热水器温度控制系统毕业设计.doc

热水器温度控制系统毕业设计目录1 引言11.1课题的背景和意义11.2课题的主要任务22 热水器温度控制系统的整体设计32.1硬件设计32.2软件设计43 热水器温度控制系统的设计与实现113.1原理图绘制113.2 PCB图生成144 热水器温度控制系统的制作204.1热水器温度控制系统的安装204.2热水器温度控制系统的调试21结论24致谢24参考文献25附录261 引言 热水器在如今人们生活水平的日渐提高下，已经成为了我们生活中越来越受到青睐的家用电器。以前燃气热水器容易受水压限制，而且安全性也比较差。在我们生活的周围，燃气热水器每年使用造成事故也让我们听到毛骨悚然。对燃气热水器人们存在恐惧,所以都不敢放心的去使用燃气热水器。所以燃气热水器渐渐退出了市场。潮落潮起，智能电热水器的脱颖而出，伴随着安全保障、质量保障和使用效果的保障得到了越来越多大家的认可。在中国，电热水器经历了一些起伏的过程中，现如今已有十多年的历史了 ,根据人们的需求一点一点在改变。在20世纪的最后几年, 智能储水式电热水器随着国外品牌进入内地和大陆一些家电厂的产品方向转向至电热水器，任何天气变化都影响不了智能储水式电热水器，智能储水式电热水器可直接在普遍家庭安装使用，人们通过长久通电可大量得到热水。人们担心会产生废气，但是废气在使用中完全不会产生, 智能储水式电热水器为了人们的健康生活做到了既安全又健康的标准。在中国目前市场上销售的电热水器很多还附带干净卫生、安装简易和调温方便的防触电装置。在今天,电热水器发展到这种水平，在人们生产要求的生活上基本都可以得到满足。但是当今学者为了更加追求优质，为了更加精益求精,他们将目光放在了调节控制水温水位的方向上，让现有的产品更加智能化，让它更安全、更稳定、更舒适的控制水温。关于研究电热水器温度水系统在我国学者的努力下取得了很大的成就,并且还在不断的改善中。将数字化测量技术应用在智能电热水器水温水位检测器上，在仪表仪器上，把连续的模拟量转变为不连续形式和数字离散形式来显示。电热水器水温水位检测器在采用单片机后，实现了更多样化的功能、更高的精准度、更强的抗干扰能力。以STC89C52单片机作为主控制元件，是电热水器水温水位检测器在本文研究中来实现热水器里的水温显示在数码管。我们采用继电器来实现自动控制加热装置，单片机应用在各个行业中也是一个比较典型的例子。智能电热水器随着科学技术的进步与人们生活水平的提高，越来越受到人们青睐，人们认为家用电器要智能必不可少的三个条件是安全、节能、方便。在本文设计中，智能电热水器的水温检测器研究非常有意义。11.1课题的背景和意义随着社会的发展，热水器在改善人们生活质量中起到了非常重要的作用。现在市面上的热水器种类繁多，电热水器、太阳能热时器、煤气热水器等，它们仅仅是提供能量的方式不同而已，但它们都需要对其主要的水温参数加以控制，实现热时器的自动化。早期温度的参数控制时通过模拟电路实现的，这种方式不仅电路复杂，成本高，而且误差大，系统地稳定性不好，单片机及微型计算机技术的发展和应用有效地解决了这些缺点，特别是传感器的发展，更好的提高了检测参数的精度。热水器水温控制系统的智能化改进，采用单片机对其水温参数进行控制，提高了热水器的工作稳定性，同时引进了数字传感器对水温进行数据采集，这样也就提高了系统的控制精度，对水温的控制结构简单，易于实现，具有很强的现实应用价值。1.2课题的主要任务本课题所设计和实现的热水器温度控制系统具有如下功能：1) 热水器温度控制系统的系统方案比较、设计与论证2) 系统器件选择3) 硬件实现及单元电路设计4) 系统软件设计5) 系统的安装与调试2热水器温度控制系统的整体设计电源2.1硬件设计温度传感器DS18B20继电器51单片机报警指示灯数码管显示 图2.1系统框图如图2.1所示，本设计采用51单片机+DS18B20温度传感器+数码管显示+继电器+功能按键组成。DS18B20温度传感器检测水温并将水温信息转换成电信号传送给单片机，单片机将得到的数据进行处理、显示与控制。上电后数码管显示当前的水温温度，通过按键可设置水温值，当检测到的水温低于设置的水温值时，继电器吸合接通外部加热装置，使水温达到设定水温值。当水温值超过设定水温值时，继电器断开，停止加热。温度检测精确到0.1度。并具有掉电保存功能，数据保存在单片机内部EEPOM中，按键还具有连加、减功能。2.1.1 单片机51单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。如图2.2所示 图2.2 单片机引脚图单片机最小系统单片机最小系统电路如图2.3所示。 图2.3 单片机最小系统 2.1.2显示模块电路 显示采用四位数码管显示，当位选打开时，送入相应的段码，则相应的数码管打开，关掉位选，打开另一个位选，送入相应的段码，则数码管打开，而每次打开关掉相应的位选时，时间间隔低于20ms，从人类视觉的角度上看，就仿佛是全部数码管同时显示的一样。