论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 2 单片机简介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 2.1单片机的由来 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 2.2 MSC-51 系列引脚图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 3 系统整体设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3.1设计要求 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 3.2 总体设计方案 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3.2.1 硬件电路总体设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 3.2.2 软件电路总体设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 4 系统硬件设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 4.1 传感器的选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 4.1.1 温度传感器的选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 4.1.2 流量传感器的选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 4.2 温度调节器的选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 4.3 硬件电路设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4.3.1 AD590 外围电路设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4.3.2 电动单座调节阀的外围电路设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4.3.3 键盘及显示的设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 4.3.4 掉电保护电路的设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 5 系统软件设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 5.1 系统定义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 nts 5.2 程序框图及主要程序功能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 5.2.1 主程序模块 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 5.2.2 温度测量子程序框图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 5.2.3 调整设定温度子程序框图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 设计总结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 附录（显示子程序） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 致谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 ntsPID 是比例，积分，微分的缩写 . 比例调节作用： 是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少 偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的 不稳定。 积分调节作用： 是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分 调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数 Ti， Ti 越小，积分作用就越强。反 之 Ti 大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节 规律 结合，组成 PI 调节器或 PID 调节器。 微分调节作用： 微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产 生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。 在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强 的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为 零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成 PD 或 PID 控制器。 