基于單片機(jī)的燃?xì)鉄崴骺刂破髟O(shè)計(jì)

1、摘 要 隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步發(fā)展，人們對(duì)燃?xì)鉄崴鞯囊笤絹?lái)越高。而現(xiàn)今大多數(shù)熱水 器還是處于手動(dòng)調(diào)溫階段，熱水溫度不能實(shí)時(shí)顯示，水量和氣量不能實(shí)時(shí)顯示和控制， 洗浴過(guò)程中調(diào)溫困難等等情況。 根據(jù)以上情況，設(shè)計(jì)了合理的燃?xì)鉄崴骱銣乜刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)：采用 8 位單片機(jī) 89s51 和 ds18b20 溫度傳感器構(gòu)成溫度采集系統(tǒng)的方案，較之采用 16 位的單片機(jī)和熱 敏電阻加 a/d 轉(zhuǎn)換器的溫度采集系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比；單片機(jī)根據(jù)溫度傳感器采集 到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)程序處理，發(fā)送數(shù)據(jù)指令給 0832，通過(guò) dac0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出不同 的電流來(lái)控制燃?xì)獗壤y的開(kāi)度，達(dá)到控制火力的大小，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控

2、制；為了 提高溫度控制精度，采用數(shù)字 pid 程序控制，可實(shí)現(xiàn)溫度的連續(xù)可調(diào)，用液晶顯示器 lcd1602 顯示出水溫度；為加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性能，設(shè)計(jì)中還加入了看門狗和聲光報(bào)警 電路；最后，制作出了工程樣板并進(jìn)行硬件模擬調(diào)試。 實(shí)際調(diào)試結(jié)果顯示硬件設(shè)計(jì)基本達(dá)到了要求的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)比分析可知此設(shè)備具有 良好的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；溫度轉(zhuǎn)換； ds18b20 ；dac0832 abstract with the continuous progress and development, people are increasingly demanding gas water heater. and

3、 now most of the water heater thermostat stage or in the manual, hot water temperature can not be real-time display, water and gas can not be real-time display and control the process bath thermostat, etc. difficult situation. according to the above, the design of a reasonable gas water heater tempe

4、rature control system architecture: 8-bit microcontroller 89s51 and temperature sensor ds18b20 programs constitute the temperature acquisition system, compared with 16-bit microcontroller and the thermistor plus a / d converter temperature acquisition system has a high price; microcontroller accordi

5、ng to the temperature sensor to the data, after procedures to send commands to the 0832 data, through the dac0832 digital-analog converter output current to control the different gas proportional valve opening, to control the size of firepower to achieve automatic temperature control; to improve the

6、 accuracy of temperature control, digital pid process control, enabling the temperature of the continuously adjustable, lcd1602 display with water temperature; to enhance the safety performance of the system, the design watchdog also added sound and light alarm circuit; finally, the project produced

7、 a simulation model and hardware debugging. the results showed that the actual hardware design debug basically reached the requirements of the technical indicators, comparative analysis shows that this device has a good prospect. keywords: microcontroller; temperature conversion; ds18b20; dac0832 目

8、錄 1 緒論.1 1.1 選題的意義.1 1.1.1 燃?xì)鉄崴骱?jiǎn)介.1 1.1.2 燃?xì)鉄崴鞯陌l(fā)展趨勢(shì).2 1.1.3 現(xiàn)有燃?xì)鉄崴鳒囟日{(diào)節(jié)方案及不足.3 2 燃?xì)鉄崴鞣桨冈O(shè)計(jì).4 2.1 設(shè)計(jì)要求及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn).4 2.1.1 設(shè)計(jì)要求.4 2.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn).5 2.2 方案設(shè)計(jì).6 2.3 系統(tǒng)性能指標(biāo).8 3 熱水器控制器系統(tǒng)分析.9 3.1 燃?xì)鉄崴鞯南到y(tǒng)組成與工作原理.9 3.2 燃?xì)鉄崴鞯臄?shù)字 pid 溫度控制.10 3.2.1 pid 算法控制的實(shí)現(xiàn).10 3.2.2 pid 控制器的參數(shù)整定.13 4 燃?xì)鉄崴飨到y(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).14 4.1 元器件的選擇.1

9、4 4.1.1 單片機(jī)的選擇.14 4.1.2 顯示器件的選擇.15 4.1.3 數(shù)字溫度傳感器的選擇.18 4.1.4 d/a 數(shù)模轉(zhuǎn)換的選擇.20 4.1.5 比例閥的選擇.22 4.1.6 風(fēng)機(jī)的選擇.24 4.1.7 水汽聯(lián)動(dòng)裝置的選擇.24 4.1.8 變壓器的選擇.26 4.2 硬件電路的設(shè)計(jì).26 4.2.1 主控制電路的設(shè)計(jì).26 4.2.2 鍵盤輸入電路的設(shè)計(jì).27 4.2.3 聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì).28 4.2.4 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì).28 4.2.5 液晶顯示電路的設(shè)計(jì).28 4.2.6 電流控制電路的設(shè)計(jì).29 4.2.7 系統(tǒng)的安全性研究.29 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).32

10、5.1 主程序流程圖.32 5.2 測(cè)溫程序流程圖.34 5.3 數(shù)字 pid 控制器的實(shí)現(xiàn).35 6 系統(tǒng)的設(shè)計(jì).35 6.1 軟件的調(diào)試 .35 6.2 硬件的調(diào)試 .36 6.2.1 檢測(cè)元器件.36 6.2.2 檢測(cè)各個(gè)引腳信號(hào).36 7 總結(jié)和體會(huì).37 謝 辭.38 參考文獻(xiàn)：.39 附錄一.40 附錄二.41 附錄三.42 附錄四.43 附錄五（程序）：.44 1 緒論緒論 1.1 選題的意義選題的意義 1.1.1 燃?xì)鉄崴骱?jiǎn)介 所謂燃?xì)鉄崴骶褪侵敢詺怏w燃料燃燒為熱源的熱水器的統(tǒng)稱，是一種小型的熱 力設(shè)備。它的工作原理大體是這樣：燃?xì)庠谌紵覂?nèi)完全燃燒，產(chǎn)生高溫?zé)煔?。高?煙

11、氣流經(jīng)換熱器，把換熱器中的冷水加熱為所需的衛(wèi)生熱水。燃?xì)鉄崴饔羞@些分類 方式，按使用氣種可以分為使用天然氣、人工煤氣和液化石油氣 3 種。按結(jié)構(gòu)可分為 容積式和直流式。按給排氣方式可分為：直排式、煙道式、平衡式、強(qiáng)排式、強(qiáng)制給 排氣式等。 相對(duì)于其它類型熱水器而言，燃?xì)鉄崴骶哂羞@樣一些優(yōu)勢(shì)：不需預(yù)熱；節(jié)能； 不結(jié)垢、壽命長(zhǎng)；使用成本低；款式超薄纖細(xì)，外觀時(shí)尚。 第一臺(tái)燃?xì)鉄崴髡Q生已經(jīng)超過(guò)了 100 年。而燃?xì)鉄崴骷夹g(shù)的發(fā)展主要是二 戰(zhàn)之后 50 多年的時(shí)間內(nèi)完成的。我國(guó)的燃?xì)鉄崴魃a(chǎn)也有近 30 年的歷史。燃?xì)?熱水器的發(fā)展迄今為止經(jīng)歷了三個(gè)階段： （1）以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單功能為目的的第一階

