热水器水温控制器设计大学本科毕业论文.doc

辽 宁 工 业 大 学单片机原理及接口技术课程设计（论文）题目： 热水器水温控制器设计 摘 要 随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。本设计设计了一套热水器水温控制器系统，能实现在070范围内设定控制温度，且70时高温报警，十进制数码管显示温度，在PC机上显示温度曲线等功能，并具有较快响应与较小的超调。整个系统核心为51单片机，包括传感器，按键输入电路，LED显示电路，上位机通信电路以及控制加热器的继电器驱动电路。利用ADC0809的8位精度的A/D转换器，完成对水温的实时采样与模数转换，通过数字滤波消除系统干扰，并对温度值进行运算处理，以调节加热功率大小。同时在下位机上通过数码管显示当前温度，通过USB接口传送信息至上位机，可以直接在PC端，观察温度的变化曲线，并根据需要进行相应的数据分析和处理，由此完成对水温的采样和控制其功能是实时检控水的温度，将水的温度控制在允许范围内（070），温度可由使用者可任意设定并显示。使用电阻丝加热，加热功率1kW。简述了设计中各单元电路的工作原理。关键词：单片机；温度控制；A/D转换器目 录第1章 绪论11.1 热水器水温控制器概况11.2 本文研究内容1第2章 CPU最小系统设计22.1 热水器水温控制器总体设计方案22.2 CPU的选择32.3 数据存储器扩展42.4 复位电路设计52.5 时钟电路设计52.6 CPU最小系统图6第3章 热水器水温控制器输入输出接口电路设计73.1 热水器水温控制器传感器的选择73.2 热水器水温控制器检测接口电路设计73.2.1 A/D转换器选择83.2.2 模拟量检测接口电路图83.3 热水器水温显示输出接口电路设计93.4 人机对话接口电路设计9第4章 热水器水温控制器软件设计114.1 软件实现功能综述114.2 流程图设计12第5章 系统设计与分析145.1 系统原理图145.2 系统原理综述15第6章 课程设计总结16参考文献17III第1章 绪论1.1 热水器水温控制器概况热水器水温控制器应用于热水器的温度控制，功能是实时监控水的温度，将水的温度控制在允许范围内（070）温度可由使用者任意设定，低于设定值时启动加热装置，当到达所设定值时，停止加热。主要研究单片机的数据处理功能，以及实时的采集的及时性，对于51单片机可以有更好更高的了解及应用，对以后的工作研发或是现场控制有着基本的要求。1.2 本文研究内容设计一个热水器水温控制器实时监控水的温度，将水的温度控制在允许范围内（070），温度可由使用者可任意设定并显示。使用电阻丝加热，加热功率1kW。硬件电路设计：1. CPU最小系统设计（包括CPU选择，晶振电路，复位电路）2. 温度传感器选择及接口电路设计3. 显示电路及控制电路设计4. 继电器控制部分5. 按键电路6. 报警部分软件设计：1.编程程序流程图第2章 CPU最小系统设计2.1 热水器水温控制器总体设计方案复位电路 单片机AT89C51LED数码显示报警装置加热装置温度传感器图2.1 过程层原理框图因为80C51单片机内部自带8K的ROM和256字节的RAM，因此不必构建单片机系统的扩展电路。单片机的最小系统设计包括单片机的选择、时钟电路设计和复位电路设计如图2.1所示。1单片机选择由于系统属于小型，对于精度和速度方面上都不是有着太高的要求所以选择51系列单片机即可实现课设所要求的目的，对于信息期间的普及化和小型化，产业化，其价格是日益降低，所以选择AT89C51单片机，其优点：有一得性能价格比，集成度高、体积小、有很高的可靠性、控制功能强大、低功耗、低电压、便于生产便携式产品、2时钟电路设计51单片机时钟信号可以由两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。内部有一个高增益反向放大放大器，用于构成片内振荡器，引脚XTALI和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTALI和XTAL2两端跨接警惕或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部的时钟发生器，振荡器的频率范围024MHz。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠地工作，谐振器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。外部时钟用于特殊的环境所以不予考虑及介绍。3复位电路设计复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RESET引脚出现24个时钟振荡脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持10ms以上的高电平，单片机便可以可靠地复位。采用上电复位电路和按键脉冲复位结合的方式。