显示电路如图2.4图2.4 数码管显示2.1.3数码管显示驱动电路三极管8550来驱动4位数码管，不仅简单，而且价格便宜。如图2.5所示图2.5 驱动电路2.1.4温度传感器(DS18B20)电路DS18B20基本介绍DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可直接将温度转化成串行数字信号处理器处理。DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。因此，下图电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。图2.6 温度传感器电路引脚图DS18B20控制方法DS18B20有六条控制命令：温度转换 44H 启动DS18B20进行温度转换 读暂存器 BEH 读暂存器9个字节内容 写暂存器 4EH 将数据写入暂存器的TH、TL字节 复制暂存器 48H 把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中 重新调E2RAM B8H 把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节 读电源供电方式 B4H 启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU DS18B20供电方式DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图3.1所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个三极管来完成对总线的上拉。本设计采用电源供电方式， P2.2口接单线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个上拉电阻和STC89C52的P2.2来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10 s。采用寄生电源供电方式是VDD和GND端均接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三状态的。主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：l 初始化。l ROM操作指令。l 存储器操作指令。2.1.5继电器加热控制电路 电路如图2.7主要是用来给外部加热源加热的。图2.7继电器加热电路2.2软件设计2.2.1 程序结构分析主程序调用了3个子程序，分别是数码管显示程序、温度信号处理程序、按键设定报警温度程序。温度信号处理程序：对温度芯片送过来的数据进行处理，进行判断和显示。数码管显示程序：向数码管的显示送数，控制系统的显示部分。按键设定程序：可以设定低温和高温报警可精确到0.1度。2.2 .2 系统程序流程图图2.8 DS18B20温度流程图主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，主程序的主要功能是负责温度的实时显示，读出并处理DS18B20的当前温度值，与设定的报警温度比较，其程序流程见图2.8所示。通过调用读温度子程序把存入内存储中的整数部分与小数部分开分存放在不的两个单元中，然后通过调用显示子程序显示出来。2.2.3 DS18B20初始化程序流程图在DS18B20工作之前需要进行初始化，流程图如下：发复位命令发跳过ROM命令 初始化成功 结束 图2.9 初始化程序流程图系统初始化DS18B20，总线主机发出一复位脉冲，发出跳过64位ROM命令，执行初始化成功，则成功结束流程。若不成功则重新执行发出跳过64位ROM命令。2.2.4 读温度子程序流程图 读温度子程序的主要功能是从DS18B20中读出温度数据，移入温度暂存器保存。其程序流程图如下：发复位命令发跳过ROM命令 发读取温度命令 移入温度暂存器 结束 图2.10 温度子程序流程图 系统初始化DS18B20，发出跳过64位ROM命令，并发出读取暂存器命令，分别读取低温度字节和高温度字节，把温度的高位左移8位，温度的低位放在低八位中，转换到温度值，返回读出的温度。3热水器温度控制系统的设计与实现3.1原理图绘制3.1.1 protel软件介绍 PROTEL是Altium公司在80年代末推出的EDA软件，该软件在电子行业的CAD软件中，乃当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，软件较早就在国内开始使用， Protel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计 功能：该软件包含了电路原理图绘制、模拟电路、数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有客户/服务器体系结构，而且还兼容一些其它设计软件的文件格式。特点： 1.