電熱水器恒溫控制器的設(shè)計

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 微型計算機控制技術(shù)微型計算機控制技術(shù) 課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文）題目：題目： 電熱水器恒溫控制器的設(shè)計電熱水器恒溫控制器的設(shè)計 院（系）：院（系）： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 自動化自動化1010 學(xué)學(xué) 號：號： 王國兵王國兵 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 100302058100302058 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字）起止時間：起止時間： 2013.12.30-2013.1.10 本科生課程設(shè)計（論文）I課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：自動化 學(xué) 號100302058學(xué)生姓名王國兵

2、專業(yè)班級自動化102課程設(shè)計（論文）題目電熱水器恒溫控制器的設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務(wù)課題完成的功能、設(shè)計任務(wù)及要求、技術(shù)參數(shù)課題完成的功能、設(shè)計任務(wù)及要求、技術(shù)參數(shù)實現(xiàn)功能實現(xiàn)功能采用單片機作為控制器，由溫度傳感器、信號放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器采集溫度，與設(shè)定值進行比較，經(jīng)過PID算法得到控制器的輸出，控制加熱裝置，并用兩位LED顯示溫度。被控對象為sesTK100，仿真研究時用15 . 0211ss近似。設(shè)計任務(wù)及要求設(shè)計任務(wù)及要求1、確定系統(tǒng)設(shè)計方案，包括單片機的選擇，輸入輸出通道，鍵盤顯示電路；2、建立被控對象的數(shù)學(xué)模型；3、推導(dǎo)控制算法，設(shè)計算法的程序流程圖或程序清單；4、仿真研究，驗證

3、設(shè)計結(jié)果；5、撰寫、打印設(shè)計說明書一份；設(shè)計說明書應(yīng)在 4000 字以上。技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)溫度設(shè)定范圍：3565誤差小于：5%進度計劃1、 布置任務(wù)，查閱資料，確定系統(tǒng)方案（1 天）2、 被控對象建模（1 天）3、 算法推導(dǎo)，程序設(shè)計（3 天）4、 仿真研究（2 天）5、撰寫、打印設(shè)計說明書（2 天）6、答辯（1天）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 日本科生課程設(shè)計（論文）II注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算本科生課程設(shè)計（論文）III摘 要在科技飛黃騰達的今天，各種產(chǎn)品日益更新?lián)Q代。然而，且隨著人們生活水平的提高，電

4、加熱恒溫控制器也普遍用于各家各戶，且人們對電熱水器的要求越來越高，越趨向于智能化和數(shù)字化。本系統(tǒng)是設(shè)計了一個電熱水器恒溫控制器，主要由溫度采集電路、單片機控制系統(tǒng)、溫度控制電路、人機對話通道 4 個主要的功能模塊組成。溫度采集電路由溫度傳感器，信號放大，A/D 轉(zhuǎn)換組成；溫度控制電路主要是控制信號的輸出通道, 主要由功率放大電路、光電耦合電路、雙向晶閘管、電加熱裝置組成；而單片機根據(jù)鍵盤輸入的預(yù)設(shè)目標溫度和采集的實時溫度進行 PID 調(diào)節(jié)，由 PID 輸出調(diào)節(jié) P W M 脈沖的占空比，P W M 脈沖作為單片機輸出控制固態(tài)繼電器的開通或關(guān)斷，以調(diào)節(jié)電阻絲的加熱程度，從而實現(xiàn)溫度控制。并用兩位

5、 LED 顯示溫度。關(guān)鍵詞：溫度采集電路；溫度控制電路；A/D 轉(zhuǎn)換；PID 調(diào)節(jié)本科生課程設(shè)計（論文）IV目 錄第 1 章 緒論.1第 2 章 課程設(shè)計的方案.22.1 概述.22.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu).2第 3 章 硬件設(shè)計.33.1 硬件的介紹.33.1.1 單片機的介紹.33.1.2 ADC0804 模數(shù)轉(zhuǎn)化器的介紹.43.1.3 AD590 溫度傳感器的介紹.43.2 溫度采集電路的設(shè)計 .53.3 溫度控制電路的設(shè)計 .53.4 鍵盤輸入電路 .53.5 顯示電路.63.6 系統(tǒng)原理圖 .7第 4 章 軟件設(shè)計.84.1 流程圖的設(shè)計.842 系統(tǒng)控制算法 .8第 5 章 系統(tǒng)測試

