熱水器水溫控制器設(shè)計1

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)單片機原理及接口技術(shù)課程設(shè)計（論文）題目： 熱水器水溫控制器設(shè)計 院（系）： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 電氣工程及其自動化 學(xué) 號： 111902011 學(xué)生姓名： 吳小強 指導(dǎo)教師： 孟德威 起止時間： 課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室： 學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)班級課程設(shè)計（論文）題目熱水器水溫控制器設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務(wù)其功能是實時檢控水的溫度，將水的溫度控制在允許范圍內(nèi)（070），溫度可由使用者可任意設(shè)定并顯示。使用電阻絲加熱，加熱功率1kW。主要設(shè)計內(nèi)容：硬件電路設(shè)計：1. CPU最小系統(tǒng)設(shè)計（包括CPU選擇，晶振電路，復(fù)位電路）2. 溫度傳

2、感器選擇及接口電路設(shè)計3. 顯示電路及控制電路設(shè)計4. 電源設(shè)計軟件設(shè)計：1.編程程序流程圖2.程序編寫進度計劃第1天 查閱收集資料第2天 總體設(shè)計方案的確定第4天 CPU最小系統(tǒng)設(shè)計第5天 溫度傳感器選擇及接口電路設(shè)計第6天顯示電路及控制電路設(shè)計第7天 程序流程圖設(shè)計第8天 軟件編寫與調(diào)試第9天 設(shè)計說明書完成第10天 答辯指導(dǎo)教師評語及成績 平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要隨著微機測量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以單片機為核心的溫度采集與控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用在很大程度上提高了生產(chǎn)生活中對

3、溫度的控制水平。本設(shè)計設(shè)計了一套熱水器水溫控制器系統(tǒng)，能實現(xiàn)在070范圍內(nèi)設(shè)定控制溫度，且70時高溫報警，十進制數(shù)碼管顯示溫度，在PC機上顯示溫度曲線等功能，并具有較快響應(yīng)與較小的超調(diào)。整個系統(tǒng)核心為51單片機，包括傳感器，按鍵輸入電路，LED顯示電路，上位機通信電路以及控制加熱器的繼電器驅(qū)動電路。利用ADC0809的8位精度的A/D轉(zhuǎn)換器，完成對水溫的實時采樣與模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過數(shù)字濾波消除系統(tǒng)干擾，并對溫度值進行運算處理，以調(diào)節(jié)加熱功率大小。同時在下位機上通過數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度，通過USB接口傳送信息至上位機，可以直接在PC端，觀察溫度的變化曲線，并根據(jù)需要進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和處理，由此完成對

4、水溫的采樣和控制其功能是實時檢控水的溫度，將水的溫度控制在允許范圍內(nèi)（070），溫度可由使用者可任意設(shè)定并顯示。使用電阻絲加熱，加熱功率1kW。簡述了設(shè)計中各單元電路的工作原理。關(guān)鍵詞：單片機；溫度控制；A/D轉(zhuǎn)換器目 錄第1章 緒論41.1 熱水器水溫控制器概況41.2 本文研究內(nèi)容4第2章 CPU最小系統(tǒng)設(shè)計52.1 熱水器水溫控制器總體設(shè)計方案52.2 CPU的選擇62.3 數(shù)據(jù)存儲器擴展32.4 復(fù)位電路設(shè)計72.5 時鐘電路設(shè)計72.6 CPU最小系統(tǒng)圖8第3章 熱水器水溫控制器輸入輸出接口電路設(shè)計103.1 熱水器水溫控制器傳感器的選擇103.2 熱水器水溫控制器檢測接口電路設(shè)計1

5、03.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器選擇113.2.2 模擬量檢測接口電路圖113.3 熱水器水溫顯示輸出接口電路設(shè)計123.4 人機對話接口電路設(shè)計4第4章 熱水器水溫控制器軟件設(shè)計134.1 軟件實現(xiàn)功能綜述134.2 流程圖設(shè)計14第5章 系統(tǒng)設(shè)計與分析165.1 系統(tǒng)原理圖165.2 系統(tǒng)原理綜述17第6章 課程設(shè)計總結(jié)18參考文獻19第1章 緒論1.1 熱水器水溫控制器概況熱水器水溫控制器應(yīng)用于熱水器的溫度控制，功能是實時監(jiān)控水的溫度，將水的溫度控制在允許范圍內(nèi)（070）溫度可由使用者任意設(shè)定，低于設(shè)定值時啟動加熱裝置，當(dāng)?shù)竭_(dá)所設(shè)定值時，停止加熱。主要研究單片機的數(shù)據(jù)處理功能，以及實時的采集的

