即热式电热水器设计毕业设计论文.doc

即热式电热水器设计毕业设计论文摘要即热式电热水器与普通电热水器的最大区别在于它取消了储水罐，热水随开随用，无需预热，减少了电能的浪费，另外还具有体积小、使用安全、安装方便等优点。总体来说，即热式热水器已逐渐成为家庭生活的新时尚。其特点是安全、出热水快、节水节能、体积小、价格低。本设计的主要特点就是恒温以及温度可调。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且还可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而进一步提高产品的质量。本设计运用AT89C51单片机系统为主控制芯片。其外围电路主要由温度传感器ds18b20、液晶显示器、报警器、继电器控制水温和状态显示、按键输入以及电源时钟复位电路等部分组成。关键字：温度传感器ds18b20控制、AT89C51、A/D转换 前言1 论文的内容该热水器的工作原理为：温度传感器及有关电路将电热水器出口温度转化为电压，单片机利用温度传感器ds18b20本身具有的AD转换器将测得的模拟量转换为数字量，再转化为与之对应的温度值。与设定的温度相比较后，以偏差及其变化量为输入、加热量为输出，通过模糊控制算法，就可达到温度自调的目的，并加以显示。 基于以上原理,该电热水器将实现如下的功能： 用液晶显示器1602显示水温，能显示设定功率档位。温度检测显示范围为0099，精度为1。设置3个功率档位指示灯，14档1个灯亮，58档2个灯亮，9档3个灯全亮；0档无功率输出，档位灯不亮。设置3个轻触按钮，分别为电源开关键、“+”键和“-”键。加热功率分09档，按“+”键依次递增至9档，按“-”键依次递增至0档。出水温度超过65时停止加热，并蜂鸣报警，温度降到45以下时恢复。内胆温度超过105时停止加热，防止干烧。2 本次设计的目的毕业设计,是培养学生综合运用本专业基础理论,基本知识和基本技能分析解决实际问题能力的一个重要环节;是本专业各个先前教学环节的深化和检验.通过毕业设计,使学生在实际的电子操作、修理工作中,充分利用所学的专业知识,理论联系实际,独立开展工作,从而使学生具备从事电子工作的实际能力.3 毕业设计的具体目的有: 培养学生综合运用所学知识和技能,解决电子系统规划,可行性研究,系统分析,系统设计,以及电子系统运用中实际问题的能力; 训练提高我们的调查研究、整理资料、分析论证和文字写作能力，培养学生的创新意识,求实的科学作风以及刻苦钻研的精神。 提高我们自学的能力，充分利用Protel99画原理图，单片机软件编程等。 进一步训练和提高我们计算机辅助设计的应用能力。能让我们受到单片机系统开发的综合训练，达到初步进行单片机系统设计和调试的目的。 第一章 设计纲要 图（1） 如上图所示本设计主要分为六大板块，现分别做以介绍：第一节对本实验核心部分单片机AT89C51做简单介绍1.1 AT89C51是Atmel公司产品，AT89系列单片机已成为国内MCS-51及其兼容单片机的主流选型，AT89C51单片机外型如下图所示，是一个40脚的双列直插式集成电路。图（2）1.2 AT89C51 主要功能特性如下： 兼容MCS-51指令系统； 32个双向I/O口，两个16位可编程定时/计数器； 1个串行中断，两个外部中断源； 可直接驱动LED； 低功耗空闲和掉电模式； 4 kB可反复擦写(1 000次)FLASI ROM； 全静态操作O24 MHz； 1288 b内部RAM。 该款芯片的超低功耗和良好的性能价格比使其非常适合嵌入式产品应用。 单片机原理与应用技术北京大学出版社第二节. 温度传感器板块设计2.1水温控制系统概述在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，温度是极为重要而又普遍的热工参数之一。在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对加热水水温进行测、显示、控制，使之达到工艺标准，以单片机为核心设计的水温控制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。那么无论是哪种控制，我们都希望水温控制系统能够有很高的精确度（起码是在满足我们要求的范围内），帮助我们实现我们想要的控制，解决身边的问题。在计算机没有发明之前，这些控制都是我们难以想象的。