水溫自動控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計論文

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文</p><p><b>　　水溫自動控制系統(tǒng) </b></p><p>　　院 系： 電子信息工程學(xué)系 </p><p>　　專 業(yè)： 電氣自動化技術(shù) </p><p>　　班 級： </p

2、><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　職稱（或?qū)W位）： </p><p>　　2011年 5 月目 錄</p><p><b>　　1 引言2

3、</b></p><p><b>　　2 方案設(shè)計2</b></p><p>　　2.1 總體系統(tǒng)的設(shè)計思路2</p><p>　　2.2 部分外圍系統(tǒng)的設(shè)計思路3</p><p>　　3 硬件電路設(shè)計3</p><p>　　3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計3</p&

4、gt;<p>　　3.2 溫度檢測電路的設(shè)計與論證4</p><p>　　3.3 顯示功能電路的設(shè)計與論證5</p><p>　　3.4 溫度報警提示功能電路的設(shè)計與論證5</p><p>　　3.5 外圍電路控制設(shè)計6</p><p>　　3.6 擴(kuò)展部分方案設(shè)計7</p><p>

5、<b>　　4 軟件設(shè)計7</b></p><p>　　4.1 控制主程序設(shè)計7</p><p>　　4.2 溫度設(shè)置程序設(shè)計8</p><p>　　4.3 上下限報警程序設(shè)計8</p><p><b>　　5 結(jié)論9</b></p><p><b>

6、;　　結(jié)束語9</b></p><p><b>　　致謝10</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)10</b></p><p><b>　　附錄11</b></p><p><b>　　水溫自動控制系統(tǒng)</b></p>

7、;<p><b>　　鐘野</b></p><p>　?。╔XXX電子信息工程學(xué)系 指導(dǎo)教師：CXJ）</p><p>　　摘要：本文設(shè)計主要是采用AT89C51單片機(jī)為控制核心、以溫度傳感器（DS18B20）為溫度采集元件, 外加溫度設(shè)置電路、溫度采集電路、顯示電路、報警電路和加熱電路來實現(xiàn)對水溫的顯示同時自動檢測及線性化處理,其誤差小于±0

8、.5℃。本文重點介紹硬件設(shè)計方案的論證和選擇，以及各部分功能控制的軟件的設(shè)計。本次設(shè)計的目標(biāo)在于：由單片機(jī)來實現(xiàn)水溫的自動檢測及自動控制，實現(xiàn)設(shè)備的智能化。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機(jī);溫度傳感器;自動控制</p><p>　　Abstract: This paper is designed AT89C51 microcontroller as control core and t

9、emperature sensor DS18B20) for (temperature gathering element, plus the temperature setting circuit, temperature gathering electriccircuit, display circuit, alarm circuit and heating circuit to achieve water temperature

10、display while automatically detecting and linearization, its error is less than 0.5 + ℃. This paper mainly introduces the hardware design argumentation and choice, and some functional control software d</p><p&

11、gt;　　Keywords: Microcontroller; Temperature sensors; Automatic control</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，對生活電器化的要求也越來越高；而電器化層度也越來越趨向于自動控制控制乃至于智能控制。同時隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的快速

12、發(fā)展及其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對電子產(chǎn)品的小型化和智能化要求越來越高，作為高新技術(shù)之一的單片機(jī)以其體積小、價格低、可靠性高、適用范圍大以及本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢，在各個領(lǐng)域、各個行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。</p><p>　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對于生產(chǎn)效率和質(zhì)量的要求也越來越高，溫度、壓力，流量和液位是四種最常見的過程變量，其中溫度是一個非常重要的過程變量，因為它直接影響燃燒、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度

13、、擠壓成形，結(jié)晶以及空氣流動等物理和化學(xué)過程。生活中水溫控制的應(yīng)用十分廣泛，跟人們的生活息息相關(guān)。在此條件下利用溫度傳感器和單片機(jī)設(shè)計水溫控制系統(tǒng)以實現(xiàn)水溫的自動控制及實時顯示，以方便人們生活所需。且單片機(jī)具有處理能力強(qiáng)、運行速度快、功耗低等優(yōu)點，應(yīng)用在溫度測量與控制方面，控制簡單方便，測量范圍廣，精度較高。</p><p>　　本文主要研究以AT89C51芯片作為該水溫自動控制系統(tǒng)的核心，溫度信號由新型的數(shù)字溫

