基于單片機的冷卻水節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計

基于單片機的冷卻水節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計【摘要】：在本設(shè)計中，通過，DS18B20溫度傳感器對三臺冷卻水泵電動機的水溫的檢測，經(jīng)其內(nèi)部電路處理后傳到單片機AT89C51，單片機對數(shù)據(jù)進行處理并與設(shè)定值進行比較，同時按實際需要驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，并根據(jù)水溫的溫度，對三臺冷卻水泵電動機進行有效控制，液晶屏顯示此狀態(tài)下的冷卻水溫度值和設(shè)定的溫度值，并可隨之改變。設(shè)計基于PROTEUS仿真軟件進行仿真?！娟P(guān)鍵詞】：單片機，溫度傳感器；單片機；ＡＤ轉(zhuǎn)換器，電機，液晶，仿真。【Abstract】:Inthisdesign,bywatertemperaturedetectionDS18B20temperaturesensorthethreecoolingpumpmotor,bythetreatmentofitsinternalcircuitrytothemicrocontrollerAT89C51microcontrollertoprocessthedataandcomparedwiththesetvalue,accordingtotheactualneedsofthedrivemotorrotation,and,accordingtothetemperatureofthewatertemperature,thethreecoolingpumpmotorforeffectivecontrol,LCDscreendisplaythisstate,thecoolingwatertemperatureandsettemperature,andcanbechanged.ThedesignisbasedonthePROTEUSsimulationsoftwaresimulation.【Keywords】:microcontroller,temperaturesensor;SCM;ADconverters,motors,LCD,simulation.目錄1 前言 -3-1.1 選題背景 -3-1.2 系統(tǒng)研究的意義 -4-1.3 本課題的研究目的及基本思路 -4-2 系統(tǒng)軟硬件開發(fā)環(huán)境簡述 -5-2.1 AT89C51的特點 -5-2.2 液晶介紹 -6-2.2.1 液晶的特性 -6-2.2.2 液晶的應(yīng)用 -6-2.3 電機驅(qū)動器L298N簡介 -8-3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 -9-3.1 系統(tǒng)工作邏輯 -9-3.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 -9-3.3 單片機最小系統(tǒng) -10-3.4 溫度檢測電路 -11-3.5 電機驅(qū)動控制電路 -11-3.6 LCD顯示電路： -12-4 軟件設(shè)計： -12-4.1 主程序流程圖： -12-4.2 溫度檢測程序流程圖 -14-4.3 鍵盤掃描子程序 -14-4.4 顯示子程序流程圖 -15-4.5 電機控制子程序流程圖 -16-4.6 程序調(diào)試 -17-5 結(jié)論 -18-6 致謝 -19-7 參考文獻 -21-附錄電路原理圖 -22-前言選題背景隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)測控領(lǐng)域采用先進的技術(shù)對現(xiàn)場的工業(yè)生產(chǎn)參數(shù)進行檢測，監(jiān)測是實現(xiàn)工業(yè)自動化的重要標志。據(jù)不完全統(tǒng)計，在工業(yè)生產(chǎn)中被監(jiān)測最多的參數(shù)應(yīng)該是壓力、流量、溫度三大參數(shù)。無論在石油、化工、煤炭、水利等行業(yè)，還是電力、機械、航空、國防等部門，都離不開對這些參數(shù)的監(jiān)測。當然除此之外，還有諸如液位、扭矩、密度、濃度、速度、位移、距離、電參數(shù)等眾多物理參數(shù)的監(jiān)測，但用的最多的恐怕還是溫度的監(jiān)測，可以說溫度的測量是一個“永恒”的話題。