1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 水箱水温控制系统的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - - 摘 要 本文以 单片机 为 主控制器， 设计了一个水箱的温度控制系统，水的温度要求可以在 40-90范围任意设定，精确到 0.1。 系统主要分为数字 显示、按键部分、报警部分、温度传感器采集部分和驱动继电器电路部分。水箱水温控制系统的核心是单片机 MCU，单片机负责温度采样值的读取、转换、显示和调节。温度采集通过选择适合系统设计要求的传感器来实现，温度传感器采集温度值通过A/D 转换传送到单片机中，经过单片机处理成显示所需格式进
2、行显示，温度的设定值通过键盘输入完成，当实际采样温度达到报警值，单片输出报警信号，并带动继电器进行相应的闭合开启动作，使水的温度回到设定值。 关键词 ：单片机；继电器；温度传感器；数码管 - - Abstract This article design a temperature control system of water tank by MCU, the temperature of water is demanded setting in the range of 40-90 , accurate to 0.1 . The system includes some parts, suc
3、h as the number display, the keys part ， the warning circuit, the temperature sensors and the circuit of driving relay. The central part of the water temperature control system is MCU, the MCU is responsible for the sample is worth reading, translation, display and regulation. The temperature taken
4、by the sensing elements suitable for the system design. The values collected by Temperature sensor are inputted to MCU through A/D change, the values are disposed by MCU with a display format, the temperature of the set value is finished through keyboards, when the practical sample temperature is up
5、 to the warning value, the MCU gives warning signals, in the same time driving the relay closing and opening, finally makes the water temperature return to the set value. Key words： Single Chip; Relay; Temperature Sensor; Digital Display - - 目 录 1 引言 . 1 2 系统方案设计 . 2 2.1 系统控制原理 . 2 2.2 方案选择 . 2 3 系统
6、硬件设计 . 6 3.1 单片机 . 6 3.2 温度传感器的选型 . 7 3.3 键盘设计 . 12 3.4 显示模块设计 . 13 3.5 继电器的选型 . 14 3.6 系统电源设计 . 15 4 系统软件设计 . 16 4.1 RAM 的分配和 I/O 口分配 . 16 4.2 程序流程设计 . 17 4.2.1 主程序 . 17 4.2.2 中断服务程序 . 18 4.2.3 温度控制子程序 . 19 4.2.4 温度设定子程序 . 20 5 总结 . 22 致谢 . 24 参考文献 . 25 附录 1 系统实物 . 26 附录 2 系统原理图 . 27 附录 3 部分程序代码 .
7、28 - - 1 引言 温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中 温度控制占有着极为重要的地位特别是在冶金、化工、建材、食品、机械 、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此 对温度控制的研究具有极为重要的现实意义 1 。 单片机 作为 一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数
8、据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器 /计时器等功能 (可能还包括显 示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/D 转换器等电路 )集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统 。单片机系统 设计简单，程序编写简单，成本低。 它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统。因此，选用单片机作为温度控制的核心部件是完全可行而又经济实惠的。 因此，本文旨在以单片机为平台，设计一种典型而又简单易行的水箱水温控制系统，能够实现水温的自动采集、显示、调节和控制。 本文就是在单片机基础上通过外加传感器等，实现水箱温度的测量及控制，
9、主要利用单片机的信息采集及处理能力。本设计同时可利用于各种温控环境 中，旨在采用低成本器件实现较高精度的温度控制，具有一定的实用性，并能通过本设计加深对单片机的理解，掌握单片机接口及软硬件系统的设计方法。 - - 2 系统方案设计 2.1 系统控制原理 现场温度经温度传感器采样后变换为模拟电压信号，经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器，信号放大后送模 /数转换器转换为数字信号送 至单片机 ， 单片机通过比较现场温度与设定温度异同，决定是否开启加热继电器 ，从而控制电加热丝的 通断 ，实现温度控制。 当温度高于设置的温度时，单片机通过继电器控制加热电路断开，使温度下降；当温度低于设置的温度时，单片机
