基于51单片机的水温控制系统设计毕业论文.doc

基于单片机的水温控制系统摘 要 水在人们日常生活和工业生产中有着必不可少的作用，在不同环境和不同的需求中，水温的变化也对我们的生活和工业生产有着重要的影响，为了满足人们在各个领域所需要的水温，水温控制系统在各个领域也应运而生。随着社会的发展，科技的进步，智能化已经是温控系统发展的主流方向，小到人们生活中的饮水机，大到工业生产中的大型水温加热控制设备等各种水温控制系统发展以趋于成熟。传统靠人工控制的温度，湿度，液位等信号的测压、力控系统，外围电路比较复杂，测量精度较低，分辨率不高，需进行温度校正；并且他们的体积较大适用不方便，在工业生产中也可能应为各种认为的失误发生意外，针对此问题，本系统设计的目的就是实现一种可连续高精度持续调温的温度控制系统，它应用广泛，功能强大，操作简单，便于携带，是一款既实用又廉价的控制系统。温度检测控制系统在工业生产中主要职责是对温度进行严格的监测，在温度发生变化不符合规定温度时，系统报警提示并做出相应的温度调整措施，以使得生产能够顺利进行，节省了大量的人工，产品的质量也得到充分的保障，同时也避免了各种潜在意外的发生。从而提高企业的生产效率。本系统以89C51单片机为核心，扩展外围控制电路，检测变送电路，按键电路，显示电路，复位电路，时钟电路，电源电路，报警电路；本系统的整体运行过程为：通过按键电路设定理想水温范围，实时水温通过检测变送电路模检测，并将检测到的物理量转化成电信号，然后放大电信号并将模拟量同过A/D转换为单片机识别的数字量发送给单片机。单片机系统将实时温度与设定温度进行对比，并通过显示电路将实时温度显示出来，如果实时温度大于设定的最高温度或者低于设定的最低温度一定时间，单片机将触发报警电路对过温或者低温进行警报，同时触发控制电路对水温的控制做出适当的调整，确保水温出在理想的温度值，满足需求。系统检测变送电路中采用电流型温度传感器AD590将温度的变化量转变成电流量，然后采用OP-07将电流量转换为电压量。选用A/D转换器ADC0804将电压两转化成数值量传送给单片机处理。负责处理和发送指令的单片机我们选用89c51单片机，单片机通过时钟电路的获得工作所需的时钟信号也就是CPU工作的时间基准，单片机通过复位电路使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。当单片机在复位电路和时钟电路的共同作用下稳定运行时，通过外围的按键电路通过按键SB2和SB3向单片机输入规定的温度值信号，单片机内部进行一系列的处理将实时温度和设定通过显示电路LCD1602显示出来，LCD1602显示器其微功耗、显示内容丰富、体积小、超薄轻巧的诸多优点，故选它作为显示电路。单片机内部通过编写好的程序对温度采样电路传送的数字温度信号与规定的温度信号进行比较，当实时温度与规定温度不符时，单片机通过向报警电路发送信号报警提醒。相应的对系统的温度控制电路发送相应的指令，在整个系统中，从检测电路到继电器控制电路各个模块都发挥这重要作用，各环节相辅相成形成一个负反馈，对温度的变化进行实时检测和超标调整。在系统中我们选用的各个器材是从节约成本和精度较高、操作方便、安全等方面综合考虑后选定。组成这个稳定，高精度的，安全的温度测量控制系统来满足我们的需求。目录摘要.1ABSTRACT.1第1章.绪论.5 1.1 选择背景.5 1.2 题目要求.6 1.3 国内外现状.6 1.4 设计思路.10第2章. 系统基本方案选择及论证.10 2.1 各模块电路的方案选择及论证.10 2.1.1 主机控制模块.10 2.1.2 温度采集模块.11 2.1.3 显示模块.11 2.2 总体设计概述.12第3章 .硬件设计与实现.13 3.1 系统硬件结构.13 3.2 单片机控制部分.13 3.2.1 复位电路.15 3.2.2 时钟电路.16 3.2.3 上拉电阻电路.16 3.3 温度采集部分.17 3.4按键和报警部分.21 3.5显示部分.23 3.6电源电路.23 3.7 温度控制模块.24第4章 系统软件设计.25 4.1 软件设计综述.25 4.2 键盘输入模块.26 4.3 显示模块.27 4.4 控制模块.27 4.5 温度报警模块.28 4.6 主程序流程图.29第5章 设计总结.30 5.1 设计所达到的性能指标.31 5.1.1 温控系统的标度误差.31 5.1.2 温控系统的静态误差.31 5.1.3 温控系统的控制精度.31 5.2 自我总结.32第6章 参考文献.