溫度測量的領(lǐng)域十分廣泛，其實，不僅在工業(yè)領(lǐng)域，而且在民用領(lǐng)域、軍用領(lǐng)域，溫度的測量隨處可見。在工業(yè)領(lǐng)域，電力系統(tǒng)的安全運行關(guān)系到整個工業(yè)的發(fā)展和人民生活的穩(wěn)定，其中一個重要的方面是電氣設(shè)備自身的安全運行，由于絕大多數(shù)的電氣設(shè)備采用封閉式結(jié)構(gòu)，散熱效果差，熱積累大，并長期處于高電壓、大電流和滿負荷運行，其結(jié)果造成熱量集結(jié)加劇，溫升直接危害電器設(shè)備的絕緣，這就要求對電氣設(shè)備的溫度狀況進行測量控制。如發(fā)電廠的發(fā)電機組隨著電壓增高和容量增大，解決定子鐵心和繞組溫升的問題就日益突出。對全封閉的高壓開關(guān)電器，也存在對其開關(guān)觸頭溫度的監(jiān)測問題，電機的軸溫，膠帶滾筒的表面溫度，工業(yè)冷卻循環(huán)水溫，加熱設(shè)備的爐溫，啤酒的麥芽發(fā)酵溫度，各種化工原料在化學(xué)反應(yīng)時控制的溫度等等。在民用領(lǐng)域，超市的食品架內(nèi)溫度，人們生活空間環(huán)境的溫度，空調(diào)的控制溫度，人體繁榮體溫檢測，冰箱、冰柜的溫度測量等等。當然，不同的場合，對測溫范圍的要求不一致，即使相同的測溫范圍，測量不同的對象，其測量精度也不盡相同，這些都是顯而易見的。溫度控制，在工業(yè)自動化控制中占有非常重要的地位。單片機系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)測控領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命，自動化、智能化均離不開單片機的應(yīng)用。將單片機控制方法運用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴重滯后現(xiàn)象，同時在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。成本低廉的單片機控制系統(tǒng)，又不是很復(fù)雜，不需要大量復(fù)雜運算的系統(tǒng)中是非常適合的。系統(tǒng)研究的意義近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，各企業(yè)對溫度檢測技術(shù)提出了更高的要求，希望制造出適應(yīng)性更強、精度更高、性能更穩(wěn)定、并具有智能功能的新一代溫度檢測儀表。單片微處理器具有高精確度、高靈敏度、高響應(yīng)速度，以及耗能少、機構(gòu)小、可以連續(xù)測量、自動控制、安全可靠等優(yōu)點。同時，其邏輯控制運算是由軟件來進行的,可以容易的實現(xiàn)各種控制規(guī)則，甚至是比較復(fù)雜的控制算法的實現(xiàn)，而且不受外界的工作環(huán)境的影響。因此，基于單片機的溫度控制器可以安全可靠地運行，智能地控制環(huán)境溫度穩(wěn)定在某一給定值，或者給定值附近，可以大幅度提高被測溫度的技術(shù)指標。本課題基于AT89C51單片機，設(shè)計了冷卻水溫度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對系統(tǒng)的溫度控制。本課題的研究目的及基本思路本設(shè)計是對發(fā)動機冷卻液進行的溫度控制。從系統(tǒng)溫度的檢測、變換到信號的轉(zhuǎn)換和傳送這一系列的過程都牽扯到很多的知識，在設(shè)計過程中我們也遇到很多困難，比如說溫度測量器件的選用，變換成電壓信號還是電流信號，相應(yīng)的怎么傳送等，都經(jīng)過了考慮才選擇了這個方案。單片機的設(shè)計中，單片機外部線路的設(shè)計，端口的分配和選用，復(fù)位和內(nèi)部時鐘的配合和電路的驅(qū)動等方面也遇到了不少問題，經(jīng)過分析和查找資料我都基本上解決了。這里利用芯片作為恒溫箱的溫度檢測元件。單片機從DS18B20讀入的數(shù)據(jù)與預(yù)置數(shù)進行比較，當達到溫度下限值即驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，在此電機用于模擬汽車上的噴油器電磁閥。系統(tǒng)軟硬件開發(fā)環(huán)境簡述AT89C51的特點AT89C51是本課題的核心芯片，對其有一定的深度的了解才能很好的應(yīng)用。因此，本節(jié)對AT89C51的一些基礎(chǔ)知識及特點作出了相應(yīng)的介紹。圖2-1是AT89C51的引腳圖[2]，共40個引腳。(一)、主要特性：

