基于单片机的饮水机温度控制系统毕业设计.docx

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基于单片机的饮水机温度控制系统毕业设计

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本科毕业论文

题目：

基于单片机的饮水机温度控制系统

院（系、部）名称：

机电工程学院

专业名称：

电子信息工程

学生姓名：

***

学生学号：

XXX

指导教师：

XXX

2012年4月5日

***************教务处制

学术声明

本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。

对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。

本学位论文的知识产权归属于河北科技师范学院。

本人签名：

日期：

指导教师签名：

日期：

摘要

单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在许多电子产品中也用到了温度检测和控制，目前广泛使用的饮水机具有饮水时尚、结构简单等特点，但随着用户的长时间使用，这些饮水机功能单一能耗较大长时间使用饮水机的水对健康不利等缺点逐渐暴露出来。

因此，此课题的主要目的是设计出一个基于单片机的饮水机温度控制系统，此系统要可以实时检测饮水机水箱的水温，并且可以通过数码管显示水箱水温度数，可以通过键盘或开关选择制冷或加热，可以任意设置水温的上下限，如加热，当温度在设定的范围内时正常工作，当低于水温下限时控制加热器加热；如制冷，当温度高于水温上限时控制压缩机制冷。

温度检测范围0~95ºC，精确度-1~+1°C，当温度超过设定值时具有示警功能。

掌握好对饮水机水温的智能控制，能够在一定程度上把我们身边的水资源充分利用起来，防止了每次加热都使水沸腾，既节能又可以更好的满足人们的更高的需求。

关键词：

饮水机；单片机；温度传感器

Abstract

SCMelectronicproductshasbecomeincreasinglywidespread,andisalsousedinmanyelectronicproducts,temperaturemeasurementandcontrol.Currentlywidelyusedindrinkingfountainswithdrinkingwaterfashion,simplestructureandsoon.Butwiththeprolongeduseofthesewaterfountains,functionofsinglelargeenergyconsumptionintheprolongeduseofdrinkingfountainsontheadversehealthandothershortcomingsweregraduallyexposed.Therefore,themainpurposeofthissubjectistodesignamicrocontroller-baseddrinkingfountainstemperaturecontrolsystem.Thissystemcanreal-timedetectofwaterdispensertankwatertemperature.Thissystemcanreal-timedetectionofwaterdispensertankwatertemperature,anddigitaldisplaywatertemperatureindegreescoolingorheating,youcanselectviathekeyboardorswitch,youcansetthewatertemperatureintheupperandlowerlimits.Whenthetemperaturewithinthelimitssetbythedrinkingfountainswillworkproperly.Suchasheating,Whenthewatertemperatureislowerthanlimit,itcontrolsheater;suchasrefrigerationcompressorcooling,whenthetemperatureishigherthanthewatertemperaturelimitcontrol.Temperaturedetectionrangeof0~95ºC,accuracyof-1to+1°C,hasawarningfunctionwhenthetemperatureexceedsthesetvalue.

Tomastertheintelligentcontrolofwaterdispenserwatertemperature,canbeintoacertaindegreeofwateraroundustomakefulluseofit.,preventheattoboilwateralleverytime.alreadyenergy-savingandcanbettersatisfypeople'shigherdemand.

Keywords:

drinkingfountain ;SCM ;sensor.

