计算机控制技术课程设计_基于单片机的水温控制系统设计.doc

计算机控制技术 课程设计任务书学生姓名专业班级学号题 目基于单片机的水温控制系统设计课题性质课程设计课题来源自拟课题指导教师主要内容针对水温控制系统的控制功能要求，设计一个计算机控制系统，能够对水的温度进行测量及显示，并通过执行机构对水的温度进行加热，满足用户的生活需求。任务要求第1天：熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。第2天：确定设计方案。要求对设计方案进行分析、比较、论证，画出方框图，并简述工作原理。第3-4天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。第5天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于5000字。主要参考资料（1）马忠梅等，单片机的C语言应用程序设计，北京航空航天大学出版社，2009修订版（2（3）肖洪兵. 跟我学用单片机. 北京：北京航空航天大学出版社,2009.8 （4）沙占友. 单片机应用技术与实例. 北京：电子工业出版社，2005审查意见系（教研室）主任签字： 年 月 日目录1 引言41.1 课题背景4控制对象51.3 系统功能52 总体方案设计5单片机的选择52.2 温度检测传感器的选择6传感器输出的放大电路的选择62.4 驱动及加热控制电路的选择7电源电路的选择72.6 显示器的选择72.7 键盘的选择72.8 系统组成框图及工作原理83 硬件电路设计8单片机晶振电路83.2 温度传感器及放大电路设计9过零检测电路图的设计93.4 驱动电路的设计93.5 报警驱动电路10显示电路的设计114 软件设计1141主程序流程图11中断程序流程图125总结14参考文献15附录 系统总原理图161 引言1.1 课题背景当今社会大部分人在使用热水器时，基本上都是采用的快热式的。这是因为它给人们带来了极大的方便，人们不再为热水器耗电量大而发愁，所以快热式电热水器走进千家万户应经成为必然的。我国也在不断大力提倡家庭使用快热式电热水器，这样可以为国家节省很多电能。普通电热水器有如下缺点：1、热水器长期通电，长期保持在六十度以上高温，发热管易结垢，内胆易漏水，因而较易损坏；2、管道热水热量损耗大；3、等候用水时间太长；4、在热水流出前都必须浪费一定量的冷水，根据管道的长短，一般家庭中冷水损耗量大，基本可达10-25升/次。 而快热式电热水器 克服了上述缺点，它有很多优点，如：安全，干净环保；即开即热，3-5秒出热水无须等候，热水使用时间不受限制，想用多久就用多久；用多少烧多少，省电省水，没有损耗；体积小不占空间，可以隐藏在厨柜内，安装方便，特别适合新装修的房子，款式多样，美观实用，也是职工福利和客户礼品的绝佳选择。特别方便于洗涤，和洗漱，是为现代家居厨房洗涤、卫生间洗漱专业设计生产的快速电热水器，结合了燃气热水器和传统储水式电热水器优点。快热式热水器的水温控制1.3 系统功能快热式热水器的设计要求：（1）必须做到隋开随用，所以这就要求加热功率很大，以至于减少加热时间，所以温度检测元件的快速性就显得很重要。（2）要做到安全可靠，这就要求控制电路要准确及时，防止热水器烧干而引发火灾或出现爆炸危险危及人身安全。这里之所以设计快热式家用电热水器一是兴趣所致，二是正是看到了它的未来，即将来人们将越来越多的使用它。2 总体方案设计对于快热式家用电热水器来说，硬件系统是它的最基本的框架，是系统的所有功能的丛础。硬件的选择和所选硬件的性能对系统的功能实现以及系统的精度都有直接的影响，系统的设计成功与否很大程度上取决于硬件系统的设汁。本系统硬件方案论证包括单片机、温度检测传感器、加热控制驱动电路、电源电路、及键盘和显示电路的选择。方案一：我们知道8031芯片内部无ROM，需要外扩程序存储器,由此造成电路焊接的困难，况且使用8031还需要另外购买其他的芯片，如A/D转换及定时/计数器（PWM）等芯片，从而造成成本较高，不实用。方案二:因为895C1芯片内部有ROM，且片内ROM全部采用Flash ROM，它能于3V的超低压工作，与MCS-51系列单片机完全兼容，由于89C51单片机成本低廉且工作可靠，采用12MH z的晶振， 所以我们选择89C51作为系统微处理器。2.2 温度检测传感器的选择温度检测的方法很多，有热点阻，热电偶，热敏电阻，还有专门的集成测温传感器等。