即热式电热水器控制系统设计

太原科技大学毕业设计（论文）任务书学院（直属系）：电子信息工程学院 时间：学 生 姓 名 指 导 教 师设计（论文）题目 即热式电热水器控制系统设计主要研究内容1、掌握控制系统设计方法和一般步骤；2、运用单片机完成对即热式电热水器控制系统设计；2、熟练运用 C 语言进行编程。研究方法 理论研究主要技术指标(或研究目标)通过对即热式电热水器控制系统功能需求分析，给出设计方案，完成系统硬件设计，绘制电路原理图，完成控制系统软件设计，通过模拟仿真验证所设计控制系统的性能。教研室意见教研室主任（专业负责人）签字： 年 月 日 说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。目 录摘 要 .IABSTRACT .II引 言 .1第 1 章 系 统 功 能 需 求 分 析 与 控 制 方 案 设 计 .31.1 功 能 需 求 分 析 .31.1.1 硬 件 功 能 需 求 分 析 .31.1.2 软 件 功 能 需 求 分 析 .41.2 控 制 方 案 设 计 .41.3 执 行 器 的 选 择 .61.4 本 章 小 结 .6第 2 章 系 统 硬 件 设 计 .72.1 键 盘 输 入 电 路 的 设 计 .72.2 LCD1602 显 示 电 路 的 设 计 .72.3 DS1302 时 钟 电 路 的 设 计 .82.4 温 度 采 集 电 路 的 设 计 .92.4.1 DS18B20 简 介 .92.4.2 DS18B20 电 路 的 设 计 .92.5 水 流 检 测 电 路 的 设 计 .102.6 加 热 驱 动 电 路 的 设 计 .102.6.1 大 功 率 光 耦 MOC3042.102.6.2 驱 动 电 路 的 工 作 原 理 .112.6.3 驱 动 电 路 的 设 计 .122.7 漏 电 保 护 技 术 .122.8 本 章 小 结 .13第 3 章 控 制 算 法 设 计 .143.1 PID 控 制 算 法 .143.2 被 控 对 象 模 型 的 建 立 .143.3 参 数 整 定 及 MATLAB 仿 真 .153.3.1 PID 参 数 整 定 .15I3.3.2 MATLAB 仿 真 .163.4 本 章 小 结 .17第 4 章 系 统 软 件 设 计 .184.1 软 件 系 统 总 体 设 计 .184.2 键 盘 输 入 .194.3 DS18B20 测 温 .204.3.1 DS18B20 初 始 化 .204.3.2 DS18B20 写 数 据 .214.3.3 DS18B20 读 数 据 .224.3.4 DS18B20 温 度 读 取 .224.4 LCD1602 显 示 .234.4.1 LCD1602 时 序 介 绍 .234.4.2 LCD1602 初 始 化 .244.5 PID 算 法 的 软 件 设 计 .244.6 PWM 输 出 .254.7 本 章 小 结 .26第 5 章 模 拟 仿 真 与 结 果 分 析 .275.1 显 示 模 拟 仿 真 .275.2 加 热 模 拟 仿 真 .285.3 结 果 分 析 .28第 6 章 结 论 .29致 谢 .30参 考 文 献 .31附 录 .32附 录 A 系 统 整 体 电 路 图 .32附 录 B 部 分 源 程 序 .33太 原 科 技 大 学 毕 业 设 计摘 要本 文 完 成 了 即 热 式 电 热 水 器 控 制 系 统 的 设 计 。 系 统 选 用 AT89C52 作 为 主 控制 器 ， 同 时 结 合 键 盘 模 块 、 显 示 模 块 、 时 钟 模 块 、 温 度 采 集 模 块 、 水 流 检 测 模 块和 驱 动 模 块 等 完 成 硬 件 电 路 的 设 计 。 