而当今，随着电子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，而且计算机和传感器的价格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技术来实现水温控制并提高控制的精确度不仅是可以达到的而且是容易实现的。用高新技术来解决工业生产问题，排除生活用水问题实施对水温的控制已成为我们电子行业的任务，以此来加强工业化建设，提高人民的生活水平。2.2本设计任务和主要内容1.基本要求 温度设定范围：0099。 控制精度：1。 用液晶显示器显示实际水温。2.方案选择以AT89C51单片机为该控制系统的核心，实现对温度的采集、检测和控制。系统由变送器经A/D转换器构成输入通道，用于采集水内的温度信号。变送器可以选用DBW，型号，它将热电偶信号(温度信号)变为05 V电压信号，以供A/D转换用。转换后的数字量与水温数字化后的给定值进行比较，即可得到实际水温和给定水温的偏差及温度的变化率。水温的设定值由按键输入起始为20度。由AT89C51构成的核心控制器按智能控制算法进行推算，得出所需要的控制量。由单片机的输出通过调节热得快的接通时间，改变水的输出功率，起到调温的作用。（一）、方案论证与比较本设计制作一个水温控制系统，对象为一升净水，加热器为1KW的热得快。 要求能在35-65范围内设定控制水温，并具有较好的快速性和较小的超调，以及十进制液晶显示器显示等功能。1、总体方案设计及论证根据题目的要求，我们提出了以下的两种方案：方案1：此方案是采用传统的二位模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，采用上下限比较电路将反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或者不加热。由于采用模拟控制方式，系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法使控制精度做得教高，而且不能用数码显示和键盘设定。方案2：采用单片机At89C51为核心。采用了温度传感器ds18b20采集温度变化信号，A/D采样芯片ADC0804将其转换成数字信号并通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。比较上述两种方案，方案2明显的改善了方案1的不足及缺点，并具有控制简单、控制温度精度高的特点，因此本设计电路采用方案2。2.3 温度档位控制方案 方案1：采用连接部分电阻，通过对电阻的连接不同的选择可满足35-65的测量范围，但电阻会损耗对功率造成能源的浪费，而且对水温的调节精确度很难控制。 方案2：采用AT89C51单片机对热得快加热的时间来控制档位的选择，通过软件的编程可以实现对档位的控制，具体方法为：14档1个灯亮，对水连续加热1分钟； 58档2个灯亮，对水连续加热2分钟；9档3个灯全亮，对水连续加热3分钟。 经上述比较，方案2明显优于方案1，故选用方案2。第三节 按键程序板块本系统共需要三个按键，分别为电源开关键、“+”键和“-”键。加热功率分09档，按“+”键依次递增至9档，按“-”键依次递增至0档。可采用如图所示的按键输入电路。按键直接用I/O口线构成单个按键电路。每个按键独占一根I/O线的工作状态不影响其他I/O口线的工作状态。 电路接法如图，方案一：三个按键都接P0口，需要为按键接上拉电阻。方案二：三个按键都接P2口，因为它是自带上拉电阻的8位双向I/O接口，无须接上拉电阻，作为输入接口应先向锁存器写“1”。 本实验选用方案二接法。图（3）第四节 继电器控制热得快4.1 本试验选用固体继电器控制热得快对水进行加热固态继电器（Solid State Relay,缩写SSR）,是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。对于控制电压固定的控制信号，采用阻性输入电路。控制电流保证再大于5mA。对于大的变化范围的控制信号（如3-32V）则采用恒流电路，保证在整个电压变化范围内电流在大于5mA可靠工作。隔离驱动电路：隔离电路采用光-电耦合和高频变压器耦合（磁电耦合），光电耦合通常使用光电二极管光电三极管，光电二极管双向光控可控硅，光伏电池，实现控制侧与负载侧隔离控制。高频变压器耦合是利用输入的控制信号产生的自激高频信号经耦合到次级，经检波整流，逻辑电路处理形成驱动信号。