12、段：作為第一階段代表的燃?xì)鉄崴魇菬?水流量為 5l/min 的小型熱水器。采用壓電陶瓷點(diǎn)火方式，小火先著，水氣聯(lián)動(dòng)控制 閥、控制點(diǎn)火，互相獨(dú)立的氣、水調(diào)節(jié)閥門，熱電偶式的熄火保護(hù)裝置。這種類型的 熱水器具有初步的安全性保證，滿足基本功能，操作也不復(fù)雜，但很快顯現(xiàn)出的問(wèn)題 在于：點(diǎn)火裝置的可靠性與壽命；熄火保護(hù)裝置的壽命；操作的相對(duì)煩瑣。特別是熱 電偶式熄火保護(hù)裝置在點(diǎn)火初期的時(shí)間延遲操作，令使用者倍感不便。因此，這一階 段的后期，熱水器在此基礎(chǔ)上做了一些更新：點(diǎn)火裝置由壓電陶瓷變?yōu)殡娒}沖式，引 入了內(nèi)置電源，同時(shí)取消了熄火保護(hù)裝置，水氣聯(lián)動(dòng)閥是熱水器上唯一的安全裝置。 （2）以完善使用特性為

13、目的的第二階段：自吸閥的引入是對(duì)完善使用特性的重要 貢獻(xiàn)，而以水驅(qū)式自動(dòng)點(diǎn)火作為主要特征，這一進(jìn)步使燃?xì)鉄崴鞯募夹g(shù)品質(zhì)有了一 個(gè)質(zhì)的飛躍。雖然這種類型的熱水器仍然由電脈沖點(diǎn)火裝置、水氣聯(lián)動(dòng)閥、自吸閥、 獨(dú)立的水氣調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成，但其使用性能有了很大的提高，表現(xiàn)為：操作極為方便， 使用更為安全。一開(kāi)水點(diǎn)火便自動(dòng)進(jìn)行，在一般情況下，熱水器安裝在浴室外成為可 能，這使燃?xì)鉄崴魇褂玫陌踩[患大大減低。自吸閥靈敏的熄火保護(hù)特性，使熱水 器非燃燒狀態(tài)的燃?xì)庑孤┈F(xiàn)象幾乎不會(huì)出現(xiàn)。有別于自吸閥的一些安全裝置也有出現(xiàn)， 目前采用自吸閥的燃?xì)鉄崴饕廊皇鞘袌?chǎng)的主流。此外，熱水器的大流量化進(jìn)一步興 起，出水量超過(guò)

14、 8l/min 的品種增加，市場(chǎng)進(jìn)一步擴(kuò)大。 （3）以追求高品質(zhì)為目的的第三階段，目前正處在第三階段的興盛期，亦是競(jìng) 爭(zhēng)最激烈的時(shí)期。從事熱水器研究與生產(chǎn)的業(yè)內(nèi)人士，同時(shí)在追求燃?xì)鉄崴鞯母?品質(zhì)。這主要表現(xiàn)在先進(jìn)控制技術(shù)的引入，目的是解決燃?xì)鉄崴魇褂弥腥匀淮嬖诘?主要矛盾：出水溫度調(diào)節(jié)給使用者帶來(lái)的問(wèn)題，水溫度的調(diào)產(chǎn)品，線控?zé)崴?、恒?熱水器、智能型熱水器亦有出現(xiàn)。同時(shí)，在安全節(jié)范圍不能滿足其使用要求，盡管這 種感覺(jué)是錯(cuò)誤的，只是由于調(diào)節(jié)過(guò)程的復(fù)雜性以及使用者對(duì)于調(diào)節(jié)過(guò)程的理解障礙所 導(dǎo)致，但為解決這一問(wèn)題，似乎能用熱水器本身提供的裝置自動(dòng)解決更為合適。這便 是追求熱水器更高品質(zhì)的原因

15、。作為特征性保障方面，缺氧保護(hù)裝置、防止不完全燃 燒裝置的使用更是使燃?xì)鉄崴鞯木C合性能有了極大的提高。 1.1.2 燃?xì)鉄崴鞯陌l(fā)展趨勢(shì) 隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展以及人們生活水平的提高，燃?xì)鉄崴饕苍诓粩喔?、發(fā) 展，以滿足人們對(duì)較高生活品質(zhì)的追求。而今燃?xì)鉄崴髡韵逻@些方向發(fā)展： （1）安全性能不斷完善 燃?xì)鉄崴鲗?duì)人體的安全威脅主要是燃燒所產(chǎn)生的煙氣。隨著排氣方式不斷地改 革，熱水器的安全使用已基本得到解決。而安全問(wèn)題在燃?xì)鉄崴鏖_(kāi)發(fā)過(guò)程中始終是 處于重要的位置。 （2）舒適性的提高 燃?xì)鉄崴魇褂玫氖孢m性便是人們關(guān)心的重要問(wèn)題。作為淋浴用熱水器要實(shí)現(xiàn)舒 適沐浴有兩個(gè)基本要求：一是水溫

16、，二是水量。為提高使用舒適性，國(guó)內(nèi)正在研究的 課題有：a）擴(kuò)大熱水器的負(fù)荷調(diào)節(jié)比，要求不小于 20100（即冬夏型功能） ， 國(guó)外熱水器負(fù)荷調(diào)節(jié)均在 30100；b）發(fā)展良好恒溫性能的智能化熱水器，滿足 使用過(guò)程中水溫波動(dòng)在設(shè)定值1范圍內(nèi)；c）實(shí)現(xiàn)低的水流阻力，大的水量并維持 使用過(guò)程中水量相對(duì)穩(wěn)定且不低于 7l/min； d）熱水器低的運(yùn)行噪音，希望維持在 5060 分貝；e）快速加熱功能，減少開(kāi)始使用或關(guān)機(jī)后重新啟動(dòng)時(shí)的冷水量；f）快 速水溫恒定功能，以避免淋浴水時(shí)冷時(shí)熱現(xiàn)象。 （3）更加環(huán)保 我國(guó)燃?xì)鉄崴鳂?biāo)準(zhǔn)中現(xiàn)在除規(guī)定了對(duì)排煙 co 含量的限制外，即限制燃燒不完 全程度，還對(duì)排煙 n

17、ox 含量作了要求。 （4）向更為節(jié)能的方向發(fā)展 發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)燃?xì)鉄崴魈岢龅臀廴经h(huán)保要求的同時(shí)也提出進(jìn)一步節(jié)能的要求，即 鼓勵(lì)支持高效低污染燃?xì)鉄崴鞯难兄啤９?jié)能的深遠(yuǎn)意義不僅是節(jié)約開(kāi)支而是國(guó)民經(jīng) 濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的要求。 （5）功能的多元化 從單一淋浴發(fā)展為多功能的熱水器：a）供暖/淋浴兩用；b）制冷（空調(diào)）/淋浴 兩用；c）其它多功能多用途的熱水器。燃?xì)鉄崴麟m然容量小，但分布量大面廣，其 發(fā)展和社會(huì)的千家萬(wàn)戶有著密切的關(guān)系。目前燃?xì)鉄崴髡谙蛑笕萘?、高效?jié)能 和減少環(huán)境污染的方向發(fā)展，其發(fā)展目標(biāo)主要包括燃燒系統(tǒng)高效率低污染的自動(dòng)控制 燃燒和熱交換部件傳熱效率的提高、公眾安全性以及滿足現(xiàn)代

