基于单片机的饮水机温度控制系统设计.docx

1、基于单片机的饮水机温度控制系统设计摘要：本文介绍单片机应用于电加热饮水机的一种设计方法，该电加热饮水机具有自动化程度高、安全性好、功能多、使用方便、功率小、加热快、等特点。并详细地论述了以单片机为处理器的电加热饮水机的硬件、软件设计、系统编程和抗扰设计等方面的问题。本系统以ATMEL公司的AT89C51单片机为核心，由信号处理电路、键盘控制电路、LED显示电路、输出控制电路等构成。主要包含的程序有：主程序、显示子程序、PID控制子程序等。同时，在软、硬设计时一均采取了有效的抗干扰措施。关键字：AT89C51 DS18B20 PID控制前言 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

2、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是给现代控制测控领域带来了一次新的革命。目前，单片机在工业控制系统诸多领域得到了极为广泛的应用，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，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，在日常人们的生活中，温度控制系统的应用体现到了各个方面。温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。

3、一、系统概述与任务1.1水温控制系统概述 在能源日益紧张的今天，电热水器，饮水机，电饭煲之类的家用电器在保温时，由于其简单的温控系统，利用温敏电阻来实现温控，因而会造成很大的能源浪费。但是利用AT89C51单片机为核心，配合温度传感器，信号处理电路，显示电路，输出控制电路，故障报警电路等组成，软件选用汇编语言编程。单片机可将温度传感器检测到的水温模拟量转换成数字量，显示于LED上，该系统可靠性高，灵活性强，前景广阔。1.2设计任务 （1）基本要求 设计一个基于单片机的饮水机的温度控制系统，该系统可以实时检测饮水机水箱的水温，且可以通过数码管显示水箱温度数，可以通过键盘或开关选择制冷或加热，可以

4、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，当温度超过设定值时具有示警功能。（2）主要性能指标1）温度设定范围：095，最小区分度为1。2）控制精度：温度控制的静态误差1。3）用十进制数码显示实际水温。（3）扩展功能1）具有通信能力，可接收其他数据设备发来的命令，或将结果传送到其他数据设备。2）采用适当的控制方法实现当设定温度或环境温度突变时，减小系统的调节时间和超调量。3）温度控制的静态误差2。二、系统设计原理2.1水温控制系统总体框图 该水温控制系统主要由AT89C51单片机控制系统、前向通道

5、（温度采样转换电路）、显示电路等四部分组成，其总体设计框图如图2.1所示。图2.1 单片机控制系统原理框图2.2总体方案论证根据题目的要求。我们提出以下两种方案：方案1：此一方案是采用传统的二位模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器给定值不加热，采用上下限比较电路将反馈的温度值与给定的温度值比较后，用电位器设定决定加热或者不加热。由于采用模拟控制方式，系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高，且不能用数码显示。 方案2：采用单片机AT89C51为核心。采用温度传感器DS18B20采集温度变化信号，该传感器可以直接采集数字信号并通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。使用单片

6、机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。比较上述两种方案，方案2明显的改善了方案1的不足及缺点，并具有控制简单、控制温度精度高的特点，此设计电路采用方案2。2.3各部分电路论证本电路以单片机为基础核心，系统由键盘显示模块、后向控制模块、系统主模块、前向通道模块组成现将各部分主要元件及电路做以下的论证：（1）温度采样部分采用温度传感器DS18BZ0。DS18B20具有体积小、质量轻、性能稳定等优点。（2）显示部分采用单片机AT89C51的串口对上电路进行通信，并对LED显示进行控制这种方案既能很好的控制显

