基于单片机的冷却水节能控制系统设计

基于单片机的冷却水节能控制系统设计
【摘要】：在本设计中，通过，DS18B20温度传感器对三台冷却水泵电动机的水温的检测，经其内部电路处理后传到单片机AT89C51，单片机对数据进行处理并与设定值进行比较，同时按实际需要驱动电机转动，并根据水温的温度，对三台冷却水泵电动机进行有效控制，液晶屏显示此状态下的冷却水温度值和设定的温度值，并可随之改变。

设计基于PROTEUS仿真软件进行仿真。

【关键词】：单片机，温度传感器；单片机；ＡＤ转换器，电机，液晶，仿真。

【Abstract】: In this design, by water temperature detection DS18B20 temperature sensor the three cooling pump motor, by the treatment of its internal circuitry to the microcontroller AT89C51 microcontroller to process the data and compared with the set value,according to the actual needs of the drive motor rotation, and, according to the temperature of the water temperature, the three cooling pump motor for effective control, LCD screen display this state, the cooling water temperature and set temperature, and can be changed. The design is based on the PROTEUS simulation software simulation.
【Key words】: microcontroller, temperature sensor; SCM; AD converters, motors, LCD, simulation.
目录
1前言......................................................................................................................................... - 3 -1.1选题背景 .. (3)
1.2系统研究的意义 (4)
1.3本课题的研究目的及基本思路 (4)
2系统软硬件开发环境简述......................................................................................................... - 5 -2.1AT89C51的特点.. (5)
2.2液晶介绍 (6)
2.2.1液晶的特性................................................................................................................ - 6 -
2.2.2液晶的应用................................................................................................................ - 6 -2.3电机驱动器L298N简介 . (8)
3系统硬件设计............................................................................................................................. - 9 -3.1系统工作逻辑 (9)
3.2系统硬件结构框图 (9)
3.3单片机最小系统 (10)
3.4温度检测电路 (11)
3.5电机驱动控制电路 (11)
3.6LCD显示电路： (12)
4软件设计：............................................................................................................................... - 12 -4.1主程序流程图： (12)
4.2温度检测程序流程图 (14)
4.3键盘扫描子程序 (14)
4.4显示子程序流程图 (15)
4.5电机控制子程序流程图 (16)
4.6程序调试 (17)
5结论....................................................................................................................................... - 18 -6致谢....................................................................................................................................... - 19 -7参考文献................................................................................................................................... - 20 -附录电路原理图............................................................................................................................. - 21 -
1前言
1.1选题背景
随着电子技术、计算机技术、通信技术的迅速发展，工业测控领域采用先进的技术对现场的工业生产参数进行检测，监测是实现工业自动化的重要标志。

据不完全统计，在工业生产中被监测最多的参数应该是压力、流量、温度三大参数。

无论在石油、化工、煤炭、水利等行业，还是电力、机械、航空、国防等部门，都离不开对这些参数的监测。

当然除此之外，还有诸如液位、扭矩、密度、浓度、速度、位移、距离、电参数等众多物理参数的监测，但用的最多的恐怕还是温度的监测，可以说温度的测量是一个“永恒”的话题。

温度测量的领域十分广泛，其实，不仅在工业领域，而且在民用领域、军用领域，温度的测量随处可见。

在工业领域，电力系统的安全运行关系到整个工业的发展和人民生活的稳定，其中一个重要的方面是电气设备自身的安全运行，由于绝大多数的电气设备采用封闭式结构，散热效果差，热积累大，并长期处于高电压、大电流和满负荷运行，其结果造成热量集结加剧，温升直接危害电器设备的绝缘，这就要求对电气设备的温度状况进行测量控制。

如发电厂的发电机组随着电压增高和容量增大，解决定子铁心和绕组温升的问题就日益突出。

对全封闭的高压开关电器，也存在对其开关触头温度的监测问题，电机的轴温，胶带滚筒的表面温度，工业冷却循环水温，加热设备的炉温，啤酒的麦芽发酵温度，各种化工原料在化学反应时控制的温度等等。

