水温控制系统毕业设计

学科基础课硬件课程设计
设计说明书
水温控制系统设计
学生姓名
学号
班级
成绩
指导教师
计算机科学与技术系
2010年9月10日
学科基础课硬件课程设计评阅书
题目水温控制系统设计
学生姓名学号
指导教师评语及成绩
成绩：教师签名：年月日答辩教师评语及成绩
成绩：教师签名：年月日教研室意见
总成绩：室主任签名：年月日
课程设计任务书
2010 —2011 学年第一学期
专业：计算机科学与技术学号0718014092 姓名：操瑞峰
课程设计名称：学科基础课硬件课程设计
设计题目：水温控制系统设计
完成期限：自2010 年8 月30 日至2010 年10 月10 日共 2 周
设计依据、要求及主要内容（可另加附页）：
一、目的任务：
掌握使用单片机设计水温控制系统的原理。

设置相应的按键，按相应的按键时应能对预定温度进行设置，并将其显示出来，要求误差不大于1度，并且要求弱电与强电分离，以保安全。

二、设计内容：
1. 复习相关课程内容：单片机原理及应用、计算机控制等课程相关内容；汇编语言程序设计的相关内容；熟悉模拟电路、数字电路的相关知识；
2. 熟悉实验相关器材的主要功能。

3. 在上述基础上，根据课程设计的基本要求，完成以下各项任务(反映在设计说明书中)：
（1）题目要求涉及的硬件电路图及摘要说明。

（2）题目的工作原理及相应描述。

（3）程序流程框图。

（4）程序文本输入及实验完成。

三、时间安排：
1周一～1周三完成相关知识点的复习与软硬件设计；
1周四～2周三完成实验调试和编写设计说明书；
2周四～2周五进行课程设计验收、答辩。

四、设计要求：
1.软件程序文档；
2.硬件电路图（用专用软件）；
3.完成实验；
4.完成设计说明书。

指导教师（签字）：教研室主任（签字）：
批准日期：年月日
摘要
温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源的巨大浪费。

特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对水温的控制，把身边的水资源好好地利用起来。

水温控制在工业及日常生活中应用广泛,分类较多,不同水温控制系统的控制方法也不尽相同,其中以PID控制法最为常见。

单片机控制部分采用AT89C51单片机为核心，采用软件编程，实现用PID算法来控制PWM波的产生，进而控制电炉的加热来实现温度控制。

然而,单纯的PID算法无法适应不同的温度环境,在某个特定场合运行性能非常良好的温度控制器,到了新环境往往无法很好胜任,甚至使系统变得不稳定,需要重新改变 PID 调节参数值以取得佳性能。

关键词：单片机、水温控制、AT89C51 、BS18B20
目录
1 课题描述 (1)
2 问题分析和任务定义 (2)
2.1 问题分析 (2)
2.2 水温控制系统总体框图 (2)
3 硬件电路设计 (3)
4 程序设计 (4)
4.1 程序流程图 (4)
4.2 程序代码 (6)
5 电路仿真 (14)
5.1 仿真软件 (14)
5.2仿真过程 (14)
6 调试、测试与结果分析 (16)
6.1 仿真 (16)
6.2 测试 (16)
6.3 结果分析 (16)
7 总结 (17)
8 心得体会 (18)
参考文献 (19)
1 课题描述
水温控制在工业及日常生活中应用广泛,分类较多,不同水温控制系统的控制方法也不尽相同,其中以PID控制法最为常见。

单片机控制部分采用AT89C51单片机为核心，采用软件编程，实现用PID算法来控制PWM波的产生，进而控制电炉的加热来实现温度控制。

然而,单纯的PID算法无法适应不同的温度环境,在某个特定场合运行性能非常良好的温度控制器,到了新环境往往无法很好胜任,甚至使系统变得不稳定,需要重新改变 PID 调节参数值以取得佳性能。

本文首先用PID算法来控制PWM波的产生，进而控制电炉的加热来实现温度控制。

然后在模型参考自适应算法 MRAC基础上,用单片机实现了自适应控制,弥补了传统 PID控制结构在特定场合下性能下降的不足,设计了一套实用的温度测控系统,使它在不同时间常数下均可以达到技术指标。