第7章 附录. 基于单片机的水温控制系统第一章 绪论1.1 选择背景 温度是众多工业生产及日常生活中的基础物理量之一，而在大部分的工业生产和日常生活都与水温有着密切的联系。在生活中，为了能让人们不同时刻不同天气的环境下，在饮用和洗漱等生活必须环节上水的所需温度得到保障和满足。在大部分的工业生产中，水温的监测和控制与安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等生产过程中的重要因素有着密不可分的关系。不同环境下温度控制系统将水温控制在生产所需的范围内，并使得整个系统稳定安全的运行对工业生产来说成为一项重要的工作。以工业生产为例，自工业革命开始，水温便与生产环节中必不可少的一部分，也成为了工业发展的推动力量。在整个发展过程中，水温控制在工业生产中也应用而生并逐渐起到了重要作用。我国正处在工业发展阶段，水温控制系统对于大部分的工业生产显得尤为重要。通过控制水的温度可以实现工业中的诸多环节，温度控制的精度以及不同控制对象的控制方法选择都起着至关重要的作用，锅炉是工业生产中的重要设备，温度则是锅炉生产质量的重要指标之一，也是保证锅炉设备安全的重要参数。同时，温度是影响锅炉传热过程和设备效率的主要因素。所以，运用反馈控制理论对锅炉进行温度控制，满足工业生产的需要，提高生产力。为了保证生产过程正常安全的进行，提升产品的质量和数量，以及减少劳动力和减少资源浪费，快速准确地得到实时温度并对它进行适当的控制，在大部分的工业生产中都是重要的环节。本设计是一个典型的检测、控制型应用系统，它能过实现对水温的检测信号放大、A/D转换、输入、运算、输出控制加热以实现水温控制的全过程。应以单片机为核心组成一个控制系统，以满足需求。在科技飞速发展的今天，工业生产对于水温控制的要求也越来越高，所以设计一个安全、高精度、高效率的水温控制系统成为了工业生产的重要部分。1.2 题目要求1水温控制范围是25-50，最小分辨率为0.1 ；实时显示当前温度。2设计所开发的系统由89c51为主控芯片构成实验室进行实验与调试。3. 电路由检测与温度变送电路、A/D转换及数据采样电路、键盘、显示接 口电路、报警显示电路、译码电路等组成。1.3 国内外现状根据被充值的物质的性质的差异，我们可以把温控系统分为动态的温度跟踪和维持温度恒定两大类。动态温度跟踪主要的研究的是利用相关技术让被控制的物体按照人们预期并设定好的一个曲线变化。这种技术被广泛应用到各个工业生产环节，就像控制发酵的过程，化学反应中的温度保持在预定范围，钢铁的炼制过程中锅炉中温度的控制。维持恒定温度是为了让被控制的物体的温度保持在人们需要的数值上，而且误差范围应该保持在最小范围，不能大于预期值以实现在生产过程中对温度的精确要求，使生产效率，质量都尽量达到最优化。在与我们相关的主要生产中有一下几种温度控制方法：1.3.1定值开关温度控制法定值开关控温法的意思就是说：就是通过一些电子元件来获取到当前所测物体的温度的实际数值和我们设置的数值之间存在的数值大小关系，通过判断然后对系统的控制部分进行信号给送来进行温度的控制。同过对比温度数值，如果测量的温度数值大于给定的温度数值，系统就会让制冷环节工作。假如实际的温度比预定的温度数值低，那么系统就会启动加热部分来使物体温度上升。这是一种比较简单的控制办法，不用太复杂的电子元件和电路，只要一些简单的电路就能够做到控制温度的效果。现在我国有许多的场子的生产过成中还应用到这样的温度控制办法，但不是大势所趋。1.3.2PID线性温度控制法美国科学家在进行一项针对船的导航问题时提出了一个方法，这个方法为以后的控制系统带来了重大的改变和进步。通过这个方法他设计出了一个控制器，这个方法就是输出反馈的比例积分微分，也就是我们现在熟悉的PID，就这样PID出现在了各个领域当中。紧接着，由于PID控制器相对于别的控制方法有很多的优点而被人们在生产环节中广泛应用。1930年后的10年间，经典的频域设计法慢慢被人们认可并开始应用。Nyquist和Bode在稳定性理论上取得了的相当大的成果。通过这种经典的设计方法，一种反馈补偿器被发明出来，这种反馈补偿器它可以获得大部分的稳定裕度，主要考虑了对象的不确定性，把反馈环节充分利用来达到减少干扰和对象误差的灵敏度。补偿器的设计主要是采用由以Nyquist稳定准则为基础发展出来的图解法成为了补偿设计器的重要依据。就现在而言，解析法得到快速的发展，除此之外还确定了一些瞬态性能指标。时域响应指标通过PC机的协助也可以轻松的检测到。由于这种发放的发展使得控制领域对鲁棒性和灵敏度的要求降低了一些。