电气电子毕业设计439洗浴场水温.docx

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电气电子毕业设计439洗浴场水温

摘要..................................................................................................................................................Ⅰ

Abstract..........................................................................................................................................Ⅱ

第一章绪论1

1.1课题研究的背景与意义1

1.2国内外研究概况和发展趋势1

1.2.1温度传感器研究概况和发展趋势1

1.2.2温度控制系统研究概况和发展趋势1

1.3研究内容2

第二章硬件电路设计3

2.1芯片介绍3

2.2硬件电路总体设计7

2.3温度信号输入电路设计8

2.4电源模块设计8

2.5键盘/显示电路设计10

2.5控制量输出电路设计12

第三章软件系统设计14

3.1单片机主程序14

3.2键盘处理子程序14

3.3显示子程序15

3.4DS18B20相关程序16

3.4.1DS18B20初始化程序16

3.4.2DS1820读写程序16

总结与展望19

致谢20

参考文献21

附录I部分程序代码22

附录Ⅱ系统原理电路图29

第一章绪论

1.1课题研究的背景与意义

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，同时，随着“信息时代”的到来，传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。

因此，了解并掌握单片机及各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。

在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。

无论你生活在哪里，无时无刻不在与温度打着交道。

在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎％80的工业部门都不得不考虑着温度的因素。

温度对于工业如此重要，由此推进了温度检测与控制系统的发展。

基于温度检测的普遍要求，本文以80C51单片机为核心，研究和设计了数字化的水温控制系统。

1.2国内外研究概况和发展趋势

1.2.1温度传感器研究概况和发展趋势

现代信息技术的三大基础是信息采集（即传感器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）。

传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。

我国传感器行业虽起步较早，但直到１９８６年“七五”开始才正式将传感器技术列入国家重点攻关项目，展开以机械敏、力敏、气敏、温敏、生物敏为主的５大敏研究。

经过十几年的发展，现已形成了一定规模的产业格局，其特点有:

⑴厂商多，上规模的企业少；

（2）地区发展不平衡；（3）品种多，档次不高；（4）生产研发以大学和研究所为依托，专业公司少。

1.2.2温度控制系统研究概况和发展趋势

⑴PID控制

PID控制即比例、积分、微分控制。

PID算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数，利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制，使控制过程连续，是很普通的调节方法。

其缺点是现场参数整定麻烦，外界干扰会使控制漂离最佳状态。

⑵神经网络控制

人工神经网络以其高度的非线性映射，自组织，自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线性系统建模。

在温控系统中，将温度的影响因素如天气、气温、外加电压、被加热物体性质以及被加热物体温度等作为网络的输入，将其输出作为PID控制器的参数，以实验数据作为样本，在微机上反复迭代，随实验与研究的进行与深入，自我完善与修正，直至系统收敛，得到网络权值，达到自整定PID控制器参数的目的。

⑶模糊控制

模糊控制是基于模糊逻辑的用于描述一个过程的控制算法，它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。

模糊温控的实现过程：

⑴将温控对象的偏差和偏差变化率以及输出量划分为不同的模糊值，建立规则。

⑵根据控制查询表，形成模糊算法。

⑶对温度误差采样的精确量模糊化，经过数学处理输入计算机中，计算机根据模糊规则推理做出模糊决策，求出相应的控制量，并转换成精确量去驱动执行机构，达到调节温度的目的。

⑷模糊控制与PID结合（fussy-PID）

PID本质是线性控制，而模糊控制具有智能性，属于非线性领域，因此，将模糊控制与PID结合将具备两者的优点。

即用过程的运行状态（温度偏差及温度变化率）确定PID控制器参数，用PID控制率确定控制作用.主要的问题是合理地获得PID参数的模糊校正规则。

其实质是一种以模糊规则调节“PID参数”的自适应控制，即在一般PID控制系统基础上，加上一个模糊控制规则环节。

⑸模糊控制与神经网络结合

温控系统由于被控过程常常具有严重的非线性和时变性以及种类繁多的干扰，使得基于精确数学模型的传统控制方案很难获得满意的动静态控制效果。

但是，模糊控制所基于的专家经验不易获得，一成不变的控制规则也很难适应被控制系统的非线性、时变性等问题，严重影响控制效果。

因此，人们将模糊控制与神经网络相结合使模糊控制向着自适应方向发展，使模糊控制规则隶属函数模糊量化在控制过程自动地调整和完善。

1.3研究内容

本文讨论了洗浴场水温自动控制系统，该系统对控制精度的要求不是很高，但要求系统简单实用，所以我们设计了以单片机80C51为控制器，以双向可控硅为执行机构的控制方案。

