温度及水位控制系统的设计与制作.doc
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1、毕业设计(论文)题 目:温度及水位控制系统的设计与制作学生姓名周丽娜学 号0129专业班级电子1201二级学院信息工程学院指导教师(职称)郑丽君() 2016 年6 月 诚信承诺书本人谨此承诺,本人所写毕业设计(论文)均由本人独立撰写,无任何抄袭行为。凡涉及他人的观点材料,均作了注释。如出现抄袭或侵犯他人知识产权的情况,愿承担由此引起的任何责任,并接受相应的处分。 学生签名:年 月 日温度及水位控制系统的设计与制作【摘要】 本文主要结合当前温度及水位检测系统的研究现状,选用了宏晶公司生产的STC89C51单片机作为主控基础,并配合DS18B20温度传感器、LCD1602液晶屏等模块设计了一款单
2、片机控制系统。在硬件上,以C51单片机、复位电路以及时钟电路组成单片机最小系统,选择DS18B20传感器作为水温采集模块,并辅之以其他电路模块,实现了本系统的硬件系统。在软件上,使用C语言描述软件系统,并通过Altium Designer绘制电路原理图、Visio绘制软件流程图的方式来描述本系统的设计过程。经过多次测试,本系统达到了预期的设计目标,并表现出了良好的性能。 【关键词】 STC89C51单片机,水位检测,DS18B20温度传感器【Abstract】 In this paper, combined with the research status of the temperature
3、 and water level detection system, selection of the macro crystal produced the STC89C51 MCU as the main control foundation, and with DS18B20 temperature sensor, LCD1602 LCD module design of a microcomputer control system. In hardware, with C51 monolithic integrated circuit, reset circuit and clock c
4、ircuit composed of MCU minimum system, choose DS18B20 as the temperature acquisition module, and complemented by other circuit module, this system. The hardware system is realized. In the software, use the C language to describe the software system, and through the Altium Designer drawing circuit pr
5、inciple diagram and Visio drawing software flow graph to describe the design process of this system. After repeated testing, the system achieved the desired design goals, and shows good performance.【Key Words】 STC89C51,Water Level Detection,DS18B20 Temperature Sensor目 录1 绪 论11.1 温度水位控制系统发展背景11.2 水温控
6、制技术的国内外发展现状21.3 本文主要内容22 方案选择及元器件介绍32.1 主控单片机的对比与选择32.2 STC89C51单片机芯片42.3 DS18B20温度传感器概述42.4 LCD1602液晶屏介绍53 硬件系统设计73.1 系统总体设计73.2 STC89C51单片机最小系统7 3.2.1 复位电路7 3.2.2 晶振电路83.3 DS18B20电路设计83.4 LCD1602液晶屏电路设计93.5 水位检测电路设计93.6 继电器及其驱动电路设计104 软件系统设计124.1 主程序流程设计124.2 DS18B20温度转换流程设计134.3 LCD1602液晶屏工作流程图设计
7、14 4.3.1 写数据流程图14 4.3.2 写指令流程图154.4 加热模块工作流程设计15结 论17参考文献18附 录 A19附 录 B20附 录 C22附 录 D23致 谢33 图目录图2.1 STC89C51单片机4图2.2 DS18B20温度传感器5图2.3 LCD1602液晶屏6图3.1硬件框图7图3.2复位电路8图3.3晶振电路8图3.4 DS18B20电路设计9图3.5 LCD1602液晶屏电路9图3.6水位测量模块10图3.7继电器及其驱动电路11图4.1主程序流程图13图4.2 DS18B20工作流程设计14图4.3写数据流程图14图4.4写指令流程图15图4.5 加热模