在民用领域，超市的食品架内温度，人们生活空间环境的温度，空调的控制温度，人体繁荣体温检测，冰箱、冰柜的温度测量等等。

当然，不同的场合，对测温范围的要求不一致，即使相同的测温范围，测量不同的对象，其测量精度也不尽相同，这些都是显而易见的。

温度控制，在工业自动化控制中占有非常重要的地位。

单片机系统的开发应用给现代工
业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。

将单片机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。

成本低廉的单片机控制系统，又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统中是非常适合的。

1.2系统研究的意义
近年来，随着计算机技术的发展，各企业对温度检测技术提出了更高的要求，希望制造出适应性更强、精度更高、性能更稳定、并具有智能功能的新一代温度检测仪表。

单片微处理器具有高精确度、高灵敏度、高响应速度，以及耗能少、机构小、可以连续测量、自动控制、安全可靠等优点。

同时，其逻辑控制运算是由软件来进行的,可以容易的实现各种控制规则，甚至是比较复杂的控制算法的实现，而且不受外界的工作环境的影响。

因此，基于单片机的温度控制器可以安全可靠地运行，智能地控制环境温度稳定在某一给定值，或者给定值附近，可以大幅度提高被测温度的技术指标。

本课题基于AT89C51单片机，设计了冷却水温度控制系统，实现了对系统的温度控制。

1.3本课题的研究目的及基本思路
本设计是对发动机冷却液进行的温度控制。

从系统温度的检测、变换到信号的转换和传送这一系列的过程都牵扯到很多的知识，在设计过程中我们也遇到很多困难，比如说温度测量器件的选用，变换成电压信号还是电流信号，相应的怎么传送等，都经过了考虑才选择了这个方案。

单片机的设计中，单片机外部线路的设计，端口的分配和选用，复位和内部时钟的配合和电路的驱动等方面也遇到了不少问题，经过分析和查找资料我都基本上解决了。

这里利用芯片作为恒温箱的温度检测元件。

单片机从DS18B20读入的数据与预置数进行比较，当达到温度下限值即驱动电机转动，在此电机用于模拟汽车上的喷油器电磁阀。

2
系统软硬件开发环境简述 2.1 AT89C51的特点
AT89C51是本课题的核心芯片，对其有一定的深度的了解才能很好的应用。

因此，本节对AT89C51的一些基础知识及特点作出了相应的介绍。

图2-1 是AT89C51的引脚图[2]，共40个引脚。

XTAL XTAL GND P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
RST
(RXD )P3.0
(TXD )P3.1
(INT0)P3.2
(INT1)P3.3
(T0)P3.4
(T1)P3.5
(WR)P3.6
(RD)P3.7
图2－1：89C52引脚图(一)、主要特性：
•工作电压在5伏，抗干扰性能非常好。

•256个字节的片内RAM
•8K 字节的ROM
•片外RAM 的寻址范围为64K 字节
•ROM 的寻址范围为64K 字节
•21个字节专用寄存器
•4个8位并行I/O 接口：P0，P1，P2，P3
•2个全双工串行I/O 接口，可多机通信
•3个16位定时器/计数器
•中断系统有6个中断源，可编程为2个优先级
•111条只指令，含乘法指令和除法指令
•强大的位寻址和位处理功能
•内部采用单总线结构
•用单一+5V电源
2.2液晶介绍
液晶是本课题中受控的对象。

本节中，着重介绍了液晶的相关特性及其一些应用方面的有关知识。

2.2.1液晶的特性
液晶有很多独到优异特性：(1)、低压，微功耗；(2)、平板型结构；(3)、被动型显示；(4)、显示信息量大；(5)、易于彩色化；(6)、长寿命；(7)、无污染，无辐射。

2.2.2液晶的应用
液晶的应用范围很广，并在继续推广之中，其技术发展潜力之大，综合性能之优越有可能在不久的将来取代CRT，这里，就显示技术方面，光学器件方面，计量和传感方面以及聚合物方面的应用对液晶加以阐述。