1.前言

在人类的生活环境中，温度扮演着及其重要的角色。

自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温度有着密切的联系。

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

温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，如电热水器、自动饮水机等，都要用到水温控制系统。

高校的发展同样要求用现代化手段提升现有的实验设备，为学生提供更多更好更现代化的实验条件。

因此我们应该应用电子专业知识，实现温度控制的自动化，提高工业企业自动化水平。

目前的水温控制系统大多采用由模拟温度传感器、多路模拟开关、A/D转换器及单片机组成的传输系统。

这种系统需要布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸复杂，成本也高。

同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大，不利于控制者根据温度变化及时做出决定。

在这样的形式下，开发一种实时性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的系统就很有必要。

近年来，单片机以其功能强、体积小、使用方便、性能价格比较高等优点,在实时控制、自动测试、智能仪表、计算机终端、遥测通讯、家用电器等许多方面得到了广泛的应用。

用单片机对温度进行实时检测和控制来解决工业及日常生活中对温度的及时自动控制，是现代温控系统发展的趋势。

2.方案论证

2.1概论

2.1.1题目来源

随着电子技术的发展，特别是大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么单片机技术的出现则给现代工业控制测控领域得到了极为广泛的应用。

特别是其中的C51系列单片机的出现，由于它具有极好的稳定性，更快和更准确的运算精度。

因此，它的出现不但推动了工业的生产，也影响着人们的工作和学习。

温度控制系统在现代工业设计、工程建设及日常生活中的应用越来越广泛，早起的温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度控制，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。

在日常人们的生活中，温度控制系统的应用和作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会。

2.1.2题目任务

设计一个基于单片机的饮水机温度控制系统，该系统可以实时检测饮水机水箱的水温，并且可以通过数码管显示饮水机水箱水温度数，可以通过键盘或开关选择制冷或加热，可以人为设置水的温度的上下限，如加热，当温度在设定的范围内时正常工作，当低于水温下限时控制加热器加热；如制冷，当温度高于水温上限时控制压缩机制冷，温度检测范围0～95°C，精度-1～+1°C，当温度超过设定值时具有示警功能。

2.1.3设计分析

该系统要完成饮水机水箱的水温度控制系统的设计。

要达到题目设计的要求，设计时需要解决以下几个方面的问题：

一、如何实现0～95°C的温度检测范围和精度为1°C的温度测量；二、如何将水箱的温度控制在设定的范围内；三、如何选择器件及设计电路使整个系统稳定、有效的工作。

2.2系统方案设计

方案一：

传统的一位式模拟控制方案，方案原理框图如图2.1所示。

其选用的是模拟电路，用电位器设定给定值，和反馈的温度值比较后，决定加热或不加热。

其特点是电路简单，易于实现，但是系统所测得的结果精度不高，并且调节动作频繁，系统误差大，不稳定。

系统受环境的影响大，不能实现繁杂的控制算法，不能用数码管显示，不能用键盘设定。

图2.1方案一原理框图

方案二：

传统的二位式模拟控制方案，方案原理框图如图2.2所示。

其基本思想与方案一相同，但是由于采用上下限比较电路，所以控制精度有所提高，这种方法还是模拟控制方式，因此也不能实现繁杂的控制算法，而且仍不能用数码管显示和键盘设定。

图2.2方案二原理框图

方案三：

以单片机为核心的控制方案，其原理图如图2.3所示。

本方案通过温度传感器将温度信号转换为电流信号，信号放大后，经A/D转换器，A/D转换器将进来的模拟信号转换成数字信号，然后送到单片机处理，并将采集的温度与键盘设定的温度值进行比较，根据比较的结果，单片机输出相应的信号来控制外部设施，达到控制加热器加热或压缩机制冷的目的。

还具有显示、报警等功能。

2.3方案三原理框图

方案一和方案二是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统是难以实现复杂的控制规律，控制方案的修改也较麻烦。

而方案三是采用以单片机为核心的控制系统，尤其对温度控制，它可达到模拟控制所打不到的控制效果，并且可实现显示，键盘设定，报警等功能，大大提高了系统的智能化，也使得系统的测量结果精度大大提高。

