水温控制系统设计 终稿.docx

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1、2013届本科生毕业设计 题目： 煤气泄漏报警系统的设计作 者 姓 名： 王 永 标 学 号： 2009080844 系 (院)： 机械与电子工程学院 专 业： 自动化 指导教师姓名： 温 艳 何 鹏 指导教师职称： 讲 师 工程师 2013 年 04 月 28 日 SuZhou UniversityYear 2013 Bachelor Graduation assignment(Design) Title: Design of control system for coal gas leakage Author: Wang Yong Biao Student ID: 44 Departmen

2、t: College of Mechanical and Electronic Engineering Major: Automation Instructor: Wen Yan He Peng Professional Title: Lecturer Engineer November 28th, 2012摘 要 近年来伴随着计算机在社会各领域的渗透, 单片机的应用在不断地走向深入，同时带动了传统控制检测技术日新月益的更新。为实现高精度的煤气泄漏控制，本课题设计了一个以STC89C52为控制核心的控制部件，以一种新型的可编程气体传感器（UL281）为气体浓度采集器件来实现气体浓度控制系统。采

3、用LCD1602液晶来实时显示浓度值，通过单片机STC89C52来控制继电器的通断以实现浓度的实时控制。浓度值直接由人工来设定，并且能在环境的温度变化时实现气体浓度值基本不变。关键词：气体浓度控制； 数据采集； 单片机； UL281； LCD1602 ABSTRACT In recent years along with the computer in all the fields of societys penetration, the application of SCM in the deepening constantly, and at the same time promote t

4、he traditional control test technology on the new update.To realize high precision control of gas leakage, this topic design a STC89C52 as the control core of the control unit, a new type of programmable gas sensor (UL281) for gas concentration acquisition device to realize the gas concentration con

5、trol system. The LCD1602 LCD to real-time display density, through the single chip. microcomputer STC89C52 to control relay on and off in order to realize the real-time control of the concentration. Density directly by the artificial to set, and environmental temperature change to realize gas densit

6、y basically unchanged. Key words: gas concentration control; Data acquisition; Single chip microcomputer; UL281; LCD1602 目 录绪 论11 方案设计2 1.1设计方案2 1.2设计要求22 主要元器件介绍3 2.1STC89C52单片机3 2.2气体传感器 DS18B206 2.3LCD1602液晶73 硬件电路设计9 3.1浓度采集电路9 3.2LCD1602液晶显示电路9 3.3气体浓度控制电路10 3.4电磁式蜂鸣器驱动电路11 3.5单片机最小系统电路124 系统软件

7、设计14 4.1选用C语言编程14 4.2系统主程序图15结 论16参考文献17附 录18致 谢25绪论 现代工业设计，工程建设及日常生活中温度控制都起着重要的作用，早期的温度控制主要用于工厂时间生产中，能起到实时采集温度数据，提高生产效率，产品质量之用。随着人们生活质量的提高，现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，厂房以及家庭生活中，在有些应用中，如高精度的生产厂房，对温度的要求极其严格，温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。因此，这就需要一种能够及时检测温度变化以及温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整，多点温度控制可根据人们不同的应用环境

8、自行设置该环境的温度值，及时反映生产，生活中温度变化使人们能及时看到温度变化的第一手资料，提示人们温度变化情况，协助人们能及时的调整，起到温度报警作用，使温度控制更好的服务于社会生产，生活。 电子技术的飞速发展，给人类的生活带来了根本的的变革，特别是随着大规模集成电路的产生而出现了微型计算机，更是将人类社会带入了一个新的时代。利用微机的强大功能。人们可以完成各种各样的控制。然而，微机造价高，对于大多数的工业控制来说，也并不需要微机那样强大的功能，于是单片机就运用而生了。单片机其实就是一个简化的微机，将微机的CPU，存储器，I/O接口。定时器/计数器等集成在一片芯片上就是单片机了，它主要用来完成

9、各种控制功能。相对微机来说，单片机价格低，非常适合于应用在简单 的控制场合以降低成本。 在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。因此，单片机温度测量则是对温度进行有效的测量，并且能够在工业生产中得到了广泛的应用，尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测量任务。在日常生活中，也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。但温度是一个模拟量，如果采用适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量虽不困难，但电路较复杂，成本较高。1方案设计1.1设计方案 本设计基本思路是:设

