1、基于51單片機(jī)的水溫自動控制系統(tǒng)0引言在現(xiàn)代的各種工業(yè)生產(chǎn)中,很多地方都需要用到溫度控制系統(tǒng)。而智能化的控制系統(tǒng)成為一種發(fā)展的趨勢。本文所闡述的就是一種基于89C51單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)。本溫控系統(tǒng)可應(yīng)用于溫度范圍30°C到96°C。1設(shè)計任務(wù)、要求和技術(shù)指標(biāo)1.1任務(wù)設(shè)計并制作一水溫自動控制系統(tǒng)，可以在一定范圍(30C到96°C)內(nèi)自動調(diào)節(jié)溫度，使水溫保持在一定的范圍(30C到96°C)內(nèi)。1.2要求(1) 利用模擬溫度傳感器檢測溫度，要求檢測電路盡可能簡單。(2)當(dāng)液位低于某一值時，停止加熱。(3) 用AD轉(zhuǎn)換器把采集到的模擬溫度值送入單片機(jī)。(4)

2、 無競爭-冒險，無抖動。1.3技術(shù)指標(biāo)(1) 溫度顯示誤差不超過1C。(2) 溫度顯示范圍為0°C99°C。(3) 程序部分用PID算法實(shí)現(xiàn)溫度自動控制。(4)檢測信號為電壓信號。2方案分析與論證2.1主控系統(tǒng)分析與論證根據(jù)設(shè)計要求和所學(xué)的專業(yè)知識，采用AT89C51為本系統(tǒng)的核心控制器件。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。其引腳圖如圖1所示。2.2顯示系統(tǒng)分析與論證顯示模塊主要用于顯示時間，由于顯示范圍為099C，因此可采用兩個共陰的數(shù)碼管作為顯示元件。在顯示驅(qū)動電路中擬訂了兩種設(shè)計方案：方案一：采用靜態(tài)顯示的方

3、案采用三片移位寄存器74LS164作為顯示電路，其優(yōu)點(diǎn)在于占用主控系統(tǒng)的I/O口少，編程簡單且靜態(tài)顯示的內(nèi)容無閃爍，但電路消耗的電流較大。方案二：采用動態(tài)顯示的方案由單片機(jī)的I/O口直接帶數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)動態(tài)顯示，占用資源少，動態(tài)控制節(jié)省了驅(qū)動芯片的成本，節(jié)省了電,但編程比較復(fù)雜，亮度不如靜態(tài)的好。一由于對電路的功耗要求不大，因此就在盡量節(jié)省I/O口線的前提下選用方案一的靜態(tài)顯示。FJ,0PLLF.2PL3PL4PLSFl.6E*L?胎Trnoipj.】(TjrHPi.3ITOhPJ.4麗睜iHhPJ.丁XTAL2KTAL；CM!ATSCSiVCCpu(mipii/tiD-nPB.乩m(xù)oi如伽nfA

4、/vppale/WFsEFflVAI3>F2.6/ML“P2,5/(131P3.-H.dJjP2.JMAlbPl?/W0>P2.1心)Pl0/09)圖1AT89C51引腳圖23檢測系統(tǒng)分析與論證1溫度檢測：有選用AD590和LM35D兩種溫度傳感器的方案，但考慮到兩者價格差距較大，而本系統(tǒng)中對溫度要求的精度不很高，因而選用比較廉價LM35D。溫度傳感器采用的是NS公司生產(chǎn)的LM35D,他具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，他的輸出電壓與攝氏溫度線性成比例，且無需外部校準(zhǔn)或微調(diào)，可以提供土1/4°C的常用的室溫精度。LM35的輸出電壓與攝氏溫度的線形關(guān)系可用下面公式表示