PID 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能 控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接 口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、 变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统 的传感器是温度传感器。目前， PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器 （仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的 PID 控制器产品，各大公司均开发了具有 PID 参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中 PID 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用 PID 控制实现的压力、温度、流量、液位控制 器，能实现 PID 控制功能的可编程控制器 (PLC)，还有可实现 PID 控制的 PC 系统等等。 可编程控制器 (PLC) 是利用其闭环控制模块来 实现 PID控制，而可编程控制器 (PLC)可以直接与 ControlNet相连，如 Rockwell 的 PLC-5 等。还有可以实现 PID 控制功能的控制器，如 Rockwell 的 Logix 产品系列，它可以直接与 ControlNet 相连，利用网络来实现其远程控制功能。 1、开环控制系统 开环控制系统 (open-loop control system)是指被控对象的输出 (被控制量 )对控制器 (controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。 nts2、 闭环控制系统 闭环 控制系统 (closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出 (被控制量 )会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系 统给定值信号相反，则称为负反馈 ( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈 的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回 路，也就成了一个开环控制系 统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。 3、阶跃响应 阶跃响应是指将一个阶跃输入（ step function）加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字 来描述。稳是指系统的稳定性 (stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控 制精度，通常用稳态误 差来 (Steady-state error)描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。 4、 PID 控制的原理和特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验 和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。 PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例（ P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（ Steady-state error）。 积分（ I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分 成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（ System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入 “积分项 ”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例 +积分 (PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差 。 微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后 (delay)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化 “超前 ”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例 ”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是 “微分项 ”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有 比例 +微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。 5、 PID 控制器的参数整定 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被 控过程的特性确定 PID 控制器的比例系nts数、积分时间和微分时间的大小。 PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是 依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主 要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应 曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下： (1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统 工作； (2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期； (3)在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数。 在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。 对于温度系统： P（ %） 20-60， I（分） 3-10， D（分） 0.5-3 对于流量系统： P（ %） 40-100， I（分） 0.1-1 对于压力系统： P（ %） 30-70， I（分） 0.4-3 对于液位系统： P（ %） 20-80， I（分） 1-5 参数整定找最佳， 从小到大顺序查 先是比例后积分，最后再把微分加 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢，积分时间往下降 曲线波动周期长，积分时间再加长 曲线振荡频率快，先把微分降下来 动差大来波动慢。微分时间应加长 理想曲线两个波，前高后低 4 比 1 一看二调多分析，调节质量不会低 PID 与自适应 PID 的区别： 首先弄清楚什么是自适应控制 在生产过程中为了提高产品质量，增加产量，节约原材料，要求生产管理及生产过程始终处于最优工作状态。因此产生了一种最优控制的方法，这 就叫自适应控制。在这种控制中要求系统能够根据被测参数，环境及原材料的成本的变化而自动对系统进行调节，使系统随时处于最佳状态。自适应控制包括性能估计（辨别）、决策和修改三个环节。它是微机控制系统的发展方向。但由于控制规律难以掌握，所以推广起来尚有一些难以解决的问题。 加入自适应的 pid 控制就带有了一些智能特点，像生物一样能适应外界条件的变化。 还有自学习系统，就更加智能化了。 nts nts nts /czyb_Product_2676177.html AD 转换（ 数码显示） 程序介绍：利用 ADC0809 模拟通道 3 输入电压，经单片机处理后在数码管上用相对应的 16 进制数显示出来， 05V 对应为 0-0FFH。 实际应用例如：数据采集。 程序操作：程序写完上电运行后，用本机配带的专用起微调图 15 所示电位器，会在数码管上看到随不同电压而变化的对应 16 进制值。也可以用万用表实 DC0809IN3 脚电压，来检验所对应显示的 16 进制数。 程序实例（ ad.asm） : ORG 0000H MAIN1: ACALL DELAY ;延时 ACALL AD ;呼叫 AD 子程序 ;将转换的数字量屏蔽高位低位送显 / MOV 31H,30H MOV A,30H ntsANL A,#0FH MOV DPTR,#SETTAB MOVC A,A+DPTR MOV SBUF,A D1: JNB TI,D1 CLR TI ;/ ;将转换的数字量屏蔽低位高位送显 / MOV A,30H ANL A,#0F0H SWAP A MOV DPTR,#SETTAB MOVC A,A+DPTR MOV SBUF,A D2: JNB TI,D2 CLR TI ;/ AJMP MAIN1 ;返回主程序 AD: MOV DPTR,#7F00H ;指向转换地址 MOV A,#03H ;指向转换口 MOVX DPTR,A ;转换 MOV R1,#64H D3: DJNZ R1,D3 ;等 100 微秒转换完 MOVX A,DPTR ;转换后的值给 A ntsMOV 30H,A ;转换的值给 30H RET DELAY: ;延时 MOV R2,#0FFH D14: MOV R3,#0FFH D12: DJNZ R3,D12 DJNZ R2,D14 RET SETTAB: DB 0FCH,60H,0DAH,0F2H,66H,0B6H,0BEH,0E0H, 0FEH,0F6H DB 0EEH,3EH,9CH,7AH,9EH,8EH END nts浴室水温控制系统设计 学院、系 理工学院、电子系 专业名称 通信工程专业 年 级 03 级 学生姓名 薛成钧 指导教师 孙利丽 nts浴室水温控制系统设计 一、单片机简介 1.1 单片机的由来 单片机，专业名称 Micro Controller Unit(微控制器件 )，它是由大名鼎鼎的 INTEL 公司发明的，最早的系列是 MCS-48，后来有了 MCS-51，现在还有 MCS-96 系列，我们经常说的 51 系列单片机就是 MCS-51，它是一种 8 位的单片机，而 MCS-96 系列则是一种 16 位的单片机。后来 INTEL 公司把它的核心技术转让给了世界上很多的小公司，所以世界上就有许多公司生产 51 系列兼容单片机，目前在我国比较流行的就是美国 ATMEL 公司的 89C51，它是一种带 Flash ROM 的单片机。 nts1.2 MSC-51系列引脚图 nts1 VCC（ 40）：电源 +5V。 2 VSS（ 20）：接地，也就是 GND。 3 XTL1（ 19）和 XTL2（ 18）：振荡电路。 单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它 的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在 XTL2 上加外部时钟信号。 4 PSEN（ 29）：片外 ROM 选通信号，低电平有效。 5 ALE/PROG（ 30）：地址锁存信号输出端 /EPROM 编程 脉冲输入端。 6 RST/VPD（ 9）：复位信号输入端 /备用电源输入端。 7 EA/VPP（ 31）：内 /外部 ROM 选择端。 8 P0 口（ 39-32）：双向 I/O 口。 