10、定一定范围的气体浓度值，并且能在环境温度改变时实现自动调整,以保持设定的气体浓度值基本不变。 基本思想是根据设计的思路编程，设定所需要的气体浓度值范围，利用硬件电路将浓度值转换成数字信号，传递给单片机，由单片机来进行实测浓度值与设定浓度值的比较，将比较的结果传送到控制电路，由控制电路根据收到的信号决定是否工作,以保持恒定的气体浓度。由于浓度值范围写入单片机内部，且由软件来决定控制电路是否工作，在一定的程度上大大减少误差，在操作上也是比较方便的。1UL281浓度值数据采集单片机系统（STC89C52）液晶显示继电器驱动电路 键盘设定电源电路超浓度报警图1 温度控制系统框图1.2设计要求 （1）可

11、键盘设定控制气体浓度值，并能用液晶显示，显示最小区分度为1ppm 。 （2）可以测量并显示气体的实际浓度值。浓度测量误差在0.6ppm内。 （3）在全量程内任意设定一个浓度值，控制系统可以实现该给定浓度值的恒值自动控制。控制的最大动态误差4ppm。2主要元器件介绍2.1主控器件STC89C52单片机2 STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC8

12、9C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。图2 单片机管脚图 P0端口（P0.0P0.7，3932引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0

13、写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。此时，P0口内部上拉电阻有效。在Flash ROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。 P1端口（P1.0P1.7，18引脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。 P2端口（P2.0P2.7，2128引脚）：P2口

14、是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。 P3端口（P3.0P3.7，1017引脚）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。图3 STC89C52单片机I/O口管脚备选功能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2/INT0外部中

15、断0P3.3/INT1外部中断1P3.4T0记时器0外部输入P3.5T1记时器1外部输入P3.6/WR外部数据存储器写选通P3.7/RD外部数据存储器读选通 表1 特殊功能口 P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意

16、的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器

17、。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。32.2温度传感器DS18B20 温度传感器选用可编程温度传感器（DS18B20）芯片。DS18B20是单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。它的测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等都很适合本电路设计指标， 给用户使用带来了更多方便。4（1）DS18B20的引脚介绍 DQ为数字信号输入/输出端； GND为电源地； VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。图4 DS18B20（2）DS18B20工作原理 DS18B2

18、0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2s减为750ms。低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器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信 号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行 计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器

19、中的数值即为所测温度。（3）DS18B20的内部结构 DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。52.3LCD1602液晶 本设计中由于要对温度进行显示，所以选择液晶显示屏1602模块作为输出。1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线。它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形。表2 LCD1602引脚功能引脚符号功能说明1VSS一

20、般接地2VDD接电源（+5V）3V0液晶显示器对比度调整端4RSRS为寄存器选择5R/WR/W为读写信号线6EE(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能7DB0底4位三态、 双向数据总线 0位（最低位）8DB1底4位三态、 双向数据总线 1位9DB2底4位三态、 双向数据总线 2位10DB3底4位三态、 双向数据总线 3位11DB4高4位三态、 双向数据总线 4位12DB5高4位三态、 双向数据总线 5位13DB6高4位三态、 双向数据总线 6位14DB7高4位三态、 双向数据总线 7位（最高位）15+背光正极16-背光负极 LCD1602主要管脚介绍：V0为液晶显示器对比度调整端，接

21、正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生鬼影使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。RS为寄存器选择端，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。RW为读写信号线端，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址；当RS为高电平RW 为低电平时可以写入数据。E为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。图5 LCD1602液晶3硬件电路设计3.1温度采集电路 本系统采用半导体温度传感器作为敏感元件。传感器采用了DS18B20单总线可编程温度传感器,来实现对温度的采集和转换，DQ接上拉电阻，与单片机P3.3口

22、相连，直接与单片机通讯，大大简化了电路的复杂度。图6 温度采集电路3.2LCD1602液晶显示电路 将LCD1602的RS端和P2.0，R/W端和P2.1, E 端和P2.2相连，当RS=0时，对LCD1602写入指令；当RS=1时，对LCD1602写入数据。当R/W端接高电平时芯片处于读数据状态，反之处于写数据状态，E端为使能信号端。当R/W为高电平,E端也为高电平，RS为低电平时，液晶显示屏显示需要显示的示数。图7 LCD1602显示电路3.3温度控制电路的设计 由于本系统要控制电热棒加热，功率较大，因此要借助功率驱动电路，加热部分采用继电器控制，电路简单可靠。图8 温度控制电路3.4电磁

23、式蜂鸣器驱动电路 蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机 I/O引脚输出的电流较小，单片机输出的电流基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。 本设计通过一个三极管 8550来放大驱动蜂鸣器。 如图9所示，蜂鸣器的正极接到 VCC（5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极e，三极管的基级b经过限流电阻 R1后由单片机的 P3.6引脚控制，当 P3.6输出高电平时，三极管截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当 P3.6输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制