网络设计组，可以实现基于异地设计的全新设计方法 2. 具有在线库编辑的库管理 3.强大的设计自动化功能 4.智能化的基于形状的自动布线功能及交互式手工布线 5.更丰富的PCB设计规则 6. 可靠的设计校验，使电路板的可靠性得到保证 7. 具有良好的兼容性和开放性3.1.2原理图绘制过程首先要设计好电路图如有元件库不存在的元件则要新建元件库，如图3.1所示 图3.1新建元件库 首先先新建一个库文件File/New/schematic Library并命名，选择place/Rectangle,放置方框，然后选择Place/Pin ，如图3.2所示 图3.2放置方框并选择Place/Pin放置管脚，双击修改管脚属性 修改完后选择Tools/Rename Component 命名芯片 如图3.3所示 图3.3命名芯片总原理图如下 图3.4 总原理图3.2PCB图生成PCB板生成步骤如下：第一步，元件库的安装过程，如图3.5所示 图3.5元件库的安装过程第二步，原理图库的绘制过程，如图3.6所示 图3.6原理图库的绘制过程第三步，PCB库的绘制过程，如图3.7所示图3.7 PCB图的绘制过程第四步，工程创建过程，如图3.8所示 图3.8工程创建过程 第五步，更改元件型号封装等一些参数，如图3.9所示 图3.9更改元件型号封装等一些参数第六步，添加不同元件的PCB过程，如图3.10所示 图3.10添加不同元件的PCB第七步，装入网络表与文件，自动布局，如图3.11所示 图3.11 PCB板 4热水器温度控制系统的制作4.1热水器温度控制系统的安装 4.1.1 安装步骤1.检查元件的好坏按电路图买好元件后首先检查买回元件的好坏，按各元件的检测方法分别进行检测，一定要仔细认真。而且要认真核对原理图是否一致，在检查好后才可上件、焊件，防止出现错误焊件后不便改正。2.放置、焊接各元件按原理图的位置放置各元件，在放置过程中要先放置、焊接较低的元件，后焊较高的和要求较高的元件。特别是容易损坏的元件要后焊，在焊集成芯片时连续焊接时间不要超过10s，注意芯片的安装方向。 图4.1元器件清单表4.2热水器温度控制系统的调试调试 首先烧入显示程序，看显示正不正常。在调试程序时，发现有的指令用的不正确，导致电路功能不能完全实现，另外软件程序中的延时有的过长、有的过短。类似的现象还有很多就不一一列举了。以下是调试截图 图4.2调试截图 图4.3调试截图 图4.4调试截图 结论 本设计采用51单片机+DS18B20温度传感器+继电器加热+数码管显示+功能按键组成。DS18B20温度传感器检测水温并且把水温信息转换成电信号传送给单片机，单片机将得到的数据再进行处理、显示与控制。上电后数码管显示当前的水温温度，通过按键可设置水温值，当检测到的水温低于设置的水温值时，继电器吸合接通外部加热装置，使水温达到设定水温值。当水温值超过设定水温值时，继电器断开，停止加热。温度检测精确到0.1度。并具有掉电保存功能，数据保存在单片机内部EEPOM中，而且按键还拥有连加功能和连减功能。本设计具有简单的结构，方便的调试步骤，快速灵活的系统反应，经实验测试，这是正确、可行，而且各项指标稳定、可靠的温度系统设计方案。致谢本文是在王老师的悉心指导下完成的。从论文的选题、研究方案的实施到论文的撰写和修改无不凝聚着导师大量的心血。王老师渊博的理论知识和实践知识，创造性的思维方式及严谨的治学态度，一丝不苟的工作作风给我带来很多的启迪和教诲。在此，特向王老师表示最衷诚的感谢! 大学的学习生涯即将结束，这次毕业设计也将给这三年的学习划上一个圆满的句号。在这段难忘的时光里，我不断地汲取着知识的营养，感受着校园浓厚的学术氛围，不但在学习上有很大的提高，在自身修养和综合素质上也有了明显的进步。 在这里我首先要感谢我的导师王老师。在毕业设计的课题选择方面，王老师根据我今后就业的实际情况，为我制定了设计方向。在接下来的设计过程中，王老师时刻指导着我，为我提供了很多难得的学习机会和宝贵的资源以及为人处事的方法，是王老师指出我学习上的不足之处，让我的知识更加系统、全面。总之，没有王老师的倾力的指导，支持和鼓励，就没有我现在的进步和三年来的成长。感谢在本次设计中给过我帮助，指导过我的老师和同学，他们有的解决了我技术上的疑问，有的给我提供了设计中需要的工具和器材。正是他们无私的帮助，我的设计才得以顺利完成。 最后感谢我身边的同学们和朋友们，他们让我体会到友谊的可贵，和朋友分享喜悦和忧愁的快乐。感谢我的学校，它记录了我在这三年生活和学习的点点滴滴，我爱这里的一草一木。参考文献1.刘刚、秦永左. 单片机原理及应用M. 北京：北京大学出版社，20061. 2.胡汉才. 单片机原理及其接口技术M. 北京：清华大学出版社，2004. 3.蔡美琴、张为民.MCS-51 系列单片机系统及其应用（第二版）M. 高 等教育出版社，2004. 4.张毅刚、彭喜元.单片机原理及应用. 高等教育出版社，2007.5.何立民. 单片机应用系统设计系统.北京：北京航空航天大学出版社,2001 6.王幸之.单片机应用系统抗干扰技术.