方案一：热电式传感器是将温度变化转化为电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。通常把被测温度的变化转换为敏感元件的电阻变化、电势的变化，再经过相应的测量电路输出电压或电流，然后由这些参数的变化来检测对象的温度变化。热敏电阻具有灵敏度高、体积小、较稳定、制作简单、寿命长、易于维护、动态特性好等优点,但有变化率非线性，不适合测量高温区等缺点。方案二：集成测温传感器如：DS18B20，直接将温度转换为数字信号传送给单片机。这种方法虽然比较先进，但电路也比较复杂,成本也较高。方案三：温度/频率转化测温法，直接将温度信息转换成频率信号，用单片机测出频率的大小，从而间接测出温度值温度/频率转换电路简单可靠，成本低廉。所以采用此方案。2.3传感器输出的放大电路的选择方案一：运算放大器LM324带有真差动输入的四运算放大器。该四放大器可以工作在低到3伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。它的性能特点是短跑保护输出、真差动输入级、底偏置电流为最大100mA、每封装含四个运算放大器、具有内部补偿的功能、共模范围扩展到负电源、行业标准的引脚排列、输入端具有静电保护功能。但用在本电路中接线较复杂，且价格昂贵所以不用。方案二：采用74LS04作为输出放大电路的选择，它还可以作为驱动电路使用，74LS04是TTL电平反相器，使用较经济且性能也很理想，所以在本方案中采用。2.4 驱动及加热控制电路的选择方案一：若干不同功率的电热丝组合而成，但需要几组电热丝和继电器，成本增高且工作可靠性降低，所以不用。方案二：通过一个继电器驱动，采用可控硅控制功率，能经受较高的功率，所以可以设置较多的档位，成本大大降低可靠性较高，而且电路简单，所以本方案采用。2.5电源电路的选择方案一：采用干电池，使用方便，安全可靠，但价格昂贵，且使用时间较短，所以不采用。方案二：经市电降压整流后输出+5v电压，由于89C51对电源要求不甚严格，市电来源方便，且经稳压管稳压也较可靠，较经济实惠，所以采用此方案。2.6 显示器的选择 LED数码管显示器可分为两种显示方式：静态显示和动态显示。方案一： LED数码管静态显示，多片七段译码器驱动显示，这不仅增加了成本，还需要占用单片机多个I/O口，也给电路的焊接带来一定的困难，因此不选用这种方案作为显示模块，所以排除此方案。方案二： LED数码管显示器动态显示方式下，将所有位的段选线并联在起，由位选线控制哪位接收字段码。采用动态扫描显示，也就是在显示过中，轮流向各位送出字形码和相应的字位选择，同一时刻只有一位显示，其他各位熄灭。利用显示器的余晖和人眼的视觉暂留现象，只要每一位显示足够短，则人看到的就是所有数码管同时显示，在动态显示方式下电路设计简单，易采用。2.7 键盘的选择 方案一：键盘选用行列式键盘，行列式键盘的接口方法，直接接口于单片机的I/O口上。键盘设置在行、列线的交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接5V，被拉在高电平状态。但线路较复杂，价格较昂贵，不适用。方案二：独立式按键是指直接用输入端口线构成的单个按键电路，常用于需要少量几个按键的计算机控制系统。每个独立式按键单独占用一根输入端口线，各键的工作状态不会相互影响。采用轻触式独立小按钮，即实用又方便，因为本电路对键盘的要求不高，所以采用这种方案。2.8 系统组成框图及工作原理快热式热水器组成框图如图2.1所示，主要由7部分组成：单片机系统及外围电路、电源电路、按键输入电路、温度检测电路、LED数码管及指示灯电路、报警电路和加热控制电路。图2.1 系统组成框图3 硬件电路设计本系统硬件电路主要包涵:单片机，报警电路、加热控制电路、过零检测电路和温度检测电路等部分。其中加热部分采用双向二极管控制的热敏电阻，控制方便可靠；报警电路采用自鸣式报警器，实用也很方便买到；过零检测部分桥式电路，三极管和一个“非”门组成的电路，灵明度更高；而温度检测部分很重要，所以采用rc震荡电路和由热敏电阻组成的电路进行检测，简单并且成本很低，也很容易实现。在整个单片机控制系统中，CPU既是运算处理中心，又是控制中心，是控制系统中最关键的器件。此系统控制方案简单，数据量也不大，因此选用89C51作为控制系统的主机。