基于单片机的水温控制系统课程设计(终稿)

1、1水温自动控制系统概述12设计任务与要求12. 1设计任务12. 2设计要求13系统设计原理24方案论证241总体方案论证与比较24.2各部分电路方案论证35硬件电路设计与计算45.1温度采样和转换电路45.2温度控制电路65. 3单片机控制部分65. 4键盘及数字显示部分76参考文献8水温自动控制系统设计1水温自动控制系统概述温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在h常生活中都起着非常重要的 作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源 的巨大浪费。特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对 水温的控制，把身边的水资源好好地利用起来。在现代冶金、石油

2、、化工及电力生产过程中，温度是极为重耍而又普遍的热 工参数之一。在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程止常安全地进 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，要求对加热 炉炉温进行测、显示、控制，使之达到工艺标准，以单片机为核心设计的炉温控 制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控 制。那么无论是哪种控制，我们都希望水温控制系统能够有很高的精确度（起码 是在满足我们要求的范围内），帮助我们实现我们想要的控制，解决身边的问题。在计算机没有发明之前，这些控制都是我们难以想象的。而当今，随着电 子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进

3、，而且计算机和传感器 的价格也h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。用高新技术来解决工业生产问题， 排除生活用水问题实施对水温的控制已成为我们电子行业的任务，以此来加强工 业化建设，提高人民的生活水平。2设计任务与要求2.1设计任务设计一个能对水温进行自动调节的自动控制系统。2.2设计要求（1）通过设计，能独立地查找资料，广泛阅读有关参考文献；（2）设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，容器为扼 瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控 制，以保持设定的温度基本不变；（3）温度设定范围

4、为3585°c,最小区分度为1°c,标定温度w1°c,环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差w1 °c；（4）软件调试：要求操作方便，调试成功并且可靠性高。3系统设计原理传感器信号放大 a/d电炉功率放大键盘单片机基本系统键盘显不微型打印机图2-1单片机控制系统原理框图该水温控制系统主要由at89c51单片机控制系统、前向通道（温度采样转换 电路）、后向通道（温度控制电路）、键盘显示电路等四部分组成，其总体设计框 图如上图所示。4方案论证4.1总体方案论证与比较本题目是设计制作一个水温控制系统，对象为一升净水，加热器为1kw的电 炉。要求能

5、在35°c-95°c范围内设定控制水温，并具有较好的快速性和较小的 超调，以及十进制数码管显示等功能。根据题目的要求，我们提出了以下的两种方案：方案1：此方案是采用传统的二位模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器 设定给定值，采用上下限比较电路将反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定 加热或者不加热。由于采用模拟控制方式，系统受环境的影响大，不能实现复杂 的控制算法使控制精度做得教高，而且不能用数码显示和键盘设定。方案2：采用单片机at89c51为核心。采用了温度传感器ad590采集温度变 化信号，a/d采样芯片adc0804将其转换成数字信号并通过单片机处理后去控制 温度，

6、使其达到稳定。使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简 单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具 有控制精度高的特点。比较上述两种方案，方案2明显的改善了方案1的不足及 缺点，并具有控制简单、控制温度精度高的特点，因此本设计电路采用方案2。4.2各部分电路方案论证本电路以单片机为基础核心，系统由前向通道模块、后向控制模块、系统主 模块及键盘显示摸块等四大模块组成。现将各部分主要元件及电路做以下的论 证：(1) 温度采样部分方案1：采用热敏电阻，可满足35°c-95°c的测量范围，但热敏电阻精度、 重复性和可靠性都比较差，对于检测精度小

7、于1°c的温度信号是不适用的。方案2：采用温度传感器ad590o： ad590具有体积小、质量轻、线形度好、 性能稳定等优点。其测量范围在-50°c +150°c,满刻度范围误差为土0. 3°c, 当电源电压在510v之间，稳定度为1%时，误差只有土o.orc,其各方面特 性都满足此系统的设计要求。此外ad590是温度-电流传感器，对于提高系统抗 干扰能力有很大的帮助。经上述比较，方案2明显优于方案1,故选用方案2。(2) 键盘显示部分控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，所以此部分电路设计 的好坏直接影响到电路的好坏。方案1：采用可编程控制器

8、8279与数码管及地址译码器74ls138组成，可 编程/显示器件8279实现对按键的扫描、消除抖动、提供led的显示信号，并对 led显示控制。用8279和键盘组成的人机控制平台，能够方便的进行控制单片 机的输出。方案2：采用单片机at2051与地址译码器74ls138组成控制和扫描系统， 并用2051的串口对主电路的单片机进行通信，这种方案既能很好的控制键盘及 显示，又为主单片机大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，价格便宜的 特点。对比两种方案可知，方案1虽然也能很好的实现电路的要求，但考虑到电路 设计的成本和电路整体的性能，我们采用方案2。(3) 控制电路部分方案1：采用8031芯

9、片，其内部没有程序存储器，需要进行外部扩展,给电路增加了复杂度。方案2：本方案的cpu模块采用2051芯片,其内部有2kb单元的程序存储 器，不需外部扩展程序存储器。但由于系统用到较多的i/o 口，因此此芯片资源 不够用。方案3：采用at89c51单片机，其内部有8kb单元的程序存储器，不需外部 扩展程序存储器，而且它的i/o 口也足够本次设计的要求。比较这3种方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用方案3o 设计电路图如图2-2所示：1.7q 5 4 3 2 j p p p p p p104 匸 j26a76j27333436373822222222 oooooooo p p pp