?工作電壓在5伏，抗干擾性能非常好。

?256個字節(jié)的片內(nèi)RAM

?8K字節(jié)的ROM

?片外RAM的尋址范圍為64K字節(jié)

?ROM的尋址范圍為64K字節(jié)

?21個字節(jié)專用寄存器

?4個8位并行I/O接口：P0，P1，P2，P3

?2個全雙工串行I/O接口，可多機通信

?3個16位定時器/計數(shù)器

?中斷系統(tǒng)有6個中斷源，可編程為2個優(yōu)先級

?111條只指令，含乘法指令和除法指令

?強大的位尋址和位處理功能

?內(nèi)部采用單總線結(jié)構(gòu)?用單一+5V電源液晶介紹液晶是本課題中受控的對象。本節(jié)中，著重介紹了液晶的相關(guān)特性及其一些應(yīng)用方面的有關(guān)知識。液晶的特性液晶有很多獨到優(yōu)異特性：(1)、低壓，微功耗；(2)、平板型結(jié)構(gòu)；(3)、被動型顯示；(4)、顯示信息量大；(5)、易于彩色化；(6)、長壽命；(7)、無污染，無輻射。液晶的應(yīng)用液晶的應(yīng)用范圍很廣，并在繼續(xù)推廣之中，其技術(shù)發(fā)展?jié)摿χ?，綜合性能之優(yōu)越有可能在不久的將來取代CRT，這里，就顯示技術(shù)方面，光學(xué)器件方面，計量和傳感方面以及聚合物方面的應(yīng)用對液晶加以闡述。1、顯示技術(shù)方面(1)電子手表電子手表是液晶顯示器件最早，最大量的一個應(yīng)用領(lǐng)域。電子手表帶在身上，總保持一定的常溫，視角要求不大，顯示位數(shù)不多，一般只要七段數(shù)字，2~3路驅(qū)動即可，匹配的集成電路只有即1~2mm2即可完成全部功能。隨著科技的進步和液晶顯示器件功能的發(fā)展，今天的電子手表功能已達到了令人驚嘆的地步。例如：帶計算機的手表、帶游戲機的手表、帶世界時的手表、太陽能手表、帶健康監(jiān)護儀的手表、報警手表、帶電視的手表、帶衛(wèi)星定位儀的手表等都已成為現(xiàn)實。正是由于液晶顯示器件與集成電路的結(jié)合，使手表已不再是單純的計時用品，而成為貼身用品的代名詞。(2)計算器這是液晶顯示器件與計算功能結(jié)合的產(chǎn)物。是僅次于電子手表的第二大類的應(yīng)用產(chǎn)品。由于它位數(shù)較多，一般多用TN型動態(tài)驅(qū)動的產(chǎn)品。一些高級多功能計數(shù)器已開始使用點陣字符式液晶顯示器件了。液晶顯示的計數(shù)器的普及使全世界的商業(yè)洽談和貿(mào)易加快了幾倍的速度。(3)通訊、電話電話與液晶顯示器件結(jié)合，使電話功能大大增加。目前，電腦電話、辦公電話、磁卡電話等可通過液晶顯示器件使其智能化，將功能內(nèi)容顯示給人們，使電話具有了可記憶、存儲提取電話號碼、計時、計次、計款等功能。中文傳呼機已經(jīng)不僅能顯示被傳呼號、編號，而且可以用字符點陣液晶顯示器件顯示中文短語。(4)公眾大型顯示機場、碼頭、車站上巨大的引導(dǎo)系統(tǒng)、公告系統(tǒng)也已采用了液晶顯示器件。這些大型顯示，一般是用拼接式液晶顯示器件組成的。為了全天候顯示，一般都要加背光源，做成透視式。最新的多穩(wěn)態(tài)液晶顯示廣告屏也已開發(fā)成功。(5)導(dǎo)航系統(tǒng)大流量的現(xiàn)代化交通公路上，避免堵車，選擇最佳路徑非常必要，通過衛(wèi)星或中央控制臺向司機發(fā)送交通狀況圖，用液晶顯示器件顯示的導(dǎo)航儀接收后顯示當然要比笨重的CRT顯示要好得多。2、光學(xué)器件方面(1)液晶電子光閥主要有電焊用遮光面罩、照相機用閃光燈散射板、電子窗簾、汽車電子遮陽窗簾、燈光防刺目鏡、照相機快門、立體電視用液晶光閥、液晶打印機。(2)液晶調(diào)光器件主要有電子光圈和電子透鏡。電子光圈：這是一個有同心圓電極的平面液晶盒。