6、與分析/實驗數(shù)據(jù)及分析.10第 6 章 課程設(shè)計總結(jié).11參考文獻.12本科生課程設(shè)計（論文）1第 1 章 緒論近年來，市場上陸續(xù)出現(xiàn)了一些熱水器控制器，但大多數(shù)控制器存在著諸如性能不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生誤操作；溫度、水位檢測、控制誤差大；顯示器有時出現(xiàn)亂碼；與電輔助加熱裝置不能很好配合等弊端。從而必然會催生性能比較穩(wěn)定、功能強大、智能型的熱水器控制器。隨著中國電力基礎(chǔ)設(shè)施不斷建立和完善，儲水式熱水器的普及，電熱水器市場中又一細分產(chǎn)品即快熱式電熱水器因其更快、更方便、和小巧、時尚的外形越來越受到人們的親睞。其作為業(yè)內(nèi)的新生力量在迅速崛起并不斷壯大。其03、04 年年增長速度已超過 50%，雖然市場銷

7、售的總量仍然少于燃氣式和儲水式，但它的市場份額預(yù)測 06 年可超過 15%。毋庸質(zhì)疑，即快熱式電熱水器是今后熱水器的發(fā)展方向。隨著氣價的上漲，相信今后電熱水器市場仍將會呈現(xiàn)強勁的增長勢頭。在現(xiàn)代社會中，熱水器控制電路的原理不僅應(yīng)用于生活方面，其運用也涉及到了生產(chǎn)各個方面。隨著人們生活質(zhì)量的提高，酒店廠房及家庭生活中都會見到熱水器控制電路的影子，其將更好的服務(wù)于社會。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生活帶來了根本性的變化，如果說微型計算機的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，那么單片機技術(shù)的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)控制測控領(lǐng)域帶來了一次新的革命。應(yīng)用微型計算機控制技術(shù)，采用

8、 PID調(diào)節(jié)算法，使電熱水器恒溫控制器更好地調(diào)節(jié)溫度，固滿足人們的使用需求。本文設(shè)計分為兩個部分，硬件部分和軟件部分。硬件部分介紹：智能家用電熱水器電路的設(shè)計，單片機 AT89C51、A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0804 的功能及溫度傳感器AD590 的介紹。系統(tǒng)硬件主要以高性價比的 AT89C51 單片機為核心，由溫度采集電路、溫度控制電路、鍵盤顯示電路、及溫度顯示電路構(gòu)成。軟件設(shè)計主要設(shè)計了系統(tǒng)的主流程圖和系統(tǒng)的控制算法。本科生課程設(shè)計（論文）2第 2 章 課程設(shè)計的方案2.1 概述本次設(shè)計主要是綜合應(yīng)用所學(xué)知識，設(shè)計電熱水器恒溫控制器的設(shè)計，并在實踐的基本技能方面進行一次系統(tǒng)的訓(xùn)練。能夠較全面

9、地鞏固和應(yīng)用“微型計算機控制技術(shù)”課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌握小型微型計算機控制技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計的基本方法。應(yīng)用場合：可應(yīng)用于供浴室洗手間及廚房使用的家用電器。 實現(xiàn)功能：采用單片機作為控制器，由溫度傳感器、信號放大電路和 A/D 轉(zhuǎn)換器采集溫度，與設(shè)定值進行比較，經(jīng)過 PID 算法得到控制器的輸出，控制加熱裝置，并用兩位 LED 顯示溫度。 2.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)是設(shè)計了一個電熱水器恒溫控制器，主要由溫度采集電路、單片機控制系統(tǒng)、溫度控制電路、人機對話通道 4 個主要的功能模塊組成。溫度采集電路由溫度傳感器，信號放大，A/D 轉(zhuǎn)換組成；溫度控制電路主要是控制信號的輸出通道,