10、通 过继电器控制加热电路接通，温度升高达到要求值。 根据系统设计要求，本文以 单片机 为 主控制器， 设计一个水箱的温度控制系统，水的温度要求可以在 40 90范围任意设定，精确到 0.1。系统主要实现功能有： 系统通过温度传感器对温度进行采集，并将其送入主控制器，并设计显示电路显示设定温度以及实时显示当前的水温。设计键盘模块能输入任意设定值来对水箱温度进行设定。 2.2 方案选择 (1)热电偶温度传感器 热电偶可以直接借助于被测环境的热能产生于温度相关的电信号，是在工业中应用最广的一种温度热敏电子元件。 将两种不同材料 的导体或半导体 A 和 B 焊接起来，构成一个闭合回路。当导体 A 和
11、B 的两个执着点 1 和 2 之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流，这种现象称为热电效应 ，如图 2-1 所示 。 其 测量精度高 ， 因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响 ； 测量范围广 ， 常用的热电偶从 -50 +1600 均可 连续 测量 。利用热电效应将热电偶制造成传感器，将电动势转换成相应的电信号 2 。 - - 图 2-1 热电效应 (TT0) (2)电阻性温度传感器 利用各种材料的电阻值和温度的依赖关系，可以制造出很理想的温度传感元件。 这类温度敏感元件本质上是特殊的电阻值和温度相关的电阻器，因而可以统称为电阻性温度传感器。它们的电阻值
12、和温度之间的函数关系已知，当配以电阻值测量电路后则成为温度传感器。测量电阻器的电阻值一般需要一个恒流源，使恒定的激励电流流过被测电阻器，将电阻值转化成为与电阻值成正比的电压信号。电阻性温度敏感元件可分成电阻温度探测器和热敏电阻两大类。 电阻温度探测器一般由金属材料或半导体制成。它的传感机理是基于某些金属和半导体的电阻率的温度系数与温度的相关性。内可用简单的线性关系描述。在温度 T 时，金属的电阻 TR 可表示为对大多数金属来说，导体电阻率和温度的关系接近线性，在不太大的温度范围 )1(0 TRRT (2-1) 这里 0R 是摄氏零度时的电阻值， 是电阻的温度系数，其单位为 1 。 一般来说，半
13、导体和绝缘体的电阻率 和温度 是近似指数关系，即有 TEe /0 (2-2) 这里 0 是在某个参考温度下的电阻率， E 是代表固体中载流子的束缚态和导电态之间的能带宽度。 热敏电阻是应用极为广泛的低成本温度传感器，可分为正温度系数和负温度系数两种。热敏电阻定义为电阻温度系数与温度变化成近似指数关系，由半导体材料制成的温度敏感电阻器。热敏电阻的电阻温度系数的特点是极端的非线性，它们的电阻值可以 随温度变化而大幅的跳变。热敏电阻的电阻值与和温度的关系大致上呈指数函数，即有 - - TT eRR /0 (2-3) 这里 TR 是在温度 T 下的电阻值，而 0R 是在参考温度下的电阻值， 是电阻的温
14、度系数。由于热敏电阻温度系数的强烈非线性，所以不能像电阻温度探测器那样用于大范围温 度的精确测量。 (3)光纤温度传感器 光纤温度传感器特别适合于恶劣环境，例如高电压的发电机、变压器绕组，核反应堆的高辐射环境、石油钻井时井下的温度监测，以及信号需要远距离传送的情形。一般分为基于热膨胀的光纤温度传感器、基于受激发光的光纤温度传感器和半导体吸收边界温度传感器三类。 (4)铂电阻温度传感器 铂电阻 温度传感器 它的阻值会随着温度的变化而改变。 铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器 ,由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等 ,被广泛用于中温 (-200 C 6
15、50 C)范围的温度测量中。如图 2-2 所示： 图 2-2 铂电阻测温方案 但在这种检测电路中 ,铂电阻的阻值和温度之间的非线性特性给最后的温度测量来了一定的误差，不但增加了放大转换电路的复杂性 , 而且由于包括传感器在内的各种硬件本身的缺陷和弱点 , 所以往往难以达到较高的指标要求。同时，此种测温方法还需要 A/D 转换，因此，本文中未选用此方案。 - - （ 5）热电偶温度传感器 热电偶是一种感温元件，是一种 仪表 。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号 , 通过电气仪表（ 二次仪表 ）转换成被测介质的温度。热 电偶 测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路 ,当两端
16、存在温度梯度时 ,回路中就会有 电流 通过，此时两端之间就存在电动势 热电动势，这就是所谓的 塞贝克效应 。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系 , 制成热电偶分度表 ; 分度表是自由端温度在 0 时的条件下得到的，不同的 热电偶具有不同的分度表。热电偶要加上补偿电路且材料价高。热电 偶 温度传感器 一般用于工业生产 ，同上一 方案 相同的地方是，也需 要 A/D 转换器 才能工作 3 。 因此，本文中未选用此方案。 （ 6）智能温度传感器 与传统的热敏电阻相比，智能温度传感器 DS18B2
17、0 低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器 1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入， DS18B20 就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。能够直接读出被测 温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现 912 位的数字值读数方式。而且整个测温过程无需添加附属电路和 A/D 转换，直接由单片机读取 I/O 口既可实现。因此，经过综合比较，本文选择了该方案 4 。 - - 3 系统硬件设计 根据系统设计要求，系统设计的原理框图如图 3-1 所示： 图 3-1 系统原理框图 由图可
18、知，系统主要分为示数显示、按键部分、报警部分、温度传感器采集部分和驱动电路和继电器部分。水箱水温控制系统的核心是单片机 MCU,单片机负责温度采样值的读取、转换、显示、调节。温度采集通过选择适合系 统设计要求的传感器来实现，温度传感器采集温度值通过 A/D 转换传送到单片机中，经过单片机处理成显示所需格式，进行显示，温度的设定值通过键盘输入完成，当实际采样温度达到报警值，单片输出报警信号，并带动继电器进行相应的闭合开启动作，使水箱温度回到设定值。根据系统原理框图进行系统的硬件设计，下面将分别对单片机、温度传感器、显示、键盘按键、继电器等系统主要组成部分进行分别设计 5 。 3.1 单片机 单片机作为整个控制系统的控制核心，在选型方面必须 主要从以下方面考虑： 对单片机选型 ,主要从单片机应用系统的技术性 ,实用性 和要开发性三方面来考虑 . (1) 技术性 ： 要从单片机的技术指标角度 ,对单片机芯片进行选择 ,以保证单片机应用系统在一定的技术指标下可靠运行；
