水温水位控制系统2.docx
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水温水位控制系统2
机械电子工程学院
毕业论文（设计）
论文题目水温水位检测系统的设计
专业机电一体化技术
班级机电0905班
学生姓名郭金枝
学号51020109145
指导教师付晓军
2012年05月13日
摘要
温度的精度控制一直是个难题，因此为了实现高精度的水温水位控制，我的论文介绍了一种以AT89C51单片机为控制核心，采用一种数字温度传感器（DS18B20）为温度采集器来实现水温的控制。
论文着重介绍核心器件的选择、各部分电路设计及软件的实现。
AT89C51单片机完善的内部结构、优良的性能和强大的中断处理能力，决定了该控制系统具有电路结构简单、程序简短、系统可靠性高的特点。
水位以AT89C51单片机检测缺水、溢流，实现自动控制；温度采集采用数字温度传感器（DS18B20），不需要复杂的信号调理电路和A/D转换电路，简单的数字处理电路大大降低了硬件和软件的设计复杂度，直接与单片机完成数据的采集和处理；采用LCD1602液晶实时显示温度值，实现方便、简单。
本系统根据不同需要可用于各种场合。
【关键词】AT89C51单片机，DS18B20，LCD1602
Abstract
Thetemperaturehasbeenadifficultproblemaccuracycontrolof,soinordertorealizehighprecisiontemperaturelevelcontrol,mypaperintroducesanAT89C51ascontrolcore,usingadigitaltemperaturesensor（DS18B20）fortemperaturewatertemperaturecontrolunittorealize.Thispapermainlyintroducesthecoredeviceofchoice,eachpartcircuitdesignandsoftwarerealization.AT89C51perfectinternalstructure,excellentperformanceandpowerfulinterrupthandlingability,decidedthecontrolsystemhasthecircuitissimpleinstructure,proceduresbrief,systemreliabilityhighcharacteristic.WaterleveldetectionbyAT89C51,watershortage,therealizationofautomaticcontroloverflow;Temperaturegatheringadoptingdigitaltemperaturesensor（DS18B20）,notinneedofsophisticatedsignalregulatecircuitandA/Dcircuit,simpledigitalprocessingcircuitgreatlyreducesthehardwareandsoftwaredesigncomplexity,directandsingle-chipcommputercompletesdataacquisitionandprocessing;LCD1602LCDdisplaybytemperature,realizeconvenient,simple.Thissystemcanbeusedaccordingtodifferentrequirementsonvariousoccasions.
【Keywords】AT89C51microcontroller，DS18B20，LCD1602
目录
引言5
第一章系统方案设计6
（一）水温水位控制系统的设计任务和要求6
（二）系统总体方案的选择6
（三）温度传感器的选择7
第二章元器件介绍及硬件电路设计8
（一）元器件介绍8
（二）硬件电路设计15
第三章系统软件设计19
（一）程序结构说明19
（二）程序流程图19
（三）操作指引24
第四章实验测试25
（一）LCD1602显示“ABCD1234”25
（二）键盘及数字显示结合25
（三）整机调试25
第五章设计总结27
致谢28
参考文献29
引言
上个世纪，由于工业过程控制的需要，特别是电子技术的迅猛发展，以及在自动控制理论和设计方法的推动下，温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应参数、自整定等方面取得了优异成果。
现在的温度控制系统及仪器仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。
温度控制系统在各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等技术先进的国家相比，仍然有着较大的差距。
成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且应用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内的技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。
温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量，其中温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。
温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求较高。
