【家用浴缸水溫的PLC控制16000字（論文）】

家用浴缸水溫的PLC控制目錄TOC\o"1-2"\h\u26924家用浴缸水溫的PLC控制 114825摘要 1272541緒論 2135491.1研究背景 2132821.2國內(nèi)外研究和發(fā)展現(xiàn)狀 310001.3研究內(nèi)容及研究意義 5136552智能家居需求分析及PLC簡述 6255862.1智能家居需求分析 6228112.2PLC相關(guān)概述 7229413浴缸溫度控制原理與算法選擇 10203083.1算法選擇 107473.2模型的建立 10313943.3能量守恒定律 12107483.4討論最省水的方案 13119343.5溫度轉(zhuǎn)換核心算法 1497514硬件設(shè)計(jì) 17141444.1控制要求 17179094.2系統(tǒng)子模塊設(shè)計(jì)

1862635軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2455015.1主程序流程圖

24121515.2鍵盤掃描流程圖

2487885.3顯示處理流程圖

25275335.4水位溫度控制流程圖

25158495.5溫度采集電路流程圖

26170115.6液晶顯示流程圖

26289025.7系統(tǒng)調(diào)試

27257346結(jié)論 2813105參考文獻(xiàn) 29摘要可編程控制器是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可編程的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、運(yùn)動(dòng)控制、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出，控制各類機(jī)械運(yùn)動(dòng)或生產(chǎn)過程。隨著生活水平的提高，越來越多的人青睞于泡熱水澡。熱水澡有助于緩解身體疲勞，提高睡眠質(zhì)量。通常情況下，人們通過一個(gè)水龍頭用熱水注滿整個(gè)浴缸，然后坐在浴缸中，清洗和放松。但是浴缸只是一個(gè)簡單的盛水容器，一段時(shí)間后，洗澡水就會(huì)明顯地變涼，所以人們需要不停地往浴缸中注入熱水，當(dāng)浴缸里的水達(dá)到容量極限，多余的水會(huì)溢出浴缸，造成水的浪費(fèi)。針對生活中浴缸水溫的控制問題，基于能量守恒定律，構(gòu)造了能量守恒模型。為使模型更加精確，基于傅里葉實(shí)驗(yàn)定律與邊界層的影響，完成了對原有模型的改進(jìn)即熱傳導(dǎo)分層模型。最后利用MATLAB對模型的結(jié)果進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)了對不含二次加熱系統(tǒng)與循環(huán)噴流系統(tǒng)的浴缸水溫模型的建立，在節(jié)約用水及洗浴成本等方面具有一定意義。關(guān)鍵詞：家用浴缸；水溫調(diào)節(jié)；PLC控制目錄1緒論1.1研究背景在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的背景下，人們對工作生活的舒適性和便利性有著越來越高的需求，房間氣溫調(diào)節(jié)器和熱水器等使生活更舒適便捷的電器得到了廣泛的應(yīng)用。在酒店、食堂等商用廚房中，產(chǎn)生熱量的廚具通常種類多、數(shù)量大，導(dǎo)致相對封閉的廚房空間中溫度較高;特別是在炎熱夏季，工人師傅蒸飯炒菜的操作環(huán)境條件惡劣;而且商用廚房中也需要大量熱水用于蒸飯和清洗碗碟鍋盆等活動(dòng)。而能為廚房空氣提供冷量的空調(diào)器與能為廚房用水提供熱量的熱水器這兩類電器設(shè)備的能耗相對較大。隨著節(jié)能與綠色環(huán)保越來越得到全社會(huì)的高度重視，針對可以同時(shí)提供冷量(空氣)與熱量(水)、高效節(jié)能熱泵型空調(diào)熱水器進(jìn)行研究，有良好的市場前景和應(yīng)用價(jià)值。對于室內(nèi)氣溫調(diào)節(jié)這一方面而言，人們對室內(nèi)環(huán)境提出了更高的要求:健康，舒適，安全和方便，空調(diào)設(shè)備在住宅、辦公室等建筑中已逐漸成為非常普遍的設(shè)施。空調(diào)設(shè)備所產(chǎn)生的能量消耗己經(jīng)在全社會(huì)能耗中占據(jù)較大的比例，并且這一比例還在增加。常規(guī)型式的空調(diào)器有一定的缺點(diǎn)，即在炎熱的夏季進(jìn)行室內(nèi)制冷氣的過程中，冷凝熱會(huì)直接排放到室外空氣中，同時(shí)空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的冷凝熱要比制冷量高約30%，直接排放會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)。隨著常規(guī)空調(diào)的普及，其數(shù)量在不斷增加，那么廢棄的冷凝熱就是一個(gè)非常可觀的數(shù)值。如果對這部分冷凝熱量加以回收，那么空調(diào)就能夠更加節(jié)能。就熱水器而言，通常是采用燃煤或燃油氣等鍋爐進(jìn)行熱水的制取，不但利用率低，燃燒的產(chǎn)物還會(huì)產(chǎn)生空氣污染。在提倡環(huán)保低碳的當(dāng)下，這種低效易污染的制取熱水方式己經(jīng)不再受歡迎。當(dāng)前市面上比較流行的熱水器主要有燃?xì)鉄崴?、電熱水器、太陽能熱水器以及空氣源熱泵熱水器等。就?jié)能效果而言，空氣源熱泵熱水器的熱效率最高，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，空氣源熱泵熱水器的運(yùn)行費(fèi)用約為電熱水器的25%，約為燃?xì)鉄崴鞯?3%，其制熱能效比一般可高達(dá)。盡管常規(guī)的空氣能熱水器有著較高的能效，但是存在的一個(gè)弊端是其在制取熱水時(shí)汲取熱量的來源是室外空氣，而制冷量白白排放到了大氣中。假如在炎炎夏日，木來該進(jìn)行降溫的室內(nèi)環(huán)境卻無法利用這部分冷量，令人感到可惜。倘若能在需要降溫的場所對這部分冷量加以利用，那么對于熱泵熱水器的節(jié)能性能有著更高的提升。在常規(guī)互相獨(dú)立的熱泵空調(diào)系統(tǒng)和熱泵熱水器系統(tǒng)中，維持空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行需要一定的高品質(zhì)電能，而運(yùn)行熱泵熱水器又要消耗一定的高品質(zhì)電能用于制取較低能量品質(zhì)的熱水。將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，存在能量品質(zhì)降低的問題。由此可知，相互獨(dú)立運(yùn)行的熱泵空調(diào)系統(tǒng)和熱泵熱水器系統(tǒng)存在能量利用率低的問題，而且還會(huì)造成環(huán)境的熱污染。為了更好地符合可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能環(huán)保的戰(zhàn)略要求，對于常規(guī)的熱泵熱水器系統(tǒng)進(jìn)行一定的整合是非常有必要的。1.2國內(nèi)外研究和發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1國外研究狀況熱泵空調(diào)熱水器中所運(yùn)用的基本原理是由法國工程師卡諾(Carnot)于1824年提出的理想熱機(jī)工作循環(huán)——卡諾循環(huán)。在1852年，英國物理學(xué)家開爾文勛爵湯姆森(W.Thomson)提出將逆卡諾循環(huán)原理應(yīng)用于制熱的設(shè)想，這成為了熱泵技術(shù)發(fā)展的開端。瑞士蘇黎世于1912年實(shí)現(xiàn)了世界上最早的一套熱泵系統(tǒng)并用于暖氣供應(yīng)，該裝置的熱源取于河流，是一套水源熱泵系統(tǒng)。在這之后的四十多年里，熱泵技術(shù)得到了長足的發(fā)展，在工業(yè)、建筑領(lǐng)域乃至家用市場上均有廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)70年代之后，由于能源危機(jī)的出現(xiàn)，世界己經(jīng)顯現(xiàn)出礦物燃料能源的短缺與能源需求的日益增長之間的矛盾，具有較好節(jié)約能源效用的熱泵技術(shù)及其應(yīng)用產(chǎn)業(yè)迎來了極為有利的時(shí)代，國際上對熱泵技術(shù)的研究與發(fā)展普遍提高了重視程度。進(jìn)入21世紀(jì)之后，全球變暖的趨勢使得人們對于低碳環(huán)保的生活方式更加看重。國際能源署(InternationalEnergyAgencyIEA)對采取熱泵技術(shù)用于制熱所能減少的二氧化碳排放量進(jìn)行了評(píng)估，得出的結(jié)果是:自1997年建筑行業(yè)和工業(yè)采用熱泵技術(shù)用于供暖使得全球二氧化碳排量由220億噸減少1.14億噸，約降低0.5%。倘若將市場中的熱泵設(shè)備100%應(yīng)用，會(huì)占建筑物供暖方面30%的比例，這樣將減少2億噸二氧化碳的排放，占到全世界二氧化碳排量的6%。在國外，大中型空調(diào)熱水機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用較早就開始，經(jīng)過長期的發(fā)展，如今已經(jīng)相對比較成熟，主要用于對制冷和供熱同時(shí)有著需求的場所。在1951年，聯(lián)邦德國的舒爾特·林德公司和代利亞公司相互合作，共同研制出具備熱量儲(chǔ)存裝置的中央熱水機(jī)組，制熱效果顯著。后來美國的開利公司所研發(fā)的雙管束冷凝器熱泵機(jī)組也是一種對熱泵循環(huán)進(jìn)行冷凝熱重利用的設(shè)備，除此之外還有特靈公司所生產(chǎn)的風(fēng)冷熱回收式雙管冷凝器的制冷機(jī)組也是對冷凝熱進(jìn)行回收的產(chǎn)品。在小型熱泵空調(diào)熱水器方面，Healy和Wethrington于1965年對將建筑空調(diào)器制冷工況下所產(chǎn)生的冷凝熱進(jìn)行回收用于熱水制取的設(shè)想進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明如果將空調(diào)廢棄冷凝熱用于熱水制取，可以年均減少52%左右的生活熱水耗能，尤其在天氣炎熱的五到十月份能夠減少93%的生活熱水耗能。Baxter在1984年首先采用數(shù)值模擬分析的方法對制冷設(shè)備的冷凝熱回收用于熱水制取所節(jié)約的能量進(jìn)行研究，并且和電熱水器的能效性比對分析。最終得出結(jié)論是，在需要供冷氣的季節(jié)里，性能系數(shù)可提升35%以上，熱水可供應(yīng)63%的消耗。在需要供暖的季節(jié)里，供暖性能系數(shù)提升約3%，熱回收器發(fā)揮的作用較少，大多數(shù)熱水供應(yīng)來源于電加熱。因此這一系統(tǒng)在需要供暖的冬季作用并不大。而由全年運(yùn)行情況對比得知，全年的能效性能提升的幅度較佳。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)的智能家居相較海外而言稍顯落后。在二十世紀(jì)90年代后期智能家居這一概念才開始流入中國，二十一世紀(jì)后在國內(nèi)開始逐漸推廣。與西方國家相比而言，發(fā)展時(shí)間較短，但由于國內(nèi)以及世界范圍內(nèi)科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使得國內(nèi)的不少企業(yè)以及用戶都開始使用智能家居。近年來，智能家居逐漸演變?yōu)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用中的重點(diǎn)，智能化成為智能家居中的核心概念之一，智能家居的成長始終伴隨著傳感器的應(yīng)用，二者密不可分。室內(nèi)外各種家電的控制以及信息傳輸，是否進(jìn)行布線以及信號(hào)采用何種方式收發(fā)，都是智能家居設(shè)計(jì)過程中必須考慮的問題。結(jié)合中國市場的發(fā)展?fàn)顩r，2008年中國閃聯(lián)對協(xié)議和接口標(biāo)準(zhǔn)做了新的規(guī)定，該規(guī)定在之后正式成為了國際4C協(xié)同領(lǐng)域的首個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)，為實(shí)現(xiàn)世界范圍內(nèi)家庭智能化標(biāo)準(zhǔn)的整體局勢做出了卓越的貢獻(xiàn)，該標(biāo)準(zhǔn)包含了IT相關(guān)產(chǎn)業(yè)和智能家居領(lǐng)域的基本定義，為我國智能家居的后續(xù)穩(wěn)定發(fā)展打下了扎實(shí)的根基。隨著早期海爾U-home系統(tǒng)，上海索博EON3、S-10、PLC-BUS等多個(gè)智能家居品牌的出現(xiàn)，我國的智能家居開始逐步發(fā)展前行。早在2010年秦皇島富通尼特智能科技有限公司開發(fā)的北京海淀區(qū)香山青琴別墅智能家居中，針對智能照明系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)、電動(dòng)窗簾系統(tǒng)、可視對講系統(tǒng)四個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目以富通尼特智能終端為核心設(shè)備，與周圍設(shè)備相互配合達(dá)到實(shí)別墅用戶的要求，具有很強(qiáng)的代表性。同年，尼科信息技術(shù)上海有限公司開發(fā)的上海御翠園別墅智能家居解決方案中，僅需憑借具有交互功能的觸摸屏便可控制住宅范圍內(nèi)的燈光、窗簾、暖通空調(diào)、背景音樂、視聽設(shè)備、門禁、安防報(bào)警以及監(jiān)控設(shè)備，其核心控制技術(shù)LONWORKS總線成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO/IEC14908）和中國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/Z20177），被諸多著名豪宅相繼采用?，F(xiàn)如今，有越來越多的企業(yè)開始投入到智能家居這一行列中，同樣也誕生了不少優(yōu)秀的品牌，例如杜亞DOOYA、京東微聯(lián)、科帝KOTI、河?xùn)|HDL、尼特NEAT、新和創(chuàng)bechamp等等。智能家居的理念也更加趨向于多樣化、人性化，在國內(nèi)外市場均如此龐大的情況下，頻繁的競爭使得行業(yè)的得以快速發(fā)展，創(chuàng)新性與人文需求也越來越被人們所關(guān)注。1.3研究內(nèi)容及研究意義主要是利用PLC

