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1、 . 基于单片机的水温控制电路设计序言无论是工业控制领域还是消费电子领域，温度控制的应用都非常广泛，如工业控制中的锅炉、加热炉的控制，消费电子领域的热水器、饮水机的控制，部都涉与到温度控制1。传统靠人工控制的温度、湿度、液位等信号的测压力控系统，外围电路比较复杂，测量精度较低，分辨力不高，需进行温度校准(非线性校准、温度补偿、传感器标定等)；且它们的体积较大、使用不够方便。随着社会的发展、科技的进步以与人们生活水平的逐步提高，各种方便于生产的自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的温度采集系统就是其中之一2。采用MCS-51单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便、简单和灵活等优点，而
2、且可以大幅度提高温度控制的技术指标。本文正是介绍一个基于单片机的水温控制电路来控制电炉的水温。水温控制在工业与日常生活中应用广泛,分类较多,不同水温控制系统的控制方法也不尽一样,其中以PID控制法最为常见,但是,常规调节三个参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成,步骤繁琐复杂,既耗时又耗力.而且当对象特征变化时,又要重新整定,并且在现代工业控制过程中，许多被控对象机理复杂,这种情况下,采用常规PID调节器，三个参数的整定比较困难，为此本文提出了采用归一参数整定法，即只整定一个参数,这样减少了许多工作量，提高了工作效率，为实现简易的自整定控制带来方便3。本设计单片机控制部分采用AT89C
3、51单片机为核心，采用软件编程，实现用PID算法来控制PWM波的产生，进而控制电炉的加热来实现温度控制。适用于环境参数经常变化的小型水温控制电路。设计中使用7407同相器作为数码管和固态继电器的驱动。第一章 设计任务1.1功能1.总的工作功能本设计的任务是：用电炉对水加热，基于单片机设计一个电炉水加热控制电路。要求显示实际温度和门限温度，并且要求门限水温可以由人工通过键盘来设定。电路可以通过对实际温度和门限温度的差值的处理来控制继电器进而控制电炉的开关，从而对水温进行控制，使水温保持在一定温度上。2.各部分的功能（1）电炉接上220V 交流电，由继电器控制其开关，对水进行加热。（2）传感器对水
4、温进行实时检测，输出温度信号给单片机。（3）单片机基本系统a.要采集温度传感器传过来的信号，进行相应的处理，送往显示部分；b.接受键盘输入的信号，进行相应的处理，送往显示部分；c.根据实测温度和设定温度的比较，进行相应的处理，给出控制信号。控制继电器开关，从而控制电炉开关。显示由六个七段数码管以与数码管的驱动电路组成，三位数码管显示出测量结果，三位数码管显示出限定温度。按键键入门限值。（6）报警电路当按键输入的温度在软件所限制的围之外时，报警电路报警。继电器接受单片机传来的信号，通过其驱动，然后作出相应的操作来控制电炉工作与否。相当于一个由单片机控制的开关。1.2 技术指标1门限温度可以在40
5、90之间设定；2可以通过用键盘人工设定门限温度；3用数码管显示设定温度和实际温度。第二章 设计思路2.1 总体设计此设计一个基于单片机的水温控制电路，需要完成的功能是温度的设定、检测与显示以与的温度的控制和报警等。当温度小于设定温度时电炉工作，当温度大于设定温度时电炉不工作。（1）软、硬件功能划分4在绝大多数单片机应用电路中，电路功能的软、硬件划分往往是由应用电路对控制速度的要求决定的，在没有速度限制的情况下可以考录以软件换取硬件电路的简化，以求降低硬件成本。速度估算在不考虑容器热容量和环境温度影响的情况下，水温上升1所需的时间达到秒，如果考虑容器热容量和环境温度的影响，时间可能 title=
6、下一页 |更长。由此可见，对于指令执行时间一般为几个微妙的单片机应用电路来说，控制速度几乎没有热核限制。软、硬件功能划分为了简化华电路硬、 降低硬件成本、提高电路灵活性和可靠性，有关PID运算，输入信号滤波与大部分控制过程都可由软件来完成，硬件的主要功能是温度信号的传感，设定值的键入，数值的显示与输出信号的转换。2.2 简述首先，要选择一个CPU控制芯片。由于电路控制方案简单，在运行过程中需要存放的中间变量只有给定温度、实测温度、PI运算中间结果与输出结果等十几个变量，因此选用AT89C51微控制器作为电路的核心，由于AT89C51的片RAM已能满足存放要求，可不必再扩充外部RAM4。其次，要
7、选择一个温度敏感元件，它能够很灵敏的根据温度变化输出一定的信号。这样的器件种类很多，本设计选用的数字式集成温度传感器DS18B20。这是由于本设计中单片机除了要完成数据采集、处理、控制和显示任务外，还要完成按键值得采集、处理。如果用常规的数字加模拟电路实现就会相对困难一些。DS18B20是DALLAS半导体公司（现属MAXIM公司）设计生产的单总线数字温度传感器，其测量温度围为55125，在-10+85时精度为0.5，这个精度已可以满足普通型的环境温度控制或测温类消费产品的要求。这个传感器最大的特点就是能够从一根总线直接输出二进制的温度信号，不需要A/D转换和信号放大。这样的选择使得整个电路的
8、硬件设计更为简化，节省了单片机的资源 5 。再次，设计显示部分、按键部分和报警。显示部分的设计考虑到在软件设计过程中实际温度和设定温度之间会有影响，本设计采用实际温度和门限温度单独显示，各用一组I/O口。选用的是两组共阴极数码管，采用一块同相器74LS07集成块来驱动。动态扫描显示。按键部分的设计考虑到单片机I/O资源不足的缘故，本设计采用三个按键分别用来设定门限值十位、个位和一位小数位。报警部分就是当设定的门限温度在4090之外，就要报警，用一个发光二极管表示。最后，控制部分的设计，这一部分主要就是继电器的选择。本设计选择的是固态继电器。固态继电器（Solid state Relay-SSR