8、块工作流程设计16图5.1 实物图17图5.1 实物图1 绪 论1.1 温度及水位控制系统发展背景温度参数是多种行业都需要检测的一个重要参数,是生活和生产上最最基本的物理量,几乎工业上的大小环节都离不开对温度的准确控制,它是决定产品质量的决定性因素,比如在烟草生产企业,温度在烘烤车间是决定烟叶色泽和质量的首要保障;而在冶金行业,温度是决定化学反应效率的重要条件,因此在历史上产生了多种监控温度的方法(如学习算法、模糊算法以及PID算法等),它们在不同的应用场合都能发挥出很灵活的控制性能。在工业上,监控温度的控制器主要使用微处理器,如单片机、PLC或者DSP等,随着单片机技术的飞速发展,目前32位
9、单片机(如SST公司的STM32)已经在微处理器界大行其道,它优异的性能能够使得过去的传统控制系统大幅提高,因此对于温度参数的控制,各行各业也提出了更高的要求,不但要求温度稳定、抑制干扰以及快速到达设定温度等,这些要求的实现对于性能优越的微处理器是非常容易的。纵观目前水温监控系统市场现状,可以发现已经相当成熟,但是许多系统的功能还都停留在近距离控制,随着以太网技术、红外遥控技术、RFID(射频通信)系统、GSM技术以及蓝牙技术的发展并且低成本化,将这些数据进行远程传输已经变得可能,这样将远程数据传送技术和温度控制技术结合在一起,就衍生出了一种性能更加完善的水温监控系统,它能使得温度控制变得远程
10、化,只要坐在电脑边、持手机或者拿着遥控就能实现对水温的灵活监控,这将车间人员解放出来,同时也能够降低高温对人员的伤害。所谓水位控制系统指的是能够通过传感器的液位采集作用而实现也为自动控制的电子控制系统,通常情况下这种系统由微处理器、液位传感器、水泵、排水装置、终端按键、显示器以及报警器等部分组成,在这种系统的作用下,工业生产或者家居生活能够实现在无人管理情况下的自动运行,节省大量的人力物力,大幅度提高企业生产效率。传统的液位控制已经延续了数百年,在古代的一些作坊或者小型加工厂中能够常常看到通过人工的方式实现生产加工中的液位管理,添加水通过水桶加注,换水也是通过人工操作,这就是最为原始的液位管控
11、制系统。几百年后随着工业技术的发展,自来水进入了千家万户方便了人们的日常生活,在工业活动中对于液位控制作业也享受到了自来水管道的便利,因为工人们再也不用提着水桶去完成加水放水的劳累体力活了,只需要在现场看紧也为高度,管理好自来水龙头的开关,防止水溢出来。再到后来出现了现代化工业生产,此时电子技术以及微处理器技术广泛发展,涌现除了一大批用于辅助工业活动的电子控制系统,在水塔水位控制系统中,最为著名的就是采用PLC作为主控核心的也为管理系统,由于采用了PLC作为控制器,因此基本实现液位高低的自动管理,基本无需人为干预,通过液位传感器来实现水箱中液位的采集,将采集到的信息传送到PLC进行处理,接着P
12、LC根据也为情况来相应的启闭水泵或者排水阀的工作,以此来达到液位的自动化管理。这种PLC系统用在干扰情况较为严重的工控场合能够表现出非常高的稳定度,内部程序在运行过程中基本不会出现运行错误等情况,因此成本也非常高。近几年来的单片机技术日益完善,单片机控制系统逐渐渗透到工业领域的各个角落,单片机的稳定性跟过去相比已经取得了质的飞跃,在水位控制系统方面,目前市面上已经出现了多种类型的以单片机作为主控核心的自动控制系统,这些产品主要分为超声波探测式、电磁波探测式、激光探测式以及机械浮子式几类,根据液位探测的精度以及准确度区分,激光探测式性能最佳,而已使用广泛度以及成本来看,机械浮子式数第一。由于单片
13、机的成本远低于PLC系统,并且目前单片机的性能和稳定度在不断提升,已经有和PLC持平的趋势,因此如果采用单片机作为也为控制系统的主控器,那么将大幅度降低其生产成本。1.2 水温控制技术的国内外发展现状远程水温监控技术目前正朝着网络化、更远距离化的方向发展,在网络化方面,很多研究者正在不断地将以太网模块、互联网总线植入到水温监控系统内,有了以太网模块,多个水温监控系统就可以组成一个小网络,多个小网络就可以组成一个大网络,从而进行集中管理、监视和维护。麻省理工大学的一个研究小组开发了一款能够手机对水温进行监控的系统,它的智能之处在于这个系统不但在手机上设计了水温的监控界面,同时能够将多项参数(如温
14、度、湿度以及气压等)通过GPRS模块发送给手机持有者,这样企业人员在给自己的手机上下载这个系统后,就能够在办公室内轻松的检测车间的水温情况,省去了现场监管的麻烦。而国内的研究者也在这方面取得了很大的成果,他们将以太网植入了水温控制系统中,通过网络数据实现了对水温的灵活监控。1.3 本文主要内容本文以基于单片机的温度及水位控制系统为研究目标,设计了一款能够实现温度和水位自动测量的电子控制系统,在文章第一章,主要对系统的发展背景和国内外发展现状进行了描述,第二章对系统的设计方案以及元器件进行了选择和介绍,文章的第三章对硬件系统进行了设计,第四章主要对软件系统进行了设计。2 方案选择及元器件介绍2.