S7-200作為可編程控制器，系統(tǒng)采用PID控制算法，手動(dòng)整定或自整定PID參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算控制量，控制加熱裝置，使加熱爐溫度為為一定值，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)和停止，運(yùn)行指示燈監(jiān)控實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值。針對水溫控制問題，柴利松研制了一套基于嵌入式控制器的自動(dòng)恒溫供水裝置系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ARM處理器以及PID控制算法使系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快、控制精度更高且更穩(wěn)定可靠。國外M.E.Folan研究了一種利用特殊的甲烷燈泡來控制浴缸水溫恒定在40℃的設(shè)備，其精度大約在1℃的范圍內(nèi)。Anger.A.T發(fā)明了一種自帶控制面板的浴缸，通過在控制面板上各點(diǎn)的傳感器來測定水溫進(jìn)而通過各個(gè)供水管道來控制使水溫恒定。上述研究均采用了較先進(jìn)的技術(shù)，安全性、可維護(hù)性均存在需要解決的問題，同時(shí)造價(jià)也不低，所以不適用于普通的家庭。本文針對不含二次加熱系統(tǒng)與循環(huán)噴流系統(tǒng)的普通浴缸建立水溫模型，確定入水溫度與最小流速。因此，我們對水溫模型的研究在節(jié)約用水及洗浴成本等方面具有一定意義。2智能家居需求分析及PLC簡述2.1智能家居需求分析2.1.1智能家居控制系統(tǒng)性能需求分析智能家居系統(tǒng)的最終目的是為人服務(wù)，集多種功能于一身，設(shè)計(jì)精簡、移動(dòng)方便、操作難度小等是人們對智能家居的一大期望。因此，智能家居在設(shè)計(jì)之初也都以這些方面為參考，在各項(xiàng)技術(shù)上力求突破，最終可滿足現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需求。結(jié)合當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，智能家居控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下的性能需求：實(shí)時(shí)性：系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)有效的檢測范圍內(nèi)的各個(gè)設(shè)備信息，以及周圍的相關(guān)環(huán)境參數(shù)，如室內(nèi)外氣溫情況。同時(shí)應(yīng)保證數(shù)據(jù)精度，使得即使在略有偏差的情況下也不會(huì)有太大的影響發(fā)生；預(yù)警性：當(dāng)家居設(shè)備以及環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，一旦達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，應(yīng)立即對用戶進(jìn)行相關(guān)提示或預(yù)警，盡量避免任何不良事情的發(fā)生；可靠性：應(yīng)具備良好的數(shù)據(jù)傳輸及高效的數(shù)據(jù)管理能力。在智能手機(jī)幾乎已經(jīng)完全普及的情況下，人們更傾向于在遠(yuǎn)程通過智能手機(jī)以及平板等設(shè)備對家庭內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行查看和操控。因此，優(yōu)良的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸能力是當(dāng)前智能家居系統(tǒng)下必不可少的一大要素。當(dāng)家庭內(nèi)的各個(gè)設(shè)備傳來相關(guān)信息時(shí)，應(yīng)具有高效的數(shù)據(jù)處理能力，并同時(shí)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的管理存儲(chǔ)，便于對監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、調(diào)取，以及將來在這些信息上的進(jìn)一步升級(jí)操作；穩(wěn)定性：智能家居控制系統(tǒng)使用時(shí)間一般較長，通常情況下需保持不間斷地運(yùn)行，因此系統(tǒng)必須具有穩(wěn)定性，為用戶提供穩(wěn)定的服務(wù)，同時(shí)確保系統(tǒng)本身不發(fā)生死機(jī)、崩潰、無響應(yīng)等情況；兼容性：智能家居在發(fā)展的過程中形成了幾種不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，此外還應(yīng)考慮到未來會(huì)不斷有新的設(shè)備需加入到智能家居體系中，因此系統(tǒng)需具備一定的兼容性，使得不同的產(chǎn)品技術(shù)都可以運(yùn)行。同時(shí)也應(yīng)預(yù)留部分接口，使其具備可升級(jí)擴(kuò)展性。一方面可以容許未來其他家電設(shè)備的加入，另一方面則是以適用性強(qiáng)且使用壽命長的硬件基礎(chǔ)為前提，當(dāng)將來的技術(shù)再一次發(fā)展時(shí)，也可以對系統(tǒng)進(jìn)行一定的升級(jí)操作；經(jīng)濟(jì)性：智能家居最終的目的是為用戶所服務(wù)，被更多的人接受使用，未來的目的也是走進(jìn)千家萬戶，而不僅僅是存在于一些高端住宅區(qū)或?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目中。因此在保證功能與品質(zhì)的同時(shí)，更加經(jīng)濟(jì)的性價(jià)比也是影響智能家居行業(yè)發(fā)展的重要因素。2.1.2智能家居控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)之前，根據(jù)需求分析，結(jié)合智能家居的特點(diǎn)來設(shè)定系統(tǒng)的功能。智能家居控制系統(tǒng)主要以控制模塊為核心，與其他傳感器檢測模塊與傳輸模塊共同組成。系統(tǒng)的運(yùn)行離不開各個(gè)模塊的相互配合，為了系統(tǒng)將來的升級(jí)更新，則應(yīng)該預(yù)留部分接口。因此綜合而言，系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)如下：信息采集功能信息的采集主要是指傳感器對室內(nèi)外部分環(huán)境情況的監(jiān)測。具體表現(xiàn)如室內(nèi)的溫濕度，室外溫度、光照強(qiáng)度等信息的采集。這些信息的綜合可以讓人們有效的了解環(huán)境及太陽能熱水器水箱中存儲(chǔ)水的情況，更好的把握自己的生活節(jié)奏。信號(hào)無線傳輸功能無線傳輸主要是為了使信號(hào)可以方便有效地傳輸?shù)搅硪唤邮斩?，進(jìn)而使整個(gè)系統(tǒng)得以流暢運(yùn)行。在智能化高度發(fā)達(dá)的今天，無線連接方式以其獨(dú)有的便利性已經(jīng)逐漸開始在某些方面取締有線方式。無線傳輸一方面可以避免布線所帶來的復(fù)雜性且不影響美觀，另一方面由于其在室內(nèi)這樣的傳輸距離中傳輸速度完全可以滿足人們的需求。人機(jī)交互功能人機(jī)交互可以使人們更直觀的感受到系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。如采集到的室內(nèi)外環(huán)境信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后顯示到用于人機(jī)交互的觸摸屏上，使用者可以在觀測到所傳來的信息后，選擇是否對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行更改調(diào)節(jié)。這種直接有效的交互方式，是智能家居中一個(gè)較為關(guān)鍵的功能。2.2PLC相關(guān)概述2.2.1PLC簡述可編程邏輯控制器（Programmable

Logic

Controller，PLC），它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC具有控制能力強(qiáng)、可靠性高、使用靈活方便和易于編程、擴(kuò)張、通信等一系列優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今及今后工業(yè)控制的主要手段和控制核心，因此PLC技術(shù)、數(shù)控計(jì)數(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)以及機(jī)器人技術(shù)、已并列為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的四大支柱。

