基于51单片机的水温控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)

基于51单片机的水温控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

主机控制模块 方案一：采用 FPGA， 它的名称是 现场可编程门阵列 ，它是 集成度最高的一种在我们常用的 专用集成电路中 ，一些较为复杂的数学式子和逻辑运算都可以通过他来完成。 它的主要特点是能实现各种复杂的逻辑运算，而且运算精度较高，它能将所有器件集成到一块芯片上以减少体积，也可以通过 EDA 软件进行仿真、调试，功能扩展也非常容易，缺点是成本较高。 本设计主要的突出点不是针对运算速度，FPGA 的优势得不到体现。 方案二：采用 PID 控制器，他的主 要组成部分是模拟放大器组成。 PID 控制对我们来说并不陌生 ， 他的组成单元有如下几种： 比例单元 P还有 积分单元 I 以及 微分单元 D。 主要是我们设置好 Kp， Ki和 Kd 这 三个参数 值。 PID 控制器 大部分被应用在以基本线性还有动态特性为根本并且还要不随时间变化的系统。 在企业生产过程中，有一些参数是我们在生产过程中必须牢牢严格要求的，并且必须和期望值不能差的太多，必须在预定的范围之内，这些参数主要体现在：有温度、 11 压力、液位等变量的工业生产中，我们必须做到控制好这些参数在一定的数值上，如果是 变量那么也必须有规律的变化，总而 言之必须满足工艺的要求。 PID 控制器 恰好就是又来解决一些难控变量的问题，它可以通过一系列的调节使物体的实际值和预期值编程一样的。 它可以满足对温度的控制，但是附加其它较多的外围电路就不能显现出优势，且反馈过程中反应速度较慢。 方案三：控制器我们选择 AT89C51 单片机。 单片机运算速度高，外围电路扩展容易，软件编程简单容易，功耗低、体积小、成本低等优点。 综合分析，拟定方案三，由 AT89C51 作为主机部分。 温度采集模块 方案一：选择热敏电阻来做测量温度的器件， 热敏 电阻 器因为它有对温度敏感、根据不同的温度提供不同的阻值等良好特点，在简单的温度采集电路中经常适用。 它有很多的优点，不仅反应灵敏，而且在工作时适应的环境温度范围大，除此之外，体积小还是它被广泛应用的一大原因之一。 在简单的温控电路中它因为稳定性好、承受电信号的能力较强还有以上叙述的特点让它的应用的到了非常广的领域。 元件的一致性差，互换性差；元件易老化，稳定性较差。 他的优点有很多，但是缺点同样存在，就是它只能适应比较简单的电路，如果环境温度超过150或者低于 0度时，大部分的热敏电阻的工作会收到严重影响，但是还是有一些特殊高温热敏 电阻 适合在温度偏差较大的地方应用，但是，其成本增加。 方案二：采用温度传感器 AD590。 我们大多时候会在测量热力学还有摄氏温度，两点、多点温差还有器平均值的实际电路中可以看到有 AD590的存在。 主，在现代的控制领域里应用非常的广。 因为 AD590精度高、价钱低、不需 辅助电源 、线性好，常用于测温和热电偶的 冷端补偿。 其测温范围为 55℃ ~+150℃；它是不容易因为操作失误造成反接之后而毁坏，虽然它的正常电源电压范围为 4～ 30 V，但是它实际上是可以承受 44 V 正向电压同时也可以承受和 20 V 的反向电压；他的精密度非常高，一般在 55℃ ~+150℃范围内，并且非线性误差只为177。 ℃。 综上所述分析选择用方案二 ，有温度传感器 AD590做采样温度部分。 显示模块 12 方案一：选择用三个 LED 八段数码管来作为显示模块，让他们三个数码管分别显示温度的十位、个位、还有小数点位。 数码管的一些特性我们都比较了解，因为我们经常在实验中用到它，防水、防尘、耐压、耐破裂这几个特点让它在不同的环境中得到广泛应用。 除此之外他还有耐高低温、耐燃、超强抗冲击老化等特点；工作环境： 40 度 +75 度；但其动态显示组要驱动电路支持而且电路较为复杂。 方案二：采用 12864 液晶显示屏；其内部储存显示字库，其主要特点是：低功耗，体积小、显示效果好、抗干扰能力强，编程容易。 更有多种扩展共能，例如：光标显示、睡眠模式、增加可读性。 分析之后我们决定选用 12864 液晶显示器做显示部分。 总体设计概述 根据 我们 上 面的 分析， 还有电路的性质以及控制目的 ，确定 下面的 方案： 本系统以 89C51 单片机为核心，扩展外围控制电路，检测变送电路，按键电路，显示电路，复位电路，时钟电路，电源电路，报警电路；本系统的整体运行过程为：通过按键电路设定理想水温范围，实时水温通过检测变送电路模检测，并将检测到的物理量转化成电信号，然后放大电信号并将模 拟量同过 A/D 转换为单片机识别的数字量发送给单片机。 单片机系统将实时温度与设定温度进行对比，并通过显示电路将实时温度显示出来，如果实时温度大于设定的最高温度或者低于设定的最低温度一定时间，单片机将触发报警电路对过温或者低温进行警报，同时触发控制电路对水温的控制做出适当的调整，确保水温出在理想的温度值，满足需求 第 3章 系统硬件设计 硬件电路主要分为电源 电路 、复位电路、时钟电路、按键电路、 LCD显示电路和温度采集电路六部分。 