通 过 PID 控 制 算 法 控 制 热 水 器 的 出 水 温 度 ，利 用 C 语 言 完 成 电 热 水 器 控 制 系 统 的 软 件 设 计 ； 另 外 ， 采 用 “隔 电 墙 ”技 术 做漏 电 保 护 ， 保 证 洗 浴 过 程 中 的 安 全 。 最 后 对 系 统 进 行 仿 真 ， 系 统 能 正 确 显 示 时 间与 温 度 ， 准 确 控 制 加 热 电 路 的 通 断 ， 达 到 了 预 期 控 制 目 标 。关 键 词 ： AT89C52， 电 热 水 器 ， PID太 原 科 技 大 学 毕 业 设 计IABSTRACTThe design of electric water heater control system is introduced in this paper. AT89C52 was selected, which is regarded as the main controller, and combines with the keyboard module, display module, clock module, temperature acquisition module, water flow detection module and drive module to complete the hardware circuit design. The water temperature is controlled through the PID, and the software design of electric water heater control system is completed by using C language. In addition， the “Safe Care“ is used to do earth leakage protection, to ensure the safety of bathing process. Finally, through the simulation of the system, it can display the time and temperature correctly, and the control of the heating circuit can be done accurately. In this way, the expected control objectives can be achieved in this design.Keywords: AT89C52, Electric Water Heater, PID太 原 科 技 大 学 毕 业 设 计0引 言随 着 科 技 在 进 步 与 发 展 ， 热 水 器 早 已 成 为 家 用 电 器 的 一 员 。 然 而 ， 市 场 上 传统 的 热 水 器 可 靠 性 差 ， 存 在 一 定 的 安 全 隐 患 。 老 式 而 简 单 的 热 水 器 由 于 质 量 差 和技 术 落 后 等 原 因 ， 已 经 越 来 越 不 被 用 户 所 青 睐 ， 也 就 是 说 将 逐 步 退 出 市 场 。 现 在人 们 的 生 活 质 量 提 高 了 ， 人 们 期 盼 有 一 种 既 安 全 ， 又 方 便 的 热 水 器 ， 在 浴 室 和 厨房 提 供 热 水 。 而 智 能 化 的 热 水 器 正 符 合 人 们 的 这 一 需 求 。 它 能 给 用 户 提 供 直 观 、数 字 化 的 体 验 ， 而 且 能 精 确 地 采 集 和 控 制 环 境 中 的 水 温 。 这 样 的 热 水 器 ， 必 将 为家 庭 、 小 型 饭 店 、 宾 馆 酒 店 提 供 配 套 服 务 。 可 以 预 见 ， 在 不 久 的 将 来 ， 智 能 化 热水 器 将 成 为 人 们 的 首 选 ， 市 场 前 景 广 阔 。