9 P1 口（ 1-8）：准双向通用 I/0 口。 10 P2 口（ 21-28）：准双向 I/0 口。 11 P3 口（ 10-17）：多用途口。 nts二、系统总体设计 2.1设计要求 温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本题目要求实现浴池的水温自动控制和用水量自动检测，要求水温的给定温度可以由操作面板上的键盘输入，也可以由远程计算机串行传送输入。 nts具体要求： 实现水温和用水量的自动控制 水温设定温度通过键盘输入或远程串行通讯输入 显示温度到小数点后 1位；用水量到小数点后 2位 水温控制精度为 0.5 nts2.2总体设计方案 2.2.1 硬件电路总体设计 硬件电路 主要有： 主机电路、数据采集电路、键盘控制电路、控制执行电路、显示电路以及掉电保护电路。 nts2.2.2 软件电路总体设计 浴池水温控制系统的软件程序用汇编语言编写，主要用来对传感器采集到的数据送入单片机中的特定单元 ,然后一部分送去进行 LED显示，另一部分与设定值进行比较 ,通过 PID算法得到控制量并经由单片机输出去控制电动调节阀进行水温调节。 1、主程序 构造整个程序的结构，进行初始化，分配好地址，合理调用子程序。 nts2、子程序 温度传感器和流量传感器输出为模拟信号，经过 ADC0809 A/D转换为数字信号后 ,再通过软件换算为与其对应的温度和流量。 利用中断子程序，单片机完成 A/D数据采集转换、数据滤波、显示当前温度、与设定值进行比较和调用 PID算法子程序并输出控制信号等功能。 键盘中断子程序优先级最高，系统要实时响应该中断，以便进行相应的功能控制。 显示子程序用来显示被测温度和流量。 nts 三 、 系统硬件设计 3.1 器件选型 3.1.1 数据采集电路 温度传感器选用 AD590 流量传感器选用 LWGY涡轮流量传 感器 A/D转换电路选用 ADC0809 3.1.2 温度调节电路 温度调节器选用电动单座调节阀 3.1.3 看门狗电路选用 X5045芯片 nts3.2 电路设计 3.2.1 AD590外围电路设计 nts3.2.2 电动单座调节阀的外围电路设计 nts 该系统工作原理如下：现假设流人的热水温度为 T热、冷水温度为 T冷，混合水温度为 T混，显然有 T冷 T混 T热。根据热力学平衡方程， Q放 =Q吸有， C水 m热 (T热一 T混 )=C水 m冷 (T混一 T冷 ) (1) 由式 (1)可以推出， (2) 式 (2)可变为 : (3) m T m TTmm热 热 冷 冷混冷热TT 热 + T 冷 m 热混 = （ = ）1 + m 冷nts 显然，由式 (3)可知，在 T热、 T冷一定的情况下， T混是的递增函数。这样，当实测温度 T测小于设定温度 T设时，可通过控制两个电动调节阀的流量使得增大，就可以使 T测逐渐逼近 T设，最后达到温度的调节。反之， T测大于 T设时，通过控制两个电动调节阀，使减小，达到调节温度的目的。 nts 当单片机检测到的 T测 T设时，需要调节两个电动调节阀，使增大，这只需使控制热水电动调节阀的 DAC0832的输出Vout1(控制电动调节阀 1)增大，控制冷水电动调节阀的 DAC0832的输出Vout2(控制电动调节阀 2)不变或减小，就能实现的增大，达到调节水温的目的。 nts3.2.3 键盘及显示的设计 键盘采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计，低电平有效。图中按键AN1， AN2， AN3， AN4的功能定义如表 按键 AN2与 P2.2( EXTINT)相连，采用外部中断方式，并且优先级定为最高；按键 AN3和 AN4分别与 P1.3和 P1.4相连，采用软件查询的方式； AN1则为硬件复位键，与 R、 C构成复位电路。 nts 功能表如下 nts键盘数字电路硬件部分电路图 nts 四、系统软件设计 4.2.1 主程序 模块 4.2.2 温度测量子程序 框图 4.2.3 调整设定温度子程序 框图 显示子程序 nts 显示子程序： 程序实例（ ad.asm） : ORG 0000H 伪指令，指明以下程序的起始地址 MAIN1: 标号 ACALL DELAY ; 延时 ACALL AD ; 调用呼叫 AD子程序 nts ;将转换的数字量屏蔽高位低位送显 MOV 31H,30H 将数据从 30H口送到 31H存储单元备份 MOV A,30H 将数据存储 A寄存器，将 28送 A， 28=1CH ANL A,#0FH 和 00001111与 00011100，屏蔽高 4位得 00001100 MOV DPTR,#SETTAB 将数据表的首地址给 DPTR MOVC A,A+DPTR 取字符数据送 A MOV SBUF,A 将显示的字符数据送 SBUF， SBUF是与LED显示连接的接口 D1: JNB TI,D1 TI不为 0则转移到 D1 CLR TI TI清零 nts ;将转换的数字量屏蔽低位高位送显 MOV A,30H 取数据，例如 28，“ 1E”送 A寄存器 ANL A,#0F0H 和 11110000与，得高 4位 0001 SWAP A 低 4位与高 4位互换，将 0001送到 A寄存器的低4位，得 00000001 MOV DPTR,#SETTAB 取字符数据首地址送 DPTR MOVC A,A+DPTR 将查到的字符数据送 A寄存器 MOV SBUF,A 将字符送 SBUF显示 D2: JNB TI,D2 TI不为 0则转移到 D2， D2是 标号 CLR TI TI清 0 AJMP MAIN1 返回主程序 nts AD: MOV DPTR,#7F00H 指向转换地址 MOV A,#03H 指向转换口 MOVX DPTR,A 转换 把从端口 30H得到的数据送到地址为 7F00的端口进行转换 MOV R1,#64H 64H减到 0所需时间是 100微秒 D3: DJNZ R1,D3 等 100微秒转换完 MOVX A,DPTR 转换后的值给 A MOV 30H,A 转换的值给 30H RET nts DELAY: ;延时 MOV R2,#0FFH D14: MOV R3,#0FFH D12: DJNZ R3,D12 DJNZ R2,D14 RET 返回 SETTAB: DB 0FCH,60H,0DAH,0F2H,66H,0B6H,0BEH,0E0H, 0FEH,0F6H DB 0EEH,3EH,9CH,7AH,9EH,8EH END nts 五、设计总结 本设计针对水温控制系统模型，提出了一种基于 51单片机的设计方案。