18、生活的舒適感。 1.1.3 現(xiàn)有燃?xì)鉄崴鳒囟日{(diào)節(jié)方案及不足 目前市場(chǎng)上燃?xì)鉄崴鳟a(chǎn)品的溫度控制基本上采取兩種方案： （1）機(jī)械旋鈕式： 熱水器的溫度調(diào)節(jié)是通過(guò)機(jī)械式旋鈕實(shí)現(xiàn)的，有火力調(diào)節(jié)旋鈕和水量調(diào)節(jié)旋鈕共 同控制?；鹆φ{(diào)節(jié)旋鈕按標(biāo)識(shí)調(diào)小時(shí)，熱水溫度降低；調(diào)大時(shí)，熱水溫度升高。水量 調(diào)節(jié)旋鈕按標(biāo)識(shí)調(diào)小時(shí)，水流量減少，熱水溫度升高；調(diào)大時(shí)，水流量增大，熱水溫 度降低。用戶可以調(diào)節(jié)合適的熱水溫度（推薦沐浴溫度范圍為 3842）洗浴。 （2）數(shù)字式 這種方式下，水溫的調(diào)節(jié)是通過(guò)數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)需要出水溫度升高時(shí)，則微 電腦控制比例閥開(kāi)大，燃?xì)鈮毫ι撸疁厣?；反之，則比例閥開(kāi)小，水溫降低。 在

19、實(shí)際生活中，我們發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的中、低檔產(chǎn)品都采用機(jī)械旋鈕式方案，而這 些產(chǎn)品恰恰式市場(chǎng)的主流。但是，此類熱水器還存在許多不盡如人意的地方，因?yàn)樵?類燃?xì)鉄崴魇褂玫氖敲簹夂脱鯕膺M(jìn)行燃燒產(chǎn)生熱量，需要安裝在室外通風(fēng)良好的地 方，否則氧氣不足會(huì)造成煤氣不完全燃燒而產(chǎn)生一氧化碳對(duì)人的生命構(gòu)成威脅，而對(duì) 熱水器的控制調(diào)節(jié)都在機(jī)體上 ，以致洗浴時(shí)需要預(yù)先調(diào)節(jié)好水溫，有時(shí)候遇到水壓不 正常就造成水溫浮動(dòng)不定，使洗浴者又要出來(lái)調(diào)節(jié)水溫，這樣不僅浪費(fèi)水和燃?xì)猓?且給洗浴者帶來(lái)極大不便。 基于以上考慮，本方案擬設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)控制的燃?xì)鉄崴魉疁刈詣?dòng)調(diào)節(jié)系 統(tǒng)，即通過(guò)室內(nèi)的控制器，輸入預(yù)定溫度，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)自

20、動(dòng)快速地調(diào)節(jié)到預(yù)定溫度， 以解決上述問(wèn)題。 2 燃?xì)鉄崴鞣桨冈O(shè)計(jì)燃?xì)鉄崴鞣桨冈O(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)要求及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要求及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 2.1.1 設(shè)計(jì)要求 進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查，了解燃?xì)鉄崴鞯淖钚掳l(fā)展和用戶使用需求。 收集、消化有關(guān)燃 氣熱水器及其控制器的資料。 設(shè)計(jì)出燃?xì)鉄崴鞯膯纹瑱C(jī)控制器，要求功能齊備，使 用方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，安全可靠。 1. 控制器應(yīng)具有以下功能：水溫的自動(dòng)控制和顯示；完善的安全保護(hù)措施。 2.水溫：2090可調(diào)。 3.電源：ac 220v 或電池 本課題是制作一款基于單片機(jī)控制的燃?xì)鉄崴骺刂破飨到y(tǒng)，使燃?xì)鉄崴靼慈藗?的需求能快速、穩(wěn)定的達(dá)到人們所需求的溫度，以體現(xiàn)燃

21、氣熱水器比一般熱水器所具有 的優(yōu)勢(shì)。要求溫度傳感器及轉(zhuǎn)換電路，水溫設(shè)定與自動(dòng)調(diào)節(jié)電路，單片機(jī)輸入輸出接口 電路以及顯示模塊的設(shè)計(jì)。其中的難點(diǎn)是實(shí)現(xiàn) pid 控制溫度。 2.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 燃?xì)鉄崴骺刂破鞯脑O(shè)計(jì)主要考慮的要點(diǎn)是安全性、舒適性、操作方便性以及成 本等因素。這些要點(diǎn)尤其是對(duì)控制器的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)提出了較強(qiáng)約束和嚴(yán)格要求。 （1）安全性：安全性是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先需要考慮的問(wèn)題，雖然燃?xì)鉄崴靼l(fā)展 到今天可以認(rèn)為基本解決了安全性的問(wèn)題，但是諸如燃?xì)庑孤?、煙氣泄漏、水溫偏?導(dǎo)致?tīng)C傷等安全事故還是偶有發(fā)生，所以保證系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠是控制器設(shè)計(jì)的基本 要求。 安全性設(shè)計(jì)首先要解決的問(wèn)題

22、就是避免燃?xì)庑孤┖蜔煔庑孤ＷC做到燃?xì)?熱水器工作于燃燒狀態(tài)時(shí)煙道暢通；要嚴(yán)格控制燃?xì)忾y的開(kāi)閉；要做到控制器意外死 機(jī)后燃?xì)忾y能及時(shí)關(guān)閉等。其次要解決的安全性設(shè)計(jì)問(wèn)題是避免生活水和采暖水水溫 偏高，要保證水溫過(guò)高時(shí)控制器中斷加熱或停機(jī)報(bào)警。 （2）舒適性：舒適性即洗浴的舒適性，也就是要求對(duì)生活水出水溫度進(jìn)行良好的 控制。溫度控制是控制器設(shè)計(jì)的最重要的任務(wù)，控制器設(shè)計(jì)是否成功關(guān)鍵就是看它對(duì) 出水溫度的控制效果。 參照普通燃?xì)鉄崴鞯臉?biāo)準(zhǔn)，燃?xì)鉄崴魃钏疁囟瓤刂频闹笜?biāo)如下： a） 控溫精度：熱水器的實(shí)際出水溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)后與設(shè)定出水溫度相比較，其穩(wěn) 態(tài)誤差不大于1。 b） 初始加熱時(shí)間和超調(diào)量