就 国 内 外 的 热 水 器 市 场 来 看 ， 目 前 的 电 热 水 器 除 了 行 业 内 部 竞 争 以 及 与 燃 气热 水 器 的 竞 争 以 外 ， 还 面 临 着 太 阳 能 热 水 器 的 竞 争 。 但 是 不 可 否 认 的 是 ， 电 热 水器 仍 然 占 行 业 的 主 导 地 位 。 并 且 随 着 科 技 的 不 断 进 步 ， 电 热 水 器 也 不 再 满 足 于 普通 的 加 热 功 能 而 已 。 越 来 越 多 的 电 热 水 器 往 着 智 能 化 、 节 能 、 环 保 的 方 向 发 展 。部 分 高 端 热 水 器 还 具 有 智 能 记 忆 功 能 ， 记 忆 用 户 的 用 水 习 惯 ， 在 洗 浴 时 间 前 自 动提 前 加 热 ， 非 洗 浴 时 段 提 供 中 温 生 活 用 水 ， 不 仅 让 用 户 随 时 随 地 能 享 受 到 热 水 ，也 更 加 节 能 。 随 着 电 热 水 器 的 智 能 化 ， 相 信 市 场 前 景 会 越 来 越 好 。当 前 市 面 上 的 电 热 水 器 分 储 水 式 和 即 热 式 。 其 中 储 水 式 使 用 前 需 要 的 预 热 时间 长 ， 使 用 过 程 中 水 温 无 法 调 节 ， 而 即 热 式 电 热 水 器 即 开 即 热 ， 只 需 几 秒 的 预 热时 间 即 可 得 到 源 源 不 断 的 热 水 供 应 。 并 且 储 水 式 电 热 水 器 内 胆 容 量 大 ， 对 安 装 空间 要 求 高 ， 如 果 使 用 者 过 多 就 不 能 供 应 足 够 多 的 热 水 ， 洗 澡 未 用 完 的 热 水 也 会 逐渐 变 冷 ， 形 成 浪 费 ； 相 比 而 言 ， 即 热 式 电 热 水 器 内 胆 小 ， 安 装 便 捷 ， 使 用 时 按 照用 户 个 人 需 求 提 供 热 水 ， 不 造 成 浪 费 ， 且 减 少 耗 能 。 而 随 着 国 家 电 网 的 转 型 ， 电费 价 格 普 遍 下 降 ， 以 及 电 力 设 施 的 改 善 ， 也 表 明 了 热 水 器 的 发 展 前 景 。由 于 热 水 器 的 加 热 过 程 是 一 个 非 线 性 系 统 ， 且 存 在 较 大 的 滞 后 性 。 采 用 PID控 制 能 达 到 较 好 地 控 制 效 果 ， 可 以 较 好 的 控 制 出 水 温 度 ， 提 供 用 户 一 个 舒 适 的 洗浴 环 境 。针 对 上 述 问 题 ， 本 次 将 设 计 一 个 即 热 式 电 热 水 器 控 制 系 统 。 该 控 制 系 统 将 采用 PID 控 制 算 法 来 完 成 对 水 温 的 控 制 ， 解 决 水 温 突 变 的 状 况 。本 文 对 这 次 设 计 进 行 详 细 介 绍 。 第 一 章 介 绍 了 系 统 的 功 能 需 求 分 析 与 方 案 的太 原 科 技 大 学 毕 业 设 计1选 取 ， 并 介 绍 了 系 统 整 体 框 架 的 设 计 ； 第 二 章 讲 述 了 硬 件 系 统 的 设 计 ， 硬 件 设 计包 括 键 盘 电 路 、 时 钟 电 路 、 温 度 检 测 电 路 、 水 流 检 测 电 路 、 显 示 电 路 、 驱 动 加 热电 路 等 多 个 部 分 ； 第 三 章 介 绍 了 系 统 控 制 算 法 的 设 计 ， 以 及 利 用 MATLAB 对 控制 算 法 的 仿 真 ； 第 四 章 阐 述 了 软 件 系 统 设 计 ， 针 对 整 体 软 件 系 统 流 程 和 各 个 子 程序 流 程 进 行 了 详 细 介 绍 ； 第 五 章 对 系 统 进 行 了 Protues 仿 真 ； 第 六 章 是 本 次 设 计的 结 论 。