6、及時性，對于51單片機可以有更好更高的了解及應(yīng)用，對以后的工作研發(fā)或是現(xiàn)場控制有著基本的要求。1.2 本文研究內(nèi)容設(shè)計一個熱水器水溫控制器實時監(jiān)控水的溫度，將水的溫度控制在允許范圍內(nèi)（070），溫度可由使用者可任意設(shè)定并顯示。使用電阻絲加熱，加熱功率1kW。硬件電路設(shè)計：1. CPU最小系統(tǒng)設(shè)計（包括CPU選擇，晶振電路，復(fù)位電路）2. 溫度傳感器選擇及接口電路設(shè)計3. 顯示電路及控制電路設(shè)計4. 繼電器控制部分5. 按鍵電路6. 報警部分軟件設(shè)計：1.編程程序流程圖第2章 CPU最小系統(tǒng)設(shè)計2.1 熱水器水溫控制器總體設(shè)計方案復(fù)位電路 單片機AT89C51LED數(shù)碼顯示報警裝置加熱裝置溫度傳

7、感器圖2.1 過程層原理框圖因為80C51單片機內(nèi)部自帶8K的ROM和256字節(jié)的RAM，因此不必構(gòu)建單片機系統(tǒng)的擴展電路。單片機的最小系統(tǒng)設(shè)計包括單片機的選擇、時鐘電路設(shè)計和復(fù)位電路設(shè)計如圖2.1所示。1單片機選擇由于系統(tǒng)屬于小型，對于精度和速度方面上都不是有著太高的要求所以選擇51系列單片機即可實現(xiàn)課設(shè)所要求的目的，對于信息期間的普及化和小型化，產(chǎn)業(yè)化，其價格是日益降低，所以選擇AT89C51單片機，其優(yōu)點：有一得性能價格比，集成度高、體積小、有很高的可靠性、控制功能強大、低功耗、低電壓、便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品、2時鐘電路設(shè)計51單片機時鐘信號可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。內(nèi)

8、部有一個高增益反向放大放大器，用于構(gòu)成片內(nèi)振蕩器，引腳XTALI和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。在XTALI和XTAL2兩端跨接警惕或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部的時鐘發(fā)生器，振蕩器的頻率范圍024MHz。為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定可靠地工作，諧振器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機芯片靠近。外部時鐘用于特殊的環(huán)境所以不予考慮及介紹。3復(fù)位電路設(shè)計復(fù)位操作可以使單片機初始化，也可以使死機狀態(tài)下的單片機重新啟動，因此非常重要。單片機的復(fù)位都是靠外部復(fù)位電路來實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的RESET引腳出現(xiàn)24個時鐘振蕩脈沖（兩個機器周

9、期）以上的高電平，單片機就能實現(xiàn)復(fù)位。為了保證系統(tǒng)可靠復(fù)位，在設(shè)計復(fù)位電路時，一般使RESET引腳保持10ms以上的高電平，單片機便可以可靠地復(fù)位。采用上電復(fù)位電路和按鍵脈沖復(fù)位結(jié)合的方式。2.2 CPU的選擇本設(shè)計采用Intel公司生產(chǎn)的AT89C51單片機（如圖2.2），AT89C51是一種低功耗，高性能的單片機，性價比非常高，采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，89C51單片機的最大特點是在片內(nèi)有Flash存儲器，F(xiàn)lash存儲器是一種可以電擦除和電寫入的閃速存儲器（簡記Flash ROM），讀寫方便。因此得到廣泛應(yīng)用。 圖2.2 AT89C51單片機 2.3數(shù)據(jù)存儲器擴展89

10、C-51型單片機片內(nèi)有128B的RAM，在實際應(yīng)用中僅靠這256B的數(shù)據(jù)存儲器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。這種情況下可利用MCS-51單片機所具有的擴展功能擴展外部數(shù)據(jù)存儲器。MCS-51系列單片機最大可擴展64KB。6264是8K×8位靜態(tài)隨機存儲器，采用CMOS工藝制造，單一+5V電源供電，額定功率200mW，典型存取時間200ns，為28線雙列直插式封裝。圖2.3 6264引腳圖6264的特性及引腳信號 6264的容量為8KB，是28引腳雙列直插式芯片，采用CMOS工藝制造A12A0：地址線，可尋址8KB的存儲空間。D7D0：數(shù)據(jù)線，雙向，三態(tài)。 ：讀出允許信號，輸入，低電平有效。 ：寫允許

11、信號，輸入，低電平有效。CE1：片選信號1，輸入，在讀/寫方式時為低電平。 CE2：片選信號2，輸入，在讀/寫方式時為高電平。 VCC：+5V工作電壓。GND：信號地。 6264的操作方式 6264的操作方式由CE1、CE2的共同作用決定2.4復(fù)位電路設(shè)計復(fù)位操作可以使單片機初始化，也可以使死機狀態(tài)下的單片機從新啟動，因此非常重要（如圖2.4）。單片機的復(fù)位都是靠外部復(fù)位電路來實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的RESET引腳上出現(xiàn)兩個機械周期以上的高電平，單片機就能實現(xiàn)復(fù)位。為了保證系統(tǒng)可靠的復(fù)位，在設(shè)計復(fù)位電路時，一般使RESET引腳保持10ms以上的高電平，單片機便可以可靠的復(fù)位。圖

