毕业论文--基于单片机饮水机温度控制系统的设计

摘要

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显示器上。该系统灵活性强，易于操作，可靠性高，将会有更广阔的开发前景。

关键字：单片机饮水机水温控制传感器

目录

摘要 (i)

目录 (ii)

第1章前言 (1)

第2章饮水机概况 (2)

2.1 饮水机功能介绍 (2)

2.2 饮水机涉水管路系统图 (3)

第3章饮水机电气原理剖析 (5)

3.1 电气原理图 (5)

3.2饮水机电气控制走向 (6)

第4章各种卡片使用及功能 (8)

4.1 安装卡 (8)

4.2 用户卡 (8)

4.3 统计卡 (8)

4.4 清洗卡 (9)

第5章使用注意事项 (10)

第6章单片机温度控制系统设计（一） (11)

第7章单片机温度控制系统设计（二） (16)

7.1 整体方案设计 (16)

7.2 系统程序设计 (25)

第8章结论 (31)

致谢 (33)

参考文献 (34)

第1章前言

能源问题已经是当前最为热门的话题，离开能源的日子，世界将失去一切颜色，人们将寸步难行，虽然本设计是节省电能角度出发，而电能又是可再生能源，但是在今天还是有很多的电能是依靠火力，核电等一系列不可再生的自然资源所产生，一旦这些自然资源耗尽，我们将面临电能资源的巨大的缺口，因而本设计从开源节流的截流角度出发，节省电能，保护环境。

本篇将阐述设计一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。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。

本设计主要内容如下：

（1）温度设定范围为40～90℃，最小区分度为1℃，标定温度≤1℃。

（2）环境温度降低时温度控制的静态误差≤1℃。

（3）用十进制数码管显示水的实际温度。

（4）采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，减小系统的调节时间和超调量。

（5）温度控制的静态误差≤0.2℃。

第2章饮水机概况

2.1饮水机功能介绍

本机是公司最新研制IC卡智能型温热饮水机，采用了国际上成熟的IC卡智能控制、计费技术，具有体积小，使用简单，重量轻，无污染，低噪声，省电耐用等优点。

本机采用全新IC卡自动计费系统，有效地解决目前人们饮水难，管理难、收费难等社会上存在的种种困扰，进一步推动纯净饮用水健康、良性发展。

本饮水机与水接触的部件均采用进口食品级无毒材料制成，效率高,寿命长，符合国家卫生标准。

2.2饮水机涉水管路系统图

图2-1

1-储水罐；2-出水口；3-入水管；4-气管；5-排污口一外部结构图

图2-2

序号名称序号名称序号名称

1 水瓶抱箍 5 水龙头9 显示屏

2 水瓶箍锁 6 接水盒10 IC卡插口

3 聪明座7 制热指示

灯

11 电源线

4 IC控制面

板8 制热开

关

12 固定架总

成

第3章电气原理图3.1电气原理图

图3-1

3．2饮水机电气控制走向A、功率板：

第4章各种卡片使用及功能

4.1 安装卡：专门用来启动饮水机

A安装卡上存有机器收费费率。

B插入安装卡时，机器显示屏上显示“good”,表示安装成功。

C在使用IC卡饮水机之前，必须用安装卡对机器进行安装。

D当机器收费费率需要修改时，请用修改后的安装卡重新对机器进行安装。

4.2 用户卡：及用户消费卡

A需要饮水时，将用户卡插入卡口，显示屏上显示卡上所剩余额。同时放水阀打开。

B出水口定量供水，当需要再次喝水时，请将卡拔出，重复插入，即可获得定量的饮用水。

C用户卡可反复充值。

4.3 统计卡：专门用来统计销售情况

A、可统计出每台机器每个阶段的销售额。

B、插入统计卡，显示屏上显示“good”即可。

C、每次统计完之后，将饮水机的销售额清零。

4.4 清洗卡：专门用来清洗机器

A、当饮水机需要清洗时，插入清洗卡即可打开出水阀。

B、插入清洗卡后，出水阀自动打开，同时显示屏上显示“good”，

直到拔卡为止。

第5章使用注意事项

1．请先将固定架总成按图纸安装要求固定在墙上, 然后将饮水机平稳地固定在固定架总成面上。

2 饮水机应置于人多、方便、干燥、阴凉通风的地方，并避开可能有液体喷溅的地方，请勿靠近发电机或其他有强磁干扰的电器，以免影响整机正常工作。

3饮水机在初次使用前用户应进行消毒处理，具体方法是：用0.25公斤加有活化剂的CLO2与5公斤纯净水混合配制成消毒液。将消毒液由

聪明座注入饮水机持续消毒20分钟后，松开底版下热罐排水阀堵头上的卡簧，拔掉堵头，排空消毒液，然后塞上堵头，再用纯净水注入机内进行冲洗，直至排污管出水无气味为止，最后塞紧堵头，装上卡簧。