西門子是中國多個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的領(lǐng)先工業(yè)解決方案供應(yīng)商，在制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化、運(yùn)動(dòng)控制、驅(qū)動(dòng)、低壓控制以及電氣安裝技術(shù)方面提供了各類創(chuàng)新、可靠、高效和優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。并全面提供系統(tǒng)的解決方案和服務(wù)，產(chǎn)品涵蓋范圍廣，在信息、通信、自動(dòng)化與控制、電力、交通醫(yī)療、照明等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域處于優(yōu)勢。

2.2.2

PLC工作原理

PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作的，即在PLC運(yùn)行時(shí)，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲(chǔ)器的程序。按指令序號(hào)（或地址號(hào)）做周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號(hào)的采樣和輸出狀態(tài)的刷新等工作。

PLC的掃描一個(gè)周期必須輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。

輸入刷新階段：

在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成輸入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。

程序執(zhí)行階段：

在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸入刷新階段。

輸出刷新階段：

當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器），并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實(shí)際輸出。

由此可見，輸入刷新、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段構(gòu)成PLC一個(gè)工作周期，由此循環(huán)往復(fù)，因此稱為循環(huán)掃描工作方式。

顯然掃描周期的長短主要取決于程序的長短。掃描周期越長，響應(yīng)速度越慢。由于每個(gè)掃描周期只進(jìn)行一次I/O刷新，即每一個(gè)掃描周期PLC只對輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，所以系統(tǒng)存在輸入輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但是由于其對I/O的變化每個(gè)周期只輸出刷新一次，并且只對有變化的進(jìn)行刷新，這對一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會(huì)造成影響，還會(huì)提高抗干擾能力。這是因?yàn)檩斎氩蓸与A段僅在輸入刷新階段進(jìn)行，PLC在一個(gè)工作周期的大部分時(shí)間是與外設(shè)隔離的，而工業(yè)現(xiàn)場的干擾常常是脈沖、短時(shí)間的，誤動(dòng)作將大大減小。

PLC在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進(jìn)行程序執(zhí)行階段。

PLC在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應(yīng)的運(yùn)算和處理后，其結(jié)果在寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。