SSR的功率开关直接接入电源与负载端，实现对负载电源的通断切换。主要使用有大功率晶体三极管（开关管-Transistor）,单向可控硅（Thyristor或SCR），双向可控硅（Triac）,功率场效应管（MOSFET）,绝缘栅型双极晶体管（IGBT）.固态继电器可以方便的与TTL,MOS逻辑电路连接。专用的固态继电器可以具有短路保护，过载保护和过热保护功能，与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块，直接用于控制系统中。固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。目前已广泛应用于计算机外围接口设备，调温、调速、调光、电机控制、电炉加温控制、电力石化、医疗器械、金融设备、煤碳、仪器仪表、交通信号等领域。（自动控制原理 西安电子工业大学出版社）4.2 固态继电器的优点（1）高寿命，高可靠:SSR没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，由于没有运动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。（2）灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好:固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。（3）快速转换:固态继电器因为采用固体器件，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。（4）电磁干扰小:固态继电器没有输入“线圈”，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。 4.3固态继电器的缺点（1）导通后的管压降大，可控硅或双相控硅的正向降压可达12V，大功率晶体管的饱和压降也在12V之间，一般功率场效应管的导通电阻也较机械触点的接触电阻大。（2）半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离。（3）由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，成本也较高。（4）电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低。（5）固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或RC阻尼电路对其进行过载保护。固态继电器的负载与环境温度明显有关，温度升高，负载能力将迅速下降。（6）主要不足是存在通态压降（需相应散热措施），有断态漏电流，交直流不能通用，触点组数少，另外过电流、过电压及电压上升率、电流上升率等指标差。（冉文编写.电机与电气控制,西安电子科技大学出版社）4.4继电器程序介绍本试验所用继电器为5V固体继电器如上图所示 ，本设计设置了一个电源按键，按下此按键继电器吸合，再按下释放，实现继电器周期性的吸合和释放的程序如下：ORG 0000H ;复位入口地址LJMP MAIN ;转移到主程序MAINMAIN: CPL P1.0 ;P1.0取反，继电器交替吸合和释放LCALL DELAY ;调延时子程序LJMP MAIN ;循环执行主程序DELAY: MOV R0,#0FFH ;延时子程序LOOP2: MOV R1,#0FFHLOOP1: DJNZ R1,LOOP1DJNZ R0,LOOP2RET第五节 报警器系统板硬件连线1 .把“单片机系统”区域中的P1.0端口用导线连接到“音频放大模块”区域中的SPK IN端口上，2 .在“音频放大模块”区域中的SPK OUT端口上接上一个8欧或者是16欧的喇叭；汇编源程序T02SA EQU 30HT02SB EQU 31HFLAG BIT 00H ORG 00H LJMP START ORG 0BH LJMP INT_T0START: MOV T02SA,#00H MOV T02SB,#00H CLR FLAG MOV TMOD,#01H MOV TH0,#(65536-500) / 256 MOV TL0,#(65536-500) MOD 256 SETB TR0 SETB ET0 SETB EA SJMP $INT_T0: MOV TH0,#(65536-500) / 256 