2.2 CPU的选择本设计采用Intel公司生产的AT89C51单片机（如图2.2），AT89C51是一种低功耗，高性能的单片机，性价比非常高，采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，89C51单片机的最大特点是在片内有Flash存储器，Flash存储器是一种可以电擦除和电写入的闪速存储器（简记Flash ROM），读写方便。因此得到广泛应用。 图2.2 AT89C51单片机 2.3数据存储器扩展89C-51型单片机片内有128B的RAM，在实际应用中仅靠这256B的数据存储器是远远不够的。这种情况下可利用MCS-51单片机所具有的扩展功能扩展外部数据存储器。MCS-51系列单片机最大可扩展64KB。6264是8K8位静态随机存储器，采用CMOS工艺制造，单一+5V电源供电，额定功率200mW，典型存取时间200ns，为28线双列直插式封装。图2.3 6264引脚图6264的特性及引脚信号 6264的容量为8KB，是28引脚双列直插式芯片，采用CMOS工艺制造A12A0：地址线，可寻址8KB的存储空间。D7D0：数据线，双向，三态。 ：读出允许信号，输入，低电平有效。 ：写允许信号，输入，低电平有效。CE1：片选信号1，输入，在读/写方式时为低电平。 CE2：片选信号2，输入，在读/写方式时为高电平。 VCC：+5V工作电压。GND：信号地。 6264的操作方式 6264的操作方式由CE1、CE2的共同作用决定2.4复位电路设计复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机从新启动，因此非常重要（如图2.4）。单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RESET引脚上出现两个机械周期以上的高电平，单片机就能实现复位。为了保证系统可靠的复位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持10ms以上的高电平，单片机便可以可靠的复位。图2.4 复位电路复位电路中电阻电容的值是根据复位信号的有效脉冲的宽度来计算电容电阻的取值的，也就是说，假设，单片机高电平复位，而高电平至少要持续10ms才有效，就要根据这个时间来设置电容电阻的值。 假设高电平复位有效，一充一放周期是1.386*RC，舍去充放过程中较低的电平，一般的单片机复位脉冲宽度取值：大概为（0.71）RC ，其周期为复位脉冲宽度的倒数，因此可以根据周期确定相应的电容电阻值。其中R1可以为0，因为R1的作用是为了防止电流过大，保护电路。2.5时钟电路设计计算机在工作时，是统一的时钟脉冲控制下一拍一拍的进行的。这个脉冲是有单片机控制器中的时序电路发出的。时钟电路用与产生单片机工作所需要的时钟信号。时钟信号可以由两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟发方式。本设计采用内部时钟方式（如图2.5）。在AT89C51内部有一个高增益反向放大器，用于构成片内振荡器，引脚XTSL1和XTAL2分别是此放大器的输入和输出端。在XTSL1和XTAL2；两端接一个晶振，就构成了稳定的自激振荡器，其输出的脉冲直接送进内部时钟发生器。电容C1和C2通常选择20uf左右，可稳定频率并对振荡频率有微调的作用，输出震荡范围是024MHZ。 图2.5 时钟电路2.6CPU最小系统图CPU最小系统是单片机运行工作起来所必需的最基本电路组成。它包括电源电路、时钟电路、复位电路（如图2.6）。1.电源电路：向单片机供电。其中VCC接+3V，GND接地。AT89S52单片机的工作电压范围为4V5.5V，所以通常外接5V直流电源。2.时钟电路：又称为振荡电路，是单片机工作的时间基准，决定单片机工作速度。3.复位电路:确定单片机工作的初始状态，完成单片机的启动过程。图2.6 CPU最小系统第3章 热水器水温控制器输入输出接口电路设计3.1 热水器水温控制器传感器的选择热电阻传感器主要用于测量温度及与温度有关的参数，在工业生产中被广泛用于测量-200+500范围内的温度。按照热电阻的热度不同，热电阻可以分为金属热电阻和半导体热电阻两类，前者称为热电阻，后者称为热敏电阻。以热电阻或热敏电阻为主要器件制成的传感器称为热电阻传感器或热敏电阻传感器。根据本设计中所需要测量的温度范围、敏感度、精确度以及考虑其经济性，热敏电阻传感器为最合适的测温元件。3.2 热水器水温控制器检测接口电路设计热敏电阻接口变换是最佳的线性化设计，最关键问题是拟合直线的选择方法问题。选择拟合直线方法不同，设计的方法也不同，测量的精度不同。本设计采用的是热敏电阻电桥接口变换，热敏电阻电桥与运放级联电路 图3.2 电桥与运放级联3.2.1 A/D转换器选择A/D转换接口是系统数据采集前向通道的一个重要环节。数据采集是在模拟信号源中采集信号，并将之转换为数字信号送入计算机的过程。因此，完成数据采集应具备下述基本部件：模拟多路转换开关和信号调节电路，采样/保持放大器，模拟/数字(A/D)转换器，通道控制电路。基于以上比较，综合性价比，选择8为主次逼近式AD转换器：ADC0809 ADC0804ADC0809的功能是将输入模拟量转换为与其成正比例的数字量，它具有8路模拟输入端口，地址线可决定对哪一路模拟输入做AD转换。