水温控制器设计

电气工程学院电气工程学院 单片机原理及应用课程设计 专专 业业 自动化 设计题目设计题目 水温控制器设计 班级班级 学生姓名学生姓名 学号学号 指导教师指导教师 分院院长分院院长 教研室主任教研室主任 一 课程设计任务书一 课程设计任务书 1 课程设计项目课程设计项目 水温控制器设计 2 设计内容设计内容 1 设计题目总体设计方案 2 硬件电路设计 3 C语言程序编制与调试 4 电路系统的综合调试 5 撰写课程设计论文 6 完成课程设计论文答辩 3 设计要求设计要求 使用热敏电阻作为温度传感器 用电加热棒作为热源 对一杯水进行恒 温控制 用4位数码管显示被测温度 用4个键进行参数设定 温度控制范围30 100 精度误差小于0 5 采用区间控制方式 用键盘设定温度的上 下限 当温度大于上限时 停止加热 当温度小于下限时开始加热 4个功能键K1 K4的功能分配可以自行定义 也可参照如下方式定义 K1 功能键 每按下一次 在前2位LED上显示要设定的功能 K2 移位键 每按下一次向后移一位 K3 加1键 K4 减1键 4 参考资料 参考资料 1 李广弟 朱月秀 王秀山编著 单片机基础 北京 北京航空航天大学出版社 2001 2 何立民编著 MCS 51 系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术 北 京 北京航空航天大学出版社 1999 3 蔡美琴等编著 MCS 51 单片机系统及应用 北京 高等教育出版社 1992 5 设计进度 设计进度 2011年年6月月13日至日至2011年年6月月24日 日 时间时间设计内容设计内容 第1 2天查阅资料 方案比较 设计与论 证 理论分析与计算 第3 5天硬件电路调试 第6 8天系统调试 第9 10天书写报告 答辩 6 设计地点设计地点 新实验楼323微机实验室 二 评语及成绩二 评语及成绩 评分 项目 评分标准 量化 分数 1 理论分 析计算 能力 很 强 较 强 一 般 较 差 不 行 20 2 仿真设 计能力 很 强 较 强 一 般 较 差 不 行 20 3 硬件设 计能力 很 强 较 强 一 般 较 差 不 行 20 4 设计报 告规范 程度 规 范 整 洁 正 确 杂 乱 有 错 误 20 5 设计态 度 积 极 主 动 比 较 认 真 应 付 不 认 真 10 6 出勤情 况 全勤 缺勤 次数 10 附加 评语 量化总分 成绩 指导教师 单片机原理及 应用课程设计 班 级 自动化 姓 名 学 号 指导教师 撰写日期 2012 6 13 目录 目目 录录 第一章 课程设计内容与要求分析 1 1 1 课程设计要求 1 1 2 课程设计实验内容 1 1 3 硬件原理图 2 1 4 整体设计方案 4 1 41 芯片选择 5 1 42 温度检测 5 1 43 A D 转换电路 5 1 44 键盘输入 6 1 45 LED 显示 6 1 46 控制电路 6 1 47 系统软件设计方案 7 第二章 控制系统程序设计 8 2 1 控制系统程序设计 8 2 2 继电器功能简介 8 2 3 数码管功能简介 9 第三章 硬件电路下载及调试 10 3 1 硬件操作如下 10 课程设计心得体会 13 参考文献 14 附录 15 第一章 课程设计内容与要求分析 1 第一章第一章 课程设计内容与要求分析课程设计内容与要求分析 1 1 课程设计课程设计要求要求 使用热敏电阻作为温度传感器 用电加热棒作为热源 对一杯水进行 恒温控制 用 4 位数码管显示被测温度 用 4 个键进行参数设定 温度控制范围 30 100 精度误差小于 0 5 采用区间控制方式 用键盘设定温度的上下限 当温度大于上限时 停止加热 当温度小于下限时开始加热 3 个功能键 K2 K4 的功能分配可以自行定义 也可参照如下方式定 义 K2 功能键 每按下一次 在前 2 位 LED 上显示要设定的功能 K3 移位键 每按下一次 向后移一位 K4 加 1 键 1 2课程设计课程设计实验内容实验内容 本题目使用 5KNTC 型热敏电阻作为温度传感器 5K 是热敏电阻在 25 摄氏度时的阻值 NTC 是 Negative