5、，0C時輸出為0V,每升高1C,輸出電壓增加10mV。其電源供應(yīng)模式有單電源與正負(fù)雙電源兩種，其接法如圖2與圖3所示。正負(fù)雙電源的供電模式可提供負(fù)溫度的測量,單電源模式在25C下電流約為50mA，非常省電。本系統(tǒng)采用的是單電源模式。Vout=10mV/CXT(C)2液位檢測：同樣考慮到成本問題，選用自己做一個液位傳感裝置。i.xrs冗f-l-20V)OUTPUTQcliV-10曲弋LN35圖2單電源模式圖3雙電源模式2.4控制系統(tǒng)分析與論證由于需要用大功率加熱裝置對水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，故采用帶過零檢測雙向可控硅輸出光電耦合器MOC3041構(gòu)成后向控制電路。3系統(tǒng)原理框圖硬件組成框圖如圖4所示：主要由

6、AT89C51單片機(jī)、溫度信號采集和調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)碼顯示電路、溫度控制等部分組成。圖4硬件框圖電源開啟后，可以顯示出實(shí)時的溫度，并且可以判斷出此時的溫度是否需要對水進(jìn)行加熱操作4硬件電路4.1溫度信號檢測和調(diào)理電路LM35D采用單電源供電模式如圖2將采集到的電壓信號送入運(yùn)放uA741進(jìn)行放大處理，如圖5。第20頁4.2顯示電路DEPJ4L516472占40-J4-M的5占E-ii規(guī)1囹Hjj8a5tPTl撲3fiCLK：DLI顯示電路由兩片74LS164和兩個數(shù)碼管構(gòu)成，為了PCB中作圖的方便，故采用如圖6的連接方式。圖6溫度顯示電路時鐘由單片機(jī)的P1.1提供，第一個數(shù)碼管的數(shù)據(jù)由單片機(jī)的

7、P1.0提供，第二個數(shù)碼管的數(shù)據(jù)由第一個164的Q7提供。164的時序圖如圖7所示。OUTPUTS*SE嘶LINPUTS*LTLrLrLrLrLrLrLrLrLTLrLrLr1itCLFARCLEJkH圖774LS164的時序圖4.3溫度控制電路溫度控制電路由光電耦合器MOC3O41和雙向晶閘管BT137構(gòu)成，硬件連接如圖8。圖8溫度控制電路4.4 AD轉(zhuǎn)換電路本部分電路由ADC0809和一些74系列芯片構(gòu)成，其中74LS74用于對單片機(jī)的ALE信號進(jìn)行分頻作為0809的時鐘，74LS373用做地址鎖存實(shí)現(xiàn)單片機(jī)P0口的分時復(fù)用。該部分硬件電路如圖9所示。4.5主控系統(tǒng)電路該系統(tǒng)由AT89C5

8、1構(gòu)成，由5V電源供電，采用6Mhz的晶振。主控系統(tǒng)電路主要承擔(dān)顯示及對溫度的PID控制的核心引用，各功能通過軟件軟件實(shí)現(xiàn)。圖10為單片機(jī)的主控電路。4.6整體PCB圖見附件A5軟件部分51主程序流程說明主程序的任務(wù)主要是循環(huán)檢測采集到的溫度值，不斷比較實(shí)現(xiàn)PID控制。流程圖如下:A=B?Av=30?A>=96?A>B?修改指針初始化JR=O;冷卻數(shù)據(jù)暫存BJR=0;冷卻JR=1;加熱JR=1;加熱開始圖11主程序流程圖米集一次溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換延時再采集一次溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換延時5.2 各子程序模塊流程5.2.1 顯示部分顯示部分主要包括三個小模塊：第一、原始數(shù)據(jù)的拆分；第二、待

9、顯示數(shù)據(jù)查表；第三、待顯示數(shù)據(jù)的輸出。數(shù)據(jù)分配表如圖12，送待顯示數(shù)據(jù)流程如圖13，查表流程如圖14訂H或31H-1原始數(shù)據(jù)區(qū)41H+-待顯不魏據(jù)兇卩51H+七段碼數(shù)拯國"圖12數(shù)據(jù)分配表'圖13待顯示數(shù)據(jù)輸出流程圖14查表程序流程5.2.2中斷程序部分中斷部分包括定時器中斷（主要實(shí)現(xiàn)1秒刷新一次顯示）和外部中斷（檢測液位。為防止抖動，設(shè)置一個標(biāo)志位，進(jìn)入中斷后判斷標(biāo)志位，如果一秒鐘內(nèi)沒有出中斷，則響應(yīng)，否則不響應(yīng)），流程圖分別如圖15和圖16。入中斷保護(hù)現(xiàn)場入中斷停止加熱Fl=l調(diào)用顯示重賦計數(shù)初值延時1S恢復(fù)現(xiàn)場返回返回圖15定時器中斷流程圖5.3整體程序見附件C圖16外