10、 主要由功率放大電路、光電耦合電路、雙向晶閘管、電加熱裝置組成；而單片機根據(jù)鍵盤輸入的預(yù)設(shè)目標溫度和采集的實時溫度進行 PID 調(diào)節(jié)，由 PID 輸出調(diào)節(jié) P W M 脈沖的占空比，P W M 脈沖作為單片機輸出控制固態(tài)繼電器的開通或關(guān)斷，以調(diào)節(jié)電阻絲的加熱程度，從而實現(xiàn)溫度控制。并用兩位 LED 顯示溫度。系統(tǒng)的總體組成結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。單片機溫度傳感器溫度傳感器信號放大A/D 轉(zhuǎn)換鍵盤輸入溫度顯示功率放大光電耦合電路雙向晶閘管電加熱裝置圖 2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖本科生課程設(shè)計（論文）3第 3 章 硬件設(shè)計3.1 硬件的介紹3.1.1 單片機的介紹主控單元采用單片機 AT89C51。

11、單片機 AT89C51 是美國 ATMEL 的一種低功耗、高性能微處理器，為多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高的廉價方案。單片機AT89C51 片內(nèi)含有 4KB 可反復(fù)擦除的 PEROM(Flash Program-mable andErasable Read Only Memory)，還帶有 128B 的隨機存儲器(RAM)和四個并行 8 位雙向 I/O口。另外，主控單元采用了頻率為 12MHz 的晶振，這樣系統(tǒng)運行一個周期只用1s，有利于系統(tǒng)時間的計算。其引腳功能如下：P3 口：P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。當 P3 口寫入“1”

12、后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳 備選功能： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷 0） P3.3 /INT1（外部中斷 1） P3.4 T0（記時器 0 外部輸入） P3.5 T1（記時器 1 外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要

13、保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE本科生課程設(shè)計（論文）4只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。/

14、PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN 信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時，/EA 將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.1.2 ADC0804 模數(shù)轉(zhuǎn)化器的介紹ADC080

15、4 是屬于連續(xù)漸進式（Successive Approximation Method）的 A/D 轉(zhuǎn)換器，這類型的 A/D 轉(zhuǎn)換器除了轉(zhuǎn)換速度快（幾十至幾百 us）、分辨率高外，還有價錢便宜的優(yōu)點，普遍被應(yīng)用于微電腦的接口設(shè)計上。以輸出 8 位的 ADC0804動作來說明“連續(xù)漸進式 A/D 轉(zhuǎn)換器”的轉(zhuǎn)換原理。工作電壓： 5V，即 VCC= 5V。模擬輸入電壓范圍：0 5V，即 0Vin 5V。分辨率：8 位，即分辨率為 1/2=1/256，轉(zhuǎn)換值介于 0255 之間。轉(zhuǎn)換時間：100us（fCK=640KHz 時）。轉(zhuǎn)換誤差：1LSB。參考電壓：2.5V，即 Vref=2.5V。3.1.3

16、 AD590 溫度傳感器的介紹AD590 是美國 ANALOG DEVICES 公司的單片集成兩端感溫電流源，其輸出電流與絕對溫度成比例。在 4 V 至 30 V 電源電壓范圍內(nèi)，該器件可充當一個高阻抗、恒流調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)系數(shù)為 1 A/K。片內(nèi)薄膜電阻經(jīng)過激光調(diào)整，可用于校準器件，使該器件在 298.2K (25C)時輸出 298.2 A 電流。適用于 150C 以下、目前采用傳統(tǒng)電氣溫度傳感器的任何溫度檢測應(yīng)用。低成本的單芯片集成電路及無需支持電路的特點，使它成為許多溫度測量應(yīng)用的一種很有吸引力的備選方案。應(yīng)用AD590 時，無需線性化電路、精密電壓放大器、電阻測量電路和冷結(jié)補償。 AD59