ADC0804的功能与ADC0809基本相同，不同点在于它有一路输入。对于本设计的要求是有一路的输入信号，所以从性价比的方面考虑选择ADC0804更优。 3.2.2 模拟量检测接口电路图图3.2 模拟量检测接口电路3.3 热水器水温显示输出接口电路设计图3.3 热水器水温显示输出接口电路3.4人机对话接口电路设计 显示电路如图3.3所示。LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。这种显示块有共阴极和共阳极两种。共阴极LED显示块的发光二极管共地。 图3.4 显示电路原理图当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；本设计选用的显示块是共阴极的LED（共阴极LED显示块的发光二极管阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮）。将单片机I/O口的8位线与显示块的发光二极管的引出端（adp）相连，共阴极低电平有效，选通有效后8位并行输出口输出不同的数据就点亮相应的发光二极管，获得不同的数字或字符。第4章 热水器水温控制器软件设计4.1 软件实现功能综述本系统上电后数码管显示当前测量温度，此时加热指示灯和保温指示灯均不点亮；若此时按“自动加热”键，则单片机自动将预加热温度设置为70并开始加热，送出一个加热信号，并点亮加热指示灯；若按“温度设置”键，则进入预加热温度设置界面，此时数码管闪烁显示预设置温度，此时通过按键“”和“”进行设置温度，预设置温度按“5”递增或递减，设置好温度后再按一次“温度设置”键确定，单片机保存预设置温度，并开始加热。此时单片机通过数码管显示实时检测的温度并和预设置温度进行对比，如果实测温度大于或等于预设置温度，则单片机发出停止加热信号并熄灭加热指示灯，点亮保温指示灯，且当超过预设温度时发出报警；当温度下降到预设置温度以下5度时，单片机再次发出加热信号，同时熄灭保温指示灯，点亮加热指示灯，依次循环控制。4.2 流程图设计1.主程序流程图设计 开始 初始化 读D18B20温度转换显示温度N设置温度自动加热NNYY设置完成温度-温度+加热温度设置70CY预设温度-5预设温度+5 2.读取温度DS18B20模块的流程开始 初始化NDS18B2存在吗 YROM操作命令存储操作命令读取温度值返回3.模拟量检测流程图设计启动采样延时等待转换结束读取采样电压结束将电压结果经A/D转换成二进制数单片机开始第5章 系统设计与分析5.1 系统原理图图5.1 系统原理图5.2 系统原理综述热水器水温控制器系统原理：在070可控范围内控制温度，整个系统核心用51单片机，包括传感器，按键输入电路，上位机通信电路以及控制加热器的继电器驱动电路。利用ADC0809的8位精度的A/D转换器，完成对水温的实时采样与模数转换，通过数字滤波消除系统干扰，并对温度值进行运算处理，以调节加热功率大小。同时在下位机上通过数码管显示当前温度，通过USB接口传送信息至上位机，直接在PC端观察温度的变化曲线，并根据需要进行相应的数据分析和处理，由此完成对水温的采样和控制其功能是实时检控水的温度。第6章 课程设计总结本设计是利用一个单片机对热水器进行自动控制的典型应用，并且能够实时显示水温和设定的温度。设计主要内容是热水器水温参数电路设计，输出控制电路设计，单片机最小系统电路设计，软件设计。预期达到的目标是对热水器的水温进行检测，将检测的结果进行A/D转换处理后输入单片机，将温度进行显示，根据运行时间，输出控制信号对现场温度进行实时控制，能在温度异常情况实现报警等功能。在元器件选择上尽量做到使硬件电路简单，力求整个系统相关器件性能匹配。热水器水温控制器系统原理：在070可控范围内控制温度，整个系统核心用51单片机，包括传感器，按键输入电路，上位机通信电路以及控制加热器的继电器驱动电路。加上本系统它具有全集成化，智能化，高精度，低价格等优点，是一个值得推广的一种系统。可随着信息技术的发展，智能化的家用电器将逐渐走进人们的家庭。很多现有热水器的功能都无法满足消费者的要求，所以我在该设计基础上提出创新点，利用单片机上端口资源，把电话线或网线和家用电脑及因特网和它相连起来，可实现对家用电器的远程集中控制，从而使人们的生活更加轻松方便。参考文献1 梅丽凤等编著. 单片机原理及接口技术.清华大学出版社，2009.72 赵晶. Prote199高级应用. 人民邮电出版社，2000 3 于海生. 微型计算机控制技术. 清华大学出版社，2003.44 李锡雄. 微型计算机控制技术. 北京: 科学出版社，1999.85 李志忠. 微型计算机应用技术. 北京: 清华大学出版社，19896 曹素芬. MCS-51系列原理与接口技术. 沈阳: 东北大学出版社，19947 李永敏. 数字化测试技术. 北京: 北京航空航天大学出版社，19878 张友德. 单片机原理应用与实验. 上海: 上海复旦大学出版社，9929何立民，MCS-51系列单片机应用系统设计M，北京航空航天大学出版社，199410李华.MCS-51系列单片机实用接口技术M.北京航空航天大学出版社，199611周航慈.单片机应用程序设计技术M.北京航空航天大学出版社，199117