同时，以单片机为核心的控制系统，它的软件编程比较灵活，易于实现。

根据本论文的要求，经过对三种方案的比较分析，本论文采用方案三。

3.系统硬件电路设计

3.1单片机最小系统设计

本论文设计最小系统如图3.1所示，由主控器AT89C51、时钟电路和复位电路三部分组成。

单片机AT89C51作为核心控制器控制着整个系统的工作，而始终电路负责产生单片机工作所必须的时钟信号，复位电路使得单片机能够正常、有序、稳定地工作。

图3.1单片机最小系统

3.1.1单片机选择

AT89C51单片机是ATMEL公司的AT89系列中的一种，该系列是当今世界上最新型的电擦写八位单片机之一，和51系列完全兼容，低电压、低电流、低功耗，价格低廉，很受到用户欢迎。

其管脚图如图3.2所示。

图3.2AT89C51管脚图

AT89C51的引脚功能说明：

·Vcc：

电源电压

·GND：

地

·P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接受指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

·P1口：

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

Flash编程和程序校验期间，P1接受低8位地址。

·P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位四肢的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据，在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。

Flash编程和程序校验时，P2也接收高位地址和其他控制信号。

·P3口：

P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

·RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

·ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

·PSEN：

程序存储允许输出是外部程序存储器的读选通型号，当89C51由外部存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。

·EA/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12v的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件使用12v编程电压Vpp。

·XTAL1：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

·XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

鉴于AT89C51单片机所具有的特性及本论文设计控制的复杂性和兼顾显示、报警、键盘控制等较高要求，本论文设计选用AT89C51单片机作为中心控制器。

3.1.2时钟电路

时钟电路用于产生AT89C51单片机工作时所必需的时钟信号。

其电路与AT89C51的连接如图3.1所示。

AT89C51单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，AT89C51单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格按时序执行指令进行工作，而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系。

在执行指令时，CPU首先要到指令存储器中取出需要执行的指令操作码，然后译码，并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。

CPU发出的时序信号有两种，一是用于片内对各个功能部件的控制。

另一种是对片外存储器或I/O口的控制，这种时序对于分析、设计硬件接口电路至关重要。

这也是单片机应用设计者最关心的问题。

时钟是单片机的心脏，单片机各个功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地工作。

因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。

AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚X1，输出引脚X2。

这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。

虽然AT89C51有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外接元件。

外接晶体以及X1和X2构成并联谐振电路。

电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。

除使用晶体振荡器外，如对时钟频率要求不高，还可以用陶瓷振荡器来代替。

电路中的电容容值通常选择为30PF左右，本电路选择的是20PF，这并不影响系统的工作和控制的结果。

晶体的振荡的频率的范围通常是在1.2MHＺ到12MHＺ之间。

晶体的频率越高，则系统的时钟频率就越高，单片机的运行速度也就越快。

但反过来运行速度越快对存储器的速度要求就越高，对印刷电路板的工艺要求也高。

AT89C51单片机常选择振荡频率6MHＺ或12MHＺ的石英晶体，随着集成电路制造工艺技术的发展，单片机的时钟频率也在逐步提高，现在的高速单片机芯片的时钟频率已经达到40MHＺ。

考虑到本设计所用的各种器件对时钟频率的要求及整体电路的简洁性，本课题选用的是振荡频率为6MHＺ的石英晶体。

3.1.3复位电路

AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。

单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。

许多用户在设计完单片机系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。

因此选用一个适合本系统的复位电路极其重要。

常用的复位电路有四种方式：

（1）上电复位电路

（2）按键复位电路（3）脉冲复位电路（4）兼有上电复位与按键复位的电路。

由于考虑到结构和成本等原因，在很多设计里面，复位电路通常采用上电复位和按键复位两种。

根据本系统的特性，决定选用最简单的上电复位电路。

上电复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。

只要Vcc的上升时间不超过10ms，就可以实现自动上电复位。

当时钟频率选用6MHＺ，电容C选用22F，电阻R选用1K。

该复位电路工作原理为：

在通电瞬间，在RC电路充电过程中，RST端出现正脉冲，保证RST引脚出现10ms以上稳定的高电平，从而使单片机复位。

3.2温度采集电路设计

本设计中的温度采集系统由DS18B20传感器负责。

其型号如图3.2.1所示：

图3.2.1

DS18B20工作原理为DS18B20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。

DS18B20测温原理如图3.2.2所示。

图中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，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