23、：按 gb6932-94 之規(guī)定，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，將燃 氣熱水器的進(jìn)水量調(diào)至額定水流量，設(shè)定出水溫度為進(jìn)水溫度加上 20 ，燃?xì)鉄崴?從冷機(jī)開(kāi)始起動(dòng)加熱并將水加熱至設(shè)定溫度的時(shí)間不大于 20 秒，且燃?xì)鉄崴鞯某?水溫度的超調(diào)不大于 3。 c） 進(jìn)水量變化時(shí)的超調(diào)：按 gb6932-94 之規(guī)定，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，將燃?xì)?熱水器的進(jìn)水量調(diào)至額定水流量，在燃?xì)鉄崴鞯某鏊疁囟冗_(dá)到穩(wěn)定后，將燃?xì)鉄崴?器的進(jìn)水量瞬時(shí)變化20%時(shí)，燃?xì)鉄崴鞒鏊疁囟鹊某{(diào)不大于3 ；將燃?xì)鉄崴?器的進(jìn)水量瞬時(shí)下調(diào) 50%時(shí)，燃?xì)鉄崴鞒鏊疁囟鹊某{(diào)不大于 8。 從指標(biāo)可以看出，對(duì)生活水溫控制的“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”要求較

24、高。另外為了保證舒 適性，在進(jìn)水量不同的情況下也要求對(duì)生活水溫度進(jìn)行良好的控制，也就是要求控制 器的魯棒性要強(qiáng)。 （3）操作方便性：控制器對(duì)使用者是不可見(jiàn)的，他只有通過(guò)控制器的人機(jī)接口將 指令傳達(dá)給系統(tǒng)。操作的方便性就是力求設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便的流程來(lái)實(shí)現(xiàn)使用者設(shè)置工作方式、 設(shè)置洗浴、采暖溫度等操作，以達(dá)到雙功能燃?xì)鉄崴魇褂梅奖憧旖莸哪康摹?（4）成本：燃?xì)鉄崴髯罱K是要形成產(chǎn)品，進(jìn)入千家萬(wàn)戶使用。而成本是一個(gè)產(chǎn) 品必須考慮的，盡可能在滿足各方面要求的前提下降低成本是廠家追求的。作為整個(gè) 產(chǎn)品的一部分，控制器也必須盡量壓低成本，盡量做到用較小。 （5）功能要求：控制器的設(shè)計(jì)要體現(xiàn)出產(chǎn)品的智能化，除了要

25、實(shí)現(xiàn)生活水出水溫 度控制以外，它還要具有如下功能：提供人機(jī)交互用戶可以設(shè)置出水溫度；故障 報(bào)警等等。 2.2 方案設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì)的總體思路如下：首先通過(guò)鍵盤設(shè)定一個(gè)溫度值，然后通過(guò)溫度傳感器 采集溫度，與設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，如果溫度小于設(shè)定值，燃?xì)鉄崴鞅壤y開(kāi)度加大， 燃燒室煤氣濃度增加，燃燒室火力變大，水溫升高，當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定值時(shí)，則停止調(diào)節(jié) 比例閥，保持當(dāng)前設(shè)定值，設(shè)定的溫度和水溫通過(guò) lcd1602 顯示出來(lái)。當(dāng)水溫高于某臨 界溫度（如 70）時(shí)，報(bào)警器發(fā)出報(bào)警，同時(shí)燃?xì)鉄崴魍Ｖ构ぷ?。所以可以得出電?以單片機(jī)為核心，包括溫度設(shè)定按鍵模塊，lcd 顯示模塊，報(bào)警和輸出電路等模

26、塊組成。 燃?xì)鉄崴鳒囟瓤刂葡到y(tǒng)硬件部分按核心處理器、外圍電路和外部設(shè)備三部分來(lái) 進(jìn)行設(shè)計(jì)。核心處理器選用 atmel 公司生產(chǎn)的 89s51 系列單片機(jī)，該單片機(jī)功能強(qiáng)大， 資源豐富，運(yùn)算速度快，滿足我們溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。外圍電路設(shè)計(jì)必要的電 源電路，復(fù)位電路等。外部設(shè)備分為幾個(gè)部分加以設(shè)計(jì)：鍵盤輸入電路、lcd 顯示電路， 燃?xì)獗壤y控制電路，溫度采樣電路、外部看門狗電路及蜂鳴器報(bào)警電路。系統(tǒng)設(shè)計(jì) 了一路模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量輸入（熱水器出水口溫度） ；三開(kāi)關(guān)量輸入（溫度加一信號(hào)、溫 度減一信號(hào)、確定輸入信號(hào)） ；lcd 顯示部分分兩行顯示，第一行顯示設(shè)定的熱水溫度， 第二行顯示實(shí)際出水溫度

27、，顯示范圍為 099 度?？刂破饔布Y(jié)構(gòu)電路原理如圖 3.4 所示。 圖 3.4 硬件結(jié)構(gòu)原理圖 溫度設(shè)定電路。通過(guò)一個(gè)按鍵產(chǎn)生脈沖輸入單片機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)水溫的設(shè)定值。 溫度測(cè)定電路，采用溫度傳感器來(lái)測(cè)量溫度。 單片機(jī)，是整個(gè)電路的控制核心，實(shí)現(xiàn) pid 模糊控制。 lcd 液晶顯示電路，單片機(jī)通過(guò)液晶顯示溫度的設(shè)定值和實(shí)際測(cè)溫值。 比例閥控制電路，通過(guò)控制 dac0832 輸出大小不同的電流，控制比例閥的開(kāi) 度。 報(bào)警電路，當(dāng)實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，報(bào)警電路報(bào)警。 保護(hù)電路，當(dāng)出現(xiàn)干燒，溫度高于設(shè)定值等情況，自動(dòng)切斷電源，停止工作。 看門狗電路，用于單片機(jī)斷電保持和復(fù)位等。 2.3 系統(tǒng)性能指標(biāo)系

28、統(tǒng)性能指標(biāo) 1測(cè)溫范圍：099 因?yàn)楸豢貐?shù)是水，其工作狀態(tài)始終是液態(tài)，所以其工作溫度就是在 099之間， 單 片 機(jī) 溫度測(cè)定電路 溫度設(shè)定電路 燃?xì)獗壤y控 制電路 lcd 液晶顯示 電路 看門狗電路 保護(hù)電路安全報(bào)警電路 lcd 液晶顯示，其顯示數(shù)值范圍是 099，代表溫度范圍是 099。同時(shí)，根據(jù)多 年總結(jié)的控制經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)燃?xì)鉄崴魈幱谧罴压ぷ鳡顟B(tài)時(shí)，最適合溫度應(yīng)該穩(wěn)定工作在 40左右。 2設(shè)定溫度 用戶可以自行設(shè)定任何一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度數(shù)值，數(shù)字小鍵盤輸入、lcd 顯示，其 顯示數(shù)值范圍是 099，代表溫度范圍是 099。 3掉電數(shù)據(jù)保護(hù)和系統(tǒng)故障復(fù)位 利用看門狗（watchdog）電路