9、）是近几年发展起来的一种新型电子继电器，其输入控制电流小，容易驱动，其输出利用晶体管或可控硅驱动，无触点。与普通的电磁式继电器和磁力开关相比，具有无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、体积小质量轻、寿命长、工作可靠等特点，并且耐冲击、抗潮湿、抗腐蚀，因此在单片机测控等领域中6。本设计采用同相器74LS07集成块来驱动固态继电器。另外在选择继电器时还要注意它的供电电压和带负载能力。本设计中继电器是由单片机控制的所以它的供电电压选择5V直流电。继电器所带的负载为一个额定功率300W，接220V交流电的电炉。所以继电器的要选用交流型（AC-SSR），耐压在220V以上，电流为1.5A以上。本设计选用
10、的是5V供电，2A 250VAC的固态继电器。2.3设计框图1.设计过程框图如图2-1图2-1 设计过程框图2.电路框图如图2-2图 2-2 水温控制电路总体框图第三章 理论设计3.1 控制部分的设计3.1.1 AT89C51单片机的结构7一.AT89C51结构框图AT89C51部结构框图如图3-1图3-1 AT89C51部结构框图二.引脚功能说明 AT89C51是双列制插封装形式的器件，其引脚图如图3-2所示。AT89C51的引脚P00P07、P10P17、P20P27、P30P37为四个8位并行输入/输出口，其中P3口、P0口、P2口为双功能口，可以作为普通输入/输出口（第一功能），也可以
11、作为特殊输入/输出口。RST为复位输入线，ALE、 、 为系统扩展控制线，XTAL1和XTAL2为时钟电路输入/输出线，| |VCC、VSS为电源输入线，一般接5V和地。3.1.2 AT89C51单片机最小系统最小系统包括单片机的基本供电、时钟电路和复位电路。一.时钟和时钟电路时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。AT89C51单片允许的时钟频率的典型值12MHZ，也可以是6MHZ。本设计采用12MHZ。单片机时钟电路图如图3-3 图3-3 单片机时钟电路图3-10中晶振频率选择12MHZ。接到晶振两端的瓷片电容作用是使振荡器起振和对f 微调补偿，典型值为30PF，本设计中选用20
12、PF瓷片电容。当单片机加电以后延迟约10ms的时间振荡器起振产生时钟，不受软件控制（XTAL2输出幅度为3V左右的正弦波。二.复位和复位电路计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位引脚是RST，当振荡器起振后，该引脚上出现2个周期的高电平，是器件复位，只要RST保持高电平，单片机保持复位状态。单片机复位方式有二种：上电复位（如图3-4）、人工复位（如图3-5）。图3-4 上电复位电路 图3-5 上电复位和开关复位注：RST与Vss之间的那个电阻在NMOS型单片机种需要接，但是在CMOS型单片机中不接。其中电容
13、一般为10UF的电解电容。三.AT89C51单片机最小系统连接原理图本设计的AT89C51单片机最小系统原理图。如图3-6图3-6 AT89C51最小系统连接原理图3.2 显示部分的设计3.2.1 LED显示器接口原理6LED（Light Emitting Diode）是发光二极管的缩写。LED显示器是由发光二极管构成的。LED显示器在单片机中的应用非常普遍。LED显示器的结构常用的LED显示器为8段（或7段，8段比7段多了一个小数点“dip”段）。每一个段对应一个发光二极管。这种显示器有共阴极和共阳极两种，如图3-7所示。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连结在一起，通常此公共阴极接地。当
14、某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连结在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阳极为低电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示11。为了使LED显示器显示不同的符号或数字，就要把不同段的发光二极管点亮，这样就要为LED显示器提供代码，因为这些代码可使LED相应的段发光，从而显示不同的字型，因此该代码称之为段码（或字型码）。7段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段。因此提供给LED显示器的字型码正好是一个字节。各段与字节中的各位对应的关系如表3-1。表3-1 显示段与代码位的对应关系表代码位D7D6D5D4D3D
15、2D1D0显示段dipgfedcba按照表3-1格式，8段LED显示器的字型码如表3-2所示。表3-2 8段LED显示器部分字型码显示字符共阴极段码共阳极段码显示字符共阴极段码共阳极段码03FHC0H67DH82H106HF9H707HF8H25BHA4H87FH80H34FHB0H96FH90H466H99H“灭”00H88H56DH92H注：段码是相对的，它由个字段在字节中所处的位决定。应根据实际情况确定，以上表格用来参考。二.LED显示器工作原理LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。1.LED静态显示方式7所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。这种显| |示方式的每一个8段显示器需要一个8位输出口控制。如图3-8用AT89