经过十几年的发展，数字计算机出现在了人么的眼前，这也同时给控制领域带来了福音，控制方法的多样性和易操作性刀刀了重逢的发挥，应用最广泛的就是用差分方程来描述控制系统模型的方法。当人造卫星出现并对他进行精确的控制，这是控制领域一个划时代成绩，当人类把人造卫星成功的送入太空也就以为这一个现代的控制理论诞生，人们用最优控制去寻找非线性动态系统的最优轨迹。上世纪60年代，能够有绝对优势的控制器是基于最优化技术的控制器，它能够解决各种控制问题并优点突出。如果对过程对象建立数学模型，那么实际的过程控制中就能够适应和应用现代控制理论。但是实际上却很难实现这一目标，所以鲁棒性问题在上世纪70年代得到了人们的重新关注。PID控制理论进入快速前进阶段的前提是单回路控制器结合了参数整定与自我适应控制理论。PID控制在现代的工业过程控制中占据着主导地位，它的一些特点是综合性价比较高的，所以在工业生产中占据主导地位。它具有算法较简单、可靠性和稳定性高等特点。PID调节器较之定制开关控温法性能要好的多，它具备了三项别的控制没有的部分，分别是：误差的变化、积累等。它的实际电路可以通过计算机程序来实现PID的调节功能。前面陈述的为模拟PID调节器，后面讲述的为数字PID调节器。数字PID调节器较之模拟PID调节器突出的优点是可以实现在线整定，灵活性较好，那么控制效果也就较好较稳定精确。数字PID控制器在实际的应用中应用的好坏主要取决于一下几个参数：积分值、微分值、比例值。要想达到高精度的控制效果，那么PID参数就必须要选取正确，这是对于一个受控制系统想要实现理想控制的必要因素。1.3.3智能温度控制法上世纪70年代，美国的著名教授傅京孙提出了关于智能控制系统概念，他认为这是一个人们还未开启的研究领域同时也是人们值得去研究的领域。早在10年前，IEEE就只能控制这一新型的学术研究在美国纽约开展了首次学术讨论会，主要讨论的问题就是只能控制原理和智能控制系统结构。通过这次会议，决定建立一个IEEE智能控制专家委员会，这就意味着智能控制这项学科正式问世，成为了人们深刻讨论和研究的问题，为人类以后的科技进步提供了足够的基础，也是我们的工业生产的到大幅的提升。针对这一全世界科学家共同研究的新型学科，人们把智能控制从一般的学科分离出来单独研究它，并在国际上建立起来专业组织。近十几年来，智能控制技术通过科技发展的带动也也有了突飞猛进的进步，同时针对不同的工业生产和对象新生了许多的控制技术。并逐渐的走向成熟应用于实际当中。智能控制系统就是要靠各个电子电路来组成完整的、精密的并模仿人的只能工程，获取信息，反馈信息，显示信息，运送信息等人工智能，并且可靠精密运行，保持稳定持续的工作而不出现错误。人工智能是除了固定的数学公式外把人的思维用电子仪器和电路的相互配合模拟出来，然后利用计算机将各种控制软件做为大脑的思维输送进去来完成理想的控制。它应用范围已经已经覆盖大部分的工业生产领域，它解决了人力不足和大脑长时间思维导致的错误和工作效率和质量得不到保障的问题，同时也节约了大量的人力和经济成本。智能控制其主要就是依据人工智能的方法以及运筹学的优越方法，结合了控制理论和PID控制方法来实现维持温度的控制。以神经元网络还有模糊数学为理论，实现智能化就需要适当的加以专家系统来实现。当中的模糊控制和神经网络控制还有专家控制相对而言要应用的多疑点。特别是是模糊控温法在现实中的工程技术中应用的更为广泛一点。现在人们又研发出了一种可以模拟人类的操作经验来改善控制的一种高精度模糊控制器。就专业只是而言，肯定可以全部的消除稳态误差。人们把能够在智能控制技术的基础上再研究出能够自己适应PID算法的温度控制仪表称为第三代智能温控仪表。不管是以前还是现在，我国的温度控制仪表的发展都没有办法和国外的发展相提并论并且是相差甚远。国内和国外的晚空仪表主要的差别还是在控制算法部分，国内在控制算法领域的研究相对过外比较落后，这导致温控系统的精度不高，控温不稳定等问题。硬件的不足具体体现在产品控制范围内控制精度不好，适应能力不好，系统不稳定，不能够稳定独立的达到武器目的，故致使应用过程中成本浪费，资源浪费，生产效率不高，质量不合格等问题。1.3.4国内外现状 实际的应用中，我们很难在温控过程中建立精确的数学模型，但是我们又不能找到一个合适的数学办法来解决这个问题，所以我们只能通过减小误差的办法来对期望值做到最精确化。通过尝试间的研究，人们得出了一个办法，就是以PID技术为根据提前设定好控制方法然后不停的自动调整被控量让它朝着我们预期和设置的平衡状态发展，知道它达到我们的要求在控制精度内稳定动态平衡。