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电气电子毕业设计论文
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毕业设计38单片机温控,电气电子毕业设计论文
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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，便完成了整个系统的设计。 nts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 15 页 5.2.1 主程序模块 nts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 16 页 在主程序中首先给定 PID算法的参数值，然后通过循环显示当前温度，并且设定键盘外部中断为最高优 先级，以便能实时响应键盘处理；软件设定定时器 T0为 5秒定时，在无键盘响应时每隔 5秒响应一次，以用来采集经过 A D转换的温度信号；设定定时器T1为嵌套在 T0之中的定时中断，初值由 PID算法子程序提供。 5.2.2 温度测量子程序框图 nts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 17 页 5.2.3 调整设定温度子程序框图 N Y 开始 按键延时去抖动 N Y 按键仍按下将设定温度增加 1度 增加到最大否？ 恢复为初始值 按键仍按下否？ 返回 延时 5 秒 开始按键延时去抖动nts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 18 页 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。 nts内蒙古大学本科毕业论文（设计） 第 19 页 附录： 程序清单： 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 ;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 ;/ ;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
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