29、，具有掉電數(shù)據(jù)保護(hù)功能和系統(tǒng)故障復(fù)位功能。當(dāng) 系統(tǒng)突然失電時(shí)，可以利用看門狗中的 eeprom 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，將控制系統(tǒng)中的正在運(yùn) 算的數(shù)值和結(jié)果保存起來(lái)，當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)供電后，單片機(jī)再?gòu)目撮T狗中讀出這些數(shù)據(jù)， 從而保證了系統(tǒng)中臨時(shí)數(shù)據(jù)的安全。同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障死機(jī)或者程序跑飛進(jìn)入某 個(gè)死循環(huán)后，可以利用看門狗電路向單片機(jī)發(fā)出復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)重新開(kāi)始運(yùn)行。 4報(bào)警功能 當(dāng)溫度測(cè)量數(shù)值偏離設(shè)定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，以提醒用戶及時(shí)查明故障原 因和解決問(wèn)題。同時(shí)當(dāng)溫度調(diào)節(jié)到位也由蜂鳴器發(fā)聲，告知用戶溫度調(diào)節(jié)完畢，實(shí)現(xiàn) 智能化。 3 熱水器控制器系統(tǒng)分析熱水器控制器系統(tǒng)分析 3.1 燃?xì)鉄崴鞯南到y(tǒng)組成

30、與工作原理燃?xì)鉄崴鞯南到y(tǒng)組成與工作原理 燃?xì)鉄崴鹘Y(jié)構(gòu)上包括控制，供水與加熱，燃?xì)夤?yīng)與燃燒，供風(fēng)與排氣等多 個(gè)組成單元，圖 2.1 表示出了具體研究的燃?xì)鉄崴鞯慕Y(jié)構(gòu)。 圖 2.1 燃?xì)鉄崴骰窘Y(jié)構(gòu) 生活水回路，進(jìn)水一端接冷水，出水一端接洗浴裝置。冷水進(jìn)水端打開(kāi)以后，水的 壓力控制安全閥打開(kāi)，燃?xì)膺M(jìn)入噴嘴，同時(shí)電子打火裝置也開(kāi)始工作，燃?xì)忾_(kāi)始在燃 燒室內(nèi)燃燒，冷水經(jīng)過(guò)熱交換器變成熱水供人們使用。通過(guò)控制比例閥的大小可以控 制火力的大小從而控制水溫，由溫度傳感器反饋信息，通過(guò)單片機(jī)運(yùn)用 pid 編程處理 控制，達(dá)到水溫恒溫自動(dòng)控制。 3.2 燃?xì)鉄崴鞯臄?shù)字燃?xì)鉄崴鞯臄?shù)字 pid 溫度控

31、制溫度控制 pid 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 4.5.1 所示。系統(tǒng)由 pid 控制器和被控對(duì)象組成。 圖 4.5.1 pid 控制系統(tǒng)原理框圖 pid 控制器是一種線性控制器,一種它根據(jù)給定值 rin(t)與實(shí)際輸出值 yout(t)構(gòu) 成控制偏差： e(t)=rin(t)-yout(t) (4-1) pid 控制就是對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算后，形成一種控制規(guī)律。即， 控制器的輸出為： (4-2) t d p dt tdet dtte t tektu 0 1 )( )( 1 )()( 式中，比例系數(shù)；ti積分時(shí)間常數(shù)；微分時(shí)間常數(shù)。 p k d t 3.2.1 pid 算法控制的實(shí)現(xiàn)

32、由 51 單片機(jī)組成的數(shù)字控制系統(tǒng)控制中，pid 控制器是通過(guò) pid 控制算法實(shí)現(xiàn)的。 51 單片機(jī)通過(guò) ad 對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，變成數(shù)字信號(hào)，再在單片機(jī)中通過(guò)算法實(shí)現(xiàn) pid 運(yùn) 算，再通過(guò) da 把控制量反饋回控制源。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的伺服控制。 本文采用位置式 pid 控制算法具體如下 pid 位置算法受控對(duì)象 r r e + 一 uy 位置式 pid 控制算法的簡(jiǎn)化示意圖 上圖的傳遞函數(shù)為： （2-1） 在時(shí)域的傳遞函數(shù)表達(dá)式 （2-2） 對(duì)上式中的微分和積分進(jìn)行近似 （2-3） 式中 n 是離散點(diǎn)的個(gè)數(shù)。 于是傳遞函數(shù)可以簡(jiǎn)化為： （2-4） 其中 u(n)第 k 個(gè)采樣時(shí)刻的控制；

33、kp 比例放大系數(shù)； ki 積分放大系數(shù)； kd 微分放大系數(shù)； t 采樣周期。 如果采樣周期足夠小，則（2-4）的近似計(jì)算可以獲得足夠精確的結(jié)果，離散控制 過(guò)程與連續(xù)過(guò)程十分接近。 （2-4）表示的控制算法直接按（2-1）所給出的 pid 控制規(guī)律定義進(jìn)行計(jì)算的， 所以它給出了全部控制量的大小，因此被稱為全量式或位置式 pid 控制算法。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 1）由于全量輸出，所以每次輸出均與過(guò)去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí) e(k)(k=0,1,n)進(jìn) 行累加，工作量大。 2)因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的 u(n)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障， 輸出 u(n)將大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，

34、有可能因此造成嚴(yán)重的生產(chǎn) 事故，這在實(shí)際生產(chǎn)中是不允許的。 3.2.2 pid 控制器的參數(shù)整定 pid 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性 確定 pid 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 pid 控制器參數(shù)整定 的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué) 模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用， 還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)， 直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。 pid 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界

35、比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種 方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn) 行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最 后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 pid 控制器參數(shù) 的整定步驟如下： (1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； (2)僅加入 比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系 數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到 pid 控制器的參數(shù)。 在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。 對(duì)于溫度系統(tǒng)： p（%）20-60，

36、i（分）3-10，d（分）0.5-3 對(duì)于流量系統(tǒng)： p（%）40-100，i（分）0.1-1 對(duì)于壓力系統(tǒng)： p（%）30-70，i（分）0.4-3 對(duì)于液位系統(tǒng)： p（%）20-80，i（分）15 pid 參數(shù)整定過(guò)程很復(fù)雜，所以很難掌握，可按如下口訣進(jìn)行： 參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查 先是比例后積分，最后再把微分加 曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大 曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳 曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降 曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng) 曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái) 動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng) 理想曲線兩個(gè)波，前高后低 4 比 1 一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低 4 燃?xì)鉄?/p>

37、水器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)燃?xì)鉄崴飨到y(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 4.1 元器件的選擇元器件的選擇 4.1.1 單片機(jī)的選擇 （1）單片機(jī)芯片的選擇 mcs5 一 51 系列單片機(jī)及其兼容機(jī)在國(guó)內(nèi)擁有廣泛的用戶。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上， intel 公司生產(chǎn)的 mcs5 一 51 系列單片機(jī)已少見(jiàn)，代之以其它公司生產(chǎn)的 mcs 一 51 系列兼容單片機(jī)。 在 ateml 公司的系列產(chǎn)品中，常用的 at89c 系列單片機(jī)己經(jīng)停產(chǎn)，因此 at89s 系列單片機(jī)的價(jià)格比 at89c 系列單片機(jī)低，而且 at89s 系列單片機(jī)相對(duì)于 at89c 系列單片機(jī)新增不少功能，性能有了較大提升。at89s 系列單片機(jī)價(jià)格便宜、 性能可靠