温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。
尽管温度控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。
随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大、本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。
本文主要介绍以单片机控制温度的系统设计过程，其中涉及系统结构设计、元器件的选取、程序的调试和系统参数的整定。
在系统构建时选取了AT89C51芯片作为该控制系统的核心，温度信号由新型的可编程温度传感器（DS18B20）提供。
通过软件实现对水温的控制，使用继电器作执行部件对水位的自动控制。
系统控制对象为水箱。
水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变,具有较好的快速性与较小的超调。
该系统为一实验系统，要求系统有控制能力，实现对主要可变参数的实时监控。
使用软件编程既减少了系统设计的工作量，又提高了系统开发的速度，使用软件还可以提高所设计系统的稳定性。
第一章系统方案设计
（一）水温水位控制系统的设计任务和要求
该系统为一实验系统，系统设计任务：
设计一个水温水位自动控制系统，控制对象为水箱。
水位实现自动加水和自动溢出控制，水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。
利用AT89C51单片机实现对水温的智能控制，使水温在设定温度下控制温度恒定。
利用仪器读出水温，并在此基础上将水温调节到我们通过键盘输入的温度（其方式是加热或降温），而且能够将温度显示在LCD1602液晶上。
系统设计具体要求：
（1）由键盘设定温度，设定范围为40一90℃，最小区分度为l℃，标定温差＜1。
（2）温度低于设定温度值时加热，温度高于设定值时降温
（3）用LCD1602液晶实时显示水的实际温度。
（4）实现容器中无水时自动加水,溢出自动控制，防止烧干，故障报警。
（5）环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制约静态误差＜1
（二）系统总体方案的选择
1方案一（如图1-1）此方案是传统的二位式模拟控制方案，其基本思想与方案采用上下限比较电路，控制精度比较高。
这种方法还是模拟控制方法，因此也不能实现复杂的控制算法使控制温度做的更精确。
而且不能用数码管显示和键盘设定。
图1-1模拟电路
2方案二（如图1-2）此方案采用AT89C51单片机系统来实现。
单片机软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制【1】。
单片机系统可用数码管显示水温的实际值，能用键盘输入设定值等功能。
本方案选用了AT89C51芯片，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单。
3方案论证方案一是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改也较麻烦。
而方案二是采用以AT89C51为控制核心的单片机控制系统，尤其对温度控制，可以达到模拟控制所达不到的控制效果，并且可以实现显示、键盘设定，报警等功能。
大大提高系统的智能化，也使得系统所测结果的精度大大提高了。
所以本次设计采用方案二。
图1-2温度控制系统框图
（三）温度传感器的选择
本设计方案的选择主要是感温元件的选择,经查阅资料,IC式感温器在市场上应用比较广泛的有以下几种：
1AD590：
电流输出型的测温组件,温度每升高1摄氏度K（凯式温度），电流增加1μA，温度测量范围在一55℃～150℃之间。
其所采集到的数据需经A/D转换，才能得到实际的温度值。
2DS18B20：
除了测量温度外，它还可以把温度值以数字的方式（9Bit）送出，温度送出的精度为0.5℃，温度测量范围在-55℃—125℃之间，可以做恒温控制。
3SMARTEC感温组件:
这是一只3个管脚感温IC，温度测量范围在-45℃～13℃，误差可以保持在0.7℃以内。
本设计选用DS18B20感温IC，这是因其性能参数符合设计要求，接口简单，内部集成了A/D转换，测温更简便，精度较高，反应速度快，且经过市场考察，该芯片易购买，使用方便。
第二章元器件介绍及硬件电路设计
（一）元器件介绍
1温度传感器
温度传感器选用可编程温度传感器（DS18B20）芯片。
DS18B20是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。
它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户使用带来了更多方便。
（1）DS18B20产品的特点
（a）单线接口：
仅需一根线与单片机相连；
（b）由用总线提供电源，也可用数据线供电，电压范围：
3.0～5.5V；
（c）测温范围为-55℃～+125℃，在-10～85℃时，精度为0.5℃；
（d）可编程的分辨率为9～12位，对应的分辨率为0.5～0.0625℃；
（e）用户可编程的温度报警设置；
（f）12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字量。
（2）DS18B20的引脚介绍
DS18B20可编程温度传感器有3个管脚。
（如图2-1）GND为接地线，DQ为数据输入输出接口，通过一个较弱的上拉电阻与单片机相连。
VDD为电源接口，既可由数据线提供电源，又可由外部提供电源，范围3．O～5．5V【7】。
本文使用外部电源供电。
图2-1DS18B20管脚
（3）DS18B20的内部结构