北京：北京航空航天大学出版 社,2001 7.徐煜明单片机原理及接口技术 电子工业出版社.2008 附 录附录1：总体原理图设计（如图1） 图1总体原理图设计附录2：元器件清单（如图2） 图2元器件清单附录3：PCB图（如图3） 图3PCB图附录4：实物图（如图4.图5） 图4 实物图 图5实物图附录5：程序源代码#include #include eepom52.h#define uchar unsigned char #define uint unsigned int/* 本设计系统是18b20温度报警系统数码管显示，可设置温度上限高温报警和下限低温报警，报警温度可精确到0.1度，并具有掉电保存功能，数据保存在单片机内部EEPOM中，进入设置界面后如果没有键按下系统会在30秒后自动退出设置界面，人性化的按键设置，按键还具有连加、减功能。*/数码管段选定义 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9uchar code smg_du=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90, 0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xff; /断码/数码管位选定义uchar code smg_we=0xef,0xdf,0xbf,0x7f;uchar dis_smg8 = 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8;uchar smg_i = 3; /显示数码管的个位数sbit dq = P24;/18b20 IO口的定义sbit relay = P25; /继电器IO口定义sbit beep = P23; /蜂鸣器IO口定义uchar a_a;uint temperature ; /bit flag_300ms ;uchar key_can; /按键值的变量uchar menu_1; /菜单设计的变量uint t_high = 300,t_low = 100;bit flag_lj_en; /按键连加使能bit flag_lj_3_en; /按键连3次连加后使能 加的数就越大了 uchar key_time,flag_value; /用做连加的中间变量bit key_500ms ;uchar flag_clock;uchar zd_break_en,zd_break_value; /自动退出设置界面/*1ms延时函数*/void delay_1ms(uint q)uint i,j;for(i=0;iq;i+)for(j=0;j120;j+);/*小延时函数*/void delay_uint(uint q)while(q-);/*数码显示函数*/void display()uchar i;for(i=0;ismg_i;i+) P3 = smg_wei; /位选P1 = dis_smgi; /段选 delay_1ms(1); P3 = 0xff; /位选P1 = 0xff; /消隐 /*把数据保存到单片机内部eepom中*/void write_eepom()SectorErase(0x2000);byte_write(0x2000, t_high % 256);byte_write(0x2001, t_high / 256);byte_write(0x2002, t_low % 256);byte_write(0x2003, t_low / 256);byte_write(0x2055, a_a);/*把数据从单片机内部eepom中读出来*/void read_eepom()t_high = byte_read(0x2001);t_high = 8;t_high |= byte_read(0x2000);t_low = byte_read(0x2003);t_low = 8;t_low |= byte_read(0x2002);a_a = byte_read(0x2055);/*18b20初始化函数*/void init_18b20()bit q;dq = 1;/把总线拿高delay_uint(1); /15usdq = 0;/给复位脉冲delay_uint(80);/750usdq = 1;/把总线拿高 等待delay_uint(10);/110usq = dq;/读取18b20初始化信号delay_uint(20);/200usdq = 1;/把总线拿高 释放总线/*写18b20内的数据*/void write_18b20(uchar dat)uchar i;for(i=0;i= 1;/*读取18b20内的数据*/uchar read_18b20()uchar i,value;for(i=0;i= 1; /读数据是低位开始dq = 1; /释放总线if(dq = 1) /开始读写数据 value |= 0x80;delay_uint(5); /60us读一个时间隙最少要保持60us的时间return