主要内容包括：

1.采用以Intel公司MCS-51系列的CHMOS产品80C51为核心的单片机系统，实现对水温的检测控制。

2.采用新型数字温度传感器，进行温度数据的采集和转换。

3.系统可以手动或上电复位。

复位时先自检，接着显示上次设定的上限温度值。

正常工作时显示温度值。

状态灯显示当前系统工作状态。

第二章硬件电路设计

本章先对系统使用到的主要芯片和传感器做简单介绍，接着对系统总体设计做了简略阐述，最后仔细介绍了温度信号输入电路、电源模块、键盘/显示电路、控制量输出电路及报警/状态显示电路。

2.1芯片介绍

⑴80C51单片机

80C51系列单片机是由Intel公司推出的8位主流单片机系列，是在中低档系列MCS-51的HMOS的基础上发展而成的，该系列具有CHMOS结构，是我国目前应用最广泛的一种单片机系列。

1．外部引脚及功能

80C51单片机共有40个信号引脚。

它有两

种封装形式：

一种是双列直插式，另一种是方

形封装（44个引脚，其中有4个空脚NC）。

双列

直插式的芯片排列如图2.1所示。

80C51单片机的40个引脚分别是：

电源引

脚2根，外接晶体振荡器引脚2根，控制引脚

4根以及输入/输出引脚32根。

①．主电源引脚（2根）

◆

（20）：

接地线。

◆

（40）：

电源线，接+5V电源。

②．外接晶体引脚（2根）

◆XTAL1（19）：

接外部晶体的一个引脚图2.180C51的引脚排列

或引入外部时钟。

当采用内部振荡器时，它接外部石英晶振的一个引脚。

当采用外部振荡器时，此引脚作为时钟输入端（驱动端）。

◆XTAL2（18）：

外接石英晶振的另一个引脚或引入外部时钟。

当采用内部振荡器时，它接外部晶振的一个引脚。

当采用外部振荡器时，此引脚悬浮。

③．控制引脚（4根）

◆

（9）：

复位信号引脚。

◆ALE/PROG（30）：

地址锁存允许信号。

◆

（29）：

外部程序存储器的读选通信号。

◆

（31）：

访问程序存储器选择控制信号。

④．输入/输出引脚（32根）

◆P0.0～P0.7（39～32）：

P0口的8位双向I/O口线。

◆P1.0～P1.7（1～8）：

P1口的8位准双向I/O口线。

◆P2.0～P2.7（21～28）：

P2口的8位准双向I/O口线。

◆P3.0～P3.7（10～17）：

P3口的8位准双向I/O口线。

P3口是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/O口。

在80C51中，P3口还有第二功能，而且80C51的P3口恰恰是经常使用在第二功能状态。

其第二功能见表2.1。

表2.1P3口的第二功能

引脚

第二功能

功能说明

P3.0

RXD

串行数据接收器

P3.1

TXD

串行数据发送器

P3.2

外部中断0申请信号线

P3.3

外部中断1申请信号线

P3.4

定时器/计数器0计数输入端

P3.5

定时器/计数器1计数输入端

P3.6

外部RAM写选通信号

P3.7

外部RAM读选通信号

2.80C51的存储器配置

80C51的片内集成有一定容量的程序存储器和数据存储器（128B）。

当然，还可以根据需要对存储器进行外部扩展。

3.80C51的中断系统

①中断源：

80C51是一个多中断源的单片机，共有三类五个中断源，分别是外部中断两个（

，

）、定时中断两个和串行中断一个。

②中断控制的寄存器

◆定时器控制寄存器TCON

寄存器地址88H，位地址8FH～88H。

具体格式如下：

位地址

位名称

TF1

TR1

TF0

TR0

IE1

IT1

IE0

IT0

◆串行口控制寄存器SCON

寄存器地址98H，位地址9FH～98H，具体格式如下：

位地址

位名称

SM0

SM1

SM2

REN

TB8

RB8

◆中断允许控制寄存器IE

寄存器地址A8H，位地址AFH～A8H，具体格式如下：

位地址

位名称

ET1

EX1

ET0

EX0

◆中断优先级控制寄存器IP

IP寄存器地址B8H，位地址BFH～B8H，具体格式如下：

位地址

位名称

PT1

PX1

PT0

PX0

⑵温度传感器DS1820

美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS1820,可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。