14、度傳感器（DS18B20）或熱電偶提供。通過軟件實現(xiàn)對水溫的控制，使用繼電器作執(zhí)行部件。本文研究若用于低溫設(shè)備（如熱水器）等時，采用以單片機(jī)為控制核心，系統(tǒng)通過新型的數(shù)字溫度傳感器（DS18B20）測得水溫，并送入單片機(jī)，實時顯示當(dāng)前溫度；若用于高溫設(shè)備（如鍋爐）等時，采用以單片機(jī)為控制核心，系統(tǒng)通過傳感器測得水溫，通過A/D轉(zhuǎn)換器將采樣輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機(jī)，并顯示當(dāng)前溫度。</p><p>　　本

15、文的研究成果適用于各類化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾等工藝過程的溫度檢測和控制；同時還可以應(yīng)用于熱水器等小型的生活電器。</p><p><b>　　2 方案設(shè)計</b></p><p>　　2.1 總體系統(tǒng)的設(shè)計思路</p><p>　　通過模塊方案的比較與論證，最終確定的系統(tǒng)組成方框圖如圖1所示。本論文設(shè)計是主要采用AT89C51單片機(jī)

16、芯片來實現(xiàn)溫度采集、信號處理、溫度設(shè)置、溫度顯示和繼電器輸出控制等功能的主要核心芯片。利用數(shù)字溫度計來檢測水溫；采用A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809來實現(xiàn)對溫度計采集到信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理；采用四位共陰LED和按鍵實現(xiàn)溫度的顯示和溫度的設(shè)置功能；采用繼電器來實現(xiàn)間接控制外圍設(shè)備。</p><p>　　圖1 系統(tǒng)組成方框圖</p><p>　　2.2 部分外圍系統(tǒng)的設(shè)計思路</p>

17、;<p>　　本文通過方案比較與論證，最終確定的外圍系統(tǒng)組成方框圖如圖2所示。外圍系統(tǒng)主要是利用數(shù)字溫度計來檢測水溫，并把數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)處理判斷水溫是否穩(wěn)定，是否啟動加熱裝置。加熱部分是由單片機(jī)控制繼電器的輸出部分，并由繼電器間接控制加熱裝置的啟停。</p><p>　　圖2 外圍系統(tǒng)組成方框圖</p><p><b>　　3 硬件電路設(shè)計</b>&

18、lt;/p><p>　　3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　單片機(jī)最小系統(tǒng)是由單片機(jī)芯片AT89C51為核心，由電源部分、復(fù)位電路和晶振電路組成（如圖3所示）。</p><p>　　圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　3.2 溫度檢測電路的設(shè)計與論證</p><p>　　方案一：采用溫度傳感器（D

19、S18B20）芯片來實現(xiàn)水溫的檢測（數(shù)字溫度計檢測電路如圖4所示），且輸出信號為數(shù)字信號。數(shù)字溫度計DS18B20在0℃～100℃時，最大線形偏差小于1℃。最大特點之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計DS18B20和單片機(jī)AT89C52構(gòu)成的溫度測量裝置，它直接輸出溫度的數(shù)字信號。便于單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，此元件線形較好。同時采用AT89C51單片機(jī)控制

20、，軟件編程的自由度大，可通過編程實現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制，而且硬件實現(xiàn)簡單，安裝方便。同時DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器是一種新型的“一線器件”，其體積更小、更適用于多種場合、且適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)。</p><p>　　DS18B20內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號f0，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號f。當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20對f0計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決

21、定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性予以被償。測量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應(yīng)為9位（符號點1位），但因符號位擴(kuò)展成高8位，故以16位被碼形式讀出，表1給出了溫度和數(shù)字量的關(guān)系。</p><p>　　表1 DS18B20溫度/數(shù)據(jù)關(guān)系表</p><p>　　圖4 數(shù)字溫度計檢測電路</p><p>　　方案二：采用熱電偶溫差電路測溫，溫度檢