7、示，又为主单片机大大的减少了程序的复杂性，且具有体积小，价格便宜等特点。（3）控制电路部分采用AT89C51.单片机，不需外部扩展程序存储器，且它的I/O也足够本次设计的一要求。三、硬件电路设计3.1温度传感器的选择温度传感器是该系统的关键器件，系统采用美国数字式温度传感器DS18B20，由具有结构简单，不需要外接电路数据线既供电又传输数据，且具有体积小，分辨率高，转换快等优点，被广泛用采用DS18B20性能特点：（1）独特的单线接口方式：DS18B2O仅需要一个I/O接口，即实现微处理器同DS18B20的双向通讯。（2）测温范围：-55+125，在一10+85时，其精度为0.5。（3）分辨率

8、：DS 18820的分辨率由912位（包1位符号位）数据在线编程决定。（4）温度转换时间DS18B20的转换时间与设定的分辨率有关。9位为93.75ms，10为187.5ms,12位为750ms。DS18820其温度检测电路如下图3.1所示：图3.1 温度检测电路图DS18B20管脚GND为电源地，DQ为数字信号输入/输出端，VDD为外接供电电源接入端。在本系统中用外接电源，DQ接到AT89C51的P13端，R1为信号和5V电源之间的上拉电阻。在实际中，若需耍多点检测时，可在单总线上挂多个DS18B20，但超过8个时一要考虑驱动问题，软件设计也变得复杂多了，同时要考虑挂DS18B20单总线的一

9、长度问题，一般不要超过50m。为实现更远程的控制，一可以考虑把系统设计成无线系统，以突破DS18B20单总线的长度的限制。3.2温度控制电路此部分电路上要由光电祸合器MOC3041和IGBT组成。采用脉宽调制输出控制电炉与电源的接通和断开比例，以通断控制调压法控制电炉的输入功率；MQC3041光电耦合器的耐压值为400V，它的输出级由过零触发的双向可控硅构成，它控制主电路双向可控硅的一导通和关闭。电路原理图如图3.3所示。3.3单片机控制部分此部分是电路的核心部分，系统的控制采用单片机AT89C51；单片机AT89C51内部有8KB单元的程序存储器及256字节的数据存储器。因此系统不必扩展外部

10、程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。执行控制部分电路如图3.2所示。（1）AT89C51的特点1）AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；2）片内有4K字节在线可重复编程快擦写程序存储器；3）全静态工作，工作范围：0Hz24Hz；4）三级程序存储器加密；5）32位双向输入输出线；6）一个全双工的异步串行口。图3.2 控制执行部分电路（2）AT89C51的功能描述AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4k宇节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。它与MCS-5l系列单片

11、机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。（3）AT89C51引脚图如图3.3所示图3.3 AT89C51引脚图3.4 I/O通道的硬件电路的设计就本系统来说，需要实时采集水温数据，然后将传感器采集到的数字信号，直接送入单片机中的特定单元，然后一部分送一去显示；另一部分与设定值进行比较，通过PlD算法得到控制量并经由单片机输出的PWM波去控制IGBT的通断从而控制电热炉加热。3.5电源电路电源是整个系统的能量来源，它直接关系

12、到系统能否运行。由于单片机的供电电源为5V，光电祸合器需要的电源是7V，显示模块等其它电路需要5V的电源，因此电路中选用7805和7807两种稳压芯片，其最大输出电流为1.5A.能够满足系统的要求，其电路如上图3.4所示。图3.4 电源电路3.6控制执行电路的设计由输出来控制电炉，电炉可以近似建立为具有滞后性质的一阶惯性环节数学模型。可控硅可以认为是线形环节实现对水温的控制。单片机输出与电炉功率分别属于弱电与强电部分，需要进行隔离处理，这里采用光耦元件在控制部分进行光电隔离，实现弱强电的电源隔离。PWM（ Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，通过对一

13、系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。PWM控制技术在逆变电路中应用最广，对逆变电路的影响也最为深刻。PWM控制的基本原理在采样控制埋论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有一惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同；如果将输出波形进行傅氏分解，则低频段非常接近，仅在高频段略有差异。下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波如图3.7。正弦半波分成N等份，就一可以把正弦半波肴成是由N个彼此相连的脉冲序列组成的波形，这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部都不是水平直线，而是曲

