毕业设计基于单片机的浴室温度控制系统.docx
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毕业设计基于单片机的浴室温度控制系统
TAIYUANUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY
毕业设计（论文）
题目：
基于单片机的浴室温度控制系统
摘要
关键字
1绪论
1.1课题研究的目的及意义
1.2设计的任务及功能实现
1.3研究的关键
2系统分析
2.1单片机简介
2.1.1单片机的由来
2.1.2引脚分析
2.2AD590温度传感器简介
2.3ADC0809简介
2.4蜂鸣器简介
2.5电炉简介
2.6电动调节阀简介
2.7辅助器件
2.7.1AD581
2.7.2LF355
2.7.3MOC3041
2.7.47407
2.7.574LS164
2.8数码显示管LED
3系统整体设计.
3.1设计要求.
3.2总体设计方案.
3.2.1硬件电路总体设计.
3.2.2软件电路总体设计.
4系统硬件设计.
4.1传感器的选择.
4.2温度调节器的选择.
4.3硬件电路设计
4.3.1AD590外围电路设计
4.3.2电动单座调节阀的外围电路设计
4.3.3键盘及显示的设计.
5系统软件设计.
5.1系统定义.
5.2程序框图及主要程序功能
5.2.1主程序模块.
5.2.2温度测量子程序框图
5.2.3调整设定温度子程序框图
6仿真.
7设计总结
8附录（一、二）
9致谢
10参考文献
摘要
近年来随着计算机在社会领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
本文从硬件和软件两方面来讲述浴室温度自动控制过程,在控制过程中主要应用8051、ADC0809、LED显示器、LM355比较器，而主要是通过AD590温度传感器采集环境温度，以单片机为核心控制部件，并通过三位数码管显示的一种浴室温度调节系统。
软件方面采用汇编语言来进行程序设计，使指令的执行速度快，节省存储空间。
为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了，使硬件在软件的控制下协调运作。
而系统的过程则是：
首先,通过设置按键,设定恒温运行时的温度值，并且用数码管显示这个温度值.然后,在运行过程中将采样的温度模拟量送入A/D转换器中进行模拟-数字转换，再将转换后的数字量用数码管进行显示，最后用单片机来控制加热器,进行加热或停止加热，直到能在规定的温度下恒温加热。
关键词：
单片机系统；传感器；数据采集；模数转换器；温度
Abstract
Inrecentyears,withthepenetrationofcomputersinthesocialfield,theapplicationoftheSCMisconstantlydeepening,whiledrivenbythetraditionalcontroltestsdaycrescent
beneficialupdate.Inreal-timedetectionandautomaticcontrolofmicrocomputerapplicationsystem,themicrocontrollerisoftenacorecomponenttouseonlySCMknowledgeisnotenough,shouldbecombinedaccordingtothespecifichardwarearchitecture,aswellasthespecificapplicationofobjectcharacteristicsofsoftwaretomakeperfect.
Frombothhardwareandsoftwaretotellthestoryofthebathroomautomatictemperaturecontrolprocess,theapplicationof8051,ADC0809,LEDdisplay,LM355comparatorinthecontrolprocess,butmainlycollectedthroughAD590temperaturesensorambienttemperature,themicrocontrollerasthecorecontrolcomponentsandabathroombythreedigitaldisplaytemperaturecontrolsystem.Softwareassemblylanguageprogramming,instructionexecutionspeed,tosavestoragespace.Inordertofacilitatetheexpansionandchange,thesoftwaredesignismodularinstructure,programminglogicismoreconcise,andcoordinatedoperationofthehardwareundersoftwarecontrol.
Systematicprocess:
First,viatheSettingsbutton,setthethermostattorunwhenthetemperaturevalue,andusingdigitaltubedisplaythistemperaturevalue,thenthesampletemperatureduringoperationinanalogintotheA/Dconverterinanalog-digitalconverter,andthenconvertthedigitaltodigitaltubedisplay,thefinalmicrocontrollertocontroltheheater,heatingorstopheatinguntilthethermostatinthespecifiedtemperatureheating.