3.2 温度传感器及放大电路设计温度/频率变换电路由多谐振荡器组成，R24是一个热敏电阻，当温度变化是引起它的阻值变化，因而电流发生变化，从而振荡器的输出频率发生变化，所以通过频率值可以求得温度值。它的电路如图3.1所示： 图3.1 温度传感器及放大电路此电路应用三极管的通断来引发输出脉冲的有无，每当三极管接通时电路输出一个正的脉冲，而当三级管截止时不输出脉冲，以此来控制双向晶闸管的导通。它的电路如图3.2所示： 图3.2 过零检测电路3.4 驱动电路的设计加热控制驱动电路：通过光耦二极管来控制加热丝的导通，而加热电阻通过发光二极管来显示加热于否，当加热时二极管发光，而不加热时二极管不发光，其中利用热继电器来控制电路的通断，当通电时它的常开触头闭合，电路接通，电热丝加热，否则电路断开。它的熔断丝选为110度的热保险丝，控制加热温度。电路如图3.3所示：图3.3 加热控制驱动电路图3.5 报警驱动电路当水温超过65度时停止加热并蜂鸣报警，当温度降到45度一下时恢复。报警器驱动电路，电路图如图3.4所示： 图3.4 报警器驱动电路显示电路的设计 数码管显示电路的设计是采用双向共阳极串行接口电路，用来显示加热档位，直观性更强。它的电路图如图3.5所示： 图3.5 显示电路4 软件设计单片机的快热式家用电热水器的软件设计主要包括主程序、显示扫描、按键扫描子程序、加热控制子程序和温度检测子程序。41主程序流程图由于51系列单片机没有停机命令，所以可以利用主程序设置死循环反复运行各个任务。把有实时要求的子程序（显示扫描、按键扫描、加热控制）放在最内层的循环中，计算其运行一次占用的CPU时间，然后根据温度检测定时的间隔时间，计算出该循环的循环次数。该系统每运行一次有实时要求的子程序（即显示扫描、按键扫描、加热控制）约占用5msCPU时间，运行测温子程序的时间间隔为0.5s，那么循环次数应为100次。 主程序流程图如图 4.1所示： 图 4.1 主程序流程图4.2中断程序流程图中断服务程序主要用于各种键的功能散转。中断程序流程图如图4.2所示：图4.2 中断程序流程图5总结本次设计的快热式家用电热水器采用单片机对电路进行简单的控制，因此系统的稳定性比较高。本方案着重体现在较热速度之快上，它采用双向晶闸管（即可控硅）对加热电路进行控制，这样系统的可靠性就大大增强，因为晶闸管能够根据门极电压可靠的接通或断开，而且采用发光二极管来及时地检测电路的加热情况。而设计的另一个优势还在于它采用了温度/频率检测电路，通过电路频率的变化来及时的反应出当时的温度，这样就避免了因为热敏电阻的变化不能及时的传给单片机而带来的滞后问题。频率的变化受到外界的干扰要远远小于电阻变化所带来的干扰，因此准确性，可靠性大大提高。在这次设计中还采用了两位共阳数码管来反映功率档位，通过它们的亮灭数量来反映加热时功率输出，及时地提醒人们当时的水温变化情况，更加清晰。而在设计中还采用轻触式按钮来调节功率的档位，其中一个按钮时逐渐增加功率档位，而另一个按钮时逐渐减小功率档位，还有一个是控制电源开关的通断，即总开关。设计中还采用报警器来及时的反应温度是否超标，提示操作者是否将继续加热热水器。尽管这次设计中我还不能做到尽善尽美，一些内容还有待于进一步的研究，但为了这次课程设计，我提前翻阅了很多资料，特别是了解很多有关单片机的书籍，这给我以后学习单片机课程打下了基础，也开拓了我的视野。在设计中我遇到了很多困难，也让我对一些生疏的知识有了更深刻的了解。虽然设计中的困难使我很是头疼，但通过自己的不懈努力和同学的大力帮助，最终还是一点点地克服了困难。本次课程设计使我真正了解到了实践与理论结合的重要性，以前总是在头脑中产生一种想法，却从没有机会去认真地做它们，以至不知道结果是行通还是行不通，但通过这一周的课程设计终于可以使我独立地去完成一个项目，虽然结果难免有不足之处，但毕竟是亲自动手去做的，收获是可想而知的。参考文献（1）夏继强. 单片机实验与实践教程. 北京：北京航空航天大学出版社,2007 （2）赵晓安. MCS-51单片机原理及应用. 天津：天津大学出版社，2009.3 （3）徐惠民 单片微型计算机原理接口与应用 第3版 北京：北京邮电大学出版社，2009 （6）张毅刚等， MCS-51单片机应用设计，哈工大出版社，2007年第4版（7）马忠梅等，单片机的C语言应用程序设计，北京航空航天大学出版社，2009修订版（9）肖洪兵. 跟我学用单片机. 北京：北京航空航天大学出版社,2009.8 （10）沙占友. 单片机应用技术与实例. 北京：电子工业出版社，2005附录 系统总原理图