选择 集成的 单片机成为主要的控制器 ， 在系统中温度靠温度传感器获得并 将其转换为电信号送给 A/D 转换器转换信号为单片机能够读懂的数字信号，然后通过单片机内部的程序来将各种信息处理并输出指令信号通过显示和控制电路变现出来。 使用 按键改变 设置 温度。 从而实现温控功能。 系统整体结构如图 31所示 ： 13 图 31 系统整体结构 单片机控制部分 单片机通俗来讲就是一个小型的计算机，试想一下一个计算机的功能全部浓缩在一个小小的芯片上，充分解释了什么叫浓缩的是精华。 因此 在很多控制领域中我们用到的最广泛的芯片就是单片机，单片机虽然体积 小、但是其功能却十分惊人，其高可靠性、高性能的特点一直是人们热衷于单片机开发的主要原因。 功能全但是造价并不高，而且在能耗方面也有出色的表现。 在系统中应用单片机，可以是系统快速的检测到大量的数据，在经过飞速的运算处理和逻辑分析之后，可以做出快速的、实时的动态响应。 发展到现代社会，工业中我们应用的主流单片机还是以 8位机为主，但其 16位、 32 位的同胞兄弟正在以极快的速度崛起中。 而本次磁悬浮小球控制系统，其需要处理的数据量并不是太大，所以考虑到系统的运算性能和成本问题，本次设计选用的是 ATMEL 公司生产的 AT89C51型号的单片机。 图 32为本次设计中所应用的单片机的最小系统。 按键模块 电源模块 单 片 机 LCD 显示模块 复位电路 时钟电路 温 度采集模块 14 图 32 51 单片机最小系统 由图可以看出，此单片机一共有 40 个管脚，其中可以用做输入输出的管脚是 P0 口、 P1口、 P2 口、 P3口，除此只外 P0 口还可以用作地址、数据总线，而P3口也有自己的第二功能， 用作第二功能的时候，每个管脚都需要单独定义。 需要注意的是要是用 P0 口的输入输出功能的时候一定要在外面接上拉电阻。 ● X X2 管脚用于接外接晶振，为单片机提供脉冲信号。 ● ALE 管脚用于选择地址的锁存信号，当脉冲信号为下降沿 的时候，此管脚输出工作信号。 ● RESET 管脚外接复位电路，用于单片机的复位操作。 ● PSEN 管脚用于单片机是否在外部的储存器提取指令，在低电平到达的时候，单片机才会从外部的储存器提取所用的指令信号。 ● EA 管脚负责管理单片机的内外程序存储器，当 EA为高电平的时候，单片机可以反问片内的 ROM存储器；反之则访问片外的。 本次设计中也只是应用了 PO 口作为输入功能，与其相连的是 ADC0809 模数 15 转换芯片。 而输出口则是应用的 P2 口，用于输出产生的 PWM 波。 由此可以看出，本次设计并没有将单片机的全部引脚充分利用，但现 在也可以满足此次的设计要求。 在设计总控制器的时候我也有考虑过使用其他的控制芯片，甚至也考虑过比51单片机功能更强大的种类。 但是介于所学到的知识和对整个系统的功能分析，并最终决定整个控制系统的核心采用 51 单片机。 单片机正因为其多功能的管脚、较小的身躯、强大的功能、出色的运算速度等，确定了其广泛的应用领域，生活中我们的各种家电、各种智能设备，工业中所应用的生产流水线，高端智能仪器等等。 单片机发展到现在，已经成为了我们社会进步的不可缺少的重要工具。 复位电路 复位电路是单片机系统 必不可少的重要 组成部分 ， 只有在 复位 电路的可靠运行下系统才能可靠的运行。 复位电路在单片机中的形式的只能就是使单片机重置至 初始状态，并从这个工作店开始工作。 我们可以通过很多种方法来实现 复位电路， 由于功能的不同我们可将其分为两大类：一种是电源复位，另一种是按键复位。 电源复位就是说通过给电源直接给单片机通电的方法来达到复位的目的；而按键复位就是在系统的复位电路中装上复位开关，通过按键开关的通断来触发复位电平信号，通过上述对比，我们选用电源复位，电路设计 如图 33所示 ： 图 33 单片机 复位电路 16 时钟电路 时钟是单片机内部电路工作的基础，也是 CPU 工作时序的时间基准。 时钟电路 的作用是 产生单片机 稳定 工作 需要 的时钟信号。 振荡器 是单片机工作所需的必要部分。 它是由单片机内部的 高增益反相放大器构成 的。 振荡器有输入和输出段两个端口，它的输入端接单片机内部的 其输入端接至单片机 内部 的 XTAL1 引脚，输出端接单片机的外部 的 XTAL2 引脚。 通过在两个端口的两端介入一个合适的晶振还有两个电容就组成了一个可以单片机运行所需的 自激式振荡电路。 电容 CC2 的作用是 稳定振荡频率、快速起振，容量的选择范围为 5～ 30PF,通常选择30pF。 振荡频率的选择范围为 ～ 12MHz，本设计选择 12MHZ，时钟周期为 (1/12)μ s。 如图 3 所示是单片机内部时钟方式的振荡电路。 单片机所需的时钟脉冲信号是需要将 时钟电路产生的振荡脉冲 通过 触发器进行二分频之后 产生的脉冲。 单片机内部的时钟电路结构如图 34 所示： 图 34 片机内部时钟电路 P0 口上拉电阻电路 STC89C51 单片机 P0 口 里面没有 上拉电阻， 通过对 单片机 内部场效应管的控制来实现 端口的输出。 假 如 不设 上拉电阻， 单片机无法在端口得到高电平，即使 17 单片机 通过锁存器结合单片机输出的 1 使场效应管截止。 所以 P0 口 必 需加上拉电阻。 如图 下 35。 图 35 P0口上拉电阻电路 温度采集部分 温度采样部分由型号为 AD590的温度传感器以及号为 OP07运算放大器 型 还有 型号为。