10、中斷流程圖6系統(tǒng)調(diào)試6.1 軟件調(diào)試調(diào)試所用軟件：KeiluVision2和Proteus7。將編寫好的程序用KeiluVision2匯編編譯成hex格式的文件后導(dǎo)入Proteus7中的原理圖（附件B）內(nèi)。結(jié)果正常顯示，說明程序本身沒有問題。6.2 硬件調(diào)試調(diào)試所用工具：直流穩(wěn)壓電源，示波器，萬用表等。6.2.1 放大電路的調(diào)試：將信號調(diào)理部分電路的輸入端接地，調(diào)節(jié)電位器，使輸出電壓為零（用萬用表毫伏檔測量）。輸入一定的電壓值0IV范圍內(nèi)，觀察電路的輸出電壓，調(diào)節(jié)電阻值，使輸出為輸入的5倍。6.2.2 顯示電路的調(diào)試：先寫一個簡單的顯示程序，燒入單片機(jī)內(nèi)，接好電路，觀察顯示是否正常。6.2.3

11、 AD轉(zhuǎn)換電路的調(diào)試：寫一個簡單的控制ADC0809的程序，用示波器觀察ADC0809所接受到的信號是否正確，如時鐘信號、開始信號等、給定輸入端一個電壓，給OE端持續(xù)加高電平，使允許輸出，用萬用表或示波器測量各個輸出引腳的轉(zhuǎn)換情況，結(jié)果與計算值是否相符合。6.2.4 系統(tǒng)的整體調(diào)試：將編寫好的程序燒入單片機(jī)中，接好整體電路，觀察輸出結(jié)果是否正確。調(diào)試中顯示一直是99，最后去掉373和排阻，顯示正常。主要是因為加的排阻過小，只有330歐姆，而ADC0809向單片機(jī)送數(shù)據(jù)的時間有很短，所以，即使送入0也可能會被單片機(jī)認(rèn)為是1，所以一直顯示99。6.2.5 系統(tǒng)存在的問題：由于實(shí)驗調(diào)試時，只是觀察l

12、ed燈的亮滅變化，沒有接上實(shí)際的光耦驅(qū)動大功率加熱器件，而實(shí)際測試時，led燈的亮度不高說明驅(qū)動電流太小，因而在驅(qū)動光耦時還需加入74LS07以增大P1.2口的驅(qū)動電流，使之能夠驅(qū)動光耦。調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)所購買的ADC0809的INO輸入端直接與地短接，所以，真正做成的系統(tǒng)用的是通道1。又加上調(diào)試時去掉了排阻和74LS373，因而選地址時是直接把地址選擇端接成了高低電平，雖然實(shí)現(xiàn)了功能但是與初衷不符。參考資料：【1】謝自美電子線路綜合設(shè)計華中科技大學(xué)出版社【2】張毅剛單片機(jī)原理及應(yīng)用附件A:匚UNLdT卜12kJ-號匸loud口匚rLIoL-lllE口hEX1整體PCB圖附件B:匚尋FfrwL

13、-a-l-g主古工亠L(fēng)-lhtm,-iMut亦"卜1“1PROTEUS仿真圖附件C：本系統(tǒng)所用程序:DINBITP1.0CLKBITP1.1JRBITPl.2FlBIT21HORG0000HSJMPMAINORG0003HLJMPINT00ORG000BHLJMPINTDISPORG0030HMAIN:SETBEASETBEXOSETBET0MOVTMOD,#01HMOVTH0,#3CHMOVTL0,#0B0Hmov20h,#10SETBTR0；中斷初始化CLRF1CJ1:MOVR0,#30HLCALLD1SLCALLAD0809MOVB,ACJ2:MOVR0,#31HLCALLD1