把模糊逻辑描述作为依据的控制算法叫做模糊温度控制，将人的经验和智能通过一些发誓输送给他们。它主要应用对象是那些不容易取得精确数学模型以及数学模型不确定号还有总是改变的一些对象。我国武汉高校教授在烟气加热还有锅炉炉温控制系统中应用了模糊PID温度控制技术，得到了很大的成果，在这项技术的支持下，烟气加热炉的各个运行环节和维护环节改善了很多，提升了煤的利用率和机器的开机率， 减少了能源的浪费并且提升了生产效率。针对基于PID温度控制系统的研究内容，我国内蒙古高校的董志学研究了在这种技术的基础上对热分析仪控制策略进行了改善，并且为了大幅度的提高精度，他还加同时给系统加入了模糊控制技术和PID控制技术，达到了预期的目的，很好的提高了控制精度。把微处理器作为基础，结合计算机技术、通讯技术、控制技术等一系列科技前沿技术的智能控制叫做数字PID控制。海军航空工程学院李建海和部分学术研究者发明了一种软件，它叫做上位机监控采用组态软件。它的原理主要是依据是西门子PLC的电路智能温度控制系统，通过这个系统多种功能，包括了智能控制、闭环控制、多控制功能，它将这些功能融为一体组成一个多功能的控制电路。昆明高校的王清海等学术研究者将神经网络PID结合LabVIEW人机交互应用在锅炉温度控制研究中。这样可以达到非常理想的效果，包括：锅炉温度的数据采集还有控制和现实最重要的是提高了锅炉温控系统的效率。在国外，例如英国科学家将PID控制器加入到冰箱温度控制系统中。通过MATLAB/Simulink系列软件来仿真，除此之外重要的是利用误差分析图的方式和传统的ON-OFF控制对比。显示表明，ON-OFF控制在控制性能性能和精度上都是不及PID控制的。日本的有关公司对以PID控制为基础并且结合上现代控制理论的离子化热水器温度控制进行了全面的研究，最终得出这样的温度控制方法和传统的控制系统相比适用温度传感器更少，成本较低，提升了企业的利益。1.4 设计思路本设计的目的是设计出一个广泛应用于各个行业的的温控系统，其主要特点有能够自动检测水温并显示水温，以单片机为核心去控制水温达到一个稳定的理想值，从水温检测、信号处理、输入、运算再到输出控制加热器进行加热以实现温度控制的全过程，系统个部分紧密联系协作组成一个安全、稳定的高精度温度控制系统。系统单片机、包括温度传感器AD590、信号发达变送器，A/D转换器ADC0804还有按键部分和LCD显示电路来显示当前实时温度，在达到一定的条件下发出警告信号，最终实现高进度，稳定、安全的温度控制。完成本次设计的前提是要熟悉单片机的使用，并掌握其编程和外围电路的扩展电路的通信；掌握A/D转换器的作用和转换原理，学会应用；掌握LCD显示器的原理，学会显示编程等必要工作。 第2章 系统基本方案选择及论证2.1 各模块电路的方案选择和讨论证明2.1.1 主机控制模块 方案一：采用FPGA，它的名称是现场可编程门阵列，它是集成度最高的一种在我们常用的专用集成电路中，一些较为复杂的数学式子和逻辑运算都可以通过他来完成。它的主要特点是能实现各种复杂的逻辑运算，而且运算精度较高，它能将所有器件集成到一块芯片上以减少体积，也可以通过EDA软件进行仿真、调试，功能扩展也非常容易，缺点是成本较高。本设计主要的突出点不是针对运算速度，FPGA的优势得不到体现。 方案二：采用PID控制器，他的主要组成部分是模拟放大器组成。PID控制对我们来说并不陌生，他的组成单元有如下几种：比例单元P还有积分单元 I 以及微分单元D。主要是我们设置好Kp， Ki和Kd这三个参数值。PID控制器大部分被应用在以基本线性还有动态特性为根本并且还要不随时间变化的系统。在企业生产过程中，有一些参数是我们在生产过程中必须牢牢严格要求的，并且必须和期望值不能差的太多，必须在预定的范围之内，这些参数主要体现在：有温度、压力、液位等变量的工业生产中，我们必须做到控制好这些参数在一定的数值上，如果是变量那么也必须有规律的变化，总而言之必须满足工艺的要求。PID控制器恰好就是又来解决一些难控变量的问题，它可以通过一系列的调节使物体的实际值和预期值编程一样的。它可以满足对温度的控制，但是附加其它较多的外围电路就不能显现出优势，且反馈过程中反应速度较慢。方案三：控制器我们选择AT89C51单片机。单片机运算速度高，外围电路扩展容易，软件编程简单容易，功耗低、体积小、成本低等优点。综合分析，拟定方案三，由AT89C51作为主机部分。