如果在外電路中接入光電器件進行控制，即可自動隨外光源的強弱進行調(diào)節(jié)透光孔徑，成為自動電子光閥。(3)光調(diào)制器及相位衍射光柵主要有光調(diào)制器、空間調(diào)制器、相位衍射光柵。(4)光路切換和光束偏轉(zhuǎn)器主要有光路切換系統(tǒng)、光束偏轉(zhuǎn)器。3、計量和傳感方面向列型液晶在傳感和檢測方面：主要有無損檢測集成電路、高靈敏度溫度傳感器、加速度傳感器、物體位置測定、超聲波檢測、電壓測量。4、聚合物方面?zhèn)孺溞鸵壕Ь酆衔锏膽?yīng)用：主要有優(yōu)質(zhì)音響喇叭材料、全息寫入記錄材料。電機驅(qū)動器L298N簡介L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。簡要說明：尺寸：80mmX45mm主要芯片：L298N、光電耦合器工作電壓：控制信號直流5V；電機電壓直流3V~46V（建議使用36伏以下）最大工作電流：2.5A額定功率：25W特點：具有信號指示。轉(zhuǎn)速可調(diào)抗干擾能力強具有過電壓和過電流保護可單獨控制兩臺直流電機可單獨控制一臺步進電機PWM脈寬平滑調(diào)速可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)采用光電隔離系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)工作邏輯1號水泵先單臺變頻運行；當1號水泵頻率上限值（相對于回水溫度上限值）動作后轉(zhuǎn)為工頻運行，并起動2號水泵變頻運行；當1號水泵頻率下限值（相對于回水溫度下限值）動作后，1號水泵停機，2號水泵繼續(xù)變頻運行。當1號水泵頻率上限信號（相對于回水溫度上限值）又動作時，2號水泵轉(zhuǎn)換為工頻運行，起動3號水泵作變頻運行。不斷如此循環(huán)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)總體設(shè)計分為硬件和軟件兩個部分?？傮w結(jié)構(gòu)包括AT89C51的主控芯片，溫度采集電路，電機驅(qū)動控制電路，液晶顯示電路，蜂鳴器報警電路。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖單單片機系統(tǒng)LCD顯示系統(tǒng)燈光指示系統(tǒng)溫度傳感器鍵盤電路電機驅(qū)動模塊聲光報警電路圖2-1溫度控制結(jié)構(gòu)框圖如上圖所示，系統(tǒng)以AT89C51為控制核心，在基于外圍采集，控制電路的配合下，完成對溫度的控制。主要的軟件模塊為，溫度采集模塊，液晶顯示模塊，電機控制模塊，蜂鳴器報警控制模塊。本方案采用單片機為控制核心。采用了DS18B20芯片對溫度進行采集（芯片內(nèi)部會進行AD轉(zhuǎn)換）通過單片機處理后去控制溫度，使其達到穩(wěn)定,DS18B20為數(shù)字式溫度傳感器，無需其他外加電路，直接輸出數(shù)字量，轉(zhuǎn)換速度快，精度高，可靠性高。溫度傳感器可直接與單片機通信，讀取測溫數(shù)據(jù)，電路簡單。。使用單片機具有編程靈活，控制簡單的優(yōu)點，使系統(tǒng)能簡單的實現(xiàn)溫度的控制及顯示，并且通過軟件編程能實現(xiàn)各種控制算法使系統(tǒng)還具有控制精度高的特點。并具有控制簡單、控制溫度精度高的特點。單片機最小系統(tǒng)圖3-SEQ圖3-\*ARABIC1單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)包括時鐘電路、復(fù)位電路、及電源電路等幾個部分，單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該增益反相放大器的輸入端為X1，輸出引腳為X2。