Temperature Coefficient 的缩写 意 思是负的温度系数 泛指温度系数很大的半导体材料或元器件 所谓 NTC 温度传感器就是负温度系数温度传感器 部分热敏电阻阻温特性见表 1 1 表 1 1 第一章 课程设计内容与要求分析 2 1 3 硬件原理图硬件原理图 加热控制电路原理图 图 1 1 图 1 2 采用 STC12C56010AD 单片机 STC12C5619AD 采用 MCS 51 的内核 指 第一章 课程设计内容与要求分析 3 令和 MCS 51 完全兼容 内部集成 8 路 10 位 A D 转换器 采用 28 脚封装 形式 本设计用 P1 0 A D0 通道 做温度检测 用 P1 3 做控制输出 控制 输出采用继电器控制方式 当继电器动作加热器开始加热 显示电路如图 1 2 所示 也是用 74LS164 做并行输出扩展 74LS164 的 CLK 接 P3 1 TXD 数据输入端接 P3 0 RXD P1 4 P1 7 作选位 键盘电路如图 1 3 所示 P3 7 K2 P2 7 K3 P2 6 K2 图 1 3 第一章 课程设计内容与要求分析 4 图 1 4 1 4整体设计方案整体设计方案 单片机应用系统的硬件电路设计就是为本单片机温控系统选择合适的 最优的系统配 置 即按照系统功能要求配置外围设备 如键盘 显示器 打印机 A D 转换器 设计合适的接口电路等 系统设计应本着以下原则 尽可能选择典型电路 并符合单片机常规用法 本设计采用了典型的 显示电路 A D 转化电路 为硬件系统的标准化 模块化打下良好的基础 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑 软件能实现的功能尽可能由 软件实现 以简化硬件结构 由软件实现的硬件功能 一般响应时间比硬 件实现长 且占用 CPU 时间 由于本设计的响应时间要求不高 所以有一 些功能可以用软件编程实现 如键盘的去抖动问题 系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配 系统中所有芯片都应尽可 能选择低功耗产品 本系统的硬件电路主要包括模拟部分和数字部分 从功能模块上来分 有主机电路 数据采集电路 键盘显示电路 控制执行电路 系统硬件包 括 温度传感器 信号调理电路 A D 转换器件 MCS 51 单片机 键盘 第一章 课程设计内容与要求分析 5 输入 LED 温度显示器 温度控制电路 1 411 41 芯片选择芯片选择 单片机就是在一块硅片上集成了微处理器 存储器和各种输入输出接 口电路的微型计算机 简称单片机 单片机以其较高的性能价格比受到了 人们的重视和关注 它的优点就是体积小 重量轻 抗干扰能力强 对环 境要求不高 价格低廉 可靠性高 灵活性好 开发较为容易 单片机根 据其基本操作处理的位数可分为 4 8 16 32 位单片机 应用最为广泛 的是八位单片机 根据本次设计的实际情况和要求 在本次设计中采用 AT89C51 作为系统的控制芯片 AT89C51 是一种低功耗 高性能 CMOS 8 位 微控制器 具有 4K 的系统可编程 Flash 存储器 使用 Atmel 公司高密度 非易失性存储器技术制造 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程 亦适于常规编程器 1 421 42 温度检测温度检测 本课题设计的温度控制范围为 25 80 摄氏度 温度传感器采用采用 AD590 半导体集成温度传感器 A D590 具有较高的精度和重复性 不需辅 助电源 线性好 使用方便 便于微机系统测控 被测温度信号为一路由 AD590 测得的代表温度的电压信号 经温度调理电路放大后使其在 0 5V 范 围内 使其适合于 A D 转换器的输入电压范围 1 431 43A DA D 转换电路转换电路 A D 转换电路的种类很多 例如 计数比较型 逐次逼近型 双积分 型等等 选择 A D 转换器件主要从转换速度 精度和价格上考虑 逐次逼 近型 A D 转换器 在精度 速度和价格上都比较适中 是最常用的 A D 转 换器 双积分 