24、P3.6脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。程序中改变单片机 P3.6引脚输出波形的频率，就可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种不同音色、音调的声音。另外，改变 P3.6输出电平的高低电平占空比，则可以控制蜂鸣器的声音大小，这些我们都可以通过编程和根据自身需要来设定。图9 电磁式蜂鸣驱动电路3.5单片机最小系统设计6 本系统设计包括键盘电路、复位电路、时钟电路三个模块，为主控制模块。 键盘电路：本键盘电路采用独立键设计，三个键接到单片机的三个中断源上。当按下时为低电平。其中S1为“十位控制”键，S2为“个位控制”键，S3为“十分位控制”键。 复位电路：单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的高电

25、平时，单片机就执行复位操作。本系统采用的复位方式为上电复位或开关复位，电源接通后，单片机自动复位，并且在系统运行期间，用按键S1操作也能使单片机复位。上电后16V的电解电容充电，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位按键后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现了上电复位或开关复位的操作。 时钟电路：在引脚XTALI和XTAL2外接11.0592MHz晶体振荡器，由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲，两个电容器起稳定振荡频率、快速起振的作用。图10 单片机最小系统4 系统软件设计4.1选用C语言进行编程7 在程序

26、设计上我采用了单片机C语言。单片机开发可以用手工汇编和C语言编程三种方法。采用C语言编程是将可读性较强的C语言程序翻译成手工汇编程序，这一过程是由编译软件自动执行的。然后对照单片机手工汇编表将汇编程序翻译成机器码，最后将机器码一个一个地送入开发仿真芯片中去进行调试。由于采用C语言编程程序员并没有通过对单片机的所有硬件进行操，有许多的程序是由单片机自动分配的，例如：中断入口程序，声明变量，堆栈等等，也正因为如此用C语言来编写单片机在调试时，只要从PC机的通讯口直接传送到开发装置中去。因此使用C语言提高了单片机开发的速度。源程序被输入到机器中后，以一个文件的形式保存起来，然后就可以对这个文件进行处

27、理了，要对这个文件进行编译，须有相应的C语言源程序主要，特点有： （1）语言简洁，使用方便、灵活；关键字少，ANSI C标准一共有32个关键字、9种控制语句。 （2）可移植性好。由于不同机器上的C语言编译程序80%的代码是公共的，所以便于移植。 （3）表达方灵活。利用C语言提供的多种运算符，可以组成各种表达式，C语言的语法规则不太严格，程序设计的自由度比较大，书写格式自由灵活。 （4）可进行程序化设计。C语言程序就是有许多个函数组成的，一个函数即相当于一个程序模块，因此C语言可以很容易的进行结构化程序设计。 （5）生成的目标代码质量高。C语言程序生成代码的效率仅比汇编语言的程序低10%20%。

28、4.2系统主程序图开始初始化调用温度程序模块处理温度值转换为BCD码显示模块，显示温度扫描键盘模块继电器控制模块结束图11 系统主程序图图12 实物图结 论 本系统以单片机为核心部件的控制系统，利用软件编程，最终基本实现了各项设计要求。由于数据采集、显示的实时性要求不是很高，而单片机的执行速度相对于这些过程要快得多，若分时选通各个采样或显示通道，虽然单片机对各个通道的处理是依次进行的，但是只要这一过程大到一定速度，总的来看几乎同时执行，不断重复这一过程，就产生了循环扫描的思想，它在单片机系统设计中得到了广泛的应用。随着微电子技术的进步,在温控系统设计中优先选择了大规模的专用集成电路,这样能使硬

29、件清晰简单,压缩了装置体积,还大大减少了误差,有效的提高了装置的精度和抗干扰性能。 通过这次毕业设计的锻炼，使我对单片机知识的掌握又进了一层。对单片机硬件结构的研究和软件编程的兴趣增加不少。同时更锻炼了自我的实际动手能力。让我了解到了自身的不足。 （1）有两年多的时间都是在学习单片机原理知识，并未真正地去应用和实践。平时但是经过这次毕业设计，接触到了更多平时没有接触到的仪器设备、元器件发现了自己很多不足之处。同时体会到了所学理论知识的重要性：知识掌握得越多，设计得就更全面、更顺利、更好。 （2）了解进行一项相对比较大型的科技设计所必不可少的几个阶段。毕业设计能够从理论设计和工程实践相结合、巩固