3浴缸溫度控制原理與算法選擇3.1算法選擇設(shè)計(jì)并制作一個(gè)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制對象為1升凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以保持設(shè)定的溫度基本不變。利用單片機(jī)AT89C51實(shí)現(xiàn)水溫的智能控制，使水溫能夠在40-90度之間實(shí)現(xiàn)控制溫度調(diào)節(jié)。利用儀器讀出水溫，并在此基礎(chǔ)上將水溫調(diào)節(jié)到我們通過鍵盤輸入的溫度（其方式是加熱或降溫），而且能夠?qū)囟蕊@示在我們的七段發(fā)光二極管板上。1.可以對溫度進(jìn)行自由設(shè)定，但必須在0~100攝氏度單位內(nèi)，設(shè)定時(shí)可以適時(shí)的顯示出設(shè)定的溫度值，溫度是可以自由設(shè)置的，傳感器的檢測值與設(shè)定的溫度比較，可以顯示在七段發(fā)光二極管上。2.溫度由1臺(tái)1000W電爐來實(shí)現(xiàn)，如果溫度不在40~90度之間，則在LED上顯示“8888”,表示錯(cuò)誤。3.能夠保持不間斷顯示水溫，顯示位數(shù)4位，分別為百位，個(gè)位，十位，和小數(shù)位（但由于規(guī)定不超過90度，所以百位也就沒有實(shí)現(xiàn)，默認(rèn)的百位是不顯示的）。溫度采集我們最初選用熱電偶測爐溫，實(shí)驗(yàn)室通過變送器送出來的是1V~5V的電壓信號(hào)。結(jié)果用ADC0809做轉(zhuǎn)換芯片，NE555做0809的時(shí)鐘源，做出來是78.9KHZ，用PLC控制0809的時(shí)序，轉(zhuǎn)換出來非常準(zhǔn)，最大誤差不到0.02V。但是由于這是個(gè)8位的轉(zhuǎn)換，而實(shí)驗(yàn)室的爐溫是1V~4V對應(yīng)0~100℃，8位精度將會(huì)非常差。所以最終選用了DS18B20做溫度傳感器測水溫。用單片機(jī)AT89C2051控制器時(shí)序轉(zhuǎn)換成實(shí)測溫度值送到PLC輸入端。最后直接用，把重點(diǎn)放在了PLC的控制部分。PID控制的效果取決于其4個(gè)參數(shù)，即采樣周期ts、比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Ka。其可靠性高、算法簡單。被廣泛應(yīng)用于過程控制中。這里我們采用PID算法，也因?yàn)槠淇刂凭缺容^高。3.2模型的建立我們的模型建立在系統(tǒng)熱量守恒的基礎(chǔ)上，輸入浴缸系統(tǒng)的熱量等于系統(tǒng)向外散發(fā)的熱量。輸入的熱量等于向浴缸里加入的熱水的熱量;輸出的熱量則分為三個(gè)部分:第一部分是通過浴缸壁的傳導(dǎo)散熱，第二部分是浴缸里的水與空氣的對流散熱，第三部分則是水向人體的散熱。由于要保持浴缸里水溫的恒定，基于系統(tǒng)熱量守恒，可以得到系統(tǒng)輸入的熱量等于向系統(tǒng)外散失的熱量。3.2.1輸入的熱量設(shè)沐浴時(shí)的水的比熱容為c，通過水龍頭向浴缸里注入的水的溫度為Th，水龍頭的水流流速為vkg/s。利用以上幾個(gè)變量，以及水的熱量計(jì)算公式，可以求出系統(tǒng)在單位時(shí)間dt的輸入能量為dQ=cThv（3.1）3.2.2散發(fā)的熱量浴缸壁的熱傳導(dǎo)散熱平板的熱傳導(dǎo)根據(jù)熱傳導(dǎo)公式———傅里葉定律，可以得到，在一個(gè)均勻的平板內(nèi)，當(dāng)T1＞T2(T為溫度)時(shí)，熱量以導(dǎo)熱的方式通過物體，方向從T1側(cè)向T2側(cè)傳遞，如圖3.1所示:圖3.1板子的熱傳導(dǎo)模型設(shè)熱流方向的微分長度為dn，在dt(t為單位時(shí)間)的瞬時(shí)傳遞能量為dW。根據(jù)熱傳導(dǎo)公式實(shí)驗(yàn)證明，單位時(shí)間內(nèi)通過平板傳導(dǎo)的熱量dW與溫度梯度dT/dn和傳熱面積A成正比，其中T表示單位溫度，即dW∝A·(dT/dn)dt其中，左式與右式之間的比例系數(shù)稱之為導(dǎo)熱系數(shù)，則:（3.2）側(cè)壁和壁底散熱設(shè)側(cè)壁的厚度為b，水與浴缸側(cè)面的接觸面積為Sl，水與浴缸底部的接觸面積為Sd，浴室空氣的溫度為Tair，浴缸內(nèi)的水的溫度為T0，那么我們可以列出熱量通過浴缸底面及側(cè)面的散失值:（3.3）水面與空氣間的對流散熱根據(jù)對流散熱公式，設(shè)浴缸內(nèi)的水面的溫度為T0，空氣的溫度為Tair，單位時(shí)間dt內(nèi)通過水氣交界面(面積為Sup)，水面向空氣中傳播的熱量dQ2，散熱系數(shù)為，則（3.4）散熱系數(shù)α的計(jì)算采用管來貝格計(jì)算法。設(shè)水的比熱容為c、密度為ρ、浴缸深度為h;通過簡化模型，只考慮平衡水溫，可得出散熱系數(shù)的簡化公式為(3.5)將式(3.4)與式(3.5)聯(lián)立可以求出水面與空氣間的對流散熱表達(dá)式為(3.6)人體吸熱靜止吸熱靜止時(shí)人體和水之間的傳熱可簡化為導(dǎo)熱問題，設(shè)人體的熱導(dǎo)率為k，人體和水的接觸面積為Sp，傳熱厚度為L。根據(jù)之前提到的傅里葉定律，可得出水與人體的導(dǎo)熱量為（3.7）由于人體熱導(dǎo)率低(40℃時(shí)約為0.2W/(m·k)，固定水溫情況下傳導(dǎo)熱量較低。(2)移動(dòng)對流吸熱當(dāng)人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，水和人體表面的熱量交換加入了強(qiáng)制對流。設(shè)強(qiáng)制對流系數(shù)為h(強(qiáng)制對流系數(shù)受到很多因素影響，水約為1000～1500)，根據(jù)牛頓冷卻定律可以得出人在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候從水中吸收的熱量為（3.8）放走的水的熱量類比于吸收的水的熱量公式，可得出放出水的熱量為3.3能量守恒定律在這個(gè)系統(tǒng)中，總的輸入熱量等于輸出熱量之和，即（3.9）3.4討論最省水的方案針對省水問題，我們主要考慮水從浴缸里溢出對水溫與用水量的影響。這里我們考慮滿水的極端情況，因?yàn)樵跐M水的情況下，人在水中的運(yùn)動(dòng)會(huì)造成水的溢出，而在水不滿的情況下，無法具體確定人的運(yùn)動(dòng)是否造成水的溢出，在這里我們不做討論。設(shè)人體適宜的沐浴溫度范圍為［T1，T2］，當(dāng)浴缸水滿時(shí)，人由躺在浴缸里到坐在浴缸里，這個(gè)過程中水的變化量為ΔM，而人躺在水中時(shí)水的體積為M。圖3.2人在浴缸的兩種姿勢的討論極端一:躺在浴缸里達(dá)到溫度不變，然后坐起來。在坐起來之后，由于水位下降，加入的水在一定時(shí)間內(nèi)要填滿浴缸，所以不會(huì)像之前一樣流出，這個(gè)過程中溫度會(huì)一直上升，直到將浴缸的水填滿后才開始下降;由于此時(shí)蒸發(fā)散熱量會(huì)增加，所以導(dǎo)致最后穩(wěn)定的水的溫度會(huì)比之前穩(wěn)定的溫度還要低，即為整個(gè)過程中溫度的最低值。