14、线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矢矩形冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（相等，就得到相应的脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的根据面积等效原理PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（Sinusidal PWM）波形。要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种

15、。由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。如直流斩波电路及本一主要介绍的PWM逆变电路，由于直流电源电压幅值基本恒定，因此PWM波是等幅的。将耍介绍的P认；尹人理整流电路中，其PWM波也是等幅的。其输入电源都是交流，因此所得到的PWM波也是不等幅的。不管是等幅PWM波还是不等幅PWM波，都是基一于面积等效原理来进行控制的，因此其本质是相同的。用PWM波代替正弦波如图3.6所示。图3.6 用PWM波代替正弦波光耦隔离驱动电路如图3.2所示。由于IGBT是高速器件，所选用的光耦必须是小延时的高速型光耦，由PWM控制器输出的方波信号加在三极管V1的基极，V1驱动光耦将脉冲传递至整形放人电路IC1

16、经IC1放大后驱动由V2、V3组成的对管。对管的输出经电阻RI驱动IGBT, R3为栅射结提供保护，R2与稳压管VS1构成负偏压产生电路，VS1通常选用此电路的特点是只用1组供电就能输出正负驱动脉冲，使电路比较简洁。当单片机输出的是高电平1时光电耦合器导通从而使IGBT导通，电阻炉工作；反之单片机输出电平为0时，光耦元件不能导通，IGBT不能形成有效偏置而截止，电炉丝不工作，饮水机不加热。3.7温度传感器的工作原理DS18B20是由美国DALLAS公司提供的一种一线总线系统的数字温度传感器，它提供二进制9位温度信息，经过一线总线接口送入主机处理器。因此从主机到DS18B20仅需一条线进行通信。

17、该器件采用单线通讯，可以允许在通讯总线上级联多个DB18B20器件，所以很适合多点测温。DS18B20的内部结构如图3.7所示，包括寄生电源电路、64位只读存储器（ROM）和单线接口、存储器和控制逻辑、存放中间数据的高速暂存存储器、温度传感器、报警上限寄存器TH、报警下限寄存器TL、配置寄存器和8位CRC（循环兀余校验码）发生器。DS18B20的核心是数字温度传感器，精度一可以通过用户编程配置为9、10、11和12位，其分别对应于0.50、0.25、0.1和0.0625，可以满足各种不同分辨率要求，开始一次温度转换时，微处理器需要向DS18B20发出Convert指令。转换完成之后，该温度数据

18、存放在高速暂存存储器的温度寄存器中，占用2字节，并且DS18B20返回到空闲状态。当DS18B20采用外部供电方式时，主机可以在发送温度转换指令后发起一次读时隙。若此时该DS18B20已经完成温度转换，它将会返回“1”，否则返回“0”DS18B20.的电源可以从数据线本身提供而不需要外部电源。每一个DS18B20在出厂时已经给定了唯一的64位长的序号。该序号值存放在DS 18B20内部的ROM，低8位是产品类型编码，中间48位是每个器件唯一的序号，高8位是前面56位的CRC（循环冗余校验）码。DS18B20得的温度值的两个8位存贮器RAM，编号分别为0和1号。1号存贮器存放温度值的符号，如果温

19、度为负，则1号存贮器8位全为1,则全为0。0号存贮器用于存放温度值的补码。将存贮器中的二进制数求补，再转换十进制数并除以2，就得到测量的实际温度。，DS18B20结构框图如图3.8所示，DB18B20测温原理如图3.9所示，DB18B20引脚说明如表3.1所示。图3.7 DS18B20的内部结构图图3.8 DS18B20结构框图图3.9 DB18B20测温原理表3.1 DB18B20引脚说明引脚符号说明1GND地2DQ单线运用的数据输入/输出引脚漏极开路3VDD可选VDD引脚供电方式3.8 LED数码管显示电路LED显示器的工作情况有两种：一种是温度显示；另一种是ROM显示，DS18B20测温