1 、显示技术方面
(1) 电子手表电子手表是液晶显示器件最早，最大量的一个应用领域。

电子手表带在身上，总保持一定的常温，视角要求不大，显示位数不多，一般只要七段数字，2~3路驱动即可，匹配的集成电路只有即1~2mm2即可完成全部功能。

随着科技的进步和液晶显示器件功能的发展，今天的电子手表功能已达到了令人惊叹的地步。

例如：带计算机的手表、带游戏机的手表、带世界时的手表、太阳能手表、带健康监护仪的手表、报警手表、带电视的手表、带卫星定位仪的手表等都已成为现实。

正是由于液晶显示器件与集成电路的结合，使手表已不再是单纯的计时用品，而成为贴身用品的代名词。

(2)计算器这是液晶显示器件与计算功能结合的产物。

是仅次于电子手表的第二大类的应用产品。

由于它位数较多，一般多用TN型动态驱动的产品。

一些高级多功能计数器已开始使用点阵字符式液晶显示器件了。

液晶显示的计数器的普及使全世界的商业洽谈和贸易加快了几倍的速度。

(3) 通讯、电话电话与液晶显示器件结合，使电话功能大大增加。

目前，电脑电话、办公电话、磁卡电话等可通过液晶显示器件使其智能化，将功能内容显示给人们，使电话具有了可记忆、存储提取电话号码、计时、计次、计款等功能。

中文传呼机已经不仅能显示被传呼号、编号，而且可以用字符点阵液晶显示器件显示中文短语。

(4) 公众大型显示机场、码头、车站上巨大的引导系统、公告系统也已采用了液晶显示器件。

这些大型显示，一般是用拼接式液晶显示器件组成的。

为了全天候显示，一般都要加背光源，做成透视式。

最新的多稳态液晶显示广告屏也已开发成功。

(5) 导航系统大流量的现代化交通公路上，避免堵车，选择最佳路径非常必要，通过卫星或中央控制台向司机发送交通状况图，用液晶显示器件显示的导航仪接收后显示当然要比笨重的CRT显示要好得多。

2 、光学器件方面
(1)液晶电子光阀主要有电焊用遮光面罩、照相机用闪光灯散射板、电子窗帘、汽车电子遮阳窗帘、灯光防刺目镜、照相机快门、立体电视用液晶光阀、液晶打印机。

(2)液晶调光器件主要有电子光圈和电子透镜。

电子光圈：这是一个有同心圆电极的平面液晶盒。

如果在外电路中接入光电器件进行控制，即可自动随外光源的强弱进行调节透光孔径，成为自动电子光阀。

(3)光调制器及相位衍射光栅主要有光调制器、空间调制器、相位衍射光栅。

(4)光路切换和光束偏转器主要有光路切换系统、光束偏转器。

3、计量和传感方面
向列型液晶在传感和检测方面：主要有无损检测集成电路、高灵敏度温度传感器、加速度传感器、物体位置测定、超声波检测、电压测量。

4、聚合物方面
侧链型液晶聚合物的应用：主要有优质音响喇叭材料、全息写入记录材料。

2.3电机驱动器L298N简介
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。

该芯片采用15脚封装。

主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。

内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。

使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。

✧简要说明：
1.尺寸：80mmX45mm
2.主要芯片：L298N、光电耦合器
3.工作电压：控制信号直流5V；电机电压直流3V~46V（建议使用36
伏以下）
4.最大工作电流：2.5A
5.额定功率：25W
6.特点：
✓具有信号指示。

✓转速可调
✓抗干扰能力强
✓具有过电压和过电流保护
✓可单独控制两台直流电机
✓可单独控制一台步进电机
✓PWM脉宽平滑调速
✓可实现正反转
✓采用光电隔离
3系统硬件设计
3.1系统工作逻辑
（1）1号水泵先单台变频运行；
（2）当1号水泵频率上限值（相对于回水温度上限值）动作后转为工
频运行，并起动2号水泵变频运行；
（3）当1号水泵频率下限值（相对于回水温度下限值）动作后，1号
水泵停机，2号水泵继续变频运行。

（4）当1号水泵频率上限信号（相对于回水温度上限值）又动作时，2号水泵转换为工频运行，起动3号水泵作变频运行。

（5）不断如此循环转换。

系统总体设计分为硬件和软件两个部分。

总体结构包括AT89C51的主控芯片，温度采集电路，电机驱动控制电路，液晶显示电路，蜂鸣器报警电路。

3.2系统硬件结构框图
图2-1 温度控制结构框图
如上图所示，系统以AT89C51为控制核心，在基于外围采集，控制电路的配合下，完成对温度的控制。

主要的软件模块为，温度采集模块，液晶显示模块，电机控制模块，蜂鸣器报警控制模块。

本方案采用单片机为控制核心。

采用了DS18B20芯片对温度进行采集（芯片内部会进行AD转换）通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定, DS18B20为数字式温度传感器，无需其他外加电路，直接输出数字量，转换速度快，精度高，可靠性高。