给DS1820供电的方法是从VDD引脚接入一个外部电源，这样做的好处是I/O线上不需要加强上拉，而且总线控制器不用在温度转换期间总保持高电平。

这样在转换期间可以允许在单线总线上进行其他数据往来。

注意当加上外部电源时，GND引脚不能悬空。

从DS1820读出信息或写入DS1820的信息，仅需要一根接线（单线接口）。

①DS1820的特性

●单线接口：

仅需一根口线与MCU连接。

●测温范围为-55℃～125℃，精度为0.5℃。

●A/D变换时间为200ms，九位温度读数。

●用户自设定温度报警上下限，其值是非易失性的。

图2.2DS1820引脚图

②DS1820引脚及功能

DS1820的引脚如图2.2所示。

●GND：

地。

●DQ：

数据输入／输出脚（单线接口，可作寄生供电）。

●VDD：

电源电压。

③DS1820的内部结构

DS1820的内部结构如图2.3所示。

图2.3DS1820内部结构

④DS1820的测温原理：

测温原理框图如图2.4所示。

内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数，低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时振荡器的脉冲无法通过门电路。

计数器设置为-55℃时的值，如果计数器到达0之前，门电路未关闭，则温度寄存器的值将增加，这表示当前温度高于-55℃。

同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性，然后计数器又开始计数直到零。

如果门电路仍然未关闭，则重复以上过程。

DS1820内部提供0.5℃（标准值）的精度，它把温度值存储于2个字节中，分别叫做MSB和LSB。

其中MSB是符号位，当温度值小于0℃时，则MSB为11111111；当温度值大于0℃时，则MSB为00000000。

LSB是所测得的温度值，测温范围为-55℃～125℃，测试精度0.5℃。

温度值和存储器MSB、LSB的对应关系如表2.2所示。

温度表示值为9bit，高位为符号位，其结构如下：

图2.4测温原理框图

表2.2温度值和存储器MSB、LSB的对应关系

温度（℃）

十进制

MSBLSB

数据输出（二进制）

十六进制

数据输出

+125

0000000011111010

00FA

+25

0000000000110010

0032

+1/2

0000000000000001

0001

0000000000000000

0000

-1/2

1111111111111111

FFFF

-25

1111111111001110

FFCE

-55

1111111110010010

FF92

表2.3DS1820的主要命令

ROM命令

RAM命令

名称

作用

名称

作用

读ROM（33H）

读DS1820的序列号

温度转换命令（44H）

启动温度转换

匹配ROM（55H）

用于多DS1820的定位

读数据命令（BEH）

读取温度数据

跳过ROM（CCH）

针对在线DS1820使用

写数据命令（4EH）

写数据/命令

2.2系统总体设计

本系统的任务是对温度进行实时监测与控制，系统测量范围为0～100℃，精度为0.5℃。

首先，由温度传感器DS1820对温度进行采样和转换，将测量结果送给单片机；单片机将输入的温度值与内部指定单元的给定温度值T进行比较，根据比较结果，通过一个执行机构—可控硅对加热源（电阻炉、电热水壶和灯泡等）的开关状态进行控制。

由于水的惯性大，加之在这里对温度的控制精度要求不高，我在控温过程中采用了简单的开关控制。

系统原理方框图如图2.5所示。

图2.5系统原理方框图

根据任务要求，确定了器件和系统电路。

该系统以高性能/价格比的80C51为核心，采用新型单片数字温度传感器DS1820来测量温度，由双向可控硅驱动电路MOC3041和双向可控硅TLC336A组成输出控制通道。