2.1.2 温度采集模块 方案一：选择热敏电阻来做测量温度的器件，热敏电阻器因为它有对温度敏感、根据不同的温度提供不同的阻值等良好特点，在简单的温度采集电路中经常适用。它有很多的优点，不仅反应灵敏，而且在工作时适应的环境温度范围大，除此之外，体积小还是它被广泛应用的一大原因之一。在简单的温控电路中它因为稳定性好、承受电信号的能力较强还有以上叙述的特点让它的应用的到了非常广的领域。元件的一致性差，互换性差；元件易老化，稳定性较差。他的优点有很多，但是缺点同样存在，就是它只能适应比较简单的电路，如果环境温度超过150或者低于0度时，大部分的热敏电阻的工作会收到严重影响，但是还是有一些特殊高温热敏电阻适合在温度偏差较大的地方应用，但是，其成本增加。 方案二：采用温度传感器AD590。我们大多时候会在测量热力学还有摄氏温度，两点、多点温差还有器平均值的实际电路中可以看到有AD590的存在。主，在现代的控制领域里应用非常的广。因为AD590精度高、价钱低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。其测温范围为- 55+150；它是不容易因为操作失误造成反接之后而毁坏，虽然它的正常电源电压范围为430 V，但是它实际上是可以承受44 V正向电压同时也可以承受和20 V的反向电压；他的精密度非常高，一般在- 55+-150范围内，并且非线性误差只为0.3。 综上所述分析选择用方案二，有温度传感器AD590做采样温度部分。2.1.3 显示模块 方案一：选择用三个LED八段数码管来作为显示模块，让他们三个数码管分别显示温度的十位、个位、还有小数点位。数码管的一些特性我们都比较了解，因为我们经常在实验中用到它，防水、防尘、耐压、耐破裂这几个特点让它在不同的环境中得到广泛应用。除此之外他还有耐高低温、耐燃、超强抗冲击老化等特点；工作环境：-40度-+75度；但其动态显示组要驱动电路支持而且电路较为复杂。 方案二：采用12864液晶显示屏；其内部储存显示字库，其主要特点是：低功耗，体积小、显示效果好、抗干扰能力强，编程容易。更有多种扩展共能，例如：光标显示、睡眠模式、增加可读性。分析之后我们决定选用12864液晶显示器做显示部分。2.2 总体设计概述根据我们上面的分析，还有电路的性质以及控制目的，确定下面的方案：本系统以89C51单片机为核心，扩展外围控制电路，检测变送电路，按键电路，显示电路，复位电路，时钟电路，电源电路，报警电路；本系统的整体运行过程为：通过按键电路设定理想水温范围，实时水温通过检测变送电路模检测，并将检测到的物理量转化成电信号，然后放大电信号并将模拟量同过A/D转换为单片机识别的数字量发送给单片机。单片机系统将实时温度与设定温度进行对比，并通过显示电路将实时温度显示出来，如果实时温度大于设定的最高温度或者低于设定的最低温度一定时间，单片机将触发报警电路对过温或者低温进行警报，同时触发控制电路对水温的控制做出适当的调整，确保水温出在理想的温度值，满足需求第3章 系统硬件设计 3.1硬件总体结构 硬件电路主要分为电源电路、复位电路、时钟电路、按键电路、LCD显示电路和温度采集电路六部分。选择集成的单片机成为主要的控制器，在系统中温度靠温度传感器获得并将其转换为电信号送给A/D转换器转换信号为单片机能够读懂的数字信号，然后通过单片机内部的程序来将各种信息处理并输出指令信号通过显示和控制电路变现出来。使用按键改变设置温度。从而实现温控功能。系统整体结构如图3-1所示：按键模块电源模块单片机LCD显示模块复位电路时钟电路温度采集模块图3-1 系统整体结构3.2 单片机控制部分单片机通俗来讲就是一个小型的计算机，试想一下一个计算机的功能全部浓缩在一个小小的芯片上，充分解释了什么叫浓缩的是精华。因此在很多控制领域中我们用到的最广泛的芯片就是单片机，单片机虽然体积小、但是其功能却十分惊人，其高可靠性、高性能的特点一直是人们热衷于单片机开发的主要原因。功能全但是造价并不高，而且在能耗方面也有出色的表现。在系统中应用单片机，可以是系统快速的检测到大量的数据，在经过飞速的运算处理和逻辑分析之后，可以做出快速的、实时的动态响应。发展到现代社会，工业中我们应用的主流单片机还是以8位机为主，但其16位、32位的同胞兄弟正在以极快的速度崛起中。而本次磁悬浮小球控制系统，其需要处理的数据量并不是太大，所以考虑到系统的运算性能和成本问题，本次设计选用的是ATMEL公司生产的AT89C51型号的单片机。图3-2为本次设计中所应用的单片机的最小系统。