Keywords:
microcontrollersystems;sensor;dataacquisition;converter;temperature
1绪论
1.1课题研究的目的及意义
及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制,在许多工业场合中都是重要的环节.水温的变化影响各种系统的自动运作。
对于不同控制系统，其适宜的水质温度总是在一个范围。
超过这个范围，系统或许会停止运行或遭受破坏，所以我们必须能实时获取水温变化。
对于，超过适宜范围的温度能够报警。
同时，我们也希望在适宜温度范围内可以由检测人员根据实际情况加以改变。
近年来随着科学技术的发展，我们生活中的大部分东西都在智能化，自动化。
这样不仅方便操作、控制，也大大减少了人力消耗。
温度控制是工业生产过程及日常生产生活中进场遇到的过程控制，许多生产、生活过程都是以温度作为被控参数。
比如当我们在公共浴室、澡堂洗澡的时候，有没有感觉突然水就特别的凉或者热，根本和浴室内的人数和温度无关呢？
有的人就会抱怨澡堂老板，可是有的人就会想出一些办法来改变这一现状。
温度控制系统是典型的控制系统。
本文就是以51单片机为基础设计的浴室温度控制系统，通过各种电路辅助完成硬件电路设计，并且把程序模块化，方便固化到硬件电路中，有较高的可实现性。
二十一世纪是科技高速发展的信息时代，电子技术、微型单片机技术的应用更是空前广泛，伴随着科学技术和生产的不断发展，需要对各种参数进行温度测量。
因此温度一词在生产生活之中出现的频率日益增多，与之相对应的，温度控制和测量也成为了生活生产中频繁使用的词语，同时它们在各行各业中也发挥着重要的作用。
如在日趋发达的工业之中，利用测量与控制温度来保证生产的正常运行。
在农业中，用于保证蔬菜大棚的恒温保产等。
温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。
温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。
由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位。
而且随着科学技术和生产的不断发展，温度传感器的种类还是在不断增加丰富来满足生产生活中的需要。
在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。
因此，单片机温度测量则是对温度进行有效的测量，并且能够在工业生产中得到了广泛的应用，尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测量任务。
在日常生活中，也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。
但温度是一个模拟量，如果采用适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量虽不困难，但电路较复杂，成本较高。
1.2设计的任务及功能实现
1.2.1课题的主要研究的内容
本文所要研究的课题是基于单片机控制的水温控制系统的设计，主要是介绍了对水箱温度的显示、控制及报警，实现了温度的实时显示及控制。
水箱水温控制部分，提出了用AD590、8051单片机及LED的硬件电路完成对水温的实时检测及显示，利用AD590与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热电炉的实时控制及超出设定的上下限温度的报警系统。
由AD590检测浴室内温度，并在LED中显示。
控制器是用8051单片机，用PID算法对检测信号和设定值的大小进行调节后输出控制信号给执行机构，去调节电炉的加热功率，从而控制浴室内温度。
它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，特别适合于构成多点的温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理。
而且利用本次的设计主要实现温度测试，温度显示，温度门限设定，超过设定的门限值时自动启动加热装置等功能。
而且还要以单片机为主机，使温度传感器通过ADC0809与单片机相连接，再加上温度控制部分和人机对话部分来共同实现温度的监测与控制。
1.2.2用单片机实现其具体控制功能如下：
（1）能够连续测量水的温度值，用十进制数码管来显示水的实际温度。
（2）能够设定水的温度值，设定范围是25℃～45℃。
（3）能够实现水温的自动控制，如果设定水温为30℃，则能使水温保持恒定在30℃的温度下运行。
（4）用单片机8051控制，通过按键来控制水温的设定值，数值采用数码管显示。
1.3研究的关键
此项设计的关键在于温度传感器的选择，调节阀的选择以及单片机个控制模块的程序编辑。
2系统分析
课题的研究方案
温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。
温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。
温度是一个非线性的对象，具有大惯性的特点，在低温段惯性较大，在高温段惯性较小。
对于这种温控对象，一般认为其具有以下的传递函数形式：
（1-1）
1．方案一（见图1-1）
图1-1方案一的图
此方案是传统的一位式模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。
其特点是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静态差大、不稳定。
系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用数码管显示，不能用键盘设定。
2．方案二（见图1-2）
图1-2方案二的图
此方案是传统的二位式模拟控制方案，其基本思想与方案一相同，但由于采用上下限比较电路，所以控制精度有所提高。
这种方法还是模拟控制方式，因此也不能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高，而且不能用数码管显示，对键盘进行设定。
3．方案三（见图1-3）
图1-3方案三的图
此方案采用8051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。