兩個引腳跨接晶振和微調(diào)電阻，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。復(fù)位電路采用按鍵電平復(fù)位電路。通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通而實現(xiàn)。如圖3-1所示：溫度檢測電路圖3-SEQ圖3-\*ARABIC2DS18B20與單片機的連接圖電機驅(qū)動控制電路 本設(shè)計中電機驅(qū)動采用的是集成直流電機驅(qū)動芯片L298，它具有驅(qū)動功率大，效率高、可控性好等優(yōu)點，通過單片機P1.6、P1.7兩個IO口可控制電機正反轉(zhuǎn)。此處電機用于模擬汽車噴油器電磁閥。L298N與單片機的連接如圖3-3：圖3-SEQ圖3-\*ARABIC3L298與單片機連接圖LCD顯示電路單片機對數(shù)據(jù)進行處理后通過LCD進行顯示,選用10K排阻上拉,LCD各管腳如圖3-12所示，接單片機的P0口和P2口。圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC12LCD顯示電路軟件設(shè)計本次設(shè)計我采用的是C語言進行程序代碼的編寫，編寫程序與調(diào)試的軟件是keiluVision4。各部分的軟件流程圖如下：主程序流程圖主程序主要完成溫度的讀取與顯示，并判定檢測的溫度值是否比設(shè)定值小，若小于設(shè)定值則驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，否則電機停轉(zhuǎn)。系統(tǒng)主程序流程圖如圖所示:開始開始變量初始化延時復(fù)位LCD初始化清屏延時鍵盤掃描按鍵控制處理延時圖4-1主程序流程圖溫度檢測程序流程圖DS18B20工作流程圖溫度檢測程序是嚴格按照DS18B20單總線溫度傳感器的時序來寫的，因為單總線模式下，數(shù)據(jù)的讀和寫都只能通過一條線，因此只能通過嚴格的時序控制數(shù)據(jù)的傳輸。鍵盤掃描子程序根據(jù)鍵盤的當前狀態(tài)，通過單片機對其進行掃描、處理。鍵盤掃描程序的流程圖如圖1-6所示。開始開始是否處理按鍵清除前次按鍵是否按下前本次狀態(tài)是否相同獲取按鍵數(shù)值退出否是是否是否顯示子程序流程圖根據(jù)特定內(nèi)容所要的顯示地址，單片機對其進行劃分地址模塊，依次進行掃描，從而使其顯示在液晶顯示屏上。顯示特定數(shù)字的流程圖如圖所示。開始開始頁、列地址設(shè)置寫入左右區(qū)上半部內(nèi)容頁列地址重置寫入左右區(qū)下半部內(nèi)容電機控制子程序流程圖當溫度小于設(shè)定值時，電機即正轉(zhuǎn)，否則電機停轉(zhuǎn)。圖4-4電機控制子程序程序調(diào)試程序經(jīng)過調(diào)試顯示“0錯誤，0警告”。表示程序調(diào)試通過。圖5-2程序調(diào)試通過示意圖（3）Proteus調(diào)試仿真（3）仿真調(diào)試進入調(diào)試環(huán)境，然后執(zhí)行下述操作：1、在proteusISIS界面中，單擊按鈕啟動仿真。通過菜單【Debug】→【Debug→WatchWindow】在彈出的觀察窗口右擊，選擇“以觀察項的名稱添加觀察項”，在彈出的對話框中添加累加器ACC和數(shù)據(jù)指針DPTR.圖4-7程序運行結(jié)果結(jié)論在這次的課程設(shè)計中我學(xué)到了許多東西，整個做設(shè)計的過程是訓(xùn)練我獨立進行科學(xué)研究的過程。整個設(shè)計的過程，同時也是專業(yè)知識的學(xué)習(xí)過程，而且是更生動、更切實、更深入的專業(yè)知識的學(xué)習(xí)。首先，一個設(shè)計是結(jié)合科研課題，把學(xué)過的專業(yè)知識運用于實際，在理論和實際結(jié)合過程中進一步消化、加深和鞏固所學(xué)的專業(yè)知