22、測部分可以使用低溫?zé)崤?，熱電偶由兩個焊接在一起的異金屬導(dǎo)線所組成（熱電偶的構(gòu)成如圖5），熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由兩種金屬的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢組成。通過將參考結(jié)點保持在已知溫度并測量該電壓，便可推斷出檢測結(jié)點的溫度。數(shù)據(jù)采集部分則使用帶有A/D 通道的單片機(jī)，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來。熱電偶的優(yōu)點是工作溫度范圍非常寬，且體積小，還

23、具有抗振動、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點。</p><p>　　圖5 熱電偶電路圖</p><p>　　經(jīng)綜合考慮，本設(shè)計如果應(yīng)用于熱水器等溫度范圍在0℃～+100℃時采用方案一；如果應(yīng)用于鍋爐控制等高溫設(shè)備（最高溫度≥100℃）時，則采用方案二（此方案為擴(kuò)展部分方案）。</p><p>　　3.3 顯示功能電路的設(shè)計與論證</p><p

24、>　　方案一：采用四個LED七段碼共陰極來實現(xiàn)行駛距離和時間的交替顯示，但是此方案需要占用較多的I/O地址端口，考慮到I/O不夠用，同時采用多個LED七段數(shù)碼在制作PCB板時太過繁雜且容易產(chǎn)生干擾。</p><p>　　方案二：采用74LS138和74LS248分別驅(qū)動同一塊四位共陰LED的位選和數(shù)選，這不僅節(jié)省了I/O地址端口，也節(jié)省了單片機(jī)的內(nèi)部空間容量，同時不容易產(chǎn)生干擾（顯示電路如圖6所示）。經(jīng)綜合

25、考慮，本設(shè)計采用方案二。</p><p>　　圖6 顯示功能電路</p><p>　　3.4 溫度報警提示功能電路的設(shè)計與論證</p><p>　　方案一：本設(shè)計的發(fā)揮部分，是加入了報警，如果我們所設(shè)計的系統(tǒng)是監(jiān)控某一設(shè)備的水溫，當(dāng)水的溫度超過我們所設(shè)定的溫度值時，系統(tǒng)會產(chǎn)生報警。報警時由單片機(jī)產(chǎn)生一定頻率的脈沖，由P0.0引腳輸出，P0.0外接一只NPN的三極

26、管來驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，以便操作員來維護(hù)，從而達(dá)到報警的目的。此方案能完成聲光提示功能，給人以提示的可懂性比較差，但在一定程度上能滿足要求，而且易于實現(xiàn)，成本也不高（報警提示電路如圖7所示）。</p><p>　　方案二：采用DS1420可分段錄放音模塊，能夠給人以直觀的提示，但DS1420錄放音模塊價格比較高，也可以采用此方案來處理，但方案二性價比不如方案一，且在短時間內(nèi)不能夠采購到到該元件。綜合考慮，本設(shè)計采

27、用方案一。</p><p>　　圖7 溫度報警提示電路</p><p>　　3.5 外圍電路控制設(shè)計</p><p>　　本部分設(shè)計根據(jù)溫度傳感器檢測到的水溫信號通過處理后，由AT89C51單片機(jī)判斷是否進(jìn)行加熱還是降溫或者穩(wěn)定不變。</p><p>　　模式一：對于單相加熱裝置，若要加熱則采用AT89C51的輸出引腳端接5V中間繼電器的

28、線圈，由單片機(jī)產(chǎn)生的相對應(yīng)的脈沖信號來接通5V中間繼電器的線圈，同時使中間繼電器的常開觸點閉合，接通外圍電路220V電壓并控制外圍單相加熱裝置工作（如圖8所示）。</p><p>　　圖8 單相加熱裝置電路圖</p><p>　　模式二：對于三相加熱裝置，若要加熱則采用AT89C51的輸出引腳端接5V中間繼電器的線圈，由單片機(jī)產(chǎn)生的相對應(yīng)的脈沖信號來接通5V中間繼電器的線圈，再由中繼電器

29、的常開觸點去控制主接觸器的線圈，接通外圍電路380V電壓并控制外圍三相加熱裝置工作（如圖9所示）。</p><p>　　圖9 三相加熱裝置電路圖</p><p>　　3.6 擴(kuò)展部分方案設(shè)計</p><p>　　本部分設(shè)計主要是應(yīng)用于鍋爐控制等高溫設(shè)備（最高溫度≥100℃）時，采用A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809來實現(xiàn)對溫度計采集到信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理（如圖10所示）