理论上分析，本设计的控制器应该具有工作稳定，控制精度高的特性，改进的PID算法超调量大大降低；软件采用模块化结构，提高了通用性。该设计基本实现了预期的功能 。 ntsnts ntsntsnts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 1 页 一、绪论 温度控制是工业生产过程中进场遇到的过程控制，许多生产过程是以温度作为被控参数。温度控制系统是典型的控制系统。本文是以 51单片机为基础设计的温度控制系统，通过各种电路辅助完成硬件电路设计，并且把程序模块化，方便固化到硬件电路中，有较高的可实现性。 二 、单片机简介 2.1 单片机的由来 单片机，专业名称 Micro Controller Unit(微控制器件 )，它是由大名鼎鼎的 INTEL 公司发明的，最早的系列是 MCS-48，后来有了 MCS-51，现在还有 MCS-96 系列，我们经常说的 51 系列单片机就是 MCS-51，它是一种 8 位的单片机，而 MCS-96 系列则是一种 16 位的单片机， 96系列根适合高速运行的场合 。后来 INTEL 公司把它的核心技术转让给了世界上很多的小公司，所以世界上就有许多公司生产 51 系列兼容单片机，比如飞利浦的 87 LPC 系列，伟邦的 W78L系列，达拉斯的 DS87 系列，现代的 GSM97 系列等等，目前在我国比较流行的就是美国 ATMEL 公司的 89C51，它是一种带 Flash ROM 的单片机。Flash ROM 是一种快速存储式只读存储器，这种程序存储器的特 点就是既可以电擦写，而且掉电后程序还能保存，编程寿命可以达到几千至几万次，所以我们的实验系统是可以反复烧写的 。 单片机开发的整个过程，这个过程包括第一步 编辑源代码，第二步 编译源代码，第三步 程序仿真，第四步 芯片烧写（亦称编程） 。 nts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 2 页 2.2 MSC-51系列引脚图 1 VCC（ 40）：电源 +5V。 2 VSS（ 20）：接地，也就是 GND。 3 XTL1（ 19）和 XTL2（ 18）：振荡电路。 单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在 XTL2 上加外部时钟信号。 4 PSEN（ 29）：片外 ROM 选通信号，低电平有效。 5 ALE/PROG（ 30）：地址锁存信号输出端 /EPROM 编程脉冲输入端。 6 RST/VPD（ 9）：复位信号输入端 /备用电源输入端。 7 EA/VPP（ 31）：内 /外部 ROM 选择端。 8 P0 口（ 39-32）：双向 I/O 口。 9 P1 口（ 1-8）：准双向通用 I/0 口。 10 P2 口（ 21-28）：准双向 I/0 口。 11 P3 口（ 10-17）：多用途口。 nts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 3 页 三 、系统总体设计 3.1 设计要求 温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本题目要求实现浴池的水温自动控制和用水量自动检测，要求水温的给定温度可以由操作面板上的键盘输入，也可以由远程计算机串行传送输入。具体要求： 实现水温和用水量的自动控制 水 温设定温度通过键盘输入或远程串行通讯输入 显示温度到小 数点后 1位；用水量到小数点后 2位 水温控制精度为 0.5 3.2 总体设计方案 3.2.1 硬件电路总体设计 硬件电路主要有： 主机电路、 数据采集电路、键盘控制电路、控制执行电路、显示电路以及掉电保护电路。 系统总体设计框图如图 3-1所示： 图 3-1 系统总体设计框图 51单片机A/D 转换 传感器 键盘 LED 显示器 电动调节阀 数据采集 信息显示发布 温度调节 键盘控制 看门狗电路 nts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 4 页 单片机采用功能强大的 51单片机作为控制核心， 用温度传感器检测水温，与设定值对比后，由单片机做出决策，驱动调节阀调节水温 。用流量传感器检测用水量，并将两个参数在 LED进行显示。人机交 换模块用键盘和液晶显示器构成友善 的人机交互界面。抗干扰模块使用看门狗芯片 X5045，其看门狗功能将对系统运行起到有效的监视作用，内含 512 B串行 EPR0M，具有掉电非易失特性，在本系统中作数据备份用。 3.2.2 软件电路总体设计 浴池水温控制系统 的软件程序用汇编语言编写，主要用来对传感器采集到的数据 送入单片机中的特定单元 ,然后一部分送去进行 LED显示， 另一部分与设定值进行比较 ,通过 PID算法得到控制量并经由单片机输出去控制 电动调节阀进行水温调节 。 1、主程序 构造整个程序的结构，进行初始化，分配好地址， 合理调用子程序。 2、子程序 温度传感器和流量传感器输出为模拟信号，经过 ADC0809 A/D转换为数字信号后 ,再通过软件换算为与其对应的温度和流量。 利用中断子程序，单片机完成 A/D 数据采集转换、数据滤波、显示当前温度、与设定值进行比较和调用 PID算法子程序并输出控制信号等功能。 键盘中断子程序优先级最高，系统要实时响应该中断，以便进行相应的功能控 制。 