此外还有效减少了输出继电器的开关次数,适用于环境参数经常变化的小型水温控制系统。

开发环境：微机windowsXP操作系统、DICE反汇编环境、Protues仿真系统、Keil环境
2 问题分析和任务定义
2.1 问题分析
实际上题目的任务就是要设计一个温控系统，系统的功能是温度测量和控温
在测量部分，要求测量40～90ºC 的温度范围，还规定了测量的精度需高于1ºC ，测温的结果要求显示。

在控制部分，要求系统能够将水温调节到给定的温度，并进行保温。

题目并未规定温度调节的时间长短，但显然调节时间越短越好。

题目没有具体给出具体加热的器具和方式，因此选手必须自行选择和制作加热装置，然后才能真正进行电路制作。

在发挥部分，还要求提高温度系统的控制性能，缩短调节时间，提高控制精度，增加打印功能。

2.2 水温控制系统总体框图
图2.1 总体设计
DS18B20温度传感器 电炉（尚未实现）
信号放大 继电器
A/D
键盘输入
单
片机水温控制系统
LED 显示
3 硬件电路设计
水温控制硬件电路图，如图3.1所示：
p04xtl1p34p21p20p17
GND
p06int1p33
p23p14p15p01xtl2p00rxdttl p30
p05p02p11p13p25
xtl1p03p12res et
p16p24p36nWR
xtl2
p26p10p07txdttl p31GND
p22p35
int0p32A LE
res et
p37
nRD
nP SE N p27GND
V CC
V CC
p27
p26
p25
p24
VC C
a p00
b p 01
c p02
d p03
e p04
f p05
g p06do t
p07
VC C
GN D VC C
VO p20p21p22
p00p01p02p03p04p05p06
p07C6
27P
C727P
RST 9XTAL218XTAL119PSEN 29ALE/PROG
30
EA/VPP
31
P1.0/T21P1.1/T2-EX
2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P2.7/A1528P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INTO 12P3.3/INT113P3.4/TO 14P3.5/T115P3.6/WR 16P3.7/RD 17P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732U1
AT89C52
Y1
11.09MHZ
1
4
2
3
SW5
R110K
+
C510U
R210K
1
4
23SW4
R310K
142
3SW2
R410K
1
42
3SW3
DI SP1602
he llo w an swe r i s 123456V S S 1V D D
2V 03R S 4R W
5E 6d 07d 18d 29d 310
d 411d 512d 613d 7
14A 15K
16
D12
1602
R138.2K
C
1
2
3456789
R5
4K7*8
142
3SW1
GND
GND
VCC
图3.1 水温控制硬件电路图
4 程序设计
4.1 程序流程图
(1)主程序流程图
图4.1 水温控制主程序流程图
开始
初始化A T889C51单片机端口地址
读入预设温度值
启动A/D 转换
A/D 转换结果送入NX 单元
NX-FF>0
F0-NX>0 降温
加热
工程量变换
温度非线性温度转换
发送数据到串口
命令识别程序
从串口接受数据
Y
Y
Y
N
N N
(2)软件结构程序流程图
图4.2 软件结构程序流程图
检测与变送
A/D 转换
工程量变换 温度非线性转发送数据到串口
比较判断算法 温度预设值
温度
调节 电路 执行器
从串口接受数据
命令识别控制程序
4.2 程序代码
;用于获取设置的温度值
TEMP_GETSH EQU 10H
TEMP_GETSL EQU 11H
;用于在数码管上显示
TEMP_SETHH EQU 12H
TEMP_SETLL EQU 13H
;用于存放实时温度值
A_BIT EQU 14H ;个位
B_BIT EQU 15H ;十位
;按键输入引脚定义
K1 EQU P2.0
K2 EQU P2.1
;控制状态引脚定义
DS1820 EQU P3.7
FLAG EQU 20H.1 ;DS18B20是否存在标记
DQ EQU P3.7
;===========主程序===========
ORG 0000H
JMP START
ORG 03H
JMP EXT0
ORG 0013H
JMP EXT1
START:
MOV A,#02H ;设置温度值为：25
MOV DPTR,#TABLE3
MOVC A,@A+DPTR
MOV TEMP_SETHH,A
MOV A,#05H
MOV DPTR,#TABLE3
MOVC A,@A+DPTR
MOV TEMP_SETLL,A
MOV IE,#10000101B
MOV IP,#00000001B
MOV TCON,#00000101B