關(guān)系式為（3.10）人體的沐浴溫度范圍使得最大的溫度不能比T2高，最低溫度也不能比T1低，根據(jù)這兩個(gè)限定條件我們可以求出最小的流速vmin和此時(shí)最大的加入水溫。極端二:坐著達(dá)到溫度不變，然后躺下去。由坐在浴缸里到躺在浴缸里，會(huì)排出ΔM的水，水的蒸發(fā)量會(huì)減少，這必然會(huì)導(dǎo)致水的溫度上升。關(guān)系式為（3.11）同理因?yàn)樽畲鬁囟炔荒鼙萒2高，聯(lián)立以上兩個(gè)式子，可以確定出最小流速vmin和此時(shí)最大入水溫度(Th)max。3.5溫度轉(zhuǎn)換核心算法DS18B20的測溫功能當(dāng)DSI8B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的0，1字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0．0625℃／LSB形式表示。DSI8B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與TH做比較，若T>TH或TRoM操作命令->存儲(chǔ)器操作命令->處理數(shù)據(jù)1初始化單總線上的所有處理均從初始化開始2ROM操作品令總線主機(jī)檢測到DSl820的存在便可以發(fā)出ROM操作命令之一這些命令如指令代碼ReadROM(讀ROM)[33H]MatchROM(匹配ROM)[55H]SkipROM(跳過ROM][CCH]SearchROM(搜索ROM)[F0H]Alarmsearch(告警搜索)[ECH]3存儲(chǔ)器操作命令指令代碼WriteScratchpad(寫暫存存儲(chǔ)器)[4EH]ReadScratchpad(讀暫存存儲(chǔ)器)[BEH]CopyScratchpad(復(fù)制暫存存儲(chǔ)器)[48H]ConvertTemperature(溫度變換)[44H]RecallEPROM(重新調(diào)出)[B8H]ReadPowersupply(讀電源)[B4H]溫度傳感器與單片機(jī)通訊時(shí)序2.溫度轉(zhuǎn)換算法及分析由于DS18B20轉(zhuǎn)換后的代碼并不是實(shí)際的溫度值，所以要進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換。溫度高字節(jié)（MSByte）高5位是用來保存溫度的正負(fù)（標(biāo)志為S的bit11～bit15），高字節(jié)（MSByte）低3位和低字節(jié)來保存溫度值（bit0~bit10）。其中低字節(jié)（LSByte）的低4位來保存溫度的小數(shù)位（bit0~bit3）。然而由于本程序采用的是0.0625的精度，小數(shù)部分的值，因此可以用后四位代表的實(shí)際數(shù)值乘以0.0625，得到真正的數(shù)值，數(shù)值可能帶幾個(gè)小數(shù)位，所以采取小數(shù)舍入，保留一位小數(shù)即可。也就說，本系統(tǒng)的溫度精確到了0.1度。核心算法：首先程序判斷溫度是否是零下，如果是，則DS18B20保存的是溫度的補(bǔ)碼值，需要對其低8位（LSByte）取反加一變成原碼。處理過后把DS18B20的溫度Copy到單片機(jī)的RAM中，里面已經(jīng)是溫度值的Hex碼了，然后轉(zhuǎn)換Hex碼到BCD碼，分別把小數(shù)位，個(gè)位，十位，百位的BCD碼存入RAM中。由于百位沒有用，默認(rèn)情況是置為0A，在顯示屏上沒有任何顯示。溫度算法核心代碼DATA_DEAL:MOVA,TEMPERATURE_H；TEMPERATURE_H存放的是DS18B20轉(zhuǎn)換后的高8位的值（上圖的MSByte）ANLA,#80H；判溫度是否零下JZTEMPC1；A為0，說明是正數(shù)，跳往TEMPC1,如果是負(fù)數(shù)，則對低8為進(jìn)行補(bǔ)碼處理CLRCMOVA,TEMPERATURE_L；為負(fù)數(shù)，對低8位（上圖的LSByte）求補(bǔ)CPLA；取反加1ADDA,#01HMOVTEMPERATURE_L,A；取補(bǔ)碼后存回TEMPERATURE_L，此時(shí)TEMPERATURE_L里面的值就可以表示溫度了MOVA,TEMPERATURE_HCPLAADDCA,#00H；高位TEMPERATURE_H取反，加上從低位TEMPERATURE_L進(jìn)來的位MOVTEMPERATURE_H,A；寫回TEMPERATURE_HMOVTEMPERATURE_HC,#0BHSJMPTEMPC11TEMPC1:MOVTEMPERATURE_HC,#0AHTEMPC11:MOVA,TEMPERATURE_HCSWAPAMOVTEMPERATURE_HC,AMOVA,TEMPERATURE_LANLA,#0FH；取A低4位(小數(shù)位，單位是0.0625),得出來的數(shù)要乘以0.0625,通過查表來算出值MOVDPTR,#TEMPDOTTABMOVCA,@A+DPT；查表MOVTEMPERATURE_LC,A；TEMPERATURE_LC的低四位保存小數(shù)部分BCDMOVDIS_BUF_X,A；小數(shù)位的BCD碼送入顯示buffer中MOVA,TEMPERATURE_L；整數(shù)部分ANLA,#0F0H；得到個(gè)位單個(gè)數(shù)值SWAPA；SWAP后就得到個(gè)位真正的個(gè)位MOVTEMPERATURE_L,AMOVA,TEMPERATURE_HANLA,#0FHSWAPAORLA,TEMPERATURE_LMOVTEMPERATURE_ZH,A；組合后的值存入TEMPERATURE_ZHLCALLHtoB；轉(zhuǎn)換HEx值成為BCD碼MOVTEMPERATURE_L,A；TEMPERATURE_L目前存入的是十位和個(gè)位的BCD編碼ANLA,#0F0HSWAPAORLA,TEMPERATURE_HC；TEMPERATURE_HC低4位存放十位數(shù)BCDMOVTEMPERATURE_HC,AMOVA,TEMPERATURE_LANLA,#0FHSWAPA；TEMPERATURE_LC高4位存放個(gè)位數(shù)BCDORLA,TEMPERATURE_LCMOVTEMPERATURE_LC,AMOVA,R7JZTEMPC12ANLA,#0FHSWAPAMOVR7,AMOVA,TEMPERATURE_HC；TEMPERATURE_HC高4位存放百位數(shù)BCDANLA,#0FHORLA,R7MOVTEMPERATURE_HC,ATEMPC12:RET；小數(shù)部分碼表TEMPDOTTAB:DB00H,01H,01H,02H,03H,03H,04H,04H,05H,06H,06H,07H,08H,08H,09H,09H結(jié)果溫度值的BCD碼存放到TEMPERATURE_HC(百位和十位)，TEMPERATURE_LC(個(gè)位和小數(shù)位)中。4硬件設(shè)計(jì)4.1控制要求欲使受熱體維持一定的溫度，則需要降溫工具不斷給其降溫。這就需要同時(shí)有一加熱器以不同加熱量給受熱體加熱，這樣才能保證受熱體溫度恒定。