温度传感器可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单。

使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。

并具有控制简单、控制温度精度高的特点。

3.3单片机最小系统
图3- 1 单片机最小系统
单片机最小系统包括时钟电路、复位电路、及电源电路等几个部分，单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该增益反相放大器的输入端为X1，输出引脚为X2。

两个引脚跨接晶振和微调电阻，就构成一个稳定的自激振
荡器。

复位电路采用按键电平复位电路。

通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现。

如图3-1所示：
3.4温度检测电路
图3- 2 DS18B20与单片机的连接图
3.5电机驱动控制电路
本设计中电机驱动采用的是集成直流电机驱动芯片L298，它具有驱动功率大，效率高、可控性好等优点，通过单片机P1.6 、P1.7两个IO口可控制电机正反转。

此处电机用于模拟汽车喷油器电磁阀。

L298N与单片机的连接如图3-3：
图3- 3 L298与单片机连接图
3.6LCD显示电路
单片机对数据进行处理后通过LCD进行显示,选用10K排阻上拉,LCD各管脚如图3-12所示，接单片机的P0口和P2口。

图 3- 12 LCD显示电路
4软件设计
4.1本次设计我采用的是C语言进行程序代码的编写，编写程序与调
试的软件是keil uVision4。

各部分的软件流程图如下：主程序流程
图
主程序主要完成温度的读取与显示，并判定检测的温度值是否比设定值小，若小于设定值则驱动电机转动，否则电机停转。

系统主程序流程图如图所示:
图4-1 主程序流程图
4.2温度检测程序流程图
DS18B20工作流程图
温度检测程序是严格按照DS18B20单总线温度传感器的时序来写的，因为单总线模式下，数据的读和写都只能通过一条线，因此只能通过严格的时序控制数据的传输。

4.3键盘扫描子程序
根据键盘的当前状态，通过单片机对其进行扫描、处理。

键盘扫描程序的流程图如图1-6所示。

4.4显示子程序流程图
根据特定内容所要的显示地址，单片机对其进行划分地址模块，依次进行扫描，从而使其显示在液晶显示屏上。

显示特定数字的流程图如图所示。

4.5电机控制子程序流程图
当温度小于设定值时，电机即正转，否则电机停转。

图4- 4 电机控制子程序
4.6程序调试
程序经过调试显示“0错误，0警告”。

表示程序调试通过。

图5-2 程序调试通过示意图
（3）Proteus调试仿真
（3）仿真调试
进入调试环境，然后执行下述操作：1、在proteus ISIS界面中，单击
按钮启动仿真。

通过菜单【Debug】→【Debug→Watch Window】在弹出的观察窗口右击，选择“以观察项的名称添加观察项”，在弹出的对话框中添加累加器ACC 和数据指针DPTR.
图 4-7 程序运行结果
5结论
在这次的课程设计中我学到了许多东西，整个做设计的过程是训练我独立进行科学研究的过程。

整个设计的过程，同时也是专业知识的学习过程，而且是更生动、更切实、更深入的专业知识的学习。

首先，一个设计是结合科研课题，把学过的专业知识运用于实际，在理论和实际结合过程中进一步消化、加深和巩固所学的专业知识，并把所学的专业知识转化为分析和解决问题的能力。

其次，在搜集材料、调查研究、接触实际的过程中，既可以验证学过的书本知识，又可以学到许多课堂和书本里学不到的活生生的新知识。

6致谢
在xx老师的指导下，我完成了本次设计。

他们的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。

不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多为人处世的道理。

本设计从选题到完成，每一步都是在他们的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。

在此课程设计期间。

xx那严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，使我感触颇深。

彭老师的这种精神使我们都不由自主的更加严格的要求自己，提高自己的标准，同学们一个个都努力的使自己做的更好。

另外，本设计的完成也离不开其他老师和各位同学给我的建议和帮助，是他们让我明白了团队合作的精神。

此时，再多华丽的言语也显得苍白。

在此，谨向xx致以诚挚的谢意和崇高的敬意！
7参考文献
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附录电路原理图。