MOV TL0,#(65536-500) MOD 256 INC T02SA MOV A,T02SA CJNE A,#100,NEXT INC T02SB MOV A,T02SB CJNE A,#04H,NEXT MOV T02SA,#00H MOV T02SB,#00H CPL FLAGNEXT: JB FLAG,DONE CPL P1.0DONE: RETI END第六节 单片机控制两位液晶显示器本设计利用单片机AT89C51控制液晶显示器显示水温，部分连接图如下图（4） 第七节 时钟电路与复位电路设计 单片机的时钟一般需要多相时钟，所以时钟电路由震荡器和分频器组成。晶振频率为12MHZ时，CIC2一般选30PF左右，一般接单片机的XATL1和XATL2引脚。单片机RST引脚是复位端，高电平有效。在该引脚输入至少连续两个机器周期以上的高电平单片机复位。RST引脚内部有一个斯密特ST触发器以对输入信号整形，保证内部复位电路的可靠性，所以外部输入信号不一定要求是数字波形，使用时一般在此引脚与VSS引脚之间接一个约8.2K欧的下拉电阻，与VCC之间接一个约10微发的电解电容，即可保证上电自动复位第二章 设计主程序和硬件连接第一节 主程序本装置的功能是对水温进行实时监测与控制。由温度传感器DS18B20对温度进行采样和转换成数字信号送入单片机，并与设定的报警温度上、下限值进行比较，信息通过LCD显示出来。如实时温度超过设定的上、下限值，一方面由LCD显示信息，并发出警报声；另一方面自动控制继电器（Relay）开接通或断开，从而控制热得快的开与断，达到对温度进行实时控制的目的。程序：01 ; 02 ; 温度值存放单元03 TEMP_ZH EQU 24H ;实时温度值存放单元04 TEMPL EQU 25H ;低温度值存放单元05 TEMPH EQU 26H ;高温度值存放单元06 TEMP_TH EQU 27H ;高温报警值存放单元07 TEMP_TL EQU 28H ;低温报警值存放单元08 TEMPHC EQU 29H ;存十位数 BCD码09 TEMPLC EQU 2AH ;存个位数 BCD码10 ;11 按键输入引脚定义 12 K1 EQU P2.113 K2 EQU P2.214 K3 EQU P2.315 K4 EQU P2.416 ;17 SPK EQU P3.4 ;蜂鸣器引脚18 RELAY EQU P2.0 ;继电器引脚19 X EQU 2FH ;LCD 地址变量20 ; 21 ;LCD控制引脚 22 RS EQU P3.523 RW EQU P3.624 E EQU P3.725 ; 26 FLAG EQU 20H.0 ;DS18B20是否存在标记27 KEY_UD EQU 20H.1 ;设定 KEY 的UP与DOWN 标记28 DQ EQU P2.52930 ; 主程序 3132 MAIN: 33 ACALL SET_LCD ;LCD初始化设置子程序34 ACALL WR_THL ;将报警上下线写入暂存寄存器子程序35 TOOP: ACALL RESET_1820 ;调用18B20复位子程序36 JNB FLAG,TOOP1 ;DS1820不存在转移TOOP1处37 ACALL MEU_OK ;调用显示OK信息子程序38 ACALL RE_THL ;把EEROM里温度报警值拷贝回暂存器39 ACALL TEMP_BJ ;显示温度标记40 JMP TOOP241 TOOP1: ACALL MEU_ERROR ;显示ERROR信息42 ACALL TEMP_BJ ;显示温度标记43 JMP $ ;等待44 ;45 TOOP2:46 ACALL RE_TEMP ;调用读取温度数据子程序47 ACALL SET_DATA ;调用处理显示温度数据子程序 48 ACALL TEMP_COMP ;实际温度值与标记温度值比较子程序49 ACALL P_KEY ;调用按键扫描子程序50 SJMP TOOP2 ;循环5152 ; 读取温度数据子程序 53 RE_TEMP:54 ACALL RESET_1820 ;18B20复位子程序 55 JNB FLAG,TOOP1 ;DS1820不存在56 MOV A,#0CCH ;跳过ROM匹配57 ACALL WRITE_1820 ;写入子程序58 MOV A,#44H ;发出温度转换命令59 ACALL WRITE_1820 ;调写入子程序 60 ACALL RESET_1820 ;调复位子程序 