20、上限是150,此温度的十进制显示需要用4位，还有一个显示单位，在这里设置了4位的LEDLED数码管是由发光而极管作为显示字段的数码型显示器件。图3.10（a）为LED数码管的外形和引脚图，其中7只发光二极管分别对应ag笔段，构成”g”字形，另一只发光二极管Dp作为小数点，因此这种LED显示器称为八段数码管。LED数码管按电路中的连接方式可以分为共阴极型和共阳极型两大类：共阴极型是将各段发光二极管的负极连在一起，作为公共端COM接地，ag，Dp各笔段接控制端，笔段接高电平时发光，低电平时不发光，控制某几段笔段发光，就能显示出某个数码或字符。如图3.10（b）显示。共阳极型是将各段发光二极管的正极

21、连在一起，作为公共端COM，某笔段接低电平发光，高电平时不发光，如图3.11（c）所示。本设计选用的是共阳极LED数码管。图3.10 七段LED显示器的结构原理四、系统软件设计系统的软件由下大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。4.1.主程序模块在主程序中首先给定PID算法的参数值，然后通过循环显示当前温度，并且设定键盘外部中断为最高优先级，以便能实时响应键盘处理；软件设定定时器T0为5秒定时，在无键盘响应时每隔5秒响应一次，以用来采集温度信号；设定定时器T1为嵌套在T0之中的定时中断，初值由PID算法子程序提供。程序流程图如下图所示在一程序中必须分配好每一部分程序的起始地址，形

22、式如图4.1所示：图4.1 主程序流程图子程序起始地址如下4.2运算控制模块在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为：比例、积分、微分控制简称PID控制。1）比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。2）积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入”积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。因此，比例+积分（PI）控制器，一可

23、以使系统在进入稳态后无稳态误差。3）微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系。自动控制系统在克服误差的过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化”超前方”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。（2）实际应用中，一可以根据受控对象的特性和控制的性能要求，灵活地采用不同的控制组合，构成比例（P）控制器比例积分（PI）控制器比例积分微分（PID）控制器 在PID的三个参数中，比例控制（P）能迅速反映一误差，从而减少误差，但比例控制不能消除稳态

24、一误差，KP的加大，会引起系统的不稳定。积分控制（I）的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就小断的累积，输出控制量以消除误差，因此，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调过大，甚至使系统出现震荡。微分控制（D）可以减少超调量，克服震荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态性能。如图4.2为PID控制算法流程图。图4.2 PID控制算法流程图（4）PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容；它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很

25、多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法，它主要是依据系统的数学模型；一是工程整定方法；它主要依赖工程经验。4.3数字显示编一小程序，实现数字显示分别实现数码管1、数码管2、数码管3、数码管4的显示。双机串口通讯流程图如图4.3所示。图4.3 双机串口通讯流程图4.4 PWM输出编一小程序，实现PWM电压自动可调宽度脉冲波输出电路。自动可调宽度脉冲控制程序如下: 4.5温度传感器DS18B20模块主机控制DS 18B20完成温度转换必须经过3个步骤：初始化、Rangy操作指令、存储器操作指令。设一单片机系统所用的品振频率为12MHZ，根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写了3

26、个子程序：INIT为初始化子程序，WRITE未写(命令或数据)子程序，READ为读数据子程序，所有的数据读写均由最低开始。DS18B20初始化子程序INIT_1820：DS18B20在下作之前必须按照指定的要求完成初始化工作，古则无法正常工作，图4.4为DS18B20初始化流程图。DS18B20读写子程序WRITE 1820、READ_1820、READ_1820T完成对1820的读写功能，其中，READ_1从18B20中读出一个字节的数据，READ_1824T从DS18B20中读出两个字节的温度数据图4.5和图4.6为其流程图。DS18B20初始化程序 图4.4 DB1820初始化程序流程图