4．将接水盒按前页结构图中位置装好。

5不要改装电源插头，也不要加长电源线，以免导致过热和火灾。

第6章单片机温度控制系统设计（一）温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻作用。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同因而，对温度的测控方法多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。本设计即用微机对温度进行实时检测与控制。

系统功能及实现原理：

系统设计目标用单片机对温度进行实时检测和控制，以解决工业及常生活中对温度的及时自动控制问题；用十进制数码显示实际温度值，方便人工监视；用键盘输入温度控制范围值，便于在不同应用场所设置不同温度范围值。当实际温度值不在该范围时，系统能自动调节温度，以保持设定的温度基本不变，达到自动控制的目的。系统的温度最小区分度为 1℃。在环境温度变化时，温度控制的静态误差小于等于0．5℃。

系统设计的出发点在达到对温度的检测和控制的基础上，达到一定的测控精度，并尽量使系统的可靠性高、稳定性好、性价比高、速度快、使用灵活、实现容易、便于扩充。

设计原理本设计采用 89(251单片机应用系统来实现设计要求，因 89C51在片内含 4KB的 EEPROM，不需外扩展存储器，可使系统整体结构简单。利用 89C51串行口输出工作方式，使 89C51的利用率大大提高，外部电路得以简化。89C51可直接对键盘进行扫描读数，可直接用串／并转换模块 74LS104驱动 LED显示温度值。因其利用率高负载重，后向电路只需加一块同向驱动器即可正常工作。在串行传输数据时，频率可达到 1MHz对温度的显示完全达到测控精度要求。

具体方案硬件电路由单片机、拨码开关显示器、温度采集电路、执行部件等构成，框图见图6-1。

系统硬件电路的元器件选择及其工作原理本系统硬件包括：温度采集器件、A／D转换器件、单片机、I／O设备、键盘输入、控制执行器件等，各实现部分的元器件选择如下。

温度采集器件选择采用集成温度传感器AD590，其具有较高的精度和重复性，不需辅助电源，线性好，使用方便，可实现远距离测量，便于微机系统远程测控。 AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温传感器，可以显示正负温度数值，只需要一个直流电压源(4V～30V)，功率的需求比较低 (1．5Mw，5V)。其输出是高阻抗 (710Mg2)

电流，因而长线上的电阻对器件工作影响不大。 AD590是已作过校正的，共有 I、J、K、LM五挡，M挡精度最高。K挡精度居中，测温精度为 0．3℃，测温重复性优于 0．1℃，经非线性补偿，精度可达±0．1℃。

放大器件选择微机测控系统中用到的放大器件品种繁多，功能各异，在此选用低失调电压运放 OP07，工作原理见图 6-2。因信号采集电路输出的电压较小，一般为几百毫伏，故对失调电压要求较严，为保证精度，采用该高精度运放。也可考虑用单片集成测量放大器。低失调运放的输入失调电压温漂和输入失调电流温漂都很小，输入失调电压和输入失调电流也很小，因而这类运放精度较高。OP07采用超高工艺和齐纳微调技术，使其温漂很小，广泛用于精密加法、检波、微弱信号精密放大。其要求双电源供电，使用温度范围 0～70~C。一般不需调零，如要调零，可采用调零电位器调整，阻值可选 200KI2。使用时，先将输入端接地，进行调零调零后，接一输入电压，调节反馈精密可调电阻使输出为输入的 50倍，即得增益为 50。

