基于AT89C51单片机的水温控制系统设计.doc
《基于AT89C51单片机的水温控制系统设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于AT89C51单片机的水温控制系统设计.doc(25页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、1 引 言1.1 单片机1.1.1 单片机简介单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片微型计算机简称单片机,是典型的嵌入式微控制器(Microcontroller Unit),常用英文字母的缩写MCU表示单片机,它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片
2、中,使计算机系统更小更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机,和计算机相比,单片机只缺少了I/O设备。概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。1.1.2 单片机应用 目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置,飞机上
3、各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机,摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域12课题研究的目和意义随着社会的发展,科技的进步,以及测温仪器在各个领域的应用,智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。特别是近年来,温度
4、控制系统已应用到人们生活的各个方面,但温度控制一直是一个未开发的领域,却又是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况,设计一个温度控制系统,具有广泛的应用前景与实际意义。温度是生活及生产中最基本的物理量,它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理化学过程都紧密的与温度相关系。在很多生产过程中,温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此,温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。在实际的生产实验环境下,由于系统内部与外界的热交换是难以控制的,其他热源的干扰也是无法精确计算的,因此温度量的变化往往受到不可预测的外界环
5、境扰动的影响。为了使系统与外界的能量交换尽可能的符合人们的要求,就需要采取其他手段来达到这样一个绝热的目的,例如可以让目标系统外部环境的温度与其内部温度同步变化。根据热力学第二定律,两个温度相同的系统之间是达到热平衡的,这样利用一个与目标系统温度同步的隔离层,就可以把目标系统与外界进行热隔离。另外,在大部分实际的环境中,增温要比降温方便的多。因此,对温度的控制精度要求比较高的情况下,是不允许出现过冲现象的,即不允许实际温度超过控制的目标温度。特别是隔热效果很好的环境,温度一旦出现过冲,将难以很快把温度降下来。这是因为很多应用中只有加热环节,而没有冷却的装置。同样道理,对于只有冷却没有加热环节的
6、应用中,实际温度低于控制的目标温度,对控制效果的影响也是很大的。没有合适的温度环境,许多电子设备就不能正常工作,粮仓的储粮就会变质霉烂,酒类的品质就没有保障。因此,各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见,温度的测量和控制是非常重要的。在现代化的工业生产中,电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如:在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中,人们都需要对各类温度进行检测和控制。采用AT89C51单片机来对温度进行控制,不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而能够大大提高产品的质量和数量。单
7、片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点,为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件,在工业生产中称为必不可少的器件,尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。因此,单片机对温度的控制问题是生产中经常会遇到的问题。本论文以上述问题为出发点,设计实现了温度实时测量、显示、控制系统。本设计方案具有较高的测量精度,更加适合对温度精度要求较高的有关水温控制的行业,并希望通过本设计得到举一反三和触类旁通的效果。1.3温度控制系统的国内外现状通过网上查询、翻阅图书了解到目前国内外市场以单片机为核心的温度控制系统很多,而且方案灵活,且应用面比较广,可用于工业,养殖业化工业等领域,在生活当中的应用
8、也比较广泛,如热水器,养殖,摄影业中显影液的温度控制等。以上出现的温度控制系统产品,根据其系统组成、使用技术、功能特点、技术指标。选出其中具有代表性的几种如下:1恒温水箱适用于蒸馏、浓缩干燥及恒温加热化学药品、生物制品、检查血清和生化实验,恒温培养以及对注射器和小型手术器械进行煮沸消毒之用。温控系统采用可靠的调节控制装置,感热性能强、灵敏度高、水温波动性、水温均匀性在0.5。名称 型号 控制系统 控温范围 控温精度 内胆 额定功率(W) 工作室尺寸mm 电热恒温水箱 400 微机智能PID控温 室温+5-65 水温波动 0.5 不锈钢 500 600X300X150 电热恒温水箱 600 微机
9、智能PID控温 室温+5-65 水温波动 0.5 不锈钢 300 420X180X100 三用电热恒温水箱 420 微机智能PID控温 室温+5-99.9 水温波动 0.5 不锈钢 2000 600X300X150 三用电热恒温水箱 620 微机智能PID控温 室温+5-99.9 水温波动 0.52 小型热水锅炉温度控制系统该设计解决了北方冬季分散取暖采用人工定时烧水供热,耗煤量大,浪费人力,温度变化大的问题。设计方案硬件方面采用MCS-51系列8031单片机为核心,扩展程序存储器2732,AD590温度检测元件测量环境温度和供水温度,ADC0809进行模数转换,同向驱动器7407、光电耦合器
10、及9103的功放完成对电机的控制。软件方面建立了供暖系统的控制系统数学模型。本系统硬件电路简单,软件程序易于实现。它可用于一台或多台小型取暖热水锅炉的温度控制,可使居室温度基本恒定,节煤,节电,省人力。3泳池水温控制系统如今游泳池的各方面都有严格的限制和要求,在水温方面也有严格的要求,严格的水温有助于控制细菌病毒污染,如今的温水游泳池的水温一般常年保持于28左右。游泳池水温控制系统也可以由基于单片机的温度控制系统来完成,可以运用AT89C51单片机及温度传感器来控制,当温度低于设定下限温度时,系统自动按程序设计的顺序启动继电器使热水器对游泳池水进行加温,使温度上升,当温度达到设定温度时,停止加