A D 转换器 具有精度高 抗干扰性好 价格低廉等优点 但转换速度慢 近年来在微机应用领域中也得到了广泛的应用 本次设计 第一章 课程设计内容与要求分析 6 采用八路模拟输入通道的逐次逼近型的八位 A D 转换器 ADC0809 采用 ADC0809 作为与单片机的接口电路 它的结构比较简单 转换速度较高 采用 ADC0809 作为 A D 转换器具有与单片机连接简单的优点 它是八位的 转换器可以与八位的单片机直接连接 这样就简化了系统的连接电路也有 利于系统软件的编写 1 441 44 键盘输入键盘输入 键盘可分为编码式键盘和非编码式键盘 键盘上闭合键的识别由专用 的硬件译码器实现 并产生键编号和键值的称为编码式键盘 靠软件识别 的为非编码式键盘 在单片机组成的测控系统中 用得最多的是非编码键 盘 在这里采用的就是非编码式键盘 键盘的连接方式采用独立连接式 这种连接方式能够简化程序的编写 1 451 45LEDLED 显示显示 在单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器 LED 和液晶显示器 LCD 采用 LED 作为系统的数据显示器具有价格低 性能 稳定和响应速度快等特点 LED 显示方式有静态显示 动态显示和串口显 示 为了节省系统本身的硬件资源 在这里 LED 的显示方式采用串行静态 显示方式 利用串口可以工作在移位寄存器方式 驱动 LED 静态显示 这 样就可以充分的利用并行口 并将并行口用到最需要的地方去 同时主程 序不需要扫描显示器 使 它有更多的时间处理其他事情 这种显示方法用于显示位数少 显示 亮度大的地方能够达到很好的显示效果 1 461 46 控制电路控制电路 控制电路作为单片机系统的后向通道 他是将单片机处理后的数字控 第一章 课程设计内容与要求分析 7 制信号用输出口输出 并将该数字信号用于对控制对象的控制 由于单片 机的输出信号电平很低 无法直接驱动外围设备进行工作 因此在单片机 的后向通道中需要外围设备的驱动 信号电平的转换以及隔离放大等技术 本次设计采用继电器作为控制电路的主要器件 通过继电器可以实现直流 信号控制交流负载的功能 从而实现单片机系统的控制功能 1 471 47 系统软件设计方案系统软件设计方案 系统的软件设计采用模块化设计 采用模块化设计可以简化系统软件 的编写 使软件编写思路更加简单明了 系统软件主要由三大模块组成 主程序模块 功能实现模块和运算控制模块 主程序模块用于实现各个子 程序间的跳转 功能实现模块主要由 A D 转换子程序 键盘处理子程序 显示子程序 继电器控制程序等部分组成 运算控制模块涉及标度转换子 程序等 第二章 控制系统程序设计 8 第二章第二章 控制系统程序设计控制系统程序设计 2 1 控制系统程序设计控制系统程序设计 主程序 主程序的主要功能是负责温度的实时显示 读出并处理 DS18B20 的测 量的当前温度值 温度测量每 1s 进行一次 这样可以在一秒之内测量一 次被测温度 其程序流程见图 3 所示 读出温度子程序 读出温度子程序的主要功能是读出 RAM 中的 9 字节 在读出时需进行 CRC 校验 校验有错时不进行温度数据的改写 温度转换命令子程序 温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令 当采用 12 位分辨 率时转换时间约为 750ms 在本程序设计中采用 1s 显示程序延时法等待转 换的完成 计算温度子程序 计算温度子程序将 RAM 中读取值进行 BCD 码的转换运算 并进行温度 值正负的判定 显示数据刷新子程序 显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作 当最高显示位为 0 时将符号显示位移入下一位 时钟显示子程序 2 2 继电器功能简介继电器功能简介 继电器是一种电控制器件 它具有控制系统 又称输入回路 和被控 制系统 又称输出回路 之间的互动关系 通常应用于自动化的控制电路 中 它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种 