毕业设计（论文）-基于单片机的热式热水器水温监控系统的设计.doc

电子与信息工程学院本 科 毕 业 论 文论文题目 基于单片机的 热式热水器水温监控系统设计 学生姓名 学 号 专 业 电气工程及其自动化 班 级 指导教师 2010年5月摘要摘 要热水器在工业生产和家庭生活中的应用是非常普遍的，而热水器的核心技术之一就是温度控制方面，也就是说温度控制器的技术对热水器的发展起着至关重要的作用。所以温度控制器的研究对于提高热水器产品的质量，是具有很重要的现实意义的。本课题主要针对热式热水器中温度控制的特点及实现准确温度控制的意义，设计了一种基于单片机的控制系统，整个系统的设计内容包括硬件和软件两个部分。硬件电路主要以AT89C51单片机为微处理器，详细设计了温度信号采集电路，温度数码显示电路，键盘设置温度电路，报警电路，光耦隔离输出电路，模拟加热电路。软件部分主要针对加热装置的控制模式进行了编程。温度传感器DS18B20采集到的温度转换成电压信号反馈到单片机，然后与温度的给定值进行比较，通过比较来控制加热装置，从而达到控制温度的目的。关键词：单片机，热水器，温度控制，DS18B2033ABSTRACTABSTRACTWater heater is common in industrial production and family life application，and the temperature control is one of the core technology of water heater,which means temperature control technology plays a vital role for the development of water heater. Thus, the research of temperature controller has very important practical significance for improving water heater quality.Regarding to the feathers and the significance of hot water heater temperature control, this subject designs a kind of system based on single-chip microcomputer control.The system includes hardware and software.Hardware circuit is designed the AT89C51 as main microprocessors, and the hardware circuit includes the temperature signal acquisition circuit,temperature digital display circuit, the keyboard set temperature circuit, alarm circuit, light coupling isolation output circuits, analog heating circuit.The softeware is mainly aimed at heating device programming.Temperature sensor DS18B20 collects the temperature and converse it into voltage signal, feedbacks to the microcontroller, then compared with the given temperature value, by which to controle the heating device, so as to control the temperature. KEY WORD:SMC；Water heater；Temperature control；DS18B20目录绪论目 录1 绪论11.1 课题背景11.2 系统任务11.3 设计思路22 课题设计方案32.1 主控芯片模块方案论证32.2 温度采集模块的选用32.3 键盘与显示模块的选择33 热式热水器水温监控系统的硬件设计53.1 AT89C51单片机简介53.1.1 时钟电路63.1.2 复位电路63.2 数字温控芯片DS18B20介绍63.2.1 DS18B20的特性63.2.2 DS18B20的测温原理73.2.3 DS18B20与单片机接口电路73.3 显示驱动电路设计83.4 按键电路设计93.5 光耦隔离输出电路93.6 整体硬件电路104 热式热水器水温监控系统的软件设计114.1 系统软件设计框图114.2 主程序模块124.3 温度采集模块124.4 报警及加热电路模块134.5 温度显示模块144.6 键盘扫描模块145 热式热水器水温监控系统仿真175.1 Proteus功能简介175.2 仿真结果176 结论与展望21致谢23参考文献25附录27附录（系统软件设计的源程序）27即可）：6 结论与展望1 绪论本章内容主要叙述了热式热水器方面的行业背景概况，此课题要求的系统任务以及在确定系统任务之后的整体设计思路，重点是关于热水器温度控制系统的设计思路。