17、0 的測溫范圍為- 55+150； AD590 的電源電壓范圍為 430 V，可以承受 44 V 正向電壓和 20 V 反向電壓，因而器件即使反接也不會被損壞； 精度高，本科生課程設(shè)計（論文）5AD590 在- 55+-150范圍內(nèi)，非線性誤差僅為0.3。 圖3.1 AD590溫度傳感器3.2 溫度采集電路的設(shè)計前向通道是信息采集的通道, 主要包括溫度傳感器、信號放大、A/D 轉(zhuǎn)換電路組成的信號采集電路和以單片機為核心的信號處理電路.水溫經(jīng)溫度傳感器和信號放大電路產(chǎn)生 05V 的模擬電壓信號送人 A/D 轉(zhuǎn)換器,將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量通過系統(tǒng)總線送人單片機進行運算處理。圖 3.1 中溫度傳感器采

18、用 AD59O 將溫度變換為電流,與運算放大器 Opo7 和電阻 Rl、VRI、RZ、VRZ 組成信號轉(zhuǎn)換與放大電路,將溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號。采用 ADC0804 把電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸送到單片機。3.3 溫度控制電路的設(shè)計本溫度控制系統(tǒng)采用通斷控制， 通過改變給定控制周期內(nèi)加熱器的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，達到調(diào)節(jié)溫度的目的。系統(tǒng)控電路由雙向可控硅輸出型光電耦合器MOC3061 和雙向可控硅 BTA12 組成。當單片機的 P1.6 口輸出低電平時，同向驅(qū)動器 7407 輸出低電平，MOC3061 的輸入端有電流輸入，輸出端的雙向可控硅導(dǎo)通,觸發(fā)外部的雙向可控硅 BTA12 導(dǎo)通，加熱器通電；當 P1

19、.6 端輸出高電平時，MOC3061 輸出端的雙向可控硅關(guān)斷，外部的雙向可控硅 BTA12 也關(guān)斷，加熱器斷電。3.4 鍵盤輸入電路本次設(shè)計要求由溫度傳感器、信號放大電路和 A/D 轉(zhuǎn)換器采集溫度，與設(shè)定值進行比較，所以要向單片機內(nèi)輸入預(yù)定溫度值。而此次要求控制溫度范圍在本科生課程設(shè)計（論文）63565之間，所以鍵盤輸入電路設(shè)計了四個按鍵輸入，其中一個按鍵設(shè)置輸入 3565 中的任意一個數(shù)字；兩個按鍵分別定義為“加 1”、“減 1”，這樣就可以改變輸入的數(shù)值；另一按鍵設(shè)置為復(fù)位，當按下時及返回溫度設(shè)定值。固能滿足本次設(shè)計要求。3.5 顯示電路本系統(tǒng)顯示電路是由兩個譯碼驅(qū)動芯片CD4511和兩個

20、LED（數(shù)碼管）顯示器構(gòu)成，兩個發(fā)光數(shù)碼管分別顯示溫度值的個位值、十位值。CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極LED顯示器的BCD碼七段碼譯碼器，該芯片具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的上拉電流，直接驅(qū)動LED顯示器。本科生課程設(shè)計（論文）73.6 系統(tǒng)原理圖123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:5-Jan-2014 Sheet of File:C:Documents and SettingsAdministrator加加2keshe.ddbDrawn By:LTBI LEcdefghabCD45

21、11abcdefghLMLED1LE D1LTBI LEcdefghabCD4511abcdefghLMLED2LE D2DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7CSRDWRINTRVCCCLKRCLKINVIN-VIN+DG NDVREF/2AG NDADC0804+24V12Mh22pf22pf22pf1K加加加加1kRES21005KGNDV CCGND+5V123AD58130K81K30K10K12AD590GNDGNDGND+15V-15V+15V5K+15VP0.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P