本系統(tǒng)的給定值（目標(biāo)值）可以預(yù)先設(shè)定后直接輸入到回路中；過程標(biāo)量由在受熱體中的Pt100測溫并進(jìn)過溫度變送器給出，為單極性電源模擬量；輸出值是送至加熱器的電源，其允許變化范圍為最大的0%至100%。4.1.1PLC型號(hào)選擇

本溫度控制系統(tǒng)采用德國西門子S7—200PLC。S7-200

是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。

4.1.2

硬件選擇

S7-200系列PLC可提供4個(gè)不同的基本型號(hào)CPU供您使用，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU226。此系統(tǒng)選用S7-200CPU226型號(hào)，

CPU226集成24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O

點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O

點(diǎn)或35路模擬量I/O

點(diǎn)。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能?？赏耆m應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。

4.1.3

S7-200

PLC的PID功能指令

PID循環(huán)（PID）指令根據(jù)表格(TBL)中輸入和配置信息對引用LOOP執(zhí)行PID循環(huán)計(jì)算。

提供PID循環(huán)指令（成比例、整數(shù)、導(dǎo)出循環(huán)）進(jìn)行PID計(jì)算。邏輯堆棧（TOS）頂值必須是“打開”（功率流）狀態(tài)，才能啟用PID計(jì)算。本指令有兩個(gè)操作數(shù)：表示循環(huán)表起始地址的TBL地址和0至7常量的“循環(huán)”號(hào)碼。

循環(huán)表存儲(chǔ)九個(gè)參數(shù)，用于控制和監(jiān)控循環(huán)運(yùn)算，包括程序變量、設(shè)置點(diǎn)、輸出、增益、樣本時(shí)間、整數(shù)時(shí)間（重設(shè)）、導(dǎo)出時(shí)間（速率）以及整數(shù)和（偏差）的當(dāng)前值及先前值。

如果循環(huán)表起始地址或指令中指定的PID循環(huán)號(hào)碼操作數(shù)超出范圍，CPU編譯器將生成一則錯(cuò)誤（范圍錯(cuò)誤），編譯將會(huì)失敗。PID指令不對某些循環(huán)表輸入值進(jìn)行范圍檢查。您必須保證程序變量和設(shè)置點(diǎn)（以及作為輸入的偏差和先前程序變量）是0.0和1.0之間的實(shí)數(shù)。如果進(jìn)行PID計(jì)算的數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí)遇到錯(cuò)誤，將設(shè)置SM1.1（溢出或非法數(shù)值）并終止PID指令的執(zhí)行。（對循環(huán)表中的輸出數(shù)值的更新可能不完整，因此您應(yīng)當(dāng)忽略這些數(shù)值，并在執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)PID指令之前糾正引起數(shù)學(xué)錯(cuò)誤的輸入值。）

本系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和子程序組成。主程序的任務(wù)是對系統(tǒng)初始化，實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入并控制電加熱爐的正常運(yùn)行。主程序流程圖：圖4.1主程序流程圖4.2系統(tǒng)子模塊設(shè)計(jì)

4.2.1溫度采集電路

溫度采集電路溫度采集采用溫度傳感器DS18B20，它可以采集溫度數(shù)據(jù)，然后溫度數(shù)據(jù)直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可以直觀且實(shí)時(shí)的檢測當(dāng)時(shí)的周圍環(huán)境溫度。DSl8B20的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源。DSl8B20的測量范圍從-55℃到125℃，誤差為0.5℃，工作電壓則是在3-5V，自己設(shè)定的溫度存儲(chǔ)在芯片的內(nèi)部即EEPROM中。它有著3個(gè)引腳，當(dāng)我們的設(shè)計(jì)使用的是外部電源給系統(tǒng)供電時(shí)，VCC腳接電源，GND腳接地，DQ腳作為信號(hào)端接單片機(jī)的P3.4