单片机系统可以用数码管来显示水温的实际值，能用键盘输入设定值。
本方案选用了MCS8051芯片，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单。
结论：
前两种方案是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂的控制规律，控制方案的修改也较为繁琐。
而方案三是采用以单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，可达到模拟控制所达不到的效果，并且实现显示和键盘设定功能，大大提高了系统的智能化。
也使得系统所测得结果的精度大大提高。
所以，经过对三种方案的比较，本次毕业设计采用了方案三。
2.1单片机简介
2.1.1单片机的由来及简介
单片机专业名称—MicroControllerUnit（微控制器件），它是由大名鼎鼎的INTEL公司发明的，最早的系列是MCS-48，后来有了MCS-51，现在还有MCS-96系列，我们经常说的51系列单片机就是MCS-51，它是一种8位的单片机，而MCS-96系列则是一种16位的单片机，96系列根适合高速运行的场合。
后来INTEL公司把它的核心技术转让给了世界上很多的小公司，所以世界上就有许多公司生产51系列兼容单片机，比如飞利浦的87LPC系列，伟邦的W78L系列，达拉斯的DS87系列，现代的GSM97系列等等，目前在我国比较流行的就是美国ATMEL公司的89C51，它是一种带FlashROM的单片机。
FlashROM是一种快速存储式只读存储器，这种程序存储器的特点就是既可以电擦写，而且掉电后程序还能保存，编程寿命可以达到几千至几万次，所以我们的实验系统是可以反复烧写的。
单片机开发的整个过程，这个过程包括第一步—编辑源代码，第二步—编译源代码，第三步—程序仿真，第四步—芯片烧写（亦称编程）。
1970年微型计算机研制成功之后，随之即出现了单片机（即单片微型计算机）—美国Intel公司1971年生产的4位单片机4004和1972年生产的雏形8位单片机8008，这也算是单片机的第一次公众亮相。
1976年Intel公司首先推出能称为单片机的MCS-48系列单片微型计算机。
它以体积小、功能全、价格低等特点，赢得了广泛的应用，同时一些与单片机有关公司都争相推出各自的单片机。
1978年下半年Motorola公司推出M6800系列单片机，Zilog公司相继推出Z8单片机系列。
1980年Intel公司在MCS-48系列基础上又推出高性能的MCS-51系列单片机。
这类单片机均带有串行I/O口，定时器/计数器为16位，片内存储容量（RAM，ROM）都相应增大，并有优先级中断处理功能，单片机的功能、寻址范围都比早期的扩大了，它们是当时单片机应用的主流产品。
1982年Mostek公司和Intel公司先后又推出了性能更高的16位单片机MK68200和MCS-96系列，NS公司和NEC公司也分别在原有8位单片机的基础上推出了16位单片机HPC16040和μPD783××系列。
1987年Intel公司又宣布了性能比8096高两倍的CMOS型80C196，1988年推出带EPROM的87C196单片机。
由于16位单片机推出的时间较迟、价格昂贵、开发设备有限等多种原因，至今还未得到广泛应用。
而8位单片机已能满足大部分应用的需要，因此，在推出16位单片机的同时，高性能的新型8位单片机也不断问世。
纵观这短短的20年，经历了4次更新换代，单片机正朝着集成化、多功能、多选择、高速度、低功耗、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容的方向发展。
新一代的80C51系列单片机除了上述的结构特性外，其最主要的技特点是向外部接口电路扩展，以实现微控制器（microcontroller）完善的控制功能为己任。
这一系列单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展和配置打下了良好的基础。
由于MSC-51系列单片机所具有的一系列优越的特点，获得广泛使用指日可待。
单片机选用美国Intel公司的MCS51系列单片机中的8051单片机。
单片机的全称是单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）。
为了使用方便，它把组成计算机的主要功能部件：
中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM、EPROM、E2PROM或FLASH）、定时/计数器和各种输入/输出接口电路等都集成在一块半导体芯片上，构成了一个完整的计算机系统。
与通用的计算机不同，单片机的指令功能是按照工业控制的要求设计，因此它又被称为微控制器（Microcontroller）。
单片机有以下几个方面的特点：
1）集成度高
单片机尽可能把实际应用所需要的CPU、RAM、ROM、I/O口及定时器/计数器都集成在一块芯片内，使之成为名副其实的单片机。
内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连接，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。
与常规的计算机系统相比，具有体积小、集成度高的特点。
2）存储容量大
采用了16位地址总线的8位单片机8051可寻址外部64KB数据存储器和64KB程序存储器。
有的单片机为了提高速度和执行效率，采用了RISC流水线和DSP的设计技术，使单片机的性能明显优于同类微处理器，单片机的寻址已突破64KB的限制，8位和16位单片机寻址可达1MB和16MB。
3）外部扩展能力强
在单片机内部的各种功能部分不能满足应用需求时，均可在外部进行扩展（如扩展ROM、RAM、I/O口、定时/计数器，中断系统等），给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。
4）控制功能强
采用面向控制的指令系统，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务。
为满足控制的需要，单片机有很强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。