12、2.4 復(fù)位電路復(fù)位電路中電阻電容的值是根據(jù)復(fù)位信號的有效脈沖的寬度來計算電容電阻的取值的，也就是說，假設(shè)，單片機高電平復(fù)位，而高電平至少要持續(xù)10ms才有效，就要根據(jù)這個時間來設(shè)置電容電阻的值。 假設(shè)高電平復(fù)位有效，一充一放周期是1.386*RC，舍去充放過程中較低的電平，一般的單片機復(fù)位脈沖寬度取值：大概為（0.71）RC ，其周期為復(fù)位脈沖寬度的倒數(shù)，因此可以根據(jù)周期確定相應(yīng)的電容電阻值。其中R1可以為0，因為R1的作用是為了防止電流過大，保護電路。2.5時鐘電路設(shè)計計算機在工作時，是統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下一拍一拍的進行的。這個脈沖是有單片機控制器中的時序電路發(fā)出的。時鐘電路用與產(chǎn)生單片機

13、工作所需要的時鐘信號。時鐘信號可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘發(fā)方式。本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式（如圖2.5）。在AT89C51內(nèi)部有一個高增益反向放大器，用于構(gòu)成片內(nèi)振蕩器，引腳XTSL1和XTAL2分別是此放大器的輸入和輸出端。在XTSL1和XTAL2；兩端接一個晶振，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其輸出的脈沖直接送進內(nèi)部時鐘發(fā)生器。電容C1和C2通常選擇20uf左右，可穩(wěn)定頻率并對振蕩頻率有微調(diào)的作用，輸出震蕩范圍是024MHZ。 圖2.5 時鐘電路2.6CPU最小系統(tǒng)圖CPU最小系統(tǒng)是單片機運行工作起來所必需的最基本電路組成。它包括電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路（如圖2.6）。1.電源

14、電路：向單片機供電。其中VCC接+3V，GND接地。AT89S52單片機的工作電壓范圍為4V5.5V，所以通常外接5V直流電源。2.時鐘電路：又稱為振蕩電路，是單片機工作的時間基準(zhǔn)，決定單片機工作速度。3.復(fù)位電路:確定單片機工作的初始狀態(tài)，完成單片機的啟動過程。圖2.6 CPU最小系統(tǒng)第3章 熱水器水溫控制器輸入輸出接口電路設(shè)計3.1 熱水器水溫控制器傳感器的選擇熱電阻傳感器主要用于測量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù),在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛用于測量-200+500范圍內(nèi)的溫度.按照熱電阻的熱度不同,熱電阻可以分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩類,前者稱為熱電阻,后者稱為熱敏電阻。以熱電阻或熱敏電阻為主要器件

15、制成的傳感器稱為熱電阻傳感器或熱敏電阻傳感器。根據(jù)本設(shè)計中所需要測量的溫度范圍、敏感度、精確度以及考慮其經(jīng)濟性，熱敏電阻傳感器為最合適的測溫元件。3.2 熱水器水溫控制器檢測接口電路設(shè)計熱敏電阻接口變換是最佳的線性化設(shè)計，最關(guān)鍵問題是擬合直線的選擇方法問題。選擇擬合直線方法不同，設(shè)計的方法也不同，測量的精度不同。本設(shè)計采用的是熱敏電阻電橋接口變換，熱敏電阻電橋與運放級聯(lián)電路 圖3.2 電橋與運放級聯(lián)3.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器選擇A/D轉(zhuǎn)換接口是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集前向通道的一個重要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集是在模擬信號源中采集信號,并將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入計算機的過程。因此,完成數(shù)據(jù)采集應(yīng)具備下述基本部件:模擬多路

16、轉(zhuǎn)換開關(guān)和信號調(diào)節(jié)電路,采樣/保持放大器,模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器,通道控制電路?；谝陨媳容^，綜合性價比，選擇8為主次逼近式AD轉(zhuǎn)換器：ADC0809 ADC0804ADC0809的功能是將輸入模擬量轉(zhuǎn)換為與其成正比例的數(shù)字量,它具有8路模擬輸入端口,地址線可決定對哪一路模擬輸入做AD轉(zhuǎn)換.ADC0804的功能與ADC0809基本相同，不同點在于它有一路輸入。對于本設(shè)計的要求是有一路的輸入信號，所以從性價比的方面考慮選擇ADC0804更優(yōu)。 3.2.2 模擬量檢測接口電路圖圖3.2 模擬量檢測接口電路3.3 熱水器水溫顯示輸出接口電路設(shè)計圖3.3 熱水器水溫顯示輸出接口電路3.4人機對話接