I/O口。在VCC腳和DQ腳之間我們還需要接1個(gè)阻值約莫為4.7K的上拉電阻R16，用來使我們的總線在不使用的時(shí)候也能保持高電平。溫度傳感器DS18B20將自身采集到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)起來，通過I/O口傳送給單片機(jī)，單片機(jī)從而控制程序驅(qū)動(dòng)LCD12864顯示溫度，控制整個(gè)系統(tǒng)。溫度采集電路原理圖如圖4-2所示：圖4.2溫度采集電路圖4.2.2鍵盤電路

在鍵盤電路中我們通常有著獨(dú)立鍵盤和矩陣鍵盤2種方式，當(dāng)獨(dú)立鍵盤與單片機(jī)相連時(shí)，每一個(gè)按鍵都需要一個(gè)單獨(dú)的I/O口來控制，若我們設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要很多按鍵的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致I/O口不夠用。當(dāng)我們使用矩陣鍵盤時(shí)，可以將1行的按鍵連成一個(gè)接口，占用1個(gè)I/O口。每一列的按鍵連成一個(gè)接口，占用1個(gè)I/O口，這樣子我們可以通過掃描I/O口，來確定我們使用的是哪個(gè)按鍵，這樣子可以在需要很多I/O口的時(shí)候節(jié)省很多的I/O口。因?yàn)樵诒敬卧O(shè)計(jì)中我們僅僅需要4個(gè)按鍵而已，I/O口比較充足，故使用獨(dú)立鍵盤電路。

在單片機(jī)設(shè)計(jì)中，除了復(fù)位按鍵，其他的按鍵都是采用的開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)來控制輸入與功能的。本次設(shè)計(jì)共有3個(gè)按鍵，能實(shí)現(xiàn)設(shè)置，增大，減小，啟動(dòng)4個(gè)功能，采用I/O口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路，互相不會(huì)影響。鍵盤的按鍵K1，K2，K3，K4功能如下表4-1所示。鍵盤電路如下圖4.3：表4-1鍵盤功能表圖4.3鍵盤電路圖4.2.3顯示電路

本設(shè)計(jì)主要采用的是LCD12864顯示器，可以用來顯示漢字與圖形，在溫度檢測與溫度設(shè)置下限時(shí)，可以直接的顯示出來。DB0-DB7接單片機(jī)的P2.0至P2.7作為數(shù)據(jù)的輸入輸出，GND接地，VDD是電源正極接+5v，V0口接一個(gè)電位器來調(diào)整液晶顯示對比度，RS口接單片機(jī)的RS口，作為數(shù)據(jù)/命令的選擇端，R/W端接W/R端來行使讀/寫輸入端的功能，EN端是使能信號(hào)，NC腳是空腳不用接，RST端接+5V來行使復(fù)位功能，V0UT也是空腳不接，BLA是背光電源正極，所以接+5V電源，BLK端是背光電源負(fù)極，所以接地。液晶顯示電路如下圖4.4：圖4.4液晶顯示電路圖4.2.4水位檢測電路

本次設(shè)計(jì)在Q1和Q2這2個(gè)三極管的基極分別接出一根導(dǎo)線，電源處也接出一根導(dǎo)線，分別置以不同的高度，電源處的導(dǎo)線最低，三極管Q1基極接出的導(dǎo)線在三極管Q2基極接出的導(dǎo)線和電源處導(dǎo)線之間。Q1接出的導(dǎo)線位置標(biāo)為P3.3，Q2接出的位置標(biāo)為P3.2。C2和D2則分別接至單片機(jī)的P3.3和P3.2口。，在水位在初始到P3.3之間時(shí)，C1和D1均與接地接通，三極管導(dǎo)通C1和C2以及D1與D2均為低電平。在水位在P3.3和P3.3之間時(shí)，C1與電源的線導(dǎo)通，三極管截止，C2呈現(xiàn)高電平，C1也是高電平，D2和D1則是低電平，單片機(jī)則是判斷C2和D2的電平來做出判斷，開始檢測水溫，然后來進(jìn)行是否加水。當(dāng)水位達(dá)到P3.2之上時(shí)，C1和C2均與電源導(dǎo)通，三極管截止，D2出現(xiàn)高電平，D1也是高電平，C1和C2也是高電平。單片機(jī)來判斷C2和D2的電平來判斷是否排水。其中的R13和R14有10K的阻值，它的作用上拉電平，加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力。R11和R12的電阻則是1K，它的作用是用來限流，防止燒毀三極管。水位檢測電路如下圖4-5所示：圖4.5水位檢測電路圖4.2.5水位控制電路

在我們洗浴的時(shí)候，我們需要一定量的水位高度的水，所以設(shè)定了2個(gè)水位值，一個(gè)為水位下限，在低于水位下限的時(shí)候，開始加水直至達(dá)到水位下限。一個(gè)為水位上限，在水位高于上限時(shí)，開始排水，從而將水位控制在自己設(shè)定的范圍內(nèi)。本次設(shè)計(jì)采用發(fā)光二極管來代替執(zhí)行電路。L1燈代表釋放熱水，L2代表釋放冷水，L3代表排水。控制電路如下圖4-6所示：圖4.6水位控制電路4.2.6水溫控制電路

本設(shè)計(jì)采用電動(dòng)控制門閥來控制水的流量以達(dá)到溫度控制的功能，它采用的原理主要是熱平衡原理。假設(shè)熱水為T1，冷水為T2，混合水的溫度為T3，易而得之T1＞T3＞T2，由Q吸等于Q放

可以得到：可以得出

T3=（M熱水*T1+M冷水*T2）/（M冷水+M熱水），令A(yù)=M熱水/M冷水

則T3為（AT1+T2）/(1+A)，可以得出這是以A的遞增函數(shù)，這樣子當(dāng)實(shí)際溫度小于設(shè)定溫度值時(shí)，可以控制2個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)門閥使得A增大，使得溫度逐步達(dá)到所需要的值。

4.2.7

單片機(jī)最小系統(tǒng)

時(shí)鐘電路是用于產(chǎn)生STC89C52單片機(jī)正常工作所需的時(shí)鐘控制信號(hào)。它的產(chǎn)生來自于兩種電路形式，內(nèi)部振蕩方式與外部振蕩方式。在引腳ATXL1和ATXL2外接晶振就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，外接晶振以后，構(gòu)成了自振振蕩器來產(chǎn)生時(shí)針脈沖，內(nèi)部振蕩信號(hào)相對穩(wěn)定，多數(shù)電路設(shè)計(jì)均采用。本設(shè)計(jì)也是采用內(nèi)部振蕩的方式。在單片機(jī)最小系統(tǒng)圖4-7所示，圖中C6與C7起著穩(wěn)定振蕩頻率與快速起振的作用，電容值是30pF，晶振頻率為12MHZ，內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘復(fù)位操作可以使單片機(jī)的片內(nèi)初始化，以一種確定的初始狀態(tài)開始運(yùn)行。