显示子程序用来显示被测温度和流量。 nts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 5 页 四 、系 统硬件设计 4.1 传感器的选择 4.1.1 温度传感器的选择 集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。 在本系统设计中，采用了 AD590电流型温度传感器，它的稳定性和线形度均较好 (重复性优于 0.1，其良好的非线形可以保证优于 0.1 的测量精度，利用其重复性较好的特点，通过非线形补偿，可以达到 0.1测量精度 )。 AD590的外观如图 4-1。 图 4-1 AD590 的外观图 AD590是美国模拟器件公司生产的单片 集成两端感温电流源。它的主要特性如下： 1、流过器件的电流（ mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即： mA/K 式中： 流过器件（ AD590）的电流，单位为 mA； T 热力学温度，单位为 K。 2、 AD590的测温范围为 -55 +150 。 3、 AD590的电源电压范围为 4V 30V。电源电压可在 4V6V范围变化，电流 变化1mA，相当于温度变化 1K。 AD590 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 4、输出电阻为 710M 。 5、精度高。 AD590 共有 I、 J、 K、 L、 M五档，其中 M档精度最高，在 -55 +150范围内，非 线性误差为 0.3 。 nts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 6 页 图 4-2(a) 是 AD590 的封装形式，图 4-2(b)是 AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。 图 4-2 AD590封装形式及应用电路 AD590 测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于 AD590精度高、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。 4.1.2 流量传感器的选择 在该系统中，选择 LWGY 涡轮流量传感器 测量浴室用水量。该传感器 与显示仪表配套组成涡轮流量计。传感器具有精度高，重复性好， 寿命长操作简单等特点。广泛 地 应用于石油，化工，冶金，造纸等行业测量液体的体积瞬时流量和体积总量。 LWGY涡轮流量传感器 外形如图 4-3。 图 4-3 LWGY涡轮流量传感器 外形图 nts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 7 页 LWGY涡轮流量传感器 的特定和技术参数等如下： (一 )特点： 压力损失小，叶轮具有防腐功能。 具有较高的抗电磁干扰和抗震动能力，性能可靠 ， 工作寿命长。 采用先进的超低功耗单片微机技术，整机功能强，功耗低，性能优越。具有非线性精度补偿功能的智能流量显示器。修正公式精度优于 0.02% 。 仪表系数可由按键在线设置，并可 显示在 LCD屏上， LCD屏直观清晰，可靠性高。 采用 EEPROM 对累积流量、仪表系数进行掉电保护。保护时间大于 10年。 (二 )主要技术参数 : 准确度： 0.5 级、 1.0级； 使用条件： 1、 环境温度 -20 50 ； 2、 相对温度： 5% 95%； 3、 被测介质温度： -20 120 ； 4、 大气压力： 86Kpa 106Kpa； 5、 防爆等级： ibBT4 ； 信号传输距离：传感器至显示器的距离可达 1000m。 (三 )电气特性： 1、 显示方式： （ 1） LWGY 远传显示：脉冲输出（配显示仪表）； （ 2） LWY 现场显示： 7位 LCD 显示累积流量， 单位（ m3） 7 位 LCD显示瞬时流量，单位（ m3/h） ； （ 3） LWGB 涡轮流量变送器：（配显示仪表）。 2、 输出功能： （ 1） LWGY 脉冲输出， p-p值由供电电源确定； （ 2） LWY 可带脉冲输出或 420mA 两线制电流输出； （ 3） LWGB 420mA两线制电流输出。 3、 供电电源： （ 1） LWGY： DC524V； nts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 8 页 （ 2） LWY： 3V锂电池安装于仪表内部可连续使用八年以上； （ 3） LWGB： DC24V。 (四 )仪表结构及安装方式： LWGY涡轮流量传感器 的结构如图 4-4所示： 图 3-4 LWGY涡轮流量传感器 结构图 LWGY涡轮流 量传感器 的安装图如图 4-5所示： 图 3-5 LWGY涡轮流量传感器 安装图 1、 仪表安装采用法兰连接、螺纹连接及夹装式； 2、 时液体流动方向应与传感器外壳上指示流向的箭头方向一致，且上游直管段应 20DN ，下游直管段应 5DN （ DN为管道内径）。 nts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 9 页 3、 传感器应远离外界磁场，如不能避免，应采取必要的措施； 4、 为了检修时不至影响液体的正常输送，应在传感器两端的直管段外安装旁通管道（如图 2-5）； 5、 传感器露天安装时，请做好放大器插头的防水处理； 6、 传感器与显示仪表的接线，应根据放大器的电源来选择接线方式。 4.2 温度调节 器的选择 该系统中的温度调节器使用的是上海大禹泵阀制造有限公司的 ZDSJP M 型电子式精小型电动单座调节阀，该阀由低流阻直通单座阀，或与低流阻套筒阀配用德国进口 PS系列和日本工装 3610 系列 直行程电动执行机构组成。