30、基础知识与培养创新意识相结合、个人作用和集体协作相结合等方面全面的培养学生的全面素质。参考文献1赵大和.电子爱好者实用资料大全元器件篇G.电子工业出版社,1989,33-54.2高洪志.MCS-51单片机原理及其应用技术教程M.人民邮电出版社,2009,22-27.3何立民.AVR单片机原理与接口技术M.北京航空航天大学出版社,2002,67-86.4佟为明 翟国富.低压电器继电器及其控制系统.哈尔工业大学出版社,2003,57-69.5杨帮文.新型继电器实用手册M.北京人民邮电出版社,2004,19-36.6何小艇.电子系统设计G.浙江大学出版社,1998:378-389.7谭浩强.C程序设

31、计G.北京：清华大学出版社.2005,21-47.8Charles K.Alexander, Mathewn.O.sadiku. Fundamental Of Electric Circuit. Qinghua University Press. 1975：178182.9David Karlins.Singlechip INFOTERRA Manual,McGraw-Hill Osborne Media.2003,(1)10Howard M.Berlin.Guide to CMOS Basics, Circuits, &Experiments Howard M.Berlin,Ltd.2005

32、,(22)11 中国电子网附录（1）系统程序#include #include 1602.h#include DS18B20.h#define uchar unsigned char #define uint unsigned int uint m,n,p,jishu=1,a=3,b=0,c=3;uint j;sbit LCD_RS=P20;sbit LCD_RW=P21;sbit LCD_EN=P22;sbit DQ=P33;sbit ge=P10;sbit shi=P11;sbit bai=P12;sbit beep=P36;sbit JIARE=P13;sbit LENGQUE=P14;

33、uchar code table1=real T: C; uchar code table2=set T: C;void delayms(uint xms) uchar i,j; for(i=xms;i0;i-) for(j=110;j0;j-);void xianshi(uint a,uint b,uint c) write_cmd(0xc6); write_dat(c+48); write_dat(b+48); write_dat(.); write_dat(a+48); if(cm) JIARE=0; beep=1; LENGQUE=1; else if(c=m) if(bn) JIAR

34、E=0; LENGQUE=1; beep=1; else if(b=n) if(ap) JIARE=0; LENGQUE=1; beep=1;void keyscan() if(ge=0) delayms(5); if(ge=0) a+; if(a=10) a=0; while(!ge); else if(shi=0) delayms(5); if(shi=0) b+;if(b=10)b=0; while(!shi); else if(bai=0) delayms(5); if(bai=0) c+; if(c=10)c=0;while(!bai);xianshi(a,b,c);void mai

35、n() uint i,j,q; ge=1; shi=1; bai=1; beep=1; JIARE=1; LENGQUE=1; delayms(10); lcd_init(); delayms(1); write_cmd(0x80); while(table1 i != 0) write_dat(table1 i );/显示字符 i+; delayms(5);/控制两字之间显示速度 write_cmd(0xc0); while(table2 j != 0) write_dat(table2 j );/显示字符 j+; delayms(5);/控制两字之间显示速度 while(1) q=Read

36、Temperature(); m=q/100;/分离出十位 n=(q%100)/10;/分离出个位 p=q%10;/分离出小数位 write_cmd(0x87); write_dat(m+48); write_dat(n+48); write_dat(.); write_dat(p+48); write_cmd(0xc6); write_dat(48); write_dat(48); write_dat(.); write_dat(48); keyscan();（2）原理图（3）PCB图（4）实物图致 谢 光阴似箭，岁月如梭，短暂而充实的四年大学生活即将接近尾声。本文是大学四年来最后一个学期的

37、学习任务，伴随着时间的流逝，论文也到了敲定之际，在此，我想表达一下我的感激之情。 在温老师的指导下我顺利完成了毕业论文，我的四年大学生涯也即将圈上一个句号。在此，特别感谢我的导师温艳老师和南京三乐集团有限公司的何鹏工程师对我的精心指导，温艳老师有丰富的教学经验，给我们进行了深入而系统的指导。何鹏工程师认真负责的工作态度，有着丰富的设计经验和深厚的理论水平都使我受益匪浅。在论文写作过程中他们对我悉心指导，严格要求、热情鼓励，为我的论文的顺利完成指出了很好的方向，温老师渊博的知识、宽广无私的胸怀、对事业的执著追求、诲人不倦的教师风范和分析问题的能力，帮我们解决了许多的难题，同时我们也从他们那里学习到了好多的知识，为今后我们走上社会工作岗位奠定了坚实的基础。都将使我毕生受益。 在此我谨向我的导师以及在毕业设计过程中给予我很大帮助的老师、同学们致以最诚挚的谢意！