图3-2 51单片机最小系统由图可以看出，此单片机一共有40个管脚，其中可以用做输入输出的管脚是P0口、P1口、P2口、P3口，除此只外P0口还可以用作地址、数据总线，而P3口也有自己的第二功能，P3.0-P3.1用作第二功能的时候，每个管脚都需要单独定义。需要注意的是要是用P0口的输入输出功能的时候一定要在外面接上拉电阻。X1、X2管脚用于接外接晶振，为单片机提供脉冲信号。ALE管脚用于选择地址的锁存信号，当脉冲信号为下降沿的时候，此管脚输出工作信号。RESET管脚外接复位电路，用于单片机的复位操作。PSEN管脚用于单片机是否在外部的储存器提取指令，在低电平到达的时候，单片机才会从外部的储存器提取所用的指令信号。EA管脚负责管理单片机的内外程序存储器，当EA为高电平的时候，单片机可以反问片内的ROM存储器；反之则访问片外的。本次设计中也只是应用了PO口作为输入功能，与其相连的是ADC0809模数转换芯片。而输出口则是应用的P2口，用于输出产生的PWM波。由此可以看出，本次设计并没有将单片机的全部引脚充分利用，但现在也可以满足此次的设计要求。在设计总控制器的时候我也有考虑过使用其他的控制芯片，甚至也考虑过比51单片机功能更强大的种类。但是介于所学到的知识和对整个系统的功能分析，并最终决定整个控制系统的核心采用51单片机。单片机正因为其多功能的管脚、较小的身躯、强大的功能、出色的运算速度等，确定了其广泛的应用领域，生活中我们的各种家电、各种智能设备，工业中所应用的生产流水线，高端智能仪器等等。单片机发展到现在，已经成为了我们社会进步的不可缺少的重要工具。3.2.1复位电路 复位电路是单片机系统必不可少的重要组成部分，只有在复位电路的可靠运行下系统才能可靠的运行。复位电路在单片机中的形式的只能就是使单片机重置至初始状态，并从这个工作店开始工作。我们可以通过很多种方法来实现复位电路，由于功能的不同我们可将其分为两大类：一种是电源复位，另一种是按键复位。电源复位就是说通过给电源直接给单片机通电的方法来达到复位的目的；而按键复位就是在系统的复位电路中装上复位开关，通过按键开关的通断来触发复位电平信号，通过上述对比，我们选用电源复位，电路设计如图3-3所示： 图3-3 单片机复位电路3.2.2 时钟电路时钟是单片机内部电路工作的基础，也是CPU工作时序的时间基准。时钟电路的作用是产生单片机稳定工作需要的时钟信号。振荡器是单片机工作所需的必要部分。它是由单片机内部的高增益反相放大器构成的。振荡器有输入和输出段两个端口，它的输入端接单片机内部的其输入端接至单片机内部的XTAL1引脚，输出端接单片机的外部的XTAL2引脚。通过在两个端口的两端介入一个合适的晶振还有两个电容就组成了一个可以单片机运行所需的自激式振荡电路。电容C1、C2的作用是稳定振荡频率、快速起振，容量的选择范围为530PF,通常选择30pF。振荡频率的选择范围为1.212MHz，本设计选择12MHZ，时钟周期为(1/12)s。如图3所示是单片机内部时钟方式的振荡电路。单片机所需的时钟脉冲信号是需要将时钟电路产生的振荡脉冲通过触发器进行二分频之后产生的脉冲。单片机内部的时钟电路结构如图3-4所示：图3-4 片机内部时钟电路3.2.3 P0口上拉电阻电路STC89C51 单片机P0口里面没有上拉电阻，通过对单片机内部场效应管的控制来实现端口的输出。假如不设上拉电阻，单片机无法在端口得到高电平，即使单片机通过锁存器结合单片机输出的1使场效应管截止。所以P0口必需加上拉电阻。如图下3-5。 图3-5 P0口上拉电阻电路3.3温度采集部分温度采样部分由型号为AD590的温度传感器以及号为OP-07运算放大器型还有型号为ADC0804的A/D转换器这三个重要部分构成，它的电路设计图如下3-1所示：3.3.1 AD590性能描述AD590是一个单片的感温电流源，它的输出电流和感知温度成一定的比例，它是美国ANALOG DEVICES公司设计的。它能够起到高阻抗和恒流调节器的工作作用，但前提条件是电源的电压必须是在4 V-30 V之内。调节系数是1 A/K。它能够在温度为25C时输出298.2 A电流，它还能通过片内薄膜电阻与激光作用来实现校准器件的功能。AD590的应用范围比较广，就现在而言传统电气温度传感器的所有温度检测都在他的应用范围之内。但是它的适用温度是在150C以下。它也是在许多的温度测量系统中人们比较青睐的备用方案，因为它是一个成本低并且不需要支持电路的单芯片集成电路。AD590在应用时，不需要线性化电路以及电压放大器还有电阻测量电路和冷结补偿。除温度测量外，它能够进行对分立器件的温度补偿和校正等。