太 原 科 技 大 学 毕 业 设 计2第 1 章 系 统 功 能 需 求 分 析 与 控 制 方 案 设 计本 章 主 要 内 容 是 根 据 本 系 统 所 要 实 现 的 主 要 功 能 ， 分 别 预 设 多 种 方 案 ， 在 保证 可 行 的 前 提 下 ， 结 合 经 济 性 、 便 利 性 等 原 则 ， 从 中 选 出 一 种 最 佳 的 实 施 方 案 ，进 而 在 后 续 设 计 中 得 以 实 现 。1.1 功 能 需 求 分 析结 合 当 前 电 热 水 器 的 现 状 ， 本 次 设 计 的 电 热 水 器 需 要 完 成 如 下 功 能 ：1、 采 集 热 水 温 度 ， 为 用 户 提 供 热 水 器 的 实 际 水 温 信 息 ；2、 用 户 可 以 手 动 设 置 温 度 和 校 正 时 间 ；3、 控 制 热 水 器 出 水 温 度 稳 定 ， 给 用 户 一 个 舒 适 的 洗 浴 环 境 ；4、 自 动 检 测 热 水 器 的 工 作 状 态 ， 实 现 通 水 通 电 ， 断 水 断 电 ， 防 止 干 烧 ；5、 做 好 漏 电 保 护 ， 保 证 用 户 在 使 用 过 程 中 的 用 电 安 全 。1.1.1 硬 件 功 能 需 求 分 析结 合 上 述 的 系 统 功 能 需 求 分 析 ， 硬 件 电 路 中 需 要 具 备 以 下 几 个 电 路 模 块 ， 包括 ： 1、 显 示 电 路 ， 用 来 显 示 时 间 、 温 度 信 息 ； 2、 键 盘 电 路 ， 用 来 手 动 设 置 时 间 、温 度 ； 3、 时 钟 电 路 ， 用 来 提 供 时 钟 信 号 ； 4、 温 度 采 集 电 路 ， 用 来 采 集 热 水 器 的水 温 信 息 ； 5、 水 流 检 测 电 路 ， 用 来 检 测 热 水 器 的 工 作 状 态 ； 6、 加 热 驱 动 电 路 ，用 来 控 制 电 热 水 器 的 加 热 工 作 。在 满 足 实 际 功 能 需 求 ， 缩 短 开 发 周 期 ， 节 约 开 发 成 本 的 前 提 下 ， 本 设 计 选 择ATMEL 单 片 机 AT89C52 为 主 要 芯 片 ， 由 时 钟 模 块 和 温 度 检 测 模 块 为 单 片 机 提 供时 间 和 温 度 ， 输 出 至 液 晶 屏 显 示 ， 通 过 按 键 更 改 时 间 与 预 设 温 度 ， 并 由 单 片 机 输出 控 制 加 热 驱 动 模 块 对 热 水 进 行 加 热 。 系 统 整 体 框 图 如 图 1.1 所 示 。图 1.1 系 统 框 图太 原 科 技 大 学 毕 业 设 计31.1.2 软 件 功 能 需 求 分 析结 合 当 前 科 技 环 境 使 用 情 况 ， 软 件 设 计 选 择 C 语 言 来 进 行 编 程 ， 结 合 硬 件 方案 的 设 计 ， 本 设 计 需 要 实 现 温 度 采 集 、 时 间 显 示 、 驱 动 控 制 、 键 盘 输 入 等 功 能 。软 件 设 计 采 用 分 块 编 写 程 序 的 方 案 。 键 盘 扫 描 通 过 返 回 不 同 的 键 值 来 完 成 不 同 的按 键 功 能 ； 时 间 显 示 电 路 中 液 晶 与 时 钟 芯 片 和 CPU 通 信 各 需 使 用 一 路 串 口 通 信 1；温 度 采 集 电 路 中 单 片 机 通 过 DS18B20 访 问 协 议 （ protocol） 与 DS18B20 通 信 ；驱 动 控 制 使 用 中 断 来 产 生 PWM。 软 件 方 面 最 主 要 的 是 多 功 能 的 相 互 配 合 切 换 。1.2 控 制 方 案 设 计1.显 示 控 制 方 案 的 设 计 ：显 示 模 块 主 要 通 过 显 示 包 括 时 间 、 预 设 温 度 和 实 时 温 度 等 信 息 ， 让 用 户 直 观明 了 的 了 解 电 热 水 器 当 前 水 温 以 及 工 作 状 态 。 