ADC的选择及其与 CPU的接口电路现阶段生产的 ADC具有模块化、与微机总线兼容等特点，在选择 ADC芯片时，除需要满足用户的各种技术要求外，还须注意：①数字输出的方式；②对启动信号的要求；③转换精度和转换时问；④稳定性及抗干扰性。逐次逼近式 ADC 具有较高的转换速度、转换程序固定和精度高的特点，适用于快速自动检测系统与多回路的快速数据采集系统，一般是转换速度小于 lms 的场合。日常生活中温度变化范围不会太大，本系统要求最小温度分辨率为 1℃，假使温度变化范围为 100℃，整个系统的温度采集点应为100×2=200 个，8位转换器分辨率为 1／256，完全满足转换精度要求，故本系统采用 8位逐次逼近式 A_／D转换器 ADC0809，其为双列直插式封装，28只管脚。 CPU与 ADC的输入输出接口电路采用 8212，它是典型的通用 I／O接口。输入信号 Usr来自采样保持电路的输出，

先由 CPU输出一条指令控制启动，而转换总是需要一定时问才能完成，转换结束后，ADC给出一个 DONE／BUSY的状态信息详见图 6-3。

I／O设备单片机是通过 I／O口线与外部电路连接的，I／O 口即可作输人口又可作输出口，即可工作在串行方式下，又可以并行方式工作。常用的 I／O扩展芯片有 8155、8212、8255、键盘／显示接口8279等。本系统利用 8951串行口输出工作方式，可直接驱动数码管、发光二极管，直接扫描键盘，充分利用资源，简化系统电路。 2．5 控制执行器件用键盘输入温度控制范围值，此处选用 1O线拨码开关，其简单易行，方便直观，而阵列式键盘或拨码盘结构复杂，使用不灵活。用共阳极数码管 LED显示温度值。输出控制部分在此只用各种颜色发光二极管的亮灭进行各温度状态下系统对温度的调节方式的模拟演示。在实现过程中只要在相应电路中通过继电器驱动电炉、电扇等加温降温执行部件即

可。

图 6-1 单片机温度控制系统方案原理示意图

图 6-2 OP07工作原理图

图6-3 CPU与 ADC接口电路

第7章单片机温度控制系统设计（二）

7.1 整体方案设计

单片机温度控制系统是以MSP430单片机为控制核心。整个系统硬件部分包括温度检测系统、信号放大系统、A/D转换、单片机、I/O设备、控制执行系统等。

单片机温度控制系统控制框图如下所示：

图7-1控制系统框图

温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号后，将电压信号放大到单片机可以处理的范围内，经过低通滤波，滤掉干扰信号送入单片机。在单片机中对信号进行采样，为进一步提高测量精度，采样后对信号再进行数字滤波。单片机将检测到的温度信息与设定值进行比较，如果不相符，数字调节程序根据给定值与测得值的差值按PID控制算法设计控制量，触发程序根据控制量控制执行单元。如果检测值高于设定值，则启动制冷系统，降低环境温度；如果检测值低于设定值，则启动加热系统，提高环境温度，达到控制温度的目的。

温度信号检测：

本系统中对检测精度要求不是很高，室温下即可，所以选用高精度热敏电阻作为温度传感器。热敏电阻具有灵敏度较高、稳定性强、互换精度高的特点。可使放大器电路极为简单, 又免去了互换补偿的麻烦。

热敏电阻具有负的电阻温度特性,当温度升高时,电阻值减小,它的阻值—温度特性曲线是一条指数曲线,非线性度较大。而对于本设计，因为温度要求不高，是在室温环境下，热敏电阻的阻值与环境温度基本呈线性关系[2]，这样可以通过电阻分压简单地将温度值转化为电压值。

给热敏电阻通以恒定的电流，可得到电阻两端的电压，根据与热敏电阻特性有关的温度参数T0 以及特性系数k，可得下式

(1)

T＝T0-kV

(t)

式中T为被测温度。

根据上式，可以把电阻值随温度的变化关系转化为电压值随温度变化的关系,由于热敏电阻的电信号一般都是毫伏级，必须经过放大，将热敏电阻测量到的电信号转化为0～3.6之间，才能在单片机中使用。

下图为放大电路原理图。稳压管的稳压值为1.5V。

图7-2放大电路原理图

由于传感器输出微弱的模拟信号，当信号中存在环境干扰时，干扰信号也被同时放大，影响检测的精度，需用滤波电路对先对模拟信号进行处理，以提高信号的抗干扰能力。本系统采用巴特沃斯二阶有源低通滤波电路。选取该巴特沃斯二阶有源低通滤波电路的截止频率

fH=10 kHz 。

控制系统设计：

软件设计：

单片机温度控制器控制温度范围100℃到400℃，采用通断控制，通过改变给定控制周期内加热和制冷设备的导通和关断时间，来提