1.1 课题背景热式电热水器进入中国市场已有十个年头之久，对于国内消费者来说，也是一个并不陌生的产品了。从一个边缘产业到逐渐成长为重心行业，产品技术上也趋于成熟和稳定，经过十年本土化、特色化的改造后，即热式电热水器终于迎来了发展高峰期。更多的企业拥入其中，据相关数据显示，目前国内已有300多家企业涉足此类产品的生产，其中主要集中在珠三角、长三角一带。现在市场上的热水器按利用能源类型分为燃气热水器、电热水器及电热-太阳能复合式热水器等。按照加热方式不同分为直热式电热水器和热泵式热水器。直热式电热水器又分为两个类别：即贮水式电热水器和快热式电热水器。相比前者，后者具有不需预热及保温，即用即热，出水温度恒定，体积小巧，节能，寿命长等优点。但是，它也存在诸如功率大、制作工艺复杂，价格偏高等问题。随着技术的不断成熟、成本不断降低、产品价格不断下降，快热式电热水器正迎来爆炸式的市场增长。参照国外的发展情况经验，在欧洲和东南亚，曾经是燃气式和贮水式的天下，快热式电热水器的市场经过20年的发展，占有率达到50%。目前中国市场即热式电热水器的销售比率只占3%，这表明即热式电热水器在中国有极为广阔的市场前景。1.2 系统任务设计一热式热水器温度闭环控制系统，系统方框图如下图1-1所示： 控制器 放大器 热水器给定温度 输出温度 反馈温度测量装置图1-1系统方框图1、热水器温度工作范围：063；2、检测分辨率 1；3、键盘是采用拨动开关，实现温度设定范围为：063；4、给定温度用2位LED用动态或静态扫描技术显示；5、实际温度用2位LED用动态或静态扫描技术显示；6、增加预警系统，当加热到设定的温度时，则发出报警信号。1.3 设计思路热式热水器温度闭环控制系统包括检测系统、显示系统、按键设置温度系统、模拟加热系统、报警系统、单片机控制系统等六个部分。系统选择性能优良的DS18B20温度传感器来模拟检测热水器内的温度；用两个两位的数码管来分别显示实时设定温度和实际温度；采用两个按键来分别设置温度的十位和个位；采用一个绿色LED灯来模拟加热装置（灯亮则表示启动加热装置，灯灭表示关闭加热装置）；采用一个红色LED灯来模拟报警信号（灯亮则表示实际水温高于预设水温，讲产生报警信号并关闭加热装置；灯灭则表示实际水温要低于预设水温，此时系统处于加热状态）；核心的单片机控制系统采用常用的AT89C51芯片，接收传感器反馈回来的温度信号，与设定温度值进行比较处理并作出是否开启加热装置的命令。总体结构图如下图1-2所示：单 片 机 测温电路键盘输入电路显示电路报警电路温度控制电路图1-2系统总体原理框图2 课题设计方案2.1 主控芯片模块方案论证方案一：采用AT89C2051芯片，它具有体积小、功耗小。含有中断、定时/计数器。但IO口数和存储空间相对较少，所以此芯片不利于系统的工作和系统功能的扩展。方案二：采用AT89C51芯片，它具有AT89C2051芯片的所有功能，且IO口数相对较多，价钱相对也比较便宜，存储空间不是非常大，但对于本次的设计存储空间已经足够了。方案三：采用AT89S52芯片，它具有AT89C2051和AT89C51芯片的所有功能，且IO口数非常多，比AT89C2051和AT89C51多。价钱虽然比AT89C2051和AT89C51昂贵，但存储空间非常大，可以到达8K。综上所述，我选择AT89C51芯片作为本次设计的主控芯片，主要因为应用这个芯片成本比较低，而且存储空间也能满足要求。2.2 温度采集模块的选用方案一：选用热敏电阻作为感测温度的核心元件，通过运算放大器放大由于温度变化引起的热敏电阻电阻的变化、进而导致的输出电压变化的微弱电压变化信号，再用AD转换芯片ADC0809将模拟信号转化数字信号输入单片机处理方案二：采用数字式集成温度传感器DS18B20作为感测温度的核心元件，直接输出数字温度信号供单片机处理。对于方案一，采用热敏电阻有价格便宜、元件易购的特点，但热敏电阻对温度的细微变化不敏感，在信号采集、放大、转换过程中还会产生失真和误差，其本身电阻对温度的变化存在较大误差。故该方案不适合本系统。对于方案二，由于数字式集成温度传感器DS18B20的高度集成化，大大的降低了外接放大转化等电路的误差因数，温度误差变得很小，并且由于其检测温度的原理与热敏电阻检测的原理有着本质的不同，使得其温度分辨率极高。温度值在器件内部转化成数字量直接输出，简化了系统程序设计，又由于该温度传感器采用先进的单总线技术，与单片机接口变得非常简洁，抗干扰能力强，因此该方案适用于本系统。由上述分析可行性和实用性等因素考虑，本课题选用方案二，即采用温度传感器DS18B20作为感测温度的核心元件。2.3 键盘与显示模块的选择根据题目要求，水温要由人工设定，并能实时显示温度值。对键盘和显示模块有下面两种方案： 方案一：采用液晶显示屏和通用矩阵键盘。液晶显示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。