復(fù)位即是單片機(jī)初始化，當(dāng)AT89S52單片機(jī)的復(fù)位引腳RST出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的的高電平，就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行復(fù)位操作。單片機(jī)復(fù)位有多種形式如片內(nèi)復(fù)位，上電復(fù)位，按鈕電平復(fù)位和按鈕脈沖復(fù)位。本次設(shè)計(jì)采用電或開關(guān)復(fù)位，能實(shí)現(xiàn)的是電源接通以后自動(dòng)復(fù)位，而且能夠在單片機(jī)運(yùn)行的時(shí)候，按下開關(guān)可以達(dá)到單片機(jī)復(fù)位的效果。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖4-7所示：圖4.7最小系統(tǒng)圖4.2.8語音電路

在這個(gè)模塊中，A0-A7接到單片機(jī)的P0口，REC、PLAYE、PLAYL接口接上外圍的一些元器件即限流電阻R1，R2，R3，耦合電容0.001uF的C1，構(gòu)成語音錄放電路。在語音芯片的RECLED引腳與電源之間接上1個(gè)發(fā)光2級(jí)管D1和1K阻值的限流電阻R5，來實(shí)現(xiàn)這個(gè)模塊的錄音和放音的操作。XCLK外部時(shí)鐘引腳端接地，VCCD和VCCD引腳接入到+5V電源電壓，VSSD和VSSA接地，在VSSD和VCCA之間接入1個(gè)0.1uF電容即C2，為了濾高平電源電壓，從而使得供電電壓更加穩(wěn)定。SP+和SP-接入到喇叭，ANA

IN和ANA

OUT之間接入一個(gè)0.1uF的電容C3，和5.1K電阻的R4，進(jìn)行功率放大，AGC引腳接上2個(gè)并聯(lián)起來的470KΩ電阻R6和0.1uF的電容，來實(shí)現(xiàn)濾高平平的功能。語音控

制模塊如下圖4-8所示：圖4-8語音模塊圖5軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1主程序流程圖

系統(tǒng)的軟件部分主要是由主程序流程圖，鍵盤掃描流程圖，水位溫度控制流程圖，LCD顯示處理流程圖。當(dāng)通電時(shí)，主程序啟動(dòng)，初始化液晶顯示器即對液晶顯示器設(shè)置并口方式，基本指令操作，顯示開或關(guān)光標(biāo)，然后清除LCD顯示內(nèi)容，接著溫度及溫度下限和工作狀態(tài)，通過鍵盤掃描子程序，設(shè)定溫度的下限值，經(jīng)過顯示處理得出系統(tǒng)工作位flag的值，當(dāng)設(shè)定的溫度在35℃到45℃之間時(shí)，flag=1，當(dāng)設(shè)定的溫度不在35℃到45℃之間，flag=0。經(jīng)過系統(tǒng)工作位flag值的判斷，當(dāng)flag=0時(shí)，溫度控制恢復(fù)至初始狀態(tài)，然后跳轉(zhuǎn)到LCD顯示處繼續(xù)循環(huán)，當(dāng)flag=1時(shí)，執(zhí)行溫度控制子程序來控制溫度和水位，然后也跳回到LCD顯示處繼續(xù)循環(huán)。主程序流程圖如下圖5-1所示：圖5.1主程序流程圖5.2鍵盤掃描流程圖

本程序主要是完成溫度下限的設(shè)置，因?yàn)槿梭w的承受溫度主要是在35°到45°之間，太高和過低對人的身體都有傷害的。K2鍵是設(shè)置鍵。K3，K4在設(shè)置過程中是有著溫度下限加1，K4在設(shè)置過程中有著溫度下限減1的功能，flog的初始值為0，K2在每按一次的時(shí)候，flog的值加1，通過判斷flog的值，執(zhí)行不同的功能。因?yàn)樵O(shè)置鍵按的次數(shù)是奇數(shù)時(shí)，是有著設(shè)置溫度下限的功能，是偶數(shù)的時(shí)候，則是完成設(shè)置，故在flog大于1時(shí)，重新變?yōu)?。在完成溫度設(shè)置之后，按下K3，則是進(jìn)行顯示處理。鍵盤掃描的流程圖如下圖5-2所示：圖5-2鍵盤掃描流程圖5.3顯示處理流程圖

當(dāng)設(shè)定的溫度高于45℃時(shí)，液晶顯示溫度過高，請重新設(shè)置，工作狀態(tài)為stop

，flag=0，即系統(tǒng)工作位為0，當(dāng)設(shè)定的溫度低于35℃時(shí)，液晶顯示溫度過低，請重新設(shè)置，工作狀態(tài)為stop，flag=0，當(dāng)設(shè)定的溫度在35℃到45℃之間，此溫度可以設(shè)置，液晶顯示此設(shè)定的溫度值，工作狀態(tài)為RUN，flag=1，系統(tǒng)工作位為1。顯示處理流程圖如下圖5-3所示：圖5-3顯示處理流程圖5.4水位溫度控制流程圖

本程序主要將水位和水溫控制在一個(gè)范圍內(nèi)，在水位未達(dá)到水位下限時(shí)，語音提示加水，冷熱水混加，保證有足夠的水，可以用來洗浴。在水位處在水位上限和下限之間時(shí)，溫度高于溫度上限時(shí)，則加入冷水，直至溫度上限。溫度低于溫度下限時(shí)，則加入熱水，直至溫度不低于溫度上限。溫度處于溫度上下限之間時(shí)，溫度就適用于洗浴了。水位高于水位上限時(shí)，語音提示排水，進(jìn)行排水處理。溫度控制的流程圖如下5-4所示：圖5-4水位溫度控制流程圖5.5溫度采集電路流程圖

DS18B20溫度傳感器的每一次命令和數(shù)據(jù)傳輸都是從寫時(shí)序開始，數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)時(shí)，需要啟動(dòng)讀時(shí)序來接收數(shù)據(jù)，每一次的讀時(shí)序和寫時(shí)序都需要60μs，在獨(dú)立的讀和寫時(shí)序之間最少需要1μs的恢復(fù)時(shí)間。它的寫和讀時(shí)序都有0時(shí)序和1時(shí)序。在寫時(shí)序的0時(shí)序時(shí)，單總線被最少拉低60μs，保證它能夠在15μs-45μs，可以正確的采樣。在寫時(shí)序的1時(shí)序，單總線拉低，在15μs內(nèi)釋放。在讀時(shí)序的0時(shí)序，總線的狀態(tài)是低電平，讀時(shí)序的1時(shí)序，總線則是高電平，要保持15μs的采樣總線。溫度采集電路流程圖如下圖5-5所示：圖5-5溫度采集電路流程圖5.6液晶顯示流程圖

液晶LCD12864想要顯示內(nèi)容之前，首先要對其進(jìn)行初始化，也就是進(jìn)行顯示清屏設(shè)置，顯示模式的設(shè)置，顯示開關(guān)光標(biāo)的設(shè)置。LCD12864是并口運(yùn)行方式，在顯示內(nèi)容之前，要對顯示位置進(jìn)行設(shè)置，即寫入命令函數(shù)，然后寫入數(shù)據(jù)，可以顯示出數(shù)據(jù)。液晶顯示程序流程圖如下圖5-6所示：圖5-6液晶顯示流程圖5.7系統(tǒng)調(diào)試

首先進(jìn)行了系統(tǒng)硬件的看設(shè)計(jì)調(diào)試，在硬件焊