27、写DS18B20的程序 读DS 18820的程序，从DS18B20中读出两个字节的温度数据。 五、试验仿真结果分析Proteus是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是单片机软件的仿真系统。5.1仿真结果及分析图5.1 传感器采集温度信号仿真图图5.2为传感器DS18B20所采集温度信号的仿真图，首先由传感器采集饮水机中的水温，由于DS1采集的是数字信号所以无需进行A/D转化可直接送入单片机中，通过单片机的分析送入显示单路中，从而显示出传感器所采集到的温度值。图5.2 单片机输出的温度控制波形的仿真图由于单片机的饮水机温度控

28、制系统的控制电路仿真结果并不直观所以把控制电路用一个虚拟示波器代替其仿真图如图5.2所示，这样可以直观的看出.单片机输出的控制波形。图5.3 单片机输出的控制PWM波由传感器采集的温度送入单片机中，如果其温度低于设定值则由单片机控制PWM波形来控制，单片机PWM输出电平为0时，光祸元件导通，从而使三极管形成有效偏置而导通，通过整流桥的电压经过集电极电阴_以及射集反向偏压，有7V左右的电压加在双向可控硅控制端，从而使可控硅导通，交流通路形成，电阻炉工作;反之单片机输出电平为0时，光祸元件不能导通，三极管不能形成有效偏置而截止，可控硅控制端电压几乎为零，可控硅截止从而截断交流通路，电炉停止工作。其

29、控制波形图如图5.3所示。六、小结本课题的设计是以AT89C51为核心，通过软件编程，用相关软件仿真模拟，进而控制电炉的加热来实现温度控制。在系统的软硬件调试过程中，虽然遇到了很多问题，但都得到了很好的解决，所以在这次调试过程中，学到了很多知识，同时也大大地提高了我们的实际动手能力，这对我们以后的系统设计会有很大的帮助。同时，该系统还存在着一些问题，如温度显示精度高，影响水温达到稳定的时间等问题。真心感谢老师与同学对于设计相关的帮助，使自己在人生的道路中不断的成长，谢谢！附录一 主程序1双机串口通讯源程序ACALL HH SIMP LLE0: JB P3.7,F0 ACALL HHL1: CL

30、R P3.4 SETB P3.3 JNB P3.2,H1 JNB P3.1,E1 RETH1: JB P3.2,Y1 SJMP H1Y1: MOV P1,#83H ACALL HH LJMP LLE1: JB P3.7,F1 SJMP E1F1: MOV P1,#0A4H ACALL HH SJMP LLL2: CLR P3.5 SETB P3.4 CLR P3.3JNB P3.2,H2JNB P3.7,E2RETH2: JB P3.2,Y2 SJMP H2Y2: MOV P1,#0C6H ACALL HH LIMP LLE2: JB P3.7,F2 SJMP E2F2: MOV P1,#0B

31、0H ACALL HHLJMP LLL3: CLR P3.5 SETB P3.3 JNB P3.2,H3 JNB P3.7,E3 RETH3: JB P3.2,Y3 SJMP H3Y3: MOV P1,#0A1H ACALL HH LJMP LLE3: JB P3.7,F3 SJMP E3F3: MOV P1,#99H ACALL HH LJMP LLL4: SETB P3.5 CLR P3.4CLR P3.3 JNB P3.2,H4 JNB P3.7,E4 RETH4: JB P3.2,Y4 SJMP H4Y4: MOX P1,#86H ACALL HHE4: JB P3.7,F4 SJMP E4F4: MOV P1,#92H ACALL HH LIMP LLL5: SETB P3.5 CLR P3.4 SETB P3.3 JNB P3.2,H5 JNB P3.7,E5RETH5: JB P3.2,Y5 SJMP E5Y5: MOV P1,#8EH ACAL