17、口電路設(shè)計顯示接口電路設(shè)計顯示電路如圖3.3所示。LED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件。這種顯示塊有共陰極和共陽極兩種。共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管共地。 圖3.4 顯示電路原理圖當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮；本設(shè)計選用的顯示塊是共陰極的LED（共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管陰極接地，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮）。將單片機I/O口的8位線與顯示塊的發(fā)光二極管的引出端（adp）相連，共陰極低電平有效，選通有效后8位并行輸出口輸出不同的數(shù)據(jù)就點亮相應(yīng)的發(fā)光二極管，獲得不同的數(shù)字或字符。第4章 熱水器水溫控制器軟件設(shè)計4.1 軟件實現(xiàn)功能綜述本系統(tǒng)

18、上電后數(shù)碼管顯示當(dāng)前測量溫度，此時加熱指示燈和保溫指示燈均不點亮；若此時按“自動加熱”鍵，則單片機自動將預(yù)加熱溫度設(shè)置為70并開始加熱，送出一個加熱信號，并點亮加熱指示燈；若按“溫度設(shè)置”鍵，則進入預(yù)加熱溫度設(shè)置界面，此時數(shù)碼管閃爍顯示預(yù)設(shè)置溫度，此時通過按鍵“”和“”進行設(shè)置溫度，預(yù)設(shè)置溫度按“5”遞增或遞減，設(shè)置好溫度后再按一次“溫度設(shè)置”鍵確定，單片機保存預(yù)設(shè)置溫度，并開始加熱。此時單片機通過數(shù)碼管顯示實時檢測的溫度并和預(yù)設(shè)置溫度進行對比，如果實測溫度大于或等于預(yù)設(shè)置溫度，則單片機發(fā)出停止加熱信號并熄滅加熱指示燈，點亮保溫指示燈，且當(dāng)超過預(yù)設(shè)溫度時發(fā)出報警；當(dāng)溫度下降到預(yù)設(shè)置溫度以下5度

19、時，單片機再次發(fā)出加熱信號，同時熄滅保溫指示燈，點亮加熱指示燈，依次循環(huán)控制。4.2 流程圖設(shè)計1.主程序流程圖設(shè)計 開始 初始化 讀D18B20溫度轉(zhuǎn)換顯示溫度N設(shè)置溫度自動加熱NNYY設(shè)置完成溫度-溫度+加熱溫度設(shè)置70°CY預(yù)設(shè)溫度-5預(yù)設(shè)溫度+5 2.讀取溫度DS18B20模塊的流程開始 初始化NDS18B2存在嗎 YROM操作命令存儲操作命令讀取溫度值返回3.模擬量檢測流程圖設(shè)計啟動采樣延時等待轉(zhuǎn)換結(jié)束讀取采樣電壓結(jié)束將電壓結(jié)果經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)單片機開始第5章 系統(tǒng)設(shè)計與分析5.1 系統(tǒng)原理圖圖5.1 系統(tǒng)原理圖5.2 系統(tǒng)原理綜述熱水器水溫控制器系統(tǒng)原理：在070可

20、控范圍內(nèi)控制溫度，整個系統(tǒng)核心用51單片機，包括傳感器，按鍵輸入電路，上位機通信電路以及控制加熱器的繼電器驅(qū)動電路。利用ADC0809的8位精度的A/D轉(zhuǎn)換器，完成對水溫的實時采樣與模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過數(shù)字濾波消除系統(tǒng)干擾，并對溫度值進行運算處理，以調(diào)節(jié)加熱功率大小。同時在下位機上通過數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度，通過USB接口傳送信息至上位機，直接在PC端觀察溫度的變化曲線，并根據(jù)需要進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和處理，由此完成對水溫的采樣和控制其功能是實時檢控水的溫度。第6章 課程設(shè)計總結(jié)本設(shè)計是利用一個單片機對熱水器進行自動控制的典型應(yīng)用，并且能夠?qū)崟r顯示水溫和設(shè)定的溫度。 設(shè)計主要內(nèi)容是熱水器水溫參數(shù)電路設(shè)計，輸出控制電路設(shè)計，單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計，軟件設(shè)計。預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)是對熱水器的水溫進行檢測，將檢測的結(jié)果進行A/D轉(zhuǎn)換處理后輸入單片機，將溫度進行顯示，根據(jù)運行時間，輸出控制信號對現(xiàn)場溫度進行實時控制，能在溫度異常情況實現(xiàn)報警等功能。在元器件選擇上盡量做到使硬件電路簡單,力求整個系統(tǒng)