单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微型计算机。
可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。
5）低电压、低功耗
单片机大量应用于便携式产品和家用电器产品，低电压和低功耗的特性尤为重要。
采用CHMOS制造工艺，集HMOS的高速、高集成度和CMOS的低功耗技术于一体，使单片机的功耗进一步降低，适应电压范围更宽（2.6～6V）。
6）性能价格比高
单片机另一个显著特点是成本低，运用灵活，易于产品化，能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。
因此世界上各大公司在提高单片机性能的同时，进一步降低价格，提高性能价格比是各公司竞争的主要策略。
7）可靠性高
抗干扰能力强，适用温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其他类型计算机无法比拟的。
二、MCS-51单片机的片外总线结构
综合上面的描述可知，I/O口线都不能当作用户I/O口线。
除8051/8751外真正可完全为用户使用的I/O口线只有P1口，以及部分作为第一功能使用时的P3口。
单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入，用户I/O口外，其余管脚是为实现系统扩展而设置的。
这些引脚构成
MCS-51单片机片外三总线结构，即：
①地址总线（AB）：
地址总线宽为16位，因此，其外部存储器直接寻址为64K字节，16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址
（A0至A7）；P2口直接提供8位地址（A8至A15）。
②数据总线（DB）：
数据总线宽度为8位，由P0提供。
③控制总线（CB）：
由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。
MCS51系列单片机是美国Intel公司于1980年推出的一种8位单片机。
该系列的基本型产品是8051、8031和8751。
这3种产品之间的区别只是在片内程序存储器方面。
8051的片内程序存储器（ROM）是掩膜型的，即在制造芯片时已将应用程序固化进去；8031片内没有程序存储器；8751内部包含有用作程序存储器的4KB的EPROM。
MCS－51系列单片机的内部结构框图如图1.1所示。
MCS－51单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、并行I/O口、串行I/O口、定时/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。
图中SP是堆栈指针寄存器，PC是程序计数器，PSW是程序状态字寄存器，DPTR是数据指针寄存器。
图3.18051单片机内部结构框图
MSC-51单片机中央处理器
中央处理器是单片机内部的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。
中央处理器主要由运算部件和控制部件组成。
下面我们把中央处理器功能模块和有关的控制信号线联系起来加以讨论，并涉及相关的硬件设备（如振荡电路和时钟电路）。
1、运算部件：
它包括算术、逻辑部件ALU、布尔处理器、累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态字寄存器PSW以及十进制调整电路等。
运算部件的功能是实现数据的算术逻辑运算、位变址处理和数据传送操作。
MCS-51单片机的ALU功能十分强，它不仅可对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、循环、求补、清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。
为了乘除运算的需要，设置了B寄存器。
在执行乘法运算指令时，用来存放其中一个乘数和乘积的高8位数；在执行除法运算指令时，B中存入除数及余数。
MCS-51单片机的ALU还具有一般微机ALU，如Z80、MCS-48所不具备的功能，即布尔处理功能。
单片机指令系统中的布尔指令集、存储器中的位地址空间与CPU中的位操作构成了片内的布尔功能系统，它可对位（bit）变量进行布尔处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等操作。
在实现位操作时，借用了程序状态标志器（PSW）中的进位标志Cy作为位操作的“累加器”。
运算部件中的累加器ACC是一个8位的累加器（ACC也可简写为A）。
从功能上看，它与一般微机的累加器相比没有什么特别之处，但需要说明的是ACC的进位标志Cy就是布尔处理器进行位操作的一个累加器。
MCS-51单片机的程序状态PSW，是一个8位寄存器，它包含了程序的状态信息。
2、控制部件
控制部件是单片机的神经中枢，它包括时钟电路、复位电路、指令寄存器、译码以及信息传送控制部件。
它以主振频率为基准发出CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来控制单片机各部分的运行。
其中有一些控制信号线能简化应用系统外围控制逻辑，如控制地址锁存的地址锁存信号ALE，控制片外程序存储器运行的片内外存储器选择信号EA，以及片外取指信号PSEN。
下面我们就来重点介绍一下本毕业论文讨论的系统所用的MS-C51系列单片机。
2.1.2引脚分析
上是MCS-51的逻辑符号图。
在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，
32条输入/输出（I/O）引脚。
（1）Vcc（40脚）：
+5V电源；
（2）Vss（20脚）：
接地。
（3）XTAL1（19脚）：
如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。
（4）XTAL2（18脚）：
接外部晶体的另一端。
控制引脚提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。
（1）R
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