AD590能够以裸片的形式在工作中被应用，但前提天骄就是它必须在受保护的环境中。除此之外，它的一些特点决定着它很适合远程的检测应用。 它能够输出高阻抗电流，并且对有些压降不敏感例如长线上的。即使有接收电路之间的距离达到数百英尺都可以，不管什么双绞线都适用只要绝缘良好。就是这样的输出特点让它容易完成多路复用：输送出来的电流可以穿过一个多路复用器或者电源电压通过逻辑输出切换。-50-+150是他的基本测量范围，测量误差是0.3，它的误差是可以达到0.01，前提条件是：5-10V的范围是电源电压的值，稳定度在1时。它是电流型传感器，它的电流会随着温度的变化而变化，如果温度变化1电流就变化1uA，在温度是35电流输出是308.2uA，如果温度在95时，输出电流是368.2u。3.3.2运算放大器OP-07性能描述Op07芯片是一个运算放大器集成电路，他的特点是噪声低、双电源供电。由于OP07在很多的实际应用中不用单独的进行调零，原因是它的输入失调电压非常小，最大时仅为25V。除此之外还有输入偏置电流低和开环增益高的特点。因为这么多优越的特点，使得它更适合应用在放大微弱的传感器信号的应用中。3.3.3 ADC0804性能描述集成A/D转换器根据应用场合的不同可分为很多种，我们在选用时也通过考察各方面的因素滞后再选取适合的集成芯片。一般ADC0804这种类型的A/D转换器在实际中应用的比较多，它是逐次比较型的。ADC0804是一个8位并且单通道的转换器。它有很多的特点，分别是：模数变化的时间一般为100us；容易与TTL或CMOS接口接入；不仅能够实现差分电压输入，而且还能够实现参考电压输入的功能。它的内部设有时钟发生器；它不需要调零操作，并且输出的电压范围是零到5V，当一个电源工作的时候。ADC0804设计的比较早，所以应用范围也比较广泛。（1）芯片参数如下：工作电压：+5V，即VCC=+5V；模拟转换电压范围：0+5V，即0Vin+5V；分辨率是1/256，它的转化值是在0255之间；转化时间：100us；转换误差：1LSB；参考电压：2.5V；（2）.各个引脚名称及作用：Vin（+）和Vin（-）管脚：模拟信号的接入端口，单极性以及双极性还有差模输入信号都可以被识别。DB0-DB7的管脚：是一个数字信号输出段，它输出的是八位的二进制三态特性数字信号。CLKIN管脚：时钟信号输入端。CLKR管脚:外部连接电阻端口，它和内部的时钟发生器相连以及CLK端配合可以让芯片内部的时钟脉冲发出信号，脉冲的频率可以通过公式：fck=1/(1.1RC）计算得到。CS管脚：是一个信号输入端，它的特点是在低电平触发。WR管脚：是写的电平输入端，它通过低电平来开启AD转换过程。RD管脚： 是读的电平输入端。INTR管脚：中断端口，当数模转换完成后，它的端口输出低电平，并且表示这次转换结束。VREF/2：参考电平输入。VCC：芯片电源5V输入。AGND:模拟电源地线。DGND:数字电源地线。（3）ADC0804典型接法ADC0804是一个逐次逼近式特点的A/D转换器，这种转换器的转换速度非常快，而且分辨率也不低，最重要的是价格低，因为这些绝对优势的特点，他们被广泛应用。ADC0804型号的A/D转换器的原理通过几个步骤来说明，不走如下：这是通过二分法的寻求方法来寻找结果，几位的A/D转换器就要对应几次寻找，这样才能完成转换的过程，在转换过程中输入值就代表这模拟输入电压。如图3-6所示：图3-6温度采样和转换电路（4）电路原理及参数计算 在我们设计的温度采样电路中，我们选择温度传感器AD590作为温度传感器，因为AD590是电流型的，所以我们选用OP-07将温度传感器采集到的电流信号转换成电压信号，然后通过ADC0804型A/D转换器来讲采集转化后的温度模拟量转化成数字量的形式传送给单片机，有单片机对数字量进行相应的处理。12V输入参考电压，由一个运算放大器，如果虚拟电路表明，运算放大器OP-07反向输入端（2）脚电压为零伏。如果输入电压为零伏时，输出电压是=12V，OP-07的2脚处为A点，为AD590的转换电流。列出A点的结点方程如下: （1） 由于系统控制水温范围是在25-50之间,在输出电压为零时AD590的输出电流则为246.56uA,那么为了让Ui的电位为零就得使电流等于246.56uA,输出电压为12v所以由方程(1)得 12V/246.56uA =48.67k (2)由(2)取电阻R1=47k,R2=5k的电位器，ADC0804的输入电压范围在05v之间，本设计为了达到更精确的测量目的就使水温达到50时A/D转换器的输出电压为5伏。