因 此 需 要 一 款 显 示 清 晰 ， 性 能 可 靠稳 定 的 显 示 屏 。目 前 主 流 的 显 示 器 有 LED 数 码 管 和 LCD 液 晶 屏 。 数 码 管 应 用 广 泛 ， 显 示 亮度 高 且 电 路 连 接 简 单 。 但 是 不 能 显 示 字 符 ， 不 能 满 足 本 设 计 的 显 示 需 求 。 而LCD 液 晶 显 示 屏 具 有 灵 活 多 变 ， 重 量 轻 ， 占 地 小 ， 功 耗 低 、 画 面 丰 富 的 优 点 。 指令 操 控 简 单 ， 显 示 内 容 多 样 ， 可 以 双 行 显 示 ， 可 以 显 示 字 符 、 字 段 ， 显 示 英 文 、阿 拉 伯 数 字 、 汉 语 等 。 满 足 本 模 块 的 显 示 需 求 ， 且 画 面 质 量 高 ， 显 示 清 晰 稳 定 。综 上 所 述 ， 考 虑 本 次 设 计 需 要 的 显 示 量 较 多 且 含 有 字 符 ， 故 选 择 LCD1602作 显 示 屏 。2.时 钟 方 案 的 设 计 ：本 设 计 需 要 为 用 户 提 供 准 确 的 实 时 时 间 ， 故 需 要 单 片 机 来 提 供 时 钟 信 息 。方 案 一 ： 由 单 片 机 提 供 时 钟 信 息 。 单 片 机 内 部 具 有 多 个 定 时 器 ， 通 常 可 由 定时 器 中 断 实 现 时 钟 功 能 ， 十 分 方 便 。 但 由 于 系 统 晶 振 误 差 、 温 漂 、 中 断 响 应 时 间的 不 确 定 性 及 定 时 器 重 新 装 载 时 间 常 数 所 带 来 的 误 差 ， 使 得 最 终 计 时 的 误 差 偏 大 ，决 定 它 不 能 用 来 作 为 时 钟 的 时 间 基 准 。方 案 二 ： 选 择 时 钟 芯 片 。 时 钟 芯 片 内 都 集 成 了 时 钟 、 日 历 功 能 ， 高 性 能 、 低功 耗 ， 且 具 有 闰 年 补 偿 等 优 点 ， 外 围 电 路 非 常 简 单 并 具 有 掉 电 保 护 功 能 ， 给 时 钟系 统 设 计 带 来 很 多 方 便 。由 于 本 设 计 中 需 要 定 时 器 产 生 PWM， 无 法 再 用 来 提 供 时 钟 ， 所 以 选 择太 原 科 技 大 学 毕 业 设 计4DS1302 时 钟 芯 片 来 提 供 时 钟 信 息 。3.温 度 采 集 方 案 的 设 计 ：本 设 计 采 集 实 时 的 水 温 信 息 并 提 供 给 用 户 ， 让 用 户 知 道 当 前 水 温 以 便 调 节 自己 所 需 水 温 。 故 此 需 要 通 过 温 度 传 感 器 检 测 水 温 并 将 信 息 传 送 至 单 片 机 处 理 。目 前 主 流 的 温 度 传 感 器 有 热 敏 电 阻 传 感 器 和 数 字 温 度 传 感 器 等 。 传 统 的 温 度检 测 大 多 以 热 敏 电 阻 为 传 感 器 ， 采 用 热 敏 电 阻 ， 可 满 足 40 至 90 的 测 量 范 围 。但 热 敏 电 阻 可 靠 性 差 ， 测 量 温 度 精 度 低 ， 对 于 1 精 度 的 信 号 是 不 适 用 的 ， 还 得经 过 专 门 的 接 口 电 路 转 换 成 数 字 信 号 才 能 由 单 片 机 进 行 处 理 2。至 于 数 字 温 度 传 感 器 ， 常 用 的 有 DS18B20， 它 能 将 采 集 到 的 温 度 信 号 直 接 转换 成 数 字 信 号 ， 并 且 方 便 进 行 多 点 温 度 采 集 ， 功 耗 也 非 常 低 ， 并 且 仅 有 一 根 总 线传 输 ， 直 接 与 单 片 机 端 口 连 接 ， 电 路 非 常 简 单 ，