11、热,使使用者享受到舒适的水温。1.4温度控制系统方案结合本设计的要求和技术指标,通过对系统大致程序量的估计和系统工作速度的估计以及I/O口需求量的估计,考虑价格因素。选定AT89C51单片机作为系统的主要控制芯片,DS18B20温度传感器,总线驱动器74HC245,4位七段式数码管7SEG实现此水温控制系统,当水温低于预设温度值时系统开始加热,当温度达到预设温度值时自动停止加热,范围为0到99。1.5论文的主要任务和所做的工作本论文主要是完成一种低成本、低价格、功能齐全、及温度测量、温度显示、温度控制于一体的单片机温度控制系统的理论设计。包括硬件电路和元器件的选择。根据本设计所要完成的任务本论
12、文完成了如下工作:1介绍了研究和设计的背景和意义,调查并综述了当前温度控系统市场的国内外现状。2 提出了符合设计要求的高精度温度控制系统方案,并阐述了其工作原理。3 完成了硬件电路的设计,它包括温度检测放大传送电路;包含AT89C51单片机,温度传感器DS18B20,总线驱动器74HC245来控制水温,4位七段式数码管7SEG来显示温度,红色发光二极管来作为警报以实现此系统。4 基本完成了软件部分设计,、温度控制显示,数字滤波,数据处理,指示灯以及电路仿真设计。2 单片机温度控制系统总体设计及原理2.1系统主要功能(1)对水温的温度检测和升温、恒温控制。(2)显示检测温度值。(3)当水温没达到
13、设定值时指示灯会亮。(4)设定和修改要保持的温度值。2.2系统工作原理在温控系统中,需要将温度的变化转换为对应的电信号的变化,由于DS18B20的结构简单制造容易,测量范围广,在高温测量中有较高的精度,所以选用DS18B20做温度传感器,测量温度范围为-55C+125C,在-10+85C范围内,精度为0.5C。利用单片机AT89C51控制DS18B20温度传感器对水温的控制,当水温低于预设温度值时系统开始加热(点亮红色发光二极管表示加热状态),当温度达到预设温度值时自动停止加热。预设温度值和实测温度值分别由两个4位数码管显示,范围为0到99 C。工作流程说明如下:分别调节十位设置按键和个位设置
14、按键来预设水温,当DS18B20的温度低于预设温度时,红色发光二极管点亮表示进入热状态,调节DS18B20元件上的按钮可人工模拟实际水温的升高和下降。可以看到,当实测温度达到预设温度后,红色发光二极管便会自动熄灭,表示停止加热。2.3 系统的主要技术指标测温范围 :0-99 温度分辨率:0.5VLED显示位数:42.4 系统的总体结构系统的硬件电路有温度检测、信号放大、LED显示、单稳态触发电路、传感器,警报电路等部分组成,系统结构图见图2.1水温采样点温度传感器滤波信号放大转换成数字信号单片机系统功率放大水220VLED显示图2.1 系统框图3 温度控制系统的硬件设计3.1 所选的元器件表3
15、-1 元器件列表元件名称所属类所属子类AT89C51MicroprocessorICs8051 FamilyDS18B20Date ConvertersA/D ConvertersCAP-ELECCapacitors一CRYSTALMiscellaneousGenericRESResistorsGeneric7SEG-MPX4-CA-BLUEOptoelectronics7-Segment DisplaysCAPCapacitorsGenericBUTTONSwitches&RelaysSwitches744C245TTL 74HC SeriesTansceiversOPTOCOUPLERS-
16、NANDOptoelectronicsOptocouplersLED-REDOptoelectronicsLedsNOTSimulator PrimitvesGates3.2 单片机3.2.1 单片机的选择系统采用Atmel公司的AT89C51型单片机,AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用A
17、TMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,Atmel的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51单片机有众多接口,如图3.1所示图3.1 单片机AT89C513.2.2 单片机的主要特性与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命:1000写/擦循环数据保留时间:10年全静态工作:0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5
18、个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路3.3 测量放大电路3.3.1温度传感器的选择及基本工作原理测量温度的方法虽然很多,但从感受温度的途径来分,不外两大类:一类是接触式的,即通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度;另一类是非接触的,即通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度。由于本系统测量的温度值在:099所以选用经济又实用的DS18B20,如图3.2。.图3.2 DS18B20传感器 Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 一线总线接口的温度传感器,在其内部使用了在板(ON-B0ARD)专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形
19、如一只三极管的集成电路内。一线总线独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入全新概念。现在,新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点,其内部结构如图3.3所示图3.3 DS18B20内部结构DS18B20的工作原理:DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同,只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同,且温度转换时的延时时间由原来的2s减为750ms。 DS18B20的测温原理,温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变,所产生的信号作为计数
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 AT89C51 单片机 水温 控制系统 设计
链接地址:https://www.31ppt.com/p-4144750.html