15、1 主控单片机的对比与选择方案一:选择8位的51内核单片机作为主控核心,由于51单片机进入中国学生的视野比较早,它通常作为高校里单片机课程的主要教学题材,因此具有广泛可使用的资料和现成例程,其库函数目前也比较丰富,因此在使用时比较容易上手,尤其是对刚开始迈进单片机大门的学生来说。目前使用最广泛的AT89C51和STC89C51同是采用经典51内核的8位单片机,这两者的区别是AT89C51是单片机巨头ATMEL公司研发的,STC89C51是国内的宏晶公司推出的,两者相互兼容,另外最基本的C51单片机采用串口下载程序,不需要昂贵的仿真器,因此成本非常低。但是其缺点也非常明显,由于C51单片机比较基
16、础,因此其内部资源非常贫乏,只集成了UART、定时器等模块,中断资源比较少,只有P3.2和P3.3两个管脚能够进入管脚中断,其他管脚无中断能力,因此在开发大型的复杂项目时将显得非常逊色,如果需要使用AD转换或者DA转换等功能时,需要在片外扩展相关芯片,因此电路形式将显得复杂。方案二:选择美国德州仪器(TI)公司研发的MSP430系列单片机作为主控核心,这种单片机进入市场的最大优势是其低功耗性能,该公司曾用一个新鲜柠檬的汁液进行处理来给430单片机供电,以此来展示其低功耗的优势。430单片机采用了RISC精简指令系统,另外430是一种16位单片机,该系列单片机的高端型号的主频能够达到40M,处理
17、速度相对于经典的8位单片机来说非常快。430单片机中大多数芯片具有JTAG口,这使得用户能够通过专用的仿真器来设置断点来分析程序的运行现象,方便查看相关的寄存器值,给程序调试带来了极大的方便,为项目的成功带来了极大的保障,然而这种仿真器的成本相对昂贵,给学生实验带来诸多不便。在优势方面,430单片机的内部资源相对丰富,大多数型号都集成了AD、DA、硬件IIC、定时器以及UART等资源,在使用时配置比较方便。然而其缺点也非常明显,由于低功耗的430单片机主要应用在一些手持设备上,用户主要是一些手持仪器研发公司,因此对于430单片机的开发资料学生不能方便触及到,给学生学习带来诸多不利。综上所述各种
18、常用单片机的优缺点,考虑到自身的学习经历以及知识掌握度,对于51单片机非常熟悉,虽然上文说到其内部没有集成AD转换或者硬件IIC等模块,但是在片外扩展这些模块也非常容易,网上相关的程序和资料相当的多,并不会给设计过程带来极大的阻碍。考虑到成本方面,上述所说的几种单片机就成本来说只有51单片机的价格最低,并且非常容易买到,这给设计的成功性带来了极大的保障,因此本系统选用51单片机作为主控核心。到底什么是单片机呢,相信很多学过单片机学生或者专业人士也很难对它下一个很清晰的定义,其实所谓单片机就是单片微型机的简称,在结构上主要是将CPU、各种存储器、定时器以及功能强大的输入输出结构或者现场总线等部分
19、都被集成在同一个小型的硅片中的芯片,很多电子类专业的学生在接触学习单片机之前通常会因为“单片机“三个字就望文生义以为它是一种很庞大的机械设备,其实不然,它只是一种一元硬币大小的芯片而已(早期由于集成电路技术还不发达,面积比现在的芯片大得多)。实现单片机技术离不开集成电路技术的成熟,因为集成电路越成熟,单片机的体积就会越小并且成本就会越低,这是因为集成硅片的成本和其面积成正比。单片机在国外被称为Single Chip Microcomputer,简称SCM,然而这只是它最早期的英文名称,随着它的不断发展和人们对它的不断认识,因此它被改名为MCU,即Microcontroller Unit。从最初