value; /返回数据/*读取温度的值 读出来的是小数*/uint read_temp()uint value;uchar low; /在读取温度的时候如果中断的太频繁了，就应该把中断给关了，否则会影响到18b20的时序init_18b20(); /初始化18b20write_18b20(0xcc); /跳过64位ROMwrite_18b20(0x44); /启动一次温度转换命令delay_uint(50); /500usinit_18b20(); /初始化18b20write_18b20(0xcc); /跳过64位ROMwrite_18b20(0xbe); /发出读取暂存器命令EA = 0;low = read_18b20(); /读温度低字节value = read_18b20(); /读温度高字节EA = 1;value = 10)write_eepom();key_value = 0;key_new = 1;flag_lj_en = 0;/关闭连加使能flag_lj_3_en = 0;/关闭3秒后使能flag_value = 0;/清零else if(P2 & 0x0f) != 0x0f)key_value +; /按键按下的时候else key_value = 0;if(key_value = 7)key_value = 0;key_new = 0;flag_lj_en = 1; /连加使能zd_break_en = 1; /自动退出设置界使能zd_break_value = 0; /自动退出设置界变量清零key_can = 20;if(key_500ms = 1)key_500ms = 0;zd_break_en = 1; /自动退出设置界使能zd_break_value = 0; /自动退出设置界变量清零key_new = 0;key_old = 1;if(key_new = 0) & (key_old = 1)switch(P2 & 0x0f)case 0x0e: key_can = 4; break; /得到k1键值case 0x0d: key_can = 3; break; /得到k2键值case 0x0b: key_can = 2; break; /得到k3键值case 0x07: key_can = 1; break; /得到k4键值 key_old = key_new; /*按键处理数码管显示函数*/void key_with()if(key_can = 4)menu_1 +;if(menu_1 = 3)menu_1 = 0;if(menu_1 = 0)dis_smg0 = smg_dutemperature % 10; /取温度的小数显示dis_smg1 = smg_dutemperature / 10 % 10 & 0x7f; /取温度的个位显示dis_smg2 = smg_dutemperature / 100 % 10 ; /取温度的十位显示smg_i = 3;if(menu_1 = 1)dis_smg0 = smg_dut_high % 10; /取小数显示dis_smg1 = smg_dut_high / 10 % 10 & 0x7f; /取个位显示dis_smg2 = smg_dut_high / 100 % 10 ; /取low十位显示dis_smg3 = 0x89;smg_i = 4;if(menu_1 = 2)dis_smg0 = smg_dut_low % 10; /取low小数显示dis_smg1 = smg_dut_low / 10 % 10 & 0x7f; /取个位显示dis_smg2 = smg_dut_low / 100 % 10 ; /取十位显示dis_smg3 = 0xc7;smg_i = 4;if(menu_1 = 1)/设置高温报警if(key_can = 3)if(flag_lj_3_en = 0)t_high + ;/按键按下未松开自动加三次else t_high += 10;/按键按下未松开自动加三次之后每次自动加10if(t_high 990)t_high = 990;dis_smg0 = smg_dut_high % 10; /取小数显示dis_smg1 = smg_dut_high / 10 % 10 & 0x7f; /取个位显示dis_smg2 = smg_dut_high / 100 % 10 ; /取十位显示dis_smg3 = 0x89; /Hif(key_can = 2)if(flag_lj_3_en = 0)t_high - ;/按键按下未松开自动加三次else t_high -= 10;/按键按下未松开自动减三次之后每次自动减10if(t_high = t_high)t_low = t_high - 1;dis_smg0 = smg_dut_low % 10; /取小数显示dis_smg1 = smg_dut_low / 10 % 10 & 0x7f; /取个位显示dis_s