DS18B20内部功能模块主要由4部分组成：
64位光刻R0M、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
R0M中的64位序列号是出厂前被光刻好的，他可以看作是该DSISB20的地址序列码，每个DSI8B20的64位序列号均不相同。
高低温报警触发器TH和TL，配置寄存器均由一个字节的E2PROM组成，使用一个存储器功能命令可对TH，TL或配置寄存器写入。
配置寄存器中R1，R0决定温度转换的精度位数：
R1R0＝’00’,9位精度，最大转换时间为93.75ms；R1R0=‘01’,10位精度，最大转换时间为187.5ms；R1R0=‘10’,11位精度，最大转换时间为375ms；R1R0=’11’,12位精度，最大转换时间为750ms；未编程时默认为12位精度。
（4）DS18B20的使用方法
由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输【8】，而对AT89C51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。
DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。
DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。
该协议定义了几种信号的时序：
初始化时序、读时序、写时序。
所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。
而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。
数据和命令的传输都是低位在先。
DS18B20的复位时序
图2-2DS18B20的复位时序图
DS18B20的读时序
对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。
对于DS18B20的读时序是从主机把单总线拉低之后，在15us之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。
DS18B20要完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。
图2-3DS18B20的读时序图
DS18B20的写时序
对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程【10】。
对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。
图2-4DS18B20的写时序图
2AT89C51的特性
AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128byt的随机存取数据存储器（RAM），兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。
AT89C51主要的功能特点如下：
（1）兼容MCS-51指令系统
（2）32个双向I/O口
（3）两个16位可编程定时/计数器
（4）一个串行中断
（5）两个外部中断源
（6）可直接驱动LED
（7）低功耗空闲和掉电模式
（8）4K可反复查写ROM
（9）3级加密位
（10）全静态操作0MHz-24MHz
（11）软件设置睡眠和唤醒功能
3LCD1602液晶
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片，HD44780是带西文字库的液晶显示控制器，用户只需要向HD44780送ASCII的字符码，HD44780就按照内置的ROM点阵发生器自动在LCD液晶显示器上显示出来。
所以，HD44780主要适用于显示西文ASCII字符内容的液晶显示。
1602字符型LCD能够同时显示16*2即32个字符（16列2行）。
其内置192种字符（160个5*7点阵字符和32个5*10点阵字符），具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个5*8点阵字符或4个5*11点阵字符。
1602通常有14条引脚线或16条引脚线两种，多出来的2条线是背光电源线和地线，带背光的比不带背光的略厚，控制原理与14脚的LCD完全一样，是否带背光在应用中并无差别。
本设计中采用带背光16引脚线的。
其主要技术参数为：
显示容量：
16×2个字符。
芯片工作电压：
4.5-5.5V。
工作电流：
2.0mA（5.0V）。
模块最佳工作电压：
5.0V。
字符尺寸：
2.95×4.35（W×H）mm。
LCD1602的16个引脚可参照图2-5，其引脚功能分别为：
VSS：
电源地（GND）。
VCC：
电源电压（5V）。
V0：
LCD驱动电压，液晶显示器对比度调整端。
使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。
RS：
寄存器选择输入端，选择模块内部寄存器类型信号。
RS=0，进行写模块操作时指向指令寄存器，进行读模块操作时指向地址计数器。
RS=1，无论进行读操作还是写操作均指向数据寄存器。
R/W：
读写控制输入端，选择读/写模块操作信号。
R/W=0，读操作；R/W=1，写操作。
本设计中只需往LCD里写数据即可，写时序见图3-4。
E：
使能信号输入端。
读操作时，高电平有效；写操作时，下降沿有效
DB0~DB7：
数据输入/输出口，单片机与模块之间的数据传送通道。
选择4
位方式通讯时，不使用DB0~DB3。
BLA：
背光的正端+5V。
BLK：
背光的负端0V。