但由于只需显示二位温度值，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器资源占用较多，其成本也偏高。方案二：采用二位LED七段数码管分别显示温度的十位、个位。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。根据以上论述，采用方案二。本系统中，采用了数码管的动态显示，节省单片机的内部资源。3 热式热水器水温监控系统的硬件设计本章的重点是热式热水器水温监控系统的硬件设计，主要包括控制处理器以及实现其他设计功能的硬件模块。3.1 AT89C51单片机简介AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；全静态工作,工作范围:0Hz24MHz；三级程序存储器加密；1288位内部RAM；32位双向输入输出线；两个十六位定时器/计数器五个中断源,两级中断优先级；一个全双工的异步串行口；间歇和掉电两种工作方式。AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。它与MCA-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程。其最小系统设计如图3-1所示：图3-1系列单片机最小系统3.1.1 时钟电路在设计时钟电路之前，让我们先了解下51 单片机上的时钟管脚：XTAL1（19 脚） ：芯片内部振荡电路输入端。XTAL2（18 脚） ：芯片内部振荡电路输出端。XTAL1 和XTAL2 是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。图2 中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2 的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。一般来说晶振可以在1.2 12MHz 之间任选，甚至可以达到24MHz 或者更高，但是频率越高功耗也就越大。在本实验套件中采用的11.0592M 的石英晶振。和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。当采用石英晶振时，电容可以在20 40pF 之间选择（本实验套件使用30pF）；当采用陶瓷谐振器件时，电容要适当地增大一些，在30 50pF 之间。通常选取33pF 的陶瓷电容就可以了。另外值得一提的是如果读者自己在设计单片机系统的印刷电路板（PCB）时，晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少引线的寄生电容，保证振荡器可靠工作。检测晶振是否起振的方法可以用示波器可以观察到XTAL2 输出的十分漂亮的正弦波，也可以使用万用表测量（把挡位打到直流挡，这个时候测得的是有效值）XTAL2 和地之间的电压时，可以看到2V左右一点的电压。3.1.2 复位电路在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。MCS-5l 系列单片机的复位引脚RST（ 第9 管脚） 出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位和开关复位。图3-1中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET 相连，电压全部加在了电阻上。3.2 数字温控芯片DS18B20介绍3.2.1 DS18B20的特性1、适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，寄生电源方式下可由数据线供。 2、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 3、DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。 4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。 5、温范围55125，在-10+85时精度为0.5。 6、测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。 7、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。3.2.2 DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如图3-2所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2 计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。 DS18B20在正常使用时的测温分辨率为0.5，如果要更高的精度，则在对DS18B20测温原理进行详细分析的基础上，采取直接读取DS18B20内部暂存寄存器的方法，将DS18B20的测温分辨率提高到0.10.01。