此时列出A点的结点方程如下： （3）如果水温达到50，那么温度传感器的输出电流就是368.2uA，由方程式（3）得：+=63.43k于是选择=75k, =10k的电位器。3.4 按键电路和报警部分设定中的按键有三个，分别是S1，S2和S3，S1是复位键，S2是温度加按键,S3是温度减按键。适用这三个按键，来设定理想温度，通过温度加减按键来实现对温度设定温度的调整。如图3-7所示。图3-7 按键电路 报警电路：声光报警装置是一种应用在危险的场所，通过光和声音来发出示警信号的一种报警装置。防暴声光报警装置适用在含有C级T6温度的组别的爆炸性气体的环境，还可以在化工、石油等行业有防爆要求的防爆场所里使用，同样还可以在室外使用。防暴的产品需要符合GB3836系列标准的要求，经过国家指定的监测机构鉴定，并且取得防暴的资格证。报警器的外壳为全不锈钢，灯的抗冲击能力好，超强的蜂鸣器，可视度高的LED发光管，而且具有功耗低，不受污染物和水的影响，使用寿命长等特点报警电路如下图所示，由LED指示灯和蜂鸣器发出声光报警信号指示系统工作状态有些危险。这个电路的设计使用了一个小功率的三极管做驱动蜂鸣器，如果单片机发现系统处于危险状态时，P1.7就会输出高电平脉冲，使三极管的大于三极管的导通电压，三极管导通，蜂鸣器发出声音，我们救护发觉危险，并做相应处理。同时单片机P1.4、P1.5会发出低电平脉冲，是LED灯导通，指示灯D1、D2亮，提醒我们有危险，电路如图3-8所示：图3-8 报警电路3.5 LCD1602显示电路 LCD1602是一个在目前为止应用比较普遍的显示器，它的脚管接口有16个，一般有14个教官的是字符型的，但是也有16个教官的字符型的，多的那两个一般就是电源和地引脚了，虽然多了两个引脚但是原理还是一样。液晶屏幕的对比度是可以调整的，我们通过连接一个10K的点位器在第3引脚上来实现这一功能。其内部的驱动器为HD44100和HD44780分别在显示器内部起到驱动和控制作用。我们在适用的过程中可以设计相关的软件还有搭配上4条数据连接线来实现对液晶显示器的控制作用。在我们的这个设计中显示器的主要作用是显示我们设定的温度值还有测量的实时温度值。如图3-9所示。图3-9 LCD1602显示电路3.6 电源电路单片机系统需要5V电压来支持运行，但是我们的主要电源是220V的交流电，所以我们就需要通过一定的降压和蒸馏电路来将220V的交流电转变成我们单片机所需要的5V电压。如图3-10所示，我们通过变压器把电压从220V转化成24V，然后通过桥式整流电路把交流电转化成直流电，再通过芯片7805把24V的直流电转变成5V的电压。 图3-10 电源电路3.7 温度控制电路此部分电路主要由继电器控制。两个继电器分开控制两个不同的系统，一个控制温度加热系统，一个控制系统的降温系统。继电器的两输出端220V的交流电，通过控制继电器的闭合来控制电热丝是否加热；加热系统中，我们通过对继电器的控制让加热电路的通断来实现加热功能，降温系统中，我们同样通过对继电器的控制来让降温系统中的主路开关的关闭和断开来实现降温的目的。为了保护继电器，我们在继电器的输入端加上一个反向的二极管。控制部分电路图如图3-11所示：图3-11 继电器控制电路第4章、系统的软件设计4.1软件设计综述当我们完成硬件设计后就得开始写程序，做软件部分，在这之前我们得理解温度控制系统是如何工作的以及它的工作步骤。开始时加热装置是处于不工作的作态。第一个任务是先设置温度值，这时设置的温度就会显示在数码管上，温度设定好后，单片机会根据当时的环境温度是否启动加热器。这时温度收集模块不断将实时温度送到单片机内并实时显示。当环境温度高于温度上限时，单片机及时发出信号使加热器停止工作。当环境温度低于温度下限时，单片机发出信号使加热器继续工作加热，使环境温度提升起来。要使温度会维持在我们理想的范畴内，只有通过如此的无限反复工作。根据不同的工业环境，我们随时都可以改变设定温度值，只需按下复位键，就可以重复以上步骤。按照上述的这些软件理解，我觉得本次毕业设计应该分两个步骤：第一，接通电源，使加热设备开始工作，加热恒温箱的温度，我们可以手动在键盘上输入温度初值，并通过数码管显示出来，以此来编写程序。第二，实时监测现场环境温度，并根据单片机的调节是温度恒定。此时键盘不发挥作用。所以，要想做完此次毕业设计的程序设计，可以分以下几个程序模块：温度收集模块、按键输入模块、显示模块、控制模块、温度报警模块、继电器控制程序设计。4.2 键盘输入模块键盘管理子程序流程如图4-