14、SLCALLAD0809CJNEA,B,COMPLJMPCJ2COMP:CJNEA,#30H,N30SETBCTROLJMPCJ1N30:JNCCOM96SETBJRLJMPCJ1COM96:CJNEA,#96H,N96CLRJRLJMPCJ1N96:JCCOMABCLRJRLJMPCJ1COMAB:CJNEA,B,DRLJMPCJ2DR:JCDOWNRISE:SETBJRLJMPCJ1DOWN:CLRJRLJMPCJ1;數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換AD0809:MOVDPTR,#0FFF8HLOOP:MOVXDPTR,AMOVR7,#0AHDELAY:NOPNOPNOPDJNZR7,DELAYMOVXA,D

15、PTRMOVDPTR,#TBCDMOVCA,A+DPTRMOVR0,ARETDISP0:MOVR1,#40HMOVA,R0MOVB,AANLA,#0F0HSWAPAMOVR1,AincR1MOVA,BANLA,#0FHMOVR1,ARETDISP1:MOVR0,#40HMOVR1,#50HMOVR7,#2L1:MOVDPTR,#SEGTABMOVA,R0MOVCA,A+DPTRMOVR1,AINCR0INCR1DJNZR7,L1RETDISP2:MOVR0,#50HMOVR1,#2L2:MOVA,R0MOVR7,#8L3:RLCAMOVDIN,CCLRCLKSETBCLKDJNZR7,L3IN

16、CR0DJNZR1,L2RETDISP:PUSHACCPUSHBmov33h,r0;拆分;查表;顯示LCALLDISP0LCALLDISP1LCALLDISP2movr0,33hPOPBPOPACCRETD100MS:MOVR3,#200DEL0:MOVR4,#125DEL1:DJNZR4,DEL1DJNZR3,DEL0RETD1S:MOVR5,#10DEL2:CALLD100MSDJNZR5,DEL2RETINT00:JNBF1,LINTCLRJRSJMPRETURNLINT:SETBF1LCALLD1SRETURN:RETIINTDISP:PUSHACCPUSHBMOVTH0,#3CHMO

17、VTL0,#0B0Hdjnz20h,backmov20h,#10LCALLDISPback:POPBPOPACCRETITBCD:DB00H,00H,01H,01H,02H,02H,02H,03HDB03H,04H,04H,04H,05H,05H,05H,06HDB06H,07H,07H,07H,08H,08H,09H,09HDB09H,10H,10H,11H,11H,11H,12H,12HDB12H,13H,13H,14H,14H,14H,15H,15HDB16H,16H,16H,17H,17H,18H,18H,18HDB19H,19H,20H,20H,20H,21H,21H,21HDB22

18、H,22H,23H,23H,23H,24H,24H,25HDB25H,25H,26H,26H,27H,27H,27H,28HDB28H,28H,29H,29H,30H,30H,30H,31HDB31H,32H,32H,32H,33H,33H,34H,34HDB34H,35H,35H,35H,36H,36H,37H,37HDB37H,38H,38H,39H,39H,39H,40H,40HDB41H,41H,41H,42H,42H,43H,43H,43HDB44H,44H,44H,45H,45H,46H,46H,46HDB47H,47H,48H,48H,49H,49H,49H,50HDB50H,50H,51H,51H,51H,52H,52H,53HDB53H,53H,54H,54H,55H,55H,55H,56HDB56H,57H,57H,57H,58H,58H,59H,59HDB59H,60H,60H,60H,61H,61H,62H,62HDB62H,63H,63H,64H,64H,64H,65H,65HDB66H,66H,66H,67H,67H,67H,68H,68HDB69H,69H,69H,70H,70H,71H,71H,71HDB72H,72H,73H,73H,73H,74H,74H,74HDB75H,75H,76H,76H,76H,77