22、3.0P3.6P3.7XTAL 2XTAL 1GNDVCC P0.5 P0.6 P0.7 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 EA ALE PSEN P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7AT89C51+5V150PFD1D2+5V+24V+-NCNCT1T230036039360V CCM OC36010.01ufBTA12220V圖 3.1 系統(tǒng)原理圖本科生課程設(shè)計（論文）8 第 4 章 軟件設(shè)計 4.1 流程圖的設(shè)計本系統(tǒng)通過溫度傳感器檢測電熱水器內(nèi)實際溫度， 由ADC0804將溫度傳感器輸出的信號經(jīng)放大后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號， 存入AT8

23、9C51的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器， 經(jīng)處理送LCD 顯示，并將采集值與設(shè)定值進行比較，經(jīng)過PID 運算得到控制量并由單片機輸出去控制加熱器。4.1 程序流程圖42 系統(tǒng)控制算法本控制系統(tǒng)中， 使用的是數(shù)字PID 控制器。PID 控制器是一種線性控制器， 它將設(shè)定值與測量值之間偏差的比例（P） 、積分（I） 、微分（D） 通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。1、采用兩個慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)成實驗被控對象，T1=1秒，T2=0.5秒，K0=2。GO(s)= 15 . 0211sssesTK1002、其外部接線圖如圖4.2所示，將函數(shù)發(fā)生器B5單元作為信號發(fā)生器，矩形波輸出施加于被測系統(tǒng)的輸入端，用LABA

24、CT程序測得其從0V階躍到5V時被控對象的響應(yīng)曲線如圖4.3所示。啟動 A/D轉(zhuǎn)換完成讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換結(jié)果處理發(fā)送溫度調(diào)用 PID延時 1 秒初始化YN本科生課程設(shè)計（論文）9圖4.3 被控對象的響應(yīng)曲線4、通常取Y0（t1）=0.3Y0(), Y0（t2）=0.7Y0()，所以從其響應(yīng)曲線中測得t1=0.81s，t2=1.81s。因此求得：T0=1.180s，=0.389s。5、用工程整定法求得數(shù)字PID調(diào)節(jié)控制參數(shù)KP=0.358，TI=0.733，TD=0.135。本科生課程設(shè)計（論文）10第 5 章 系統(tǒng)測試與分析/實驗數(shù)據(jù)及分析構(gòu)造模擬電路圖如圖 5.1 所示，應(yīng)用 LABACT 軟

25、件調(diào)試。設(shè)置其參數(shù)KP=0.358，TI=0.733，TD=0.135 后，得到其響應(yīng)曲線如圖 5.2 所示。圖 5.2 系統(tǒng)仿真曲線本科生課程設(shè)計（論文）11第 6 章 課程設(shè)計總結(jié)隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生活帶來了根本性的變化，如果說微型計算機的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，那么單片機技術(shù)的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)控制測控領(lǐng)域帶來了一次新的革命。應(yīng)用微型計算機控制技術(shù)，采用 PID 調(diào)節(jié)算法，使電熱水器恒溫控制器更好地調(diào)節(jié)溫度，固滿足人們的使用需求。現(xiàn)在電熱水器是一種可供洗手間、浴室及廚房使用的家用電器，市場上傳統(tǒng)的機械式電熱水器控制精度低、可靠性差，隨著人們生活水平的提高，人們對電熱水器的要求越來越高，越趨向于智能化和數(shù)字化。本次系統(tǒng)設(shè)計了一個熱水器恒溫控制器的方案，用溫度傳感器 AD590 檢測溫度信號，經(jīng)信號放大后，采用 ADC0804 模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送到單片機處理。單片機根據(jù)鍵盤輸入的預(yù)設(shè)目標溫度和采集的實時溫度進行PID 調(diào)節(jié)后，輸出控制信號，經(jīng)功率放大電路、光電耦合電路、雙向