斜率累加器x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x =1x =1x =1x =1x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x =1x =1x =1x =1 比较H / mH / mH / mH / mH / mH / mH / mH / mH / mH / mH / mH / mH / mH / mH / mH / m预置预置 计数器1x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0.4x = 0.4低温度系数晶振x = 0x = 0x = 0x = 0x = 0x = 0x = 0x = 0x = 0x = 0x = 0x = 0x = 0x = 0x = 0x = 0 LSB 置位/ 清除=0温度寄存器高温度系数晶振 加1高计数器2 =0 停止 图 3-2.1 DS18B20测温原理图3.2.3 DS18B20与单片机接口电路P3.7口和DS18B20的引脚DQ连接，作为单一数据线。U4即为温度传感芯片DS18B20，本设计虽然只使用了一片DS18B20，但由于不存在远程温度测量的考虑，所以为了简单起见，采用外部供电的方式，如左图所示。测温电缆采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一对接VCC和地线，屏蔽层在电源端单点接地。图 3-2.2 DS18B20与单片机接口电路3.3 显示驱动电路设计采用74HC245总线驱动器，是典型的TTL型三态缓冲门电路。主要作用是将信号的功率放大。第1脚DIR，为输入输出端口转换用，DIR=“1”高电平时信号由“A”端输入“B”端输出，DIR=“0”低电平时信号由“B”端输入“A”端输出。第29脚“A”信号输入输出端，A1=B1、A2=B2、A3=B3、A4=B4、A5=B5、A6=B6、A7=B7、A8=B8，A1与B1是一组，如果DIR=“1”OE=“0”则A1输入B1输出，其它类同。如果DIR=“0”OE=“0”则B1输入A1输出，其它类同。第1118脚“B”信号输入输出端，功能与“A”端一样，不再描述。第19脚OE，使能端，若该脚为“1”A/B端的信号将不导通，只有为“0”时A/B端才被启用，该脚也就是起到开关的作用。第10脚GND，电源地。第20脚VCC，电源正极。如下图3-3所示：图 3-3 74HC245驱动器的电路连接3.4 按键电路设计采用独立按键接口，这种方式是各种按键相互独立，每个按键接一根输入线，一根输入线按键的工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下。独立式按键电路配置灵活，软件简单。但每个按键需要占用一根输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘用于按键较少或操作速度较高的场合。独立式按键电路按键直接与单片机的I/O口连接，通过读I/O口，判定每个I/O口的电平状态，即可识别按下的键。由于只有四个按键，因此按键接口电路的设计比较简单，单片机P3.2和P3.3端口设定为输入状态，平时通过电阻上拉到Vcc，按键按下时，对应的端口的电平被拉到低电平，如下图3-5所示。这样就可以通过查询有无外部中断来判断有没有按键按下，按键各接一根输入线，一根输入线的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。通过内部判断是否产生外部中断，即可识别按下的键。2个按键定义如下：P3.2:个位按键，按此键则设定温度的设定值个位加一。P3.3:十位按键，按此键则设定温度的设定值十位加一。图 3-4 按键电路3.5 光耦隔离输出电路光耦隔离就是采用光耦合器进行隔离,光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏(三极)管封装在一起。发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔离作用。在此系统中，使用的绿色LED灯模拟加热装置与红色LED灯模拟报警信号装置的控制就是采用的光耦隔离电路，单片机产生的命令信号通过光电耦合隔离电路传送给加热装置和报警装置。电路如下图3-5所示，U5为光电耦合隔离装置：图 3-5 光电耦合隔离输出电路3.6 整体硬件电路系统整体的硬件电路设计如下图3-6所示：图 3-6 整体硬件电路4 热式热水器水温监控系统的软件设计整个系统需要对每一个硬件模块进行软件设计。在这一章，主要针对每个硬件电路模块编程，然后进行系统的整合，最后输入到控制处理器中实现所有设计功能。