MOV SP,#70H ;设置堆栈指针
MOV R7,#00H ;R7为按键K1次数记录
MOV R6,#00H ;R6为按键K2次数记录
;============数码管显示子程序============
DISPLAY:
MOV P0,#0FFH
MOV A,TEMP_SETHH
MOV P0,A
MOV A,#00000001B
MOV P1,A
ACALL DELAY
ACALL TEMP_GETSHH1 ;调用该子程序，以便保存设置温度值的十位数的值
MOV P0,#0FFH
MOV A,TEMP_SETLL
MOV P0,A
MOV A,#00000010B
MOV P1,A
ACALL DELAY
ACALL TEMP_GETSLL1 ;调用该子程序，以便保存设置温度值的个位数的值
MOV P0,#0FFH
MOV A,#0BFH
MOV P0,A
MOV A,#00000100B
MOV P1,A
ACALL DELAY
MOV P0,#0FFH
MOV A,#0BFH
MOV P0,A
MOV A,#00001000B
MOV P1,A
ACALL DELAY
ACALL TEMP_DISPLAY ;调用实时温度显示子程序
JMP DISPLAY
;============按键扫描子程序============
EXT0:
PUSH ACC
PUSH PSW
INC R6
MOV A,R6
CJNE A,#10,DD1
MOV R6,#00H
MOV A,R6
DD1:
MOV DPTR,#TABLE1
MOVC A,@A+DPTR
MOV TEMP_SETHH,A
;ACALL DELAY
POP PSW
POP ACC
RETI
EXT1:
PUSH ACC
PUSH PSW
INC R7
MOV A,R7
CJNE A,#10,DD2
MOV R7,#00H
MOV A,R7
DD2:
MOV DPTR,#TABLE2
MOVC A,@A+DPTR
MOV TEMP_SETLL,A
;ACALL DELAY
POP PSW
POP ACC
RETI
;=========================
;=========获取设置温度值的子程序=========
TEMP_GETSHH1:
;PUSH ACC
MOV A,TEMP_SETHH ;获取设置温度值的十位数
;MOV P0,#0FFH
MOV TEMP_GETSH,A
MOV R0,#0FFH
TEMP1:
INC R0
MOV A,R0
MOV DPTR,#TABLE3
MOVC A,@A+DPTR
MOV R1,TEMP_GETSH
CLR C
SUBB A,R1
JNZ TEMP1
MOV TEMP_GETSH,R0
;POP ACC
RET
TEMP_GETSLL1:
;PUSH ACC
MOV A,TEMP_SETLL ;获取设置温度值的个位数
MOV TEMP_GETSL,A
MOV R0,#0FFH
TEMP2:
INC R0
MOV A,R0
MOV DPTR,#TABLE3
MOVC A,@A+DPTR
MOV R1,TEMP_GETSL
CLR C
SUBB A,R1
JNZ TEMP2
MOV TEMP_GETSL,R0
;POP ACC
RET
;========================================
;==========初始化及读取温度值子程序======
RE_TEMP:
SETB DQ
ACALL RESET_1820
JB FLAG,ST
RET
ST:
MOV A,#0CCH
ACALL WRITE_1820
MOV A,#44H
ACALL WRITE_1820
ACALL RESET_1820
MOV A,#0CCH
ACALL WRITE_1820
MOV A,#0BEH
ACALL WRITE_1820
ACALL READ_1820
RET
;======================================== ;==========DS18B20复位初始化子程序======= RESET_1820:
SETB DQ
NOP
CLR DQ
;主机发出延时537us的复位低脉冲
MOV R1,#3
DL Y:
MOV R0,#107
DJNZ R0,$
DJNZ R1,DL Y
;然后拉高数据线
SETB DQ
NOP
NOP
NOP
;等待DS18B20回应
MOV R0,#25H
T2: JNB DQ,T3
DJNZ R0,T2
JMP T4
;置标志位FLAG=1,表示DS18B20存在
T3: SETB FLAG
JMP T5
;清标志位FLAG=0,表示DS18B20不存在
T4: CLR FLAG
JMP T7
;时序要求延时一段时间
T5: MOV R0,#117
T6: DJNZ R0,T6
T7: SETB DQ
RET
;======================================== ;===========写入DS1820子程序============= ;写入DS1820
WRITE_1820:
MOV R2,#8 ;一共8位数据
CLR C ;C=0
WR1:
CLR DQ ;总线低位，开始写入
MOV R3,#7
DJNZ R3,$ ;保持16us以上
RRC A ;把字节DA TA分成8位，环移给C
MOV DQ,C ;写入一个位
MOV R3,#23
DJNZ R3,$ ;等待
SETB DQ ;重新释放总线
NOP
DJNZ R2,WR1 ;写入下一个位
SETB DQ ;释放总线
RET
;========================================
;===========读出DS1820子程序=============
;将温度值从DS18B20中读出
READ_1820:
MOV R4,#2 ;读取两个字节的数据
MOV R1,#29H ;低位存入TEMP_GETCL,高位存入TEMP_GETCH RE0:
MOV R2,#8 ;数据一共8位
RE1:
CLR C
SETB DQ
NOP
NOP
CLR DQ ;读前总线保持为低
NOP
NOP
NOP
SETB DQ ;开始读总线释放
MOV R3,#9 ;延时18us
DJNZ R3,$
MOV C,DQ ;从总线读到一个位
MOV R3,#23
DJNZ R3,$ ;等待50us
RRC A ;把读到的位值环移给A
DJNZ R2,RE1 ;读下一个位
MOV @R1,A
DEC R1
DJNZ R4,RE0
RET
;========================================
;=============温度显示子程序=============
TEMP_DISPLAY:
ACALL RE_TEMP ;调用读取温度子程序
ACALL TURN
ACALL DATAES1
MOV A,29H
MOV B,#10
DIV AB
MOV B_BIT,A
MOV A_BIT,B
MOV P0,#0FFH
MOV DPTR,#TABLE3
MOV A,B_BIT
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
MOV P1,#00010000B
ACALL DELAY
MOV A,A_BIT
MOV P0,#0FFH
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
MOV P1,#00100000B
ACALL DELAY
RET
;======================================== ;=============数据转化子程序============= TURN:
MOV A,29H
MOV C,40H ;28的位地址
RRC A
MOV C,41H
RRC A
MOV C,42H
RRC A
MOV C,43H
RRC A
MOV 29H,A
RET
;======================================== ;=============处理温度数据子程序========= DA TAES1:
MOV A,TEMP_GETSH
MOV B,#00001010B
MUL AB
MOV R0,A
MOV A,TEMP_GETSL
ADD A,R0
MOV R0,A
MOV A,B_BIT
MOV B,#00001010B
MUL AB
MOV R1,A
MOV A,A_BIT
ADD A,R1
MOV R1,A
MOV A,R0
CLR C
SUBB A,R1
JZ DDAS3
RLC A
JC DDAS4
MOV P2,#11011111B
JMP DDAS5
DDAS3:
MOV P2,#10111111B
JMP DDAS5
DDAS4:
MOV P2,#01111111B
DDAS5:
ACALL DELAY
RET
;======================================== ;===============延时子程序=============== DELAY: ;延时3ms
MOV R0,#25
DD3:
MOV R1,#100
DJNZ R1,$
DJNZ R0,DD3
RET
TABLE1: ;设置温度值十位数代码表DB 0B0H ;3
DB 99H ;4
DB 92H ;5
DB 82H ;6
DB 0F8H ;7
DB 80H ;8
DB 90H ;9
DB 0C0H ;0
DB 0F9H ;1
DB 0A4H ;2
TABLE2: ;设置温度值个位数代码表
DB 92H ;5
DB 82H ;6
DB 0F8H ;7
DB 80H ;8
DB 90H ;9
DB 0C0H ;0
DB 0F9H ;1
DB 0A4H ;2
DB 0B0H ;3
DB 99H ;4
TABLE3: ;数码管显示代码表
DB 0C0H ;0
DB 0F9H ;1
DB 0A4H ;2
DB 0B0H ;3
DB 99H ;4
DB 92H ;5
DB 82H ;6
DB 0F8H ;7
DB 80H ;8
DB 90H ;9
END
5 电路仿真
5.1 仿真软件
电路仿真中采用Proteus仿真软件。

