单片机的柴油发动机冷却水温控制系统的设计
目 录
1 引言1
1.1 研究背景1
1.2 研究目的及意义1
1.3 课题研究的主要内容2
1.4 开发工具选择2
2 系统方案设计与论证2
2.1 传感器的选择2
2.2 主控部分的选择3
3 总体设计方案4
3.1 硬件总体设计4
3.2 软件总体设计5
4 系统的硬件电路设计5
4.1 硬件电路分析和设计报告5
4.2 单片机最小系统电路6
4.3 键盘电路8
4.4 数码管和指示灯显示电路及报警电路9
4.5 温度采集电路12
5 系统程序设计15
5.1 主程序流程图15
5.2 各个模块的流程图16
6 软硬件统调及实物制作20
6.1 KEIL与PROTEUS的联调设置20
6.2 原理图绘制21
6.3 程序加载21
6.4 系统仿真22
6.5 仿真结果分析24
6.6 实物制作24
6.7 硬件电路调试25
6.8 软件调试25
6.9 系统操作说明25
结论29
致谢30
参考文献31
附录一 硬件原理图32
附录二 元器件清单33
附录三 源程序34
1 引言
1.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
研究背景
及时进行温度的实时监测,在工业制造中处于至关重要的地位。工件对水温的要求十分严格，在不同的控制系统要求下，总会规定一个合适的水温范围，若工作的水质温度不在设定的范围内，就会对系统的正常运作产生影响，例如系统会停止运行甚至毁坏。在这样的要求下，我们必须要对水温的变化进行实时控制，若超出设定范围就产生报警信号,并对水温进行控制。同时，设定的温度范围也能根据实际情况进行人工调节，以实现多方面的控制要求。
在工业制造业中，单片机被广泛使用进行温度控制。自从单片机被Intel公司推出以来，单片机技术就步入飞速发展阶段。21世纪以来，大规模集成电路的迅猛发展使得单片机在设计制造中被普遍使用。单片机自身就是缩小版的微机系统，它的用途主要体现在控制方面，在各行各业几乎都能看到单片机的身影，从航天飞机到日常家用电器，单片机都可以发挥它的作用[1]。选用单片机对系统电路进行控制，让整个系统具有智能化、功耗低的优点。同时，选用单片机还可以缩小元器件的使用数量、降低内部配线数、更加经济实惠，在制造、安装、调试及维修时都很方便。
在过去，我们想要设计出一个温度检测系统，首先需要对温度进行采集，得到一个温度信号，将其放大、滤波后产生的新信号经过A/D转换后才能输入到单片机中。这种设计思路虽然没有错，但是过程什么的繁琐、复杂，而且用到的元器件数量也很多，同时硬件成本也会相应的提高，最为重要的是，这种方法设计出来的产品，在线性度和准确度上的表现都不是很好，受外界干扰的影响也比较大。随着人们智慧的不断提升，我们研制出新一代的数字式温度传感器，与老式的温度传感器相比，功率消耗更低，准确度更高，线性度更高，最为重要的是这种温度传感器使用起来也十分方便。
1.2 研究的目的及意义
如今，能源消耗不断增加，柴油机在日常生活和工作中还被广泛运用着。所以为了达到节能的目的，相关科研人员针对柴油发动机冷却水温进行了研究，通过控制柴油机冷却水温保持在一个合理的范围内，来降低柴油机对能源的消耗，实际证明，合理的冷却水温不仅能减少能源的消耗，降低废气的排放，同时还能保证柴油机良好的工作性能，延长使用寿命。最适合柴油机工作的冷却水温范围必须经过大量的实际操作实验以及数据分析才能得到，而进行这项实验必须具备一种能够自动监测水温并能调节水质温度的自动控制装置，才能达到使冷却水温保持在合理的范围内的要求，研制出这个装置就是本次课题研究的目的。
1.3 课题研究的主要内容
本课题要求将AT89S52单片机作为主控芯片，设计一种柴油发动机冷却水温自动控制系统，利用这种装置将冷却水温控制在最适合柴油发动机工作的温度范围内。本次设计的主要难点在于硬件设计和软件开发。其中硬件设计的难点在于各种元器件的选择和使用，如各种电阻、电容等的选择。在软件开发方面，如何对新型数字温度传感器DS18B20的时序进行处理是一个难点，如果在编程时读写时序模块不正确，会造成整个系统无法工作，也就无法得到准确的温度值，这将造成整个设计的失败。在本次设计工作中主要能完成以下几点：
（1）学会使用Protues软件绘制电气原理和印制版图；
（2）学会使用keil进行软件编程；
（3）学会将Protues与Keil联调，在Protues上完成对系统的调试；