38、，所以采用 at89s51 單片機(jī)作為處理芯片。 （2）單片機(jī)管腳使用的說(shuō)明 at89s51 是一個(gè)有 40 個(gè)引腳的芯片，引腳配置如圖 2-2 所示。與 8031 相比， at89s51 自帶 4k 的 rom 和 128b 的 ram，因此編寫中小型系統(tǒng)就無(wú)需任何硬件進(jìn)行 擴(kuò)展。 圖 2-2 at89s51 引腳配置 89s51 相對(duì)于 89c51 增加的新功能包括： - 新增加很多功能，性能有了較大提升，價(jià)格卻基本不變，甚至比 89c51 更低！ - isp 在線編程功能，這個(gè)功能的優(yōu)勢(shì)在于改寫單片機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的程序不需要把芯 片從工作環(huán)境中剝離。是一個(gè)強(qiáng)大易用的功能。 - 工作頻率為 3

39、3mhz，大家都知道 89c51 的極限工作頻率只有 24m，就是說(shuō) s51 具 有更高工作頻率，從而具有了更快的計(jì)算速度。 - 具有雙工 uart 串行通道。 - 內(nèi)部集成看門狗計(jì)時(shí)器，不再需要像 89c51 那樣外接看門狗計(jì)時(shí)器單元電路。 - 雙數(shù)據(jù)指示器。 - 電源關(guān)閉標(biāo)識(shí)。 - 全新的加密算法，這使得對(duì)于 89s51 的解密變?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大?強(qiáng)，這樣就可以有效的保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)不被侵犯。 - 兼容性方面：向下完全兼容 51 全部字系列產(chǎn)品。比如 8051、89c51 等等早期 mcs-51 兼容產(chǎn)品。也就是說(shuō)所有教科書(shū)、網(wǎng)絡(luò)教程上的程序（不論教科書(shū)上采用的 單片機(jī)是 8051

40、 還是 89c51 還是 mcs-51 等等） ，在 89s51 上一樣可以照常運(yùn)行，這 就是所謂的向下兼容。 4.1.2 顯示器件的選擇 顯示器件有液晶模塊、數(shù)碼管等等；液晶模塊又分為三類:數(shù)顯液晶模塊、點(diǎn)陣字 符液晶模塊、圖形液晶模塊。 數(shù)碼管雖然價(jià)格便宜，但數(shù)碼管里面的發(fā)光二極管基本上屬于電流敏感器件，其 正向壓降的分散性很大， 并且還與溫度有關(guān)，為了保證數(shù)碼管具有良好的亮度均勻度， 就需要使其具有恒定的工作電流，且不能受溫度及其它因素的影響。另外，當(dāng)溫度變 化時(shí)驅(qū)動(dòng)芯片還要能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電流 的大小以實(shí)現(xiàn)色差平衡溫度補(bǔ)償。即使是短 時(shí)間的電流過(guò)載也可能對(duì)發(fā)光管造成永久性的損壞。 顯示

41、包括設(shè)定溫度和實(shí)時(shí)溫度的顯示，并且要顯示4位，如果用數(shù)碼管則會(huì)占用單 片機(jī)太多的端口，那樣可能要進(jìn)行端口擴(kuò)展，這樣就要用到其它擴(kuò)展芯片，造成成本 的上升，并且數(shù)碼管容易受到干擾，特別是對(duì)溫度測(cè)量這種精度要求較高的顯示，容 易產(chǎn)生不穩(wěn)定，造成更大的誤差，所以決定選用功能強(qiáng)大不易受到干擾的液晶 lcd1602顯示。 （1）lcd1602a 液顯及其引腳說(shuō)明： 溫度顯示采用 lcd1602,以降低對(duì)單片機(jī)端口數(shù)的要求,同時(shí)也降低系統(tǒng)的功耗.時(shí) 間控制電路和鍵盤輸入,1602a 可以顯示 2 行 16 個(gè)字符，有 8 位數(shù)據(jù)總線 d0-d7，和 rs、r/w、en 三個(gè)控制端口，工作電壓為 5v，并且

42、帶有字符對(duì)比度調(diào)節(jié)和背光。 1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中: 第1腳：vss為地電源 第2腳：vdd接5v正電源 第3腳：v0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最 高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10k的電位器調(diào)整對(duì)比度 第4腳：rs為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。 第5腳：rw為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)rs和rw 共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)rs為低電平rw為高電平時(shí)可以讀忙 信號(hào)，當(dāng)rs為高電平rw為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。 第6腳：e端為使能端，當(dāng)e端由高電平跳變成

43、低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第714 腳：d0d7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 第1516腳：15腳接vcc，16接gnd,作背光用。 （2）lcd1602 的指令控制： 1602 液晶模塊內(nèi)部的控制器共有 11 條控制指令，如表 2-1 所示， 表 2-1 指令表 指令rsr/wd7d6d5d4d3d2d1d0 清顯示0000000001 光標(biāo)返回000000001 置輸入模式00000001i/ds 顯示開(kāi)/關(guān)控制0000001dcb 光標(biāo)或字符移位000001s/cr/l 置功能00001dlnf 置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址（agg） 置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址（

44、add） 讀忙標(biāo)志或地址01bf計(jì)數(shù)器地址（ac） 寫數(shù)到 cgram 或 ddram10要寫的數(shù) 從 cgram 或 ddram 讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù) 它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過(guò)指令編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 （說(shuō)明：1 為高電平、 0 為低電平） 指令 1：清顯示，指令碼 01h,光標(biāo)復(fù)位到地址 00h 位置 指令 2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址 00h 指令 3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 i/d：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移 s:屏幕 上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無(wú)效 指令 4：顯示開(kāi)關(guān)控制。 d：控制整體顯示的開(kāi)與關(guān)，高電平表示開(kāi)顯示，低電平表 示關(guān)顯示 c：控制

45、光標(biāo)的開(kāi)與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無(wú)光標(biāo) b：控制光 標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍 指令 5：光標(biāo)或顯示移位 s/c：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo) 指令 6：功能設(shè)置命令 dl：高電平時(shí)為 4 位總線，低電平時(shí)為 8 位總線 n：低電平 時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示 f: 低電平時(shí)顯示 5x7 的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示 5x10 的點(diǎn)陣字符 指令 7：字符發(fā)生器 ram 地址設(shè)置指令 8：ddram 地址設(shè)置 指令 9：讀忙信號(hào)和光標(biāo)地址 bf：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命 令 或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。 指令 10：寫數(shù)據(jù) 指令 11：讀數(shù)

46、據(jù) 4.1.3 數(shù)字溫度傳感器的選擇 采用集成器件 ds18b20，ds18b20 是 dallas 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感 器，具有 3 引腳 to92 小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為55125，可編程 為 9 位12 位 a/d 轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá) 0.0625，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生； 多個(gè) ds18b20 可以并聯(lián)到 3 根或 2 根線上，cpu 只需一根端口線就能與諸多 ds18b20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點(diǎn) 使 ds18b20 非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫

47、度檢測(cè)系統(tǒng)。 ds18b20 數(shù)字溫度計(jì)是 dallas 公司生產(chǎn)的 1wire，即單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單， 體積小的特點(diǎn)。因此用它來(lái)組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單，在一根通信線，可以 掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。 1、ds18b20 產(chǎn)品的特點(diǎn) （1） 、只要求一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信。 （2） 、在 ds18b20 中的每個(gè)器件上都有獨(dú)一無(wú)二的序列號(hào)。 （3） 、實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。 （4） 、測(cè)量溫度范圍在55。c 到125。c 之間。 （5） 、數(shù)字溫度計(jì)的分辨率用戶可以從 9 位到 12 位選擇。 （6） 、內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。 2 2、ds18b

48、20ds18b20 的引腳介紹的引腳介紹 to92 封裝的 ds18b20 的引腳排列見(jiàn)圖 1，其引腳功能描述見(jiàn)表 1。 （底視圖）圖 1 表 1ds18b20 詳細(xì)引腳功能描述 序 號(hào) 名稱引腳功能描述 1gnd 地信號(hào) 2dq 數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開(kāi)漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源 下，也可以向器件提供電源。 3vdd 可選擇的 vdd 引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。 3 3ds18b20ds18b20 的使用方法的使用方法 由于 ds18b20 采用的是 1wire 總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳 輸，而對(duì) at89s51 單片機(jī)來(lái)說(shuō)，硬件上并不支持單總線協(xié)

49、議，因此，我們必須采用軟 件的方法來(lái)模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來(lái)完成對(duì) ds18b20 芯片的訪問(wèn)。 由于 ds18b20 是在一根 i/o 線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序 要求。ds18b20 有嚴(yán)格的通信協(xié)議來(lái)保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義 了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備， 單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開(kāi)始， 如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。 數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 ds18b20 的復(fù)位時(shí)序 ds18b20 的讀時(shí)序 對(duì)于 ds

50、18b20 的讀時(shí)序分為讀 0 時(shí)序和讀 1 時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。 對(duì)于 ds18b20 的讀時(shí)序是從主機(jī)把單總線拉低之后，在 15 秒之內(nèi)就得釋放單總線， 以讓 ds18b20 把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。ds18b20 在完成一個(gè)讀時(shí)序過(guò)程，至少需要 60us 才能完成。 ds18b20 的寫時(shí)序 對(duì)于 ds18b20 的寫時(shí)序仍然分為寫 0 時(shí)序和寫 1 時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。 對(duì)于 ds18b20 寫 0 時(shí)序和寫 1 時(shí)序的要求不同，當(dāng)要寫 0 時(shí)序時(shí)，單總線要被拉 低至少 60us，保證 ds18b20 能夠在 15us 到 45us 之間能夠正確地采樣 io 總線上的 “0”電平，當(dāng)要寫 1 時(shí)序時(shí)

51、，單總線被拉低之后，在 15us 之內(nèi)就得釋放單總線。 4.1.4 d/a 數(shù)模轉(zhuǎn)換的選擇 dac0832 是采樣頻率為八位的 d/a 轉(zhuǎn)換芯片，集成電路內(nèi)有兩級(jí)輸入寄存器，使 dac0832 芯片具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如 要求多路 d/a 異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等)。 一個(gè) 8 位 d/a 轉(zhuǎn)換器有 8 個(gè)輸入端（其中每個(gè)輸入端是 8 位二進(jìn)制數(shù)的一位），有 一個(gè)模擬輸出端。輸入可有 28=256 個(gè)不同的二進(jìn)制組態(tài)，輸出為 256 個(gè)電壓之一，即 輸出電壓不是整個(gè)電壓范圍內(nèi)任意值，而只能是 256 個(gè)可能值。圖 4-83 是 dac0832 的 邏輯框圖

52、和引腳排列。 圖 4-83 d/a 轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。若需要相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，可通過(guò)一個(gè)高輸入 阻抗的線性運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。運(yùn)放的反饋電阻可通過(guò) rfb 端引用片內(nèi)固有電阻，也可 外接。dac0832 邏輯輸入滿足 ttl 電平，可直接與 ttl 電路或微機(jī)電路連接。 dac0832 引腳功能說(shuō)明： di0di7：數(shù)據(jù)輸入線，tll 電平。 ile：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效。 cs：片選信號(hào)輸入線，低電平有效。 wr1：為輸入寄存器的寫選通信號(hào)。 xfer：數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)輸入線，低電平有效。 wr2：為 dac 寄存器寫選通輸入線。 iout1:電流輸出線。當(dāng)輸入全為

53、1 時(shí) iout1 最大。 iout2: 電流輸出線。其值與 iout1 之和為一常數(shù)。 rfb:反饋信號(hào)輸入線,芯片內(nèi)部有反饋電阻. vcc:電源輸入線 (+5v+15v) vref:基準(zhǔn)電壓輸入線 (-10v+10v) agnd:模擬地,摸擬信號(hào)和基準(zhǔn)電源的參考地. dgnd:數(shù)字地,兩種地線在基準(zhǔn)電源處共地比較好. 采用 adc0809 實(shí)現(xiàn) a/d 轉(zhuǎn)換。 （一） d/a 轉(zhuǎn)換器 dac0832 dac0832 是采用cmos工藝制成的單片直流輸出型 8 位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。如圖 4-82 所示， 它由倒t型r-2r電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開(kāi)關(guān)、運(yùn)算放大器和參考電壓vref四大部分組成。運(yùn)算 放大器

54、輸出的模擬量v0 為： 圖 4-82 由上式可見(jiàn)，輸出的模擬量 與輸入的數(shù)字量（ ） 成正比， 這就實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。 4.1.5 比例閥的選擇 燃?xì)獗壤y是一種可動(dòng)永磁式的電磁比例閥系統(tǒng)，它可根據(jù)電腦控制器輸出電流的 大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)閥口的開(kāi)度，對(duì)燃?xì)饬髁坎粩嗟剡M(jìn)行細(xì)微的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，使熱水器的出 水溫度可無(wú)級(jí)設(shè)定；另外在比例閥輸入電流不變的條件下，閥口開(kāi)度可隨輸入壓力變 化而自動(dòng)調(diào)整，保證輸出口壓力穩(wěn)定，使熱水器所設(shè)定的出水溫度保持恒定。該比例 閥還具有結(jié)構(gòu)緊湊，性能可靠，調(diào)節(jié)靈敏等優(yōu)點(diǎn)。適用于恒溫?zé)崴鞯热細(xì)庠O(shè)備 a：結(jié)構(gòu)及工作原理介紹 該閥由開(kāi)關(guān)閥、比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)三大部分

55、組成： a、開(kāi)關(guān)閥：如上圖所示,它是一個(gè)通斷型電磁閥，根據(jù)控制器的電信號(hào)來(lái)打開(kāi)或關(guān) 閉閥口。 b、比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)：主要由電磁系統(tǒng)、永磁體、球閥組件構(gòu)成。當(dāng)線圈得到控制電 流時(shí),在磁芯的下端面產(chǎn)生與永磁體端面極性相同的電磁場(chǎng)力，按同性相斥的原理，二 者產(chǎn)生排斥力，推動(dòng)永磁體及球閥下移，與橡膠閥口之間形成相應(yīng)的開(kāi)度。電流增加 時(shí)磁芯磁場(chǎng)增加，推開(kāi)永磁體的力增大，閥口開(kāi)度增大；電流減小時(shí)磁芯磁場(chǎng)減小， 推開(kāi)永磁體的力減小，閥口開(kāi)度減小。這樣控制器可通過(guò)水溫反饋信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)電流 來(lái)自動(dòng)控制燃?xì)饬髁?，從而達(dá)到調(diào)控水溫、穩(wěn)定水溫的目的。 當(dāng)線圈斷電時(shí)電磁力消失，永磁力使永磁體吸向磁芯，球閥上移關(guān)閉閥口；在斷