30、。而溫度檢測電路，則采用溫度檢測電路中的方案二，即采用熱電偶溫差電路測溫。對于ADC0809轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送，本設(shè)計將采用中斷方式進(jìn)行，即轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，確定轉(zhuǎn)換完成以中斷方式通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，首先送出口地址并以信號有效時，OE信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接受，再由單片機(jī)進(jìn)行處理。</p><p>　　圖10 A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>

31、;<b>　　4 軟件設(shè)計</b></p><p>　　4.1 控制主程序設(shè)計</p><p>　　控制程序啟動后程序進(jìn)入5S的倒計時狀態(tài)，并開啟四位數(shù)碼顯示工作；5S倒計時結(jié)束后程序開始運行，首先程序先判斷是否運行溫度設(shè)置程序，否則運行正常的溫度檢測、上下限報警及外圍電路控制程序。即由溫度傳感器DS18B20檢測水溫，再通過單片機(jī)對檢測信號進(jìn)行處理，并對實際溫度和

32、設(shè)定溫度進(jìn)行比較，判斷是否達(dá)到上下限報警要求，把結(jié)果傳送至顯示部分并調(diào)用顯示子程序顯示，同時判斷是否啟動加熱功能，是則控制繼電器輸出控制外圍設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的工作；否則系統(tǒng)進(jìn)入恒溫控制狀態(tài)。完成后進(jìn)入下一個掃描周期。</p><p>　　圖11 單片機(jī)主程序流程圖</p><p>　　4.2 溫度設(shè)置程序設(shè)計</p><p>　　程序進(jìn)入溫度設(shè)置狀態(tài)后,程序會檢測判

33、斷片選鍵是否按下，否則片選閃爍并進(jìn)入位選檢測狀態(tài)；是則片選位閃爍并使累加器加1，判斷是否為4（片選總位數(shù)）若是返回重新檢測判斷片選鍵是否按下，若否把累加器的值賦值給片選存儲器，同時進(jìn)入位選檢測狀態(tài)。程序進(jìn)入位選狀態(tài)后，等待10S并檢測判斷位選鍵是否按下，否則子程序返回；是則進(jìn)入位選狀態(tài)并使累回器加1，再對累加器的數(shù)據(jù)進(jìn)入十進(jìn)制調(diào)整，同時賦值給設(shè)定值存儲器及顯示存儲器，結(jié)束子程序并返回。</p><p>　　圖12

34、 溫度設(shè)置子程序流程圖</p><p>　　4.3 上下限報警程序設(shè)計</p><p>　　程序運行后，溫度傳感器DS18B20檢測水溫，通過單片機(jī)對檢測信號進(jìn)行處理，并對實際溫度和設(shè)定溫度進(jìn)行比較，判斷實際溫度是否小于設(shè)定值？是則進(jìn)行下限報警并啟動外圍加熱電路；否則判斷實際溫度是否大于設(shè)定值？是則進(jìn)行上限報警并降溫，同時子程序返回；否則進(jìn)行恒溫控制，同時子程序返回。</p>

35、;<p>　　圖13 上下限報警子程序流程圖</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　本設(shè)計利用單片機(jī)低功耗、處理能力強(qiáng)的特點，使用單片機(jī)作為主控制器，對環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)控。其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性較高，大大地提高了溫度控制的智能性，易用性及節(jié)能性等主要性能指標(biāo)，給我們的生活帶來舒適和方便的同時，也極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，具有很

36、好的實用價值和發(fā)展前景。</p><p>　　基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計立足于單片機(jī)的小巧靈活、易于產(chǎn)品化、安全可靠。所以與傳統(tǒng)的水溫控制系統(tǒng)相比基于單片機(jī)的水溫控制更經(jīng)濟(jì)、更可靠、精度更高，滿足了人們對于生活消費類電子產(chǎn)品的需求。這次畢業(yè)設(shè)計通過對它的學(xué)習(xí)、應(yīng)用，感受很深刻。從認(rèn)識書本上到實際的具體應(yīng)用上，我經(jīng)歷了一段不少的時間來認(rèn)識和學(xué)習(xí)單片機(jī)。本論文是以80C51為載體，以其他輔助電路為依托，設(shè)計的一個靠