图3.2.2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

DS18B20内部结构图如图3.2.3所示：

3.3A/D转换电路设计

A/D转换部分电路的功能主要是将采集部分采集来的模拟信号转换成数字信号，然后输送到单片机进行数据处理。

主要器件有ADC0809、74LS02、74LS74等。

ADC0809与AT89C51连接电路如图3.3所示。

图3.3A/D转换电路

A/D转换器ADC0809共有八路模拟输入端，由于温度采集只有两路，因此只用到两路模拟输入端，其输入通道为IN0、IN1。

这两个通道的数据分别是温度采集电路的输出信号V01、V02，也就是转换为电压值的饮水机两个水箱水的温度值。

选择这两个通道需要通过设置ADC0809的ADDA、B、C的值，因为它对应的是八路模拟信号，而本系统只有两路模拟信号输入，因此，只需要将低位ADDA连到AT89C51的P2.2口，并根据P2.2口的电压是低电平或高电平来选择要检测哪个通道，当ADDA值为0时选的是IN0通道，当ADDA为1时选的是IN1通道。

而ADDB、ADDC只需接地即可。

3.3.1A/D转换器选择

A/D转换器的功能是将连续变化的模拟量转换成一个离散的数字量。

每一个数字量都是数字代码的按位组合，每一位数字代码都是一定的“权”，对应一定大小的模拟量。

为了将数字量转换成模拟量应该将其每一位都转换成响应的模拟量，然后求和即可得到与数字量成正比的模拟量。

目前，市面上有很多类型的A/D转换器，如：

ADC0804、ADC0809、AD574等，根据本控制的特点，选用ADC0809作为A/D转换器。

ADC0809八位逐次逼近式A/D转换器是一种单片CMOS器件，包括8位的模/数转化器，8通道多路转换器和与微处理器兼容的控制逻辑。

8通道多路转换器能直接连通8个单端模拟信号中的任何一个。

片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可以对8路0～5V的输入模拟电压信号分时进行转换，片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、256RT型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR、控制与时序电路等。

输出具有TTL三态锁存缓冲器，可以直接连接到单片机数据总线上。

1.ADC0809功能如下：

（1）分辨率为8位。

（2）最大不可调误差小于1LSB。

（3）单一+5V供电，模拟输入范围0～5V

（4）具有锁存控制的8路模拟开关。

（5）可锁存三态输出，输出与TTL兼容。

（6）功耗为15mW。

（7）不必进行零点和满度调整。

（8）转换速度取决于芯片的时钟频率。

时钟频率范围：

10～1280KHZ，当CLK=500kHZ时，转换速度为128S。

2.ADC0809管脚及功能

A/D转换器ADC0809的引脚图如图3.3.1所示。

图3.3.1ADC0809引脚图

IN0～IN7：

8路输入通道的模拟量输入端口。

2-1～2-8：

8位数字量输出端口。

START，ALE：

START为启动控制输入端口，ALE为锁存控制信号端口。

这两个信号端可连接在一起，当通过软件输入一个正脉冲，便立即启动模/数转换。

EOC，OE：

EOC为转换结束信号脉冲输出端口，OE为输出允许控制端口。

这两个信号也可连接在一起表示模/数转换结束。

OE端的电平由低变高，打开三态输出锁存器，将转换结果的数字量输出到数据总线上。

REF（+），REF（-），Vcc，GND：

REF（+）和REF（-）为参考电压输入端，Vcc为主电源输入端，GND为接地端。

一般REF（+）与Vcc连接在一起，REF（-）与GND连接在一起。

CLK：

时钟输入端口。

ADDA，B，C：

8路模拟开关的三位地址选通输入端，以选择对应的输入通道。

其地址码与对应通道关系如表3.3所示。

表3.3地址