（4）学会将硬件实物与软件系统相结合，实现系统的统调。
1.4 开发工具选择
本系统开发使用的软件工具为Keil uVision4，Protues7.8 sp2；程序烧写工具为SP200SE编程器。
2 系统方案设计与论证
2.1 传感器的选择
设计中涉及对温度以及与温度有关的量进行检测，所以首先考虑用热电阻传感器。按照电阻的性质可以将其分为两类，一类为金属热电阻，也被称为热电阻，另一类为半导体热电阻，通常被称为热敏电阻。
方案一：采用热敏电阻，因为它是由对温度敏感的半导体材料制成，电阻随温度变化明显。这类电阻通常采用化学物质的氧化物，例如负温度系数电阻器就是采用锰，钴的氧化物烧制成的半导体陶瓷来制成的。其特点是：在量程范围内，电阻值与温度变化成反比，即其电阻值是随温度的升高而降低的。虽然其可以满足测试范围，但是热敏电阻还有着许多缺点，当检测的信号小于1时，由于其精度低，温度将不能被准确地检测出来；而且由于热敏电阻不能直接在单片机上使用，应该用硬件或软件对它的线性度进行线性化补偿，使得电路设计十分复杂。
方案二：采用集成温度传感器，如Dallas公司生产的新型DS18B20数字温度传感器。单总线DS18B20采用 "一线总线"接口的方式，使用户更方便快捷地组建温度检测电路，为温度检测系统引入新颖的设计思路。集成温度传感器的量程范围为-55℃～+125℃，它可以直接以“一线总线”的方式直接传输，因为它所测得的温度信号就是数字量，不需要进行A/D转换，使得系统的抗干扰性能得到了很大的提高。集成温度传感器的优点使得其可以广泛使用于多种环境的温度检测，例如：对环境的实时控制、工厂设备仪器的运行温度检测或过程控制、测温类电子产品如电子体温计等。DS18B20可以进行分辨率为9～12位的控制，设置好分辨率后，就可以将所设置好的上下限温度值存储在EEPROM中，这样使得在断电之后，在数字温度传感器DS18B20里仍然保存着预设置的上下限温度值。选用DS18B20还有很多好处，比如电压、特性及封装不再有局限性，拥有更多的选择。DS18B20的众多特性和优点让我们可以更好地构建经济实惠、适合实际操作的测温系统，并且运用其设计出来的系统电路操作简单，方便可靠。
1 引言1
1.1 研究背景1
1.2 研究目的及意义1
1.3 课题研究的主要内容2
1.4 开发工具选择2
2 系统方案设计与论证2
2.1 传感器的选择2
2.2 主控部分的选择3
3 总体设计方案4
3.1 硬件总体设计4
3.2 软件总体设计5
4 系统的硬件电路设计5
4.1 硬件电路分析和设计报告5
4.2 单片机最小系统电路6
4.3 键盘电路8
4.4 数码管和指示灯显示电路及报警电路9
4.5 温度采集电路12
5 系统程序设计15
5.1 主程序流程图15
5.2 各个模块的流程图16
6 软硬件统调及实物制作20
6.1 KEIL与PROTEUS的联调设置20
6.2 原理图绘制21
6.3 程序加载21
6.4 系统仿真22
6.5 仿真结果分析24
6.6 实物制作24
6.7 硬件电路调试25
6.8 软件调试25
6.9 系统操作说明25
结论29
致谢30
参考文献31
附录一 硬件原理图32
附录二 元器件清单33
附录三 源程序34
1 引言
1.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
研究背景
及时进行温度的实时监测,在工业制造中处于至关重要的地位。工件对水温的要求十分严格，在不同的控制系统要求下，总会规定一个合适的水温范围，若工作的水质温度不在设定的范围内，就会对系统的正常运作产生影响，例如系统会停止运行甚至毁坏。在这样的要求下，我们必须要对水温的变化进行实时控制，若超出设定范围就产生报警信号,并对水温进行控制。同时，设定的温度范围也能根据实际情况进行人工调节，以实现多方面的控制要求。
在工业制造业中，单片机被广泛使用进行温度控制。自从单片机被Intel公司推出以来，单片机技术就步入飞速发展阶段。21世纪以来，大规模集成电路的迅猛发展使得单片机在设计制造中被普遍使用。单片机自身就是缩小版的微机系统，它的用途主要体现在控制方面，在各行各业几乎都能看到单片机的身影，从航天飞机到日常家用电器，单片机都可以发挥它的作用[1]。选用单片机对系统电路进行控制，让整个系统具有智能化、功耗低的优点。同时，选用单片机还可以缩小元器件的使用数量、降低内部配线数、更加经济实惠，在制造、安装、调试及维修时都很方便。