自动开关 故在电 第二章 控制系统程序设计 9 路中起着自动调节 安全保护 转换电路等作用 当输入量 如电压 电流 温度等 达到规定值时 继电器所控制的 输出电路导通或断开 输入量可分为电气量 如电流 电压 频率 功率等 及非电气量 如温度 压力 速度等 两大类 继电器具有动作快 工作稳定 使用寿命长 体积小等优点 广泛应 用于电力保护 自动化 运动 遥控 测量和通信等装置中 2 3 数码管功能简介数码管功能简介 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管 八段数码管比七段数码 管多一个发光二极管单元 多一个小数点显示 按能显示多少个 8 可 分为 1 位 2 位 4 位等等数码管 课程设计心得体会 10 第三章第三章 硬件电路下载及调试硬件电路下载及调试 3 1 硬件操作如下硬件操作如下 下载完程序之后 可以参照三个功能键进行调试 K2 功能键 每按下一次 在前 2 位 LED 上显示要设定的功能 K3 移位键 每按下一次 向后移一位 K4 加 1 键 图 3 1 课程设计心得体会 11 图 3 2 图 3 3 课程设计心得体会 12 图 3 4 图 3 5 课程设计心得体会 13 课程设计心得体会课程设计心得体会 通过本次的课程设计对 PROTEUS 的功能又多了些了解 同时也较为熟 悉的掌握了 C 这门语言 一开始的时候遇到了不少小问题 后来多和同学 讨论 多看看书 理论联系实践 许多问题就迎刃而解了 在本次的课程 设计中觉得应该注意程序的设计 虽然不是很难 但很多细小的问题需要 认真的对待 稍有不注意问题就会在具体的应用程序调试过程中出现 这 要求在实践的过程中除了要了塌实的理论知识还要细心 有耐心 当然在 本次的设计过程中还出现了其他不少的问题 问题随着设计思想的深入而 不断变化 不断的产生新问题 而在这过程中不断的解决问题 正是在这 一过程中 加深了对原理的认识 完善了设计思想 使我们分析问题解决 问题的能力得到进一步的加强 林彦平 2012 年 6 月 13 日 参考文献 14 参考文献参考文献 1 李广弟 朱月秀 王秀山编著 单片机基础 北京 北京航空航天大学出版社 2001 2 何立民编著 MCS 51 系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术 北京 北京航 空航天大学出版社 1999 3 蔡美琴等编著 MCS 51 单片机系统及应用 北京 高等教育出版社 1992 附录 15 附录附录 文件名称 作 者 林彦平 版 本 1 0 说 明 C51 数据类型 修改记录 2012 6 20 include define uchar unsigned char define uint unsigned int uchar code LED Val 0XC0 0XF9 0XA4 0XB0 0X99 0X92 0X82 0XF8 0X80 0X98 uchar data led point 2 0 xf7 0 xfb uchar code channel 0 x00 0 x01 0 x02 0 x03 0 x04 0 x05 0 x06 0 x07 uchar data num 2 void delay ms uint x void ad init int getad uchar channel float ad av uchar channel void Disp uint disp value void Bcd uint bcd value sbit Keyadd P3 7 sbit Keydec P2 7 sbit Keyfunc P2 6 sbit key P1 3 uchar FunctionFlag uchar count 0 uchar Key func void Relay 函数名称 Disp 函数功能 显示 入口参数 void 出口参数 void 附录 16 备注 无 void Disp uint disp value uchar i Bcd disp value for i 0 i0 j 函数名称 ad init