电动执行机构内有伺服 放大器，只要有输入控制信号 (4 20mADC 或 1 5VDC)及单相电源即可控制运转，实现对流量的电动控制。 具有体积小、重量轻、连线简单、流量大、调节精度高等特点 ,广泛应用于电力、石油、化工、冶金、环保、轻工、教学和科研设备等行业的工业过程自动控制系统中。 ZDSJP M 型电子 式精小型电动单座调节阀的外形如图 4-6。 图 4-6 ZDSJP M 型电子式精小型电动单座调节阀外形图 ZDSJP M 型电子式精小型电动单座调节阀的 技术参数和性能如下： （ 1）阀体： 形式： 直通倒 S 铸造阀 公称通径： DN20 200mm 公称压力： PN1.6 4.0 6.4Mpa 连接形式： JB78-59 JB/T79.-94 凹式 nts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 10 页 材料： HT200 ZG270-500 ZG1Gr18Ni9Ti ZGOCr18Ni12Mo2Ti （ 2）上阀盖： 常温型： -40 +200 散热型： +200 +450 压盖形式： Driven stud 填料： V 型聚四氟乙烯 ,柔性石墨 ,石棉纺织填料 4.3 硬件电路设计 4.3.1 AD590 外围电路设计 数据采集电路主要由 AD590， MC1403， 0P07， 74LS373组成。考虑到温度信号为低电平缓变信号，对 A D转换速度要求不高，为此，选用实效价廉的 ADC0809，而且，还可以根据需要扩展测量 8路温度信号。为了达到测量高精度的要求，选用温度传感器 AD590，AD590具有较高精度和重复性。超低温漂移高精度运算放大器 0P07将温度一电压信号进行放大 ，便于 A D进行转换，以提高温度采集电路的可靠 性。模拟电路硬件部分见图 4-7。 图 4-7 模拟电路硬件部分示意图 nts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 11 页 就本系统来说，需要实时采集水温数据，然后经过 A D转换为数字信号，送入单片机中的特定单元， 然后一部分送去显示；另一部分与设定值进行比较， 通过 PID算法得到控制量并经由单片机输出去控制温度调节器 。 4.3.2 电动单座调节阀的外围电路设计 电动单座调节阀的外围电路设计如图 4-8所示： 4-8 电动单座调节阀的外围电路设计图 该系统工作原理如下： 现假设流入 的热水温度为 T热、冷水温度为 T冷，混合水温度为 T混，显然有 T冷 T混 T热。根据热力学平衡方程， Q放 =Q吸有， C水 m热 (T热一 T混 )=C水 m冷 (T混一 T冷 ) (1) 由式 (1)可以推出， m T m TTmm 热 热 冷 冷混 冷热(2) 式 (2)可变为 : T T 热 + T 冷 m 热混 = （ = ）1 + m 冷(3) 显然，由式 (3)可知，在 T热、 T冷一定的情况下， T混是 的递增函数。这样，当实测温度 T测小于设定 温度 T设时，可通过控制两个电动调节阀的流量使得 增大，就可以使 T测逐渐逼近 T设，最后达到温度 的调节。反之， T测大于 T设时，通过控制两个电动调nts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 12 页 节阀，使 减小，达到调节温度的目的。 当单片机检测到的 T测 T设时，需要调节两个电动调节阀，使 增大，这只需使控制热水电动调节阀的 DAC0832的输出 Vout1(控制电动调节阀 1)增大，控制冷水电动调节阀的 DAC0832的输出 Vout2(控制电动调节阀 2)不变或减小，就能实 现 的增大，达到调节水温的目的。 由于电磁阀为感性负载，因此采用光电隔离，增强系统的稳定性。光电隔离电路 如图 4-9所示。 图 4-9 电磁阀控制电路 4.3.3 键盘及显示的设计 键盘采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计，低电平有效。图 2-10中按键AN1， AN2， AN3， AN4的功能定义如表 4-1所示。 按键 AN2与 P2.2( EXTINT)相连，采用外部中断方式，并且优先级定为最高；按键 AN3和 AN4分别与 P1.3和 P1.4相连，采用软件查询的方式； AN1则为硬件复位键，与 R、 C构成复位电路。 nts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 13 页 表 4-1 按键功能 显示采用 3位半共阳 LED静态显示方式测量温度，显示内容有温度值的十位、个位及小数点后一位，这样可以只用 RXD口来输出显示数据，从而节省了单片机端口资源，在P1.2口和 TXD的控制下通过 74LS164来实现 3位静态显示。数字电路硬件 部分见图 4-10。 图 4-10 数字电路硬件部分电路图 nts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 14 页 五 、 系统软件设计 5.1 系统定义 系统定义是指在软件设计前，首先要进一步确定系统完成的任务，然后结合硬件结构，确定软件所要完成的任务细节，其软件定义内容有： 1.定义各输入 /输出的功能、信号类别、电平范围、与系统接口方式、占用口地址、读取的输入方式等。 2.定义分配存储器空间，包括系统主程序、常数表格、功能子程序快的划分、入口地址表。 3.系统运行过程的现实、结果显示、错误显示等。 5.2 程序框图及主要程序功能 合理的软件结构设计是设计出一个 性能优良的单片机应用系统的基础，必须充分重视。在程序设计方法上，模块化程序设计是单片机程序设计中常用的方法。模块化设计便于调试和设计，容易完成，可供多个程序共享。 软件结构设计和程序设计方法确定后，根据系统功能定义，可先画出程序粗框图，再对粗框图进行扩充和具体化，再绘制出详细的程序流程图。 程序流程图设计出以后，便可着手编制具体程序。经调试正常之后，固化到芯片中，便完成