在过去，我们想要设计出一个温度检测系统，首先需要对温度进行采集，得到一个温度信号，将其放大、滤波后产生的新信号经过A/D转换后才能输入到单片机中。这种设计思路虽然没有错，但是过程什么的繁琐、复杂，而且用到的元器件数量也很多，同时硬件成本也会相应的提高，最为重要的是，这种方法设计出来的产品，在线性度和准确度上的表现都不是很好，受外界干扰的影响也比较大。随着人们智慧的不断提升，我们研制出新一代的数字式温度传感器，与老式的温度传感器相比，功率消耗更低，准确度更高，线性度更高，最为重要的是这种温度传感器使用起来也十分方便。
1.2 研究的目的及意义
如今，能源消耗不断增加，柴油机在日常生活和工作中还被广泛运用着。所以为了达到节能的目的，相关科研人员针对柴油发动机冷却水温进行了研究，通过控制柴油机冷却水温保持在一个合理的范围内，来降低柴油机对能源的消耗，实际证明，合理的冷却水温不仅能减少能源的消耗，降低废气的排放，同时还能保证柴油机良好的工作性能，延长使用寿命。最适合柴油机工作的冷却水温范围必须经过大量的实际操作实验以及数据分析才能得到，而进行这项实验必须具备一种能够自动监测水温并能调节水质温度的自动控制装置，才能达到使冷却水温保持在合理的范围内的要求，研制出这个装置就是本次课题研究的目的。
1.3 课题研究的主要内容
本课题要求将AT89S52单片机作为主控芯片，设计一种柴油发动机冷却水温自动控制系统，利用这种装置将冷却水温控制在最适合柴油发动机工作的温度范围内。本次设计的主要难点在于硬件设计和软件开发。其中硬件设计的难点在于各种元器件的选择和使用，如各种电阻、电容等的选择。在软件开发方面，如何对新型数字温度传感器DS18B20的时序进行处理是一个难点，如果在编程时读写时序模块不正确，会造成整个系统无法工作，也就无法得到准确的温度值，这将造成整个设计的失败。在本次设计工作中主要能完成以下几点：
（1）学会使用Protues软件绘制电气原理和印制版图；
（2）学会使用keil进行软件编程；
（3）学会将Protues与Keil联调，在Protues上完成对系统的调试；
（4）学会将硬件实物与软件系统相结合，实现系统的统调。
1.4 开发工具选择
本系统开发使用的软件工具为Keil uVision4，Protues7.8 sp2；程序烧写工具为SP200SE编程器。
2 系统方案设计与论证
2.1 传感器的选择
设计中涉及对温度以及与温度有关的量进行检测，所以首先考虑用热电阻传感器。按照电阻的性质可以将其分为两类，一类为金属热电阻，也被称为热电阻，另一类为半导体热电阻，通常被称为热敏电阻。
方案一：采用热敏电阻，因为它是由对温度敏感的半导体材料制成，电阻随温度变化明显。这类电阻通常采用化学物质的氧化物，例如负温度系数电阻器就是采用锰，钴的氧化物烧制成的半导体陶瓷来制成的。其特点是：在量程范围内，电阻值与温度变化成反比，即其电阻值是随温度的升高而降低的。虽然其可以满足测试范围，但是热敏电阻还有着许多缺点，当检测的信号小于1时，由于其精度低，温度将不能被准确地检测出来；而且由于热敏电阻不能直接在单片机上使用，应该用硬件或软件对它的线性度进行线性化补偿，使得电路设计十分复杂。
方案二：采用集成温度传感器，如Dallas公司生产的新型DS18B20数字温度传感器。单总线DS18B20采用 "一线总线"接口的方式，使用户更方便快捷地组建温度检测电路，为温度检测系统引入新颖的设计思路。集成温度传感器的量程范围为-55℃～+125℃，它可以直接以“一线总线”的方式直接传输，因为它所测得的温度信号就是数字量，不需要进行A/D转换，使得系统的抗干扰性能得到了很大的提高。集成温度传感器的优点使得其可以广泛使用于多种环境的温度检测，例如：对环境的实时控制、工厂设备仪器的运行温度检测或过程控制、测温类电子产品如电子体温计等。DS18B20可以进行分辨率为9～12位的控制，设置好分辨率后，就可以将所设置好的上下限温度值存储在EEPROM中，这样使得在断电之后，在数字温度传感器DS18B20里仍然保存着预设置的上下限温度值。选用DS18B20还有很多好处，比如电压、特性及封装不再有局限性，拥有更多的选择。DS18B20的众多特性和优点让我们可以更好地构建经济实惠、适合实际操作的测温系统，并且运用其设计出来的系统电路操作简单，方便可靠。
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