20、的最基本最简单的单片机诞生开始一直到目前的功能强大处理性能猛增的32位单片机,其中经历了1位到4位、8位以及16位等发展过程,这里所说的几位几位单片机是指它的总线宽度,也就是它能够并行处理多少位数据,例如我们平常经常使用到的51单片机,它就是一种8位单片机,而目前较为流行的基于ARM内核的STM32单片机就是一种32位单片机,它能够同时并行处理32位数据,这是它能够海量处理数据的根本原因。在单片机的实用范围上,可以将所有的单片机分成两类,即专用型单片机和通用型单片机,所谓通用型是指用户可以通过自己编程和修改等来完成单片机应用系统的构建,这种类型的单片机对用户开放较多的GPIO口管脚,内部通常集
21、成了很多外围模块(如AD模数转换器模块、DA数模转换器模块以及UART串口模块等);而专用型单片机是指在生产这种单片机前,用户就已经指定好该单片机的具体规格,如IO口的数量、管脚排列、定时器数量等,这都是为了专门的设计而生产的,因此通常在别处不可使用。另外可以根据单片机是否向外提供并行总线来将所有的单片机分成总线型和非总线型单片机,所谓总线型是指单片机对用户提供数据总线和地址总线,并引出相应的控制管脚,比如常用的51单片机它就属于一种总线型单片机;而非总线单片机和总线型正相反。2.2 STC89C51单片机芯片本课题选用了宏晶公司推出的STC89C51单片机作为主控芯片,这款芯片是一款内置经典
22、MCS-51内核的单片机,内部集成的CPU与市面上流行的AT89C51单片机同出一辙。STC89C51单片机为FLASH型器件,它支持高达一万次的可重复性烧写,具有4k字节的程序容量。在RAM方面,STC89C51能够实现256字节的内存性能,在一些小型系统中,这种配置已经足够使用,而在一些大型系统中,用户需要自己在片外扩展存储器,下图2-1为STC89C51单片机的芯片图。图2.1 STC89C51单片机宏晶公司在STC89C51单片机片内集成了一个高性能的UART串口,其数据收发管脚TXD和RXD被分别映射到P3.0和P3.1两个IO管脚;两个高达16位的计数器,具有定时和计数两种工作模式
23、;两个外部中断管脚EX0和EX1,被分别映射到P3.2和P3.3两个IO管脚。2.3 DS18B20温度传感器概述本系统的测温单元采用的是当前市场上非常畅销一种温度采集传感器,它的体积非常的小因此能够适应很多场合的应用,比如说管装待测物体,这样DS18B20就能够很轻易的被安置到物体内部,DS18B20的多种封装中都是只有三个管脚,一个电源管脚和一个接地管脚,另外剩下一个就是单线串行数据线,无论是单片机发送的时钟信号还有数据信号或是DS18B20发送给单片机的时钟信号还有数据信号,都是通过这条串行总线传送,这样就使得系统的硬件开销非常小,只占用到单片机的一个IO管脚,由于信号的输送距离很短所以
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