水温水位控制系统

1毕业论文题目水位水温控制系统院（系）工程技术学院专业应用电子年级11级学生姓名刘会超学号201125110115指导教师许春香二○一四年五月23摘要温度的精度控制一直是个难题，因此为了实现高精度的水温水位控制，我的论文介绍了一种以AT89C51单片机为控制核心，采用一种数字温度传感器（DS18B20）为温度采集器来实现水温的控制。论文着重介绍核心器件的选择、各部分电路设计及软件的实现。AT89C51单片机完善的内部结构、优良的性能和强大的中断处理能力，决定了该控制系统具有电路结构简单、程序简短、系统可靠性高的特点。水位以AT89C51单片机检测缺水、溢流，实现自动控制；温度采集采用数字温度传感器（DS18B20），不需要复杂的信号调理电路和A/D转换电路，简单的数字处理电路大大降低了硬件和软件的设计复杂度，直接与单片机完成数据的采集和处理；采用LCD1602液晶实时显示温度值，实现方便、简单。本系统根据不同需要可用于各种场合。【关键词】AT89C51单片机，DS18B20，LCD16024AbstractThetemperaturehasbeenadifficultproblemaccuracycontrolof,soinordertorealizehighprecisiontemperaturelevelcontrol,mypaperintroducesanAT89C51ascontrolcore,usingadigitaltemperaturesensor(DS18B20)fortemperaturewatertemperaturecontrolunittorealize.Thispapermainlyintroducesthecoredeviceofchoice,eachpartcircuitdesignandsoftwarerealization.AT89C51perfectinternalstructure,excellentperformanceandpowerfulinterrupthandlingability,decidedthecontrolsystemhasthecircuitissimpleinstructure,proceduresbrief,systemreliabilityhighcharacteristic.WaterleveldetectionbyAT89C51,watershortage,therealizationofautomaticcontroloverflow;Temperaturegatheringadoptingdigitaltemperaturesensor(DS18B20),notinneedofsophisticatedsignalregulatecircuitandA/Dcircuit,simpledigitalprocessingcircuitgreatlyreducesthehardwareandsoftwaredesigncomplexity,directandsingle-chipcommputercompletesdataacquisitionandprocessing;LCD1602LCDdisplaybytemperature,realizeconvenient,simple.Thissystemcanbeusedaccordingtodifferentrequirementsonvariousoccasions.【Keywords】AT89C51microcontroller，DS18B20，LCD16025目录引言..........................................................6第一章系统方案设计...............................................7（一）水温水位控制系统的设计任务和要求.........................7（二）系统总体方案的选择.......................................7（三）温度传感器的选择.........................................8第二章元器件介绍及硬件电路设计...................................9（一）元器件介绍...............................................9（二）硬件电路设计............................................16第三章系统软件设计..............................................20（一）程序结构说明............................................20（二）程序流程图..............................................20（三）操作指引................................................24第四章实验测试..................................................25（一）LCD1602显示“ABCD1234”................................25（二）键盘及数字显示结合......................................25（三）整机调试................................................25第五章设计总结..................................................27致谢.........................................................28参考文献.........................................................296引言上个世纪，由于工业过程控制的需要，特别是电子技术的迅猛发展，以及在自动控制理论和设计方法的推动下，温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应参数、自整定等方面取得了优异成果。现在的温度控制系统及仪器仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。温度控制系统在各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等技术先进的国家相比，仍然有着较大的差距。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且应用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内的技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量，其中温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求较高。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。尽管温度控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大、本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。本文主要介绍以单片机控制温度的系统设计过程，其中涉及系统结构设计、元器件的选取、程序的调试和系统参数的整定。在系统构建时选取了AT89C51芯片作为该控制系统的核心，温度信号由新型的可编程温度传感器（DS18B20）提供。通过软件实现对水温的控制，使用继电器作执行部件对水位的自动控制。系统控制对象为水箱。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变,具有较好的快速性与较小的超调。该系统为一实验系统，要求系统有控制能力，实现对主要可变参数的实时监控。使用软件编程既减少了系统设计的工作量，又提高了系统开发的速度，使用软件还可以提高所设计系统的稳定性。7第一章系统方案设计（一）水温水位控制系统的设计任务和要求该系统为一实验系统，系统设计任务：设计一个水温水位自动控制系统，控制对象为水箱。水位实现自动加水和自动溢出控制，水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。利用AT89C51单片机实现对水温的智能控制，使水温在设定温度下控制温度恒定。利用仪器读出水温，并在此基础上将水温调节到我们通过键盘输入的温度（其方式是加热或降温），而且能够将温度显示在LCD1602液晶上。系统设计具体要求：（1）由键盘设定温度，设定范围为40一90℃，最小区分度为l℃，标定温差＜1。（2）温度低于设定温度值时加热，温度高于设定值时降温（3）用LCD1602液晶实时显示水的实际温度。（4）实现容器中无水时自动加水,溢出自动控制，防止烧干，故障报警。（5）环境温度降低时(例如用电风扇降温)温度控制约静态误差＜1（二）系统总体方案的选择1方案一（如图1-1）此方案是传统的二位式模拟控制方案，其基本思想与方案采用上下限比较电路，控制精度比较高。这种方法还是模拟控制方法，因此也不能实现复杂的控制算法使控制温度做的更精确。而且不能用数码管显示和键盘设定。图1-1模拟电路2方案二（如图1-2）此方案采用AT89C51单片机系统来实现。单片机软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制【1】。单片机系统可用数码管显示水温的实际值，能用键盘输入设定值等功能。本方案选用了AT89C51芯片，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单。3方案论证方案一是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改也较麻烦。而方案二是采用以AT89C51为控制核心的单片机控制系统，尤其对温度控制，可以达到模拟控制所达不到的控制效信号采集信号放大上限比较下限比较信号处理固态继电器负载温度预置8果，并且可以实现显示、键盘设定，报警等功能。大大提高系统的智能化，也使得系统所测结果的精度大大提高了。所以本次设计采用方案二。图1-2温度控制系统框图（三）温度传感器的选择本设计方案的选择主要是感温元件的选择,经查阅资料,IC式感温器在市场上应用比较广泛的有以下几种：1AD590：电流输出型的测温组件,温度每升高1摄氏度K(凯式温度)，电流增加1μA，温度测量范围在一55℃～150℃之间。其所采集到的数据需经A/D转换，才能得到实际的温度值。2DS18B20：除了测量温度外，它还可以把温度值以数字的方式(9Bit)送出，温度送出的精度为0.5℃，温度测量范围在-55℃—125℃之间，可以做恒温控制。3SMARTEC感温组件:这是一只3个管脚感温IC，温度测量范围在-45℃～13℃，误差可以保持在0.7℃以内。本设计选用DS18B20感温IC，这是因其性能参数符合设计要求，接口简单，内部集成了A/D转换，测温更简便，精度较高，反应速度快，且经过市场考察，该芯片易购买，使用方便。单片机键盘输入温度传感器水位检测电源LCD1602液晶显示加热装置降温装置蜂鸣报警烧干溢流控制9第二章元器件介绍及硬件电路设计（一）元器件介绍1温度传感器温度传感器选用可编程温度传感器（DS18B20）芯片。DS18B20是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户使用带来了更多方便。（1）DS18B20产品的特点（a）单线接口：仅需一根线与单片机相