该软件简单易用，容易上手，元器件较为齐全，仿真稳定，功能强大，故采用了此仿真软件。

5.2仿真过程
建立仿真电路图，如下图所示：
图5.1 水温控制设计仿真电路图
6 调试、测试与结果分析
6.1 仿真
根据水温控制设计原理，可以按照以下步骤来完成仿真：
(1)根据要求在Proteus中选取元器件，设计电路图。

(2)编写代码，实现软件设计。

(3)使用Kiel编译程序，产生相应的Hex文件。

(4)将Hex文件装入Proteus仿真软件中，实现仿真。

6.2 测试
(1)根据要求选取元器件。

(2)根据所设计电路图连接电路：
(3)编写代码，实现软件设计。

(4)使用Kiel编译程序，产生相应的Hex文件。

(5)将Hex文件装入DICE中，下载到AT89C51中，运行系统。

6.3 结果分析
通过按照设计的电路图连接电路，装载、编译并运行程序，可以实现通过温度的变化，系统给出相应的警示。

7 总结
微型计算机的出现和大量使用将人类社会带入一个新的时代，单片微型计算机(简称单片机)在其中扮演着十分重要的角色。

虽然它没有常见的PC那样大的体积和重量，不会在办公桌或控制台上占据一个显要的位置，但它就像小小的螺丝钉一样，镶嵌在人们工作、生活中需要计算、控制、测量等智能活动的各个角落。

单片机以其体积小、可靠性高、控制功能强、使用方便、性能价格比高、容易产品化等特点，在智能仪表、机电一体化、实时控制、分布式多机系统、家用电器等各个领域得到了广泛应用，对各个行业的技术改造和产品的更新换代起着重要的推动作用，对人们生活质量的提高产生了深刻的影响。

本次《基于单片机的水温控制系统设计》是以AT89C51为核心，采用软件编程，实现用PID算法来控制PWM波的产生，进而控制电炉的加热来实现温度控制。

在系统的软硬件调试过程中，不断地有问题出现，如OP-07、ADC0804会发烫，串行通信…，但是在老师和同学的指导和帮助下，通过电路检查、原理分析、程序修改等工作，这些问题都一一得到了解决，所以在这次调试过程中，我们学到了很多知识，同时也大大地提高了我们的实际动手能力，这对我们以后的系统设计会有很大的帮助。

同时，该系统还存在着一些问题，如温度显示精度不高，没有采用小数部分；PID算法的参数不够精确，这影响水温达到稳定的时间。

8 心得体会
１、硬件装焊方面要有足够的耐心和细心，就算电路设计的再好，在焊接时出一点小差错，也是不允许的，往往电路的错误都是由于一些小问题引起的，如短路等，将造成不可预测的后果
２、软件方面注意的细节也很多，下面简单介绍一下这阵子写程序得到的一些经验：(１)写较大的程序时一定要事先做好资源分配。

（２）堆栈指针SP应设初值。

（３）R1、R0也应规定好用哪一区的，即设PSW.3和PSW.4。

（４）进入中断时一定要记得保护ACC和PSW（视情况而定）。

（５）不止进中断时要保护，有时候在正常程序下也要对某些值进得保护。

可用堆栈式的保护也可先赋值给其他地址，过后再赋回来
（６）妥善使用位地址，位地址可做为一些标志位，可以给编程带来很大的方便。

在本程序中，我就用了三个位地址，使程序大大的简化了
参考文献
[1] 李群芳.单片微型计算机与接口技术.电子工业出版社，2005.1
[2] 何立民.MCS-51单片机应用系统设计. 北京航空航天大学出版社，2000.3
[3] 戴梅鄂.微型计算机技术及应用.清华大学出版社，2008.2
[4]李建忠.单片机原理及应用．西安电子科技出版社，2008.2
[5] 沈美明.汇编语言程序设计.清华大学出版社，2008.10
[6] 路而红.电子设计自动化应用技术. 北京希望电子出版社，2000.1。