4.1 系统软件设计框图如下图4-1所示:主 程 序温度采集模块0 5 10 15 20x = 0x = 0.4x = 0.8x =1H / m 15 200 5 10 15 20x = 0x = 0.4x = 0.8x =1H / m 15 200 5 10 15 20x = 0x = 0.4x = 0.8x =1H / m 15 200 5 10 15 20x = 0x = 0.4x = 0.8x =1H / m 15 200 5 10 15 20x = 0x = 0.4x = 0.8x =1H / m 15 200 5 10 15 20x = 0x = 0.4x = 0.8x =1H / m 15 200 5 10 15 20x = 0x = 0.4x = 0.8x =1H / m 15 200 5 10 15 20x = 0x = 0.4x = 0.8x =1H / m 15 20报警电路模块2q / L462q / Lh-1h-12q / L462q / Lh-1h-12q / L462q / Lh-1h-12q / L462q / Lh-1h-12q / L462q / Lh-1h-12q / L462q / Lh-1h-12q / L462q / Lh-1h-12q / L462q / Lh-1h-1温度显示模块46x =1H / m46x =1H / m46x =1H / m46x =1H / m46x =1H / m46x =1H / m46x =1H / m46x =1H / m键盘扫描模块x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8温度控制模块x = 0x = 0.4xH / mH / mH / mH / mx = 0.4x = 0x = 0.4xH / mH / mH / mH / mx = 0.4图4-1系统软件设计框图根据设计要求，首先要确定软件设计方案，即确定该软件应该完成那些功能；其次是规划为了完成这些功能需要分成多少个功能模块，以及每一个程序模块的具体任务是什么。一般划分模块应遵循下述原则：1、每个模块都应具有独立的功能，能产生一个明确直观的结果 。2、模块长度要适中。模块太长时，分析和调试比较困难，失去了模块化程序结构的优越性；模块太短则信息交换太频繁，也不合适。3、每个模块之间的控制参数应尽量简单，数据参数应尽量少。控制参数是指模块进入开始运行和退出停止运行的条件及方式，数据参数是指模块间的信息交换方式、交换量的多少及交换的频率。该系统的软件由五大模块组成：主程序模块、温度采集模块、报警及加热电路模块、温度显示模块、键盘扫描模块。下面将对这几个模块具体阐述，相对应的汇编程序语言详见附录。4.2 主程序模块计算机基本的被独立提供出来的程序，它能够调用子程序，而不被任何子程序所调用，它是计算机程序的中心部分。主程序的设计内容一般包括：主程序的起始地址，中断服务程序的起始地址，有关存储单元及相关部件的初始化和一些子程序调用等等。主程序模块的主要内容是对整个系统进行初始化，并且包含调用子程序。在本课题研究的系统中，主程序主要为两个部分：第一个是对系统初始化，如打开相关中断，设置相关引脚的电平信号以及设置初始实际水温和设定水温的数值 。此系统中主程序初始化包括以下内容：1、外部中断0采用边沿触发：SETB IT02、打开中断允许命令：SETB EA3、打开外部中断0：SETB EX04、外部中断1采用边沿触发：SETB IT15、打开外部中断1：SETB EX16、设置初始实际水温和设定水温都为0*/主程序模块MAIN1: SETB IT0 SETB EA SETB EX0 SETB IT1 SETB EX1 SETB P3.6 SETB P3.2 ；初始化系统 MOV 74H,#0 MOV 75H,#0 MOV 76H,#0 MOV 77H,#0 ；设置初始显示温度MAIN: LCALL GET_TEMPER ；调用温度采集程序 LCALL CVTTMP LCALL DISP1 ；调用显示程序 AJMP MAIN4.3 温度采集模块该模块主要对温度传感器DS18B20的操作，主要包括以下几个内容：DS18B20的初始化 1、先将数据线置高电平“1”；2、延时;3、数据线拉到低电平“0”； 4、延时； 5、数据线拉到高电平“1”； 6、延时等待（如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）； 7、若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时； 8、将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。DS18B20的写操作 1、数据线先置低电平“0”； 2、延时；3、按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）；4、延时；5、将数据线拉到高电平；6、重复上1到6的操作直到所有的字节全部发送完为止； 7、最后将数据线拉高。DS18B20的读操作 1、将数据线拉高“1”； 2、延时； 3、将数据线拉低“0”； 4、延时；5、将数据线拉高“1”； 6、延时；7、读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理； 8、延时。程序内容详见附录。4.4 报警及加热电路模块此模块主要控制报警功能，当实际水温高于设