10、pppp pppppppp1d2:l-74ls07moc3041t1 7p /inti /intoresetxtal2丄r244 7k曲d6声425089c51xktal1/eagndvcc图2-2at89c51单片机原理图ojolu5硬件电路设计与计算本电路总体设计包括四部分：主机控制部分（89c51）、前向通道（温度采样 和转换电路）、后向通道（温度控制电路）、键盘显示部分。5. 1温度采样和转换电路系统的信号釆样和转换电路主要由温度传感器ad590、基准电压7812、运算 放大器0p-07及a/d转换电路adc0804四部分组成。设计电路图如图3-1所示：(1) ad590性能描述测量范

11、围在-50°c+150°c,满刻度范围误差为土0. 3°c,当电源电压在5 10v之间，稳定度为1%时，误差只有土o.orc o ad590为电流型传感器温度 每变化1°c其电流变化lua在35°c和95°c时输出电流分别为30& 2ua和 368. 2ua0(2) 基准电压7812提供12v标准电压，它与运算放大器0p-07和电阻组成信 号转换与放大电路，将35°c95°c的温度转换为05v的电压信号。(3) adc0804性能描述adc0804为8位逐次逼近型a/d转换器，其输入电压范围在05v,转换速

12、 度为loous,转换精度为0.39%,对应误差为0.234c。满足系统的要求。(4) 电路原理及参数计算温度采样电路的基本原理是采用电流型温度传感器ad590将温度的变化量 转换成电流量，再通过0p-07将电流量转换成电压量，通过a/d转换器adc0804 将其转换成数值量交由单片机处理。图3-1中三端稳压7812作为基准电压，由运 放虚短虚断可知运放0p-07的反向输入端口(2脚)的电压为零伏。当输出电压 为零伏时(即uo=ov),令7812的输出电压为必二12v, 0p-07的2脚处为a点, ad590的转换电流为1八列出a点的结点方程如下：= (1)r+/?2由于系统控制的水温范阖为3

13、5°c-95°c,所以当输出电压为零伏时ad590的 输出电流为30& 2ua,因此为了使从的电位为零就必须使电流 等于电流等于 3082ua,三端稳压7812的输出电压为12v所以由方程得12%08 2臥=38- 94k（2）由（2）取电阻r尸30k , r2二20k的电位器。乂由于adc0804的输入电压范围为05v ,为了提高精度所以令水温为95°c时adc0804的输入电压为5v （即uo=5v）o此时列出a点的结点方程如下:+rfl+r2(3)+ 308.2 ua = 368.2ua比+r产83.33k当水温为95°c吋ad590的输出

14、电流为368. 2uao由方程式（3）得 r3 + r4=83. 33k因此取比二81k , r4二5k的电位器。5.2温度控制电路此部分电路主要由光电耦合器m0c3041和双向可控硅bta12组成。采用脉宽 调制输出控制电炉与电源的接通和断开比例，以通断控制调压法控制电炉的输入 功率。m0c3041光电耦合器的耐压值为400v,它的输出级由过零触发的双向可控 硅构成，它控制着主电路双向可控硅的导通和关闭。100q电阻与0. oluf电容组 成双向可控硅保护电路。控制部分电路图如图3-2所示：图3-2温度控制电路原理图5.3单片机控制部分此部分是电路的核心部分，系统的控制采用了单片机at89c

15、51o单片机at89c51内部有8kb单元的程序存储器及256字节的数据存储器。因此系统不必扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。电路原理图如图3-3所示：2051?vcc2019 is171615141312clc2ihcap3333ocmrfsresvccrxdpl.7txdpl.6x2pl.5xipl 4fntopl.3intipl.2topl.lt1p1.0gndp3.72at89c2051112工了 r9 res2图3-3 单片机控制电路部分原理图5. 4键盘及数字显示部分在设计键盘/显示电路时，我们使用单片机2051作为电路控制的核心，单片 机2051具有一个

16、全双工的串行口采用吊口，利用此吊行口能够方便的实现系统 的控制和显示功能。键盘/显示接口屯路如图3-4所示55vccvccvccvccai图3-4键盘/显示部分电路图3-4中单片机2051的p1 口接数码管的8只引脚，这样易于对数码管的 译码，使数码管能显示设计者所需的各数值、符号等等。单片机2051的p3.3、 p3.4、p3.5接3-8译码器74l138,译码器的输出端直接接八个数码管的控制端 和键盘，键盘扫描和显示器扫描同用端口这样能大大的减少单片机的i/o, 减少硬件的花费。键盘的接法的差别直接彫响到硬件和软件的设计，考虑到单片 机2051的端口资源有限，所以我们在设计屮将传统的4*4的键盘接成8*2的形 式(如图3-4),键盘的扫描除了和显示共用的8个端外，另外的两个端直接和 2051 的 p3.2 和 p3.7 相连。u?图3-5译码显示部分如图3-5的接法已经完全用完了单片机的15个i/o 口，有效的利用了单片