56、電狀 態(tài)下永磁體始終吸向磁芯，對(duì)球閥產(chǎn)生恒定拉力，使該閥口具有良好的密封效果。 c、穩(wěn)壓系統(tǒng)：當(dāng)電流按設(shè)定溫度值確定后，磁場(chǎng)力可視為一個(gè)恒定作用力。輸入 壓力升高，膜片受力增大向上位移，使閥口開(kāi)度減??；輸入壓力下降，膜片受力減小 向下位移，使閥口開(kāi)度增大。這樣一來(lái)保證了輸出壓力的穩(wěn)定，使燃燒工況始終保持 所需狀態(tài)。 根據(jù)溫度傳感器傳給控制板的數(shù)據(jù)，由單片機(jī)發(fā)出指令，自動(dòng)控制火力的大小，從 而達(dá)到水溫的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制。 4.1.6 風(fēng)機(jī)的選擇 選擇強(qiáng)排式燃?xì)鉄崴黠L(fēng)機(jī)： 一、設(shè)計(jì)上根據(jù)不同的燃?xì)庥脧?qiáng)排式熱水器的要求，采用氣動(dòng)力學(xué)與氣動(dòng)聲學(xué)優(yōu)化 組合的原理，最大限度發(fā)揮多翼式風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)，使整機(jī)具有

57、流量大，風(fēng)壓適中，噪聲 低的卓越優(yōu)點(diǎn)。 二、風(fēng)機(jī)外殼采用優(yōu)質(zhì)鋼板制作并表面處理，外形及安裝可依據(jù)不同配套廠家定 做，從而保證與整機(jī)協(xié)調(diào)統(tǒng)一、美觀，安裝靈活方便。 三、葉輪采用鋁合金整體制作或鉚合而成,并經(jīng)嚴(yán)格靜、動(dòng)平衡校正，因些振動(dòng)極 小。 四、電機(jī)配套軸承采用日本 nsk、ntk 軸承，質(zhì)量可靠，經(jīng)久耐用. 五、相關(guān)風(fēng)機(jī)性能參數(shù)：(參考值)電壓：ac220v 頻率：50hz 轉(zhuǎn)速：2750r/min 輸 入功率：25+10%w 風(fēng)量：1.3m/min 負(fù)壓：180pa(也可設(shè)置正壓）。 4.1.7 水汽聯(lián)動(dòng)裝置的選擇 水氣聯(lián)動(dòng)裝置（俗稱水氣聯(lián)動(dòng)閥）包括水控裝置和氣控裝置，工作原理就是檢測(cè)到

58、足夠的沖擊水壓時(shí)，啟動(dòng)燃?xì)鈾C(jī)械開(kāi)關(guān)（草帽墊），接通電路（一般為微動(dòng)開(kāi)關(guān)）， 進(jìn)而啟動(dòng)脈沖點(diǎn)火器和電磁閥以及電機(jī)。水控裝置是控制水流量的裝置，又稱水溫調(diào) 節(jié)閥；氣控裝置由氣閥組件組成，控制燃?xì)獾膯㈤]和燃?xì)饬髁浚址Q火力調(diào)節(jié)閥。水 氣聯(lián)動(dòng)裝置主要部件有：進(jìn)氣口、瀉壓閥桿、錐形管、鼓膜、水溫調(diào)節(jié)閥、頂桿、微 動(dòng)開(kāi)關(guān)、火力調(diào)節(jié)閥、電磁閥、進(jìn)氣口等。 水氣聯(lián)動(dòng)裝置的作用是保證在水壓足夠且被引進(jìn)熱交換器流動(dòng)時(shí)，燃?xì)庵崎y門才能 打開(kāi)。而當(dāng)水流停止或壓力不足時(shí)，自動(dòng)切斷燃?xì)獾墓馔罚乐挂蛉彼鵁龎脑O(shè) 備。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是檢測(cè)到足夠的沖擊水壓時(shí)，啟動(dòng)燃?xì)鈾C(jī)械開(kāi)關(guān)（草帽墊），接通電 路（一般為微動(dòng)開(kāi)關(guān)），進(jìn)而

59、啟動(dòng)脈沖點(diǎn)火器和電磁閥以及電機(jī)。 現(xiàn)在常用的水氣聯(lián)動(dòng)裝置主要有兩種：一種是壓力式，另一種是壓差式。 1、壓差式：采用薄膜兩側(cè)水的壓力差的原理。它的輸水管設(shè)置了節(jié)流孔（文氏管） ，當(dāng)水流過(guò)節(jié)流孔時(shí)，在薄膜的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，由壓力差來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉燃?xì)忾y瓣。 由于節(jié)流孔的內(nèi)徑是固定的，所以在單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)節(jié)流孔的水越多，則經(jīng)過(guò)節(jié)流孔 時(shí)水的流速就越快，根據(jù)伯努利原理，節(jié)流孔兩側(cè)所生產(chǎn)的壓力差就越大，由閥桿控 制閥瓣，使閥口開(kāi)啟的程度隨之加大。這樣就保證了在熱水器的熱負(fù)荷范圍之內(nèi)，熱 水溫度保持基本穩(wěn)定，不至于忽冷忽熱。當(dāng)水閥關(guān)閉，水停止流動(dòng)時(shí)，薄膜兩側(cè)的壓 力差消失，閥瓣在彈簧的作用下復(fù)位，切斷了主燃

60、燒器的供氣，主燃燒器熄火（此時(shí) 如有小火燃燒器則保持原來(lái)的燃燒狀態(tài)）。壓差式水氣聯(lián)動(dòng)閥既可用于前制式，又可 用于后制式。（本文用壓差式） 2、干簧管（或霍爾）式：采用磁鋼感應(yīng)干簧管（霍爾開(kāi)關(guān)）。熱水器進(jìn)水管內(nèi)安 裝磁鋼，打開(kāi)水閥水流量達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，磁鋼轉(zhuǎn)過(guò)感應(yīng)點(diǎn)，干簧管就閉合，控制電路 接通，燃?xì)忾y門打開(kāi)，熱水器燃燒。 4.1.8 變壓器的選擇 變壓器主要是將 220v 變壓成燃?xì)鉄崴髦懈鱾€(gè)系統(tǒng)所需要的電壓，可以買伊戈?duì)?電氣公司的產(chǎn)品，質(zhì)量和功能都能滿足多電源提供的要求。 4.2 硬件電路的設(shè)計(jì)硬件電路的設(shè)計(jì) 4.2.1 主控制電路的設(shè)計(jì) 主控制電路由看門狗復(fù)位電路、晶振電路、led 燈顯