此外还有键盘/显示电路、报警输出电路等。

整个系统结构紧凑，性能可靠；不仅适用于水温控制，也可适用于工业环境温度的监测与控制。

2.3温度信号输入电路设计

该部分主要完成对温度信号的采集和转换工作，由DS1820及其与单片机的接口部分组成。

由于采用了该芯片，温度测量电路变得非常简单。

DS1820的引脚及内部结构在上文已经做了介绍，图2.6为其与单片机的接口电路。

通过DQ线与单片机的一根I/O线相连，就能实现单片机对DS1820控制模式、温度值读取等操作。

需要特别说明的是：

DS1820是在严格的时序控制下进行正常操作的，换句话说，就是用比较复杂的软件来换取简单的硬件接口。

图2.6DS1820与单片机接口电路

2.4电源模块设计

+5V直流稳压电源的工作电路采用集成三端稳压器7805构成，电路图如图2.7所示。

集成三端稳压器因其稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、容易设计和制作、体积小、重量轻、成本低、维修简单等优点,所以在各种电源电路中得到了普遍的应用。

IC采用集成三端稳压器7805,C5、C6分别为输入端和输出端滤波电容,RL为负载电阻。

图2.7+5V直流稳压电路原理图

⑴工作原理：

变压器TF将交流电网220V的电压

变为所需要的交流电压

然后通过全波整流将交流电压

变成脉动的直流电压。

由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波,必须通过滤波电容C5加以滤除,从而得到平滑的直流电压Vi。

但这样的电压还随电网电压波动（一般有±10％左右的波动）、负载和温度的变化而变化。

因而在全波整流、滤波之后,还需接入集成三端稳压器进行稳压,使输出的直流电压能稳定在

=+5V。

⑵+5V直流稳压电路参数设计

在设计中需要计算的参数有:

变压器副边绕组的交流电压有效值

整流元件的参数,电容C5、C6的数值以及集成三端稳压器的选用。

①电容C5,可用下式进行计算:

式中:

代表

的最小值，10ms为交流电网电压周期的一半。

取

=7.3V。

因为在使用三端稳压器时,为了保证稳压性能,输入端和输出端间电位差至少应在2V以上,当然也不能太大,以减少器件功耗和避免器件损坏,一般对输出电压不大于18V的稳压器,输入电压应小于35V。

按输出电流应有10%的余量,可取

=1.1

=1.1A。

通过计算,得:

C5≈3014μF。

因此取C5=3300μF

②电压

可用下式进行计算:

通过计算,得:

=9.9V。

为了留有一定裕量,取

=10.5V。

③反向耐压

桥式整流电路中,每个整流二极管在交流电网电压最高时承受的最大反向峰值电压为

。

为了安全,整流管的反向耐压应当比上述值大50％以上,因此选择整流管时,其反向耐压应按下式考虑:

④正向电流

桥式整流电路中,每个整流二极管的正向电流平均值是输出电流的一半,其最大值是

。

由于在接通电源瞬间有相当大的冲击电流（即充电电流）通过整流管,因此,整流管的参数

（正向电流平均值）应比上述值大0.5～2倍。

若按

比上述值大0.8倍考虑,则

。

根据上述计算,可选用1A/25V或1A/50V的桥堆。

⑤变压器副边绕组电流

变压器副边绕组电流有效值

比输出电流

大,一般情况下,前者是后者的1.1～3

倍。

这里我们取

。

因此,变压器副边绕组导线的粗细应按额定电流（交流有效值）为2A选用。

⑥三端稳压器的选用

根据要求,选择78系列集成三端稳压器可满足要求。

另外,集成三端稳压器在输出电流较大时,应配上散热器。

散热器以叉指型散热器为佳。

⑦电容C6

电容C6的作用:

减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰,其数值在100μF左右。

2.5键盘/显示电路设计

⑴键盘电路

很多实际的应用系统均采用较少几个按键组成的非编码键盘，也称其为开关式键盘，或线性键盘，本系统单片机与键盘连接如图2.8所示。

每一个键对应P1口的一根口线，各键是相互独立的。

当某个键按下时，该键所对应得口线的电位就由高变为低电平，CPU访问并查询所有按键接口线，即可识别是哪一个键按下，该键盘常应用于按键数较少的场合。

施密特触发器具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲，因此采用施密特电路消除键盘抖动。

但当所用键数较多时，采用此方法占用I/O口线太多，引线也较多。

图2.8单片机与键盘连接电路

其中，K1：

温度设定/确定设定；K2：

显示设定温度/上限值设定转为下限值设定；K3：

上升1℃；K4:

下降1℃。

⑵显示电路

1.LED七段数码管

将发光二极管做成段状并按数码形式组合构成LED段状数码管。

在单片机应用系统中最常采用的是七段LED，七段数码管分为共阳型和共阴型两种。

七段LED数码管的显示可采用硬件译码直接译码显示，也可以用软件译码，用I/O线直接控制显示。

控制显示各数码加在数码管上的二进制数据称为段码，显示各数码共阴和共阳七段LED数码管所对应的段码见表2.3。

表2.3七段LED数码管的段码

显示数码

共阴型段码

共阳型段码

显示数码

共阴型段码

共阳型段码

3FH

COH

77H

88H

06H

F9H

7CH

83H

5BH

A4H

39H

C6H

4FH

BOH

5EH

A1H

66H

99H

79H

86H

6DH

92H

71H

8EH

7DH

82H

“灭”

00H

FFH

07H

F8H

7FH

80H

6FH

90H

2.显示方式

由于静态显示占用较多I/O口资源，我们采用动态显示方式。

动态显示是将所有数码管的段码线对应并联在一起，由一个8位的输出口控制。

显示不同数码时，由位线控制各位轮流显示。

位线控制某位选通时，该位应显示数码的段码同时加在段码线上，即每一时刻仅有一位数码管是被点亮的，当轮流显示的速度较快时，由于人眼的视觉暂留现象，看起来就像所有位同时显示一样。

显示电路的连接如图2.9所示。

图2.9系统显示电路

2.5控制量输出电路设计

以前在设计输出控制通道是往往选用继电器，但由于其噪声大和机械性能方面的原因，现在已经很少见了。

随之而来的是无触点开关—双向可控硅的使用，但在设计工作中，需要采用同步过零触发电路进行同步触发，由于这部分电路包括比较器、单稳态电路和光电隔离器等器件，芯片多，结构较复杂，在实际应用中容易出故障。

因此，在设计当中，我们在原有电路的基础上，采纳了Motorola公司推出的单片集成可控硅驱动器件MOC3041作为对输出的驱动和控制，从而顺利地解决了这一问题。

MOC3041芯片是一种集成的带有光耦合的双向可控硅驱动电路。

它内部集成了发光二极管、双向可控硅和过零触发电路等器件。

它的内部结构和外部引脚如图2.10所示，由输入和输出两部分组成，输入部分是一个砷化镓发光二极管，在5～15mA正向电流的作用下发出足够强度的红外光触发输出部分，输出部分包括一个硅光敏双向可控硅和过零触发器。

在红外的作用下，双向可控硅可双向导通，与过零触发器一起输出同步触发脉冲，去控制执行机构—外部的双向可控硅。

由MOC3041组成的过零触发双向可控硅电路简单可靠，电路如图2.11所示。

图2.10MOC3041内部结构和外部引脚

图2.11MOC3041和双向可控硅构成的输出通道图

其中：

R8—限流电阻，控制LED的触发电流；R9—门极电阻，提高控制极的抗干扰的能力；R10—控制回路限流电阻，保护MOC3041中的双向可控硅；R11，C4—构成吸收回路，承受反向电压。

该部分的工作过程是：

当单片机的P3.1口输出为低电平时，MOC3041内部导通，G端出现同步触发脉冲，控制可控硅导通，打开加热器；当P3.1为高电平时，MOC3041内部截止，可控硅断开，关闭加热器。

2.6报警及状态指示电路设计

本设计当中，使用发光二极管配合软件程序编程实现温度报警和系统状态指示，其电路如图2.12所示。

图2.12报警及系统状态指示电路

其中：

L1—保温状态指示；L2—加热状态指示；L3—电源状态指示；L4—高温报警指示；L5：

低温报警指示。

该部分的工作过程是：

单片机读取传感器检测温度T与温度设定值进行比较，通过相应程序实现对应P端口置位“1”或清零，使对应发光二极管点亮显示报警及系统状态。

第三章软件系统设计

3.1单片机主程序

本装置的软件包括主程序、键盘处理子程序、显示子程序以及有关DS1820的程序（初始化子程序、键盘处理子程序、写程序和读程序）等。

主程序完成的功能是：

启动DS1820测

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