1602模块内部主要由LCD显示屏、控制器、列驱动器和偏压产生电路构成。
控制器接受来自MPU的指令和数据，控制着整个模块的工作。
主要由显示数据缓冲区DDRAM，字符发生器CGROM，字符发生器CGRAM，指令寄存器IR，地址寄存器DR，忙标志BF，地址计数器AC以及时序发生电路组成。
模块通过数据总线DB0~DB7和E、R/W、RS三个输入控制端与MPU接口。
这三根控制线按照规定的时序相互协调作用，使控制器通过数据总线接受MPU发来的数据和指令，从CGROM中找到欲显示字符的字符码，送入DDRAM，在LCD显示屏上与DDRAM存储单元对应的规定位置显示出该字符。
控制器还可以根据MPU的指令，实现字符的显示，闪烁和移位等显示效果。
CGROM内提供的是内置字符码，CGRAM则是供用户存储自定义的点阵图形字符。
模块字符在LCD显示屏上的显示位置与该字符的字符代码在显示缓冲区DDRAM内的存储地址一一对应。
LCD1602模块内部具有两个8位寄存器：
指令寄存器IR和地址寄存器DR，用户可以通过RS和R/W输入信号的组合选择指定的寄存器，进行相应的操作。
表2-1中列出了组合选择方式：
表2-1寄存器选择组合
RS
R/W
操作
0
0
将DB0~DB7的指令代码写入指令寄存器IR中
0
1
分别将状态标志BF和地址计数器AC内容读到DB7和DB6~DB0
1
0
将DB0~DB7的数据写入数据寄存器中，模块的内部操作将数据写到DDRAM或者CGRAM中的数据送入数据寄存器中
1
1
将数据寄存器内的数据读到DB0~DB7，模块的内部操作自动将DDRAM或者CGRAM中的数据送入数据寄存器中
1602提供了较为丰富的指令设置，通过选择相应的指令设置，用户可以实现多种字符显示样式。
下面仅简要介绍本次设计中需要用到的一些指令设置。
●清屏指令Cleardisplay
清显示指令将空位字符码20H送入全部DDRAM地址中，时DDRAM中的内容全部清除，显示消失，地址计数器AC=0，自动增一模式。
显示归位，光标闪烁回到原点（显示屏左上角），但不改变移位设置模式。
清屏指令码见表2-2。
表2-2清屏指令码
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
●进入模式设置指令Entrymodeset
见表2-3，进入模式设置指令用于设定光标移动方向和整体显示是否移动。
表2-3模式设置指令码
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
I/D：
字符码写入或者读出DDRAM后DDRAM地址指针AC变化方向标志。
I/D=1，完成一个字符码传送后，AC自动加1。
I/D=0，完成一个字符码传送后，AC自动减1。
S：
显示移位标志。
S=1，完成一个字符码传送后显示屏整体向右（I/D=0）或向左（I/D=1）移位。
S=0，完成一个字符码传送后显示屏不移动。
●显示开关控制指令Displayon/offcontrol
指令码见表2-4，该指令功能为控制整体显示开关，光标显示开关和光标闪烁开关。
表2-4显示开关控制指令码
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
D：
显示开/关标志。
D=1，开显示；D=0，关显示。
关显示后，显示数据仍保持在DDRAM中，开显示即可再现。
C：
光标显示控制标志。
C=1，光标显示；C=0，光标不显示。
不显示光标并不影响模块其他显示功能。
显示5*8点阵字体时，光标在第八行显示；显示5*10点阵字符时，光标在第11行显示。
B：
闪烁显示控制标志。
B=1，光标所在位置会交替显示全黑点阵和显示字符，产生闪烁效果；B=0，光标不闪烁。
●功能设置指令Functionset
功能设置指令用于设置接口数据位数，显示行数以及字形。
指令码见表2-5。
表2-5功能设置指令码
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
DL：
数据接口宽度标志。
DL=1，8位数据总线DB7~DB0；DL=0，4位数据总线DB7~DB4，DB3~DB0不使用，此方式传送数据需分两次进行。
N：
显示行数标志。
N=0，显示一行；N=1，显示两行。
F：
显示字符点阵字体标志。
F=0，显示5*7点阵字符；F=1，显示5*10点阵字符。
1602模块内部设有上电自动复位电路，当外加电源电压超过+4.5V时，自动对模块进行初始化操作，将模块设置为默认的显示工作状态。
初始化大约持续10ms左右。
初始化进行的指令操作为：
●清显示
●功能显示
DL=1：
8位数据接口。
N=0：
显示一行。
F=0：
显示5*8点阵字符字体。
●显示开/关控制
D=0：
关显示。
C=0：
不显示光标。
B=0：
光标不闪烁。
●输入模式设置
I/D=1：
AC自动增一。
S=0：
显示不移位。
但是需要特别注意的是，倘若供电电源达不到要求，模块内部复位电路无法正常工作，上电复位初始化就会失败。
因此，最好在系统初始化时通过指令设置对模块进行手动初始化。
4继电器
本系统利用继电器的吸合与否来控制加热装置和降温装置，实现水温的自动化控制。
本次设计采用型号为JRC-21F的继电器。
其特点有：
（1）超小型,低功耗；
（2）触点型式:
1H,1Z（1A.AC）；
（3）触点负载:
2A,120VAC；
（4）外型尺寸:
15.7X10.4X11.4；
5键盘
键盘选用轻触开关，只用三个键来输入，它们的功能分别为“加一”，“减一”和“确认”三个功能按键，详细电路和程序见后面章节。
（二）硬件电路设计
总电路图见附页1，下面重点介绍各个模块的电路图。
1温度采集电路
DS18B20为单总线器件，接口电路简单，如下图2-6所示
图2-6温度采集电
升级会员 