37、單片機(jī)控制的水溫系統(tǒng)。整個體系操作簡單明了，通過電源模塊、主控模塊、顯示模塊、警示模塊、外圍電路模塊等將系統(tǒng)成功運行。但是在編程的同時發(fā)現(xiàn)自己的知識很有限，而且在硬件設(shè)計上自己還是存在太多的不足，再此很希望自己在今后的求知道路上繼續(xù)努力加油！</p><p>　　在設(shè)計過程中，我通過請教老師、查閱相關(guān)資料和與多位同學(xué)交流合作等方式，使自己充實了許多。雖然歷程艱辛，但收獲同樣巨大。在整個項目開發(fā)過程中我懂得了許多東

38、西，也培養(yǎng)了我獨立思考、工作的能力，而且大大提高了動手能力，使我充分體會到了探索中的艱難和成功的喜悅。相信會對今后的學(xué)習(xí)工作生活都有重要影響。雖然這個項目還不是很完善，比如在硬件設(shè)計、軟件方面等都存在很多不足之處。但是在設(shè)計過程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計的最大收獲和財富，使我終身受益。</p><p><b>　　結(jié)束語:</b></p><p>　　光陰似箭，日月

39、如梭，不知不覺之中即將告別大學(xué)生涯，心中頓時泛起美好的回憶，在這畢業(yè)離校之際，美麗的校園令我充滿無限的眷戀。我的畢業(yè)論文讓陳老師花費大量的心血，在此感謝老師在各方面的耐心指導(dǎo)與幫助；同時我還要感謝其他老師和同學(xué)的熱心幫助與支持。感激之情無以言表，只能在日后的工作和學(xué)習(xí)中踏實做人、勤奮做事，做出一番成績來回報他對我的恩惠。在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下，同學(xué)的互幫互助和深厚友誼更是賜予了我大學(xué)生活不可磨滅的記憶。在這三年中，我收獲快樂并且成長，更是讓我感

40、受在高壓的工作下得到幫助的力量，以及工作被認(rèn)可和受到贊賞的成就感。</p><p>　　在畢業(yè)前最后的時光，仍舊要感謝我生命中出現(xiàn)的那些十分重要的師姐師兄、師弟師妹們，以及我結(jié)識的朋友們。他們不僅在學(xué)術(shù)上給予我指點，同時也是我生活中一起同行的人，在交往的過程中我們建立信任、彼此鼓勵、互相支持與幫助。</p><p>　　當(dāng)然，在我求學(xué)期間，還要感謝我深愛的父母親一直以來對我無怨無悔的付出、

41、支持、關(guān)愛、尊重和信任，在我學(xué)習(xí)、生活、感情、工作上遇到困難時，是您們幫我抵御風(fēng)霜，謝謝您們。我是幸運而幸福的，我知足并且義無反顧的在大家的關(guān)愛下堅持自己的信念和理想一路前行。</p><p><b>　　致謝:</b></p><p>　　通過這一階段的努力，我的畢業(yè)論文《 水溫自動控制系統(tǒng)》終于完成了，這意味著大學(xué)生活即將結(jié)束。在大學(xué)階段，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受

42、益非淺，這除了自身的努力外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵是分不開的。在本論文的寫作過程中，我的導(dǎo)師傾注了大量的心血，從選題到開題報告，從寫作提綱，到一遍又一遍地指出每稿中的具體問題，嚴(yán)格把關(guān)，循循善誘，在此我表示衷心感謝。同時我還要感謝在我學(xué)習(xí)期間給我極大關(guān)心和支持的各位老師以及關(guān)心我的同學(xué)和朋友。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn):</b></p><

43、;p>　　[1] 婁建忠，李彥波，王永青，孫榮霞，郭寶增．水溫控制系統(tǒng)[J]．河北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2001，（04）．</p><p>　　[2] 侯志林．過程控制與自動化儀表[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：15-26．</p><p>　　[3] 趙麗娟，邵欣．基于單片機(jī)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．機(jī)械制造，2006，(01)．</p><