61 MOV A,#0CCH ;跳过ROM匹配62 ACALL WRITE_1820 ;写入子程序63 MOV A,#0BEH ;发出读温度命令64 ACALL WRITE_1820 ;写入子程序 65 ACALL READ_1820 ;调用读取子程序66 RET6768 ; 温度数据处理显示子程序69 SET_DATA:70 ACALL CONV_TEMP ;处理温度 BCD 码子程序71 ACALL DISP_BCD ;显示区 BCD 码温度值刷新子程序72 ACALL CONV ;LCD显示子程序 73 RET7475; 按键键扫描子程序 76 P_KEY: ;按键K1处理 77 JB K1, PK1 ;K1键未按，转到PK1处 78 ACALL SPK_BZ ;K1键按下，一声鸣响79 JNB K1,$ ;等按键放开80 MOV DPTR,#M_ALAX1 ;存M_ALAX1表81 MOV A,#182 ACALL LCD_PRINT ;显示字符83 ACALL LOOK_ALARM ;显示信息区子程序84 JB K3, $ ;等待K3按下85 ACALL SPK_BZ ;一声鸣响86 JMP PK2 ;转到标号 PK2处87 PK1: ; 按键K2处理88 JB K2, PK3 ;K2键未按，转到PK3处 89 ACALL SPK_BZ ;K2键按下，一声鸣响 90 JNB K2,$ ;等按键放开 91 MOV DPTR, #TA1 ;存#TA1表 92 MOV A,#1 93 ACALL LCD_PRINT ;显示字符 94 ACALL SET_ALARM ;设定报警值 TH、TL 95 ACALL WR_THL ;将设定的TH,TL值写入DS18B20内96 ACALL WRITE_E2 ;调用报警值拷贝EEROM子程序97 PK2:98 ACALL MEU_OK ;显示OK信息子程序99 ACALL TEMP_BJ ;显示温度标记子程序 100 PK3:101 RET102 ;103 TA1: ;菜单表104 DB RESET ALERT CODE105 ;106107 ; 设定报警值 TH、TL子程序 108 SET_ALARM:109 ACALL LOOK_ALARM ;调用显示信息区子程序110 A0: JB K1,A2 ;按下K1(查看键)，程序向下运行111 ACALL SPK_BZ ;蜂鸣器响一声112 JNB K1,$ ;等放开113 CPL 20H.1 ;UP/DOWN 标记反向114 A2: JB 20H.1,A3 ;20H.1=1，UP,转移到A3。115 JMP A8 ;20H.1=0，DOWN，转移到A8116 ;117 ; TH值调整（增加）118 A3: JB K2, A5 ;按下K2(设定键)，程序向下运行 119 ACALL SPK_BZ ;蜂鸣器响一声120 INC TEMP_TH ;TH值调整（增加）121 MOV A,TEMP_TH ;TH值送入A122 CJNE A,#120,A4 ;TH值增到120，程序向下运行123 MOV TEMP_TH,#0 ;TH值清0124 A4: ACALL LOOK_ALARM ;调用显示信息区子程序125 MOV R5, #10126 ACALL DELAY ;调用延时程序127 JMP A3 ;循环128 ;129 ;TL值调整（增加）130 A5: JB K3,A7 ;按下K3(TL值设定键)程序向下运行131 ACALL SPK_BZ ;蜂鸣器响一声132 INC TEMP_TL ;TL值增加1133 MOV A, TEMP_TL ;TL值送入A134 CJNE A,#99,A6 ;比较，若A=99,程序向下运行135 MOV TEMP_TL,#00H ;TL值清0136 A6: ACALL LOOK_ALARM ;调用显示信息区子程序 137 MOV R5, #10138 ACALL DELAY ;调用延时程序139 JMP A5 ;程序转移到A5,循环140 ;141 ;确定调整 OK142 A7: JB K4, A0 ;按下K4(调整确定键)，程序向下运行143 ACALL SPK_BZ ;蜂鸣器响一声144 JNB K4, $ ;等放开145 RET ;程序返回146 ;147 ;TH值调整 （减少）148 A8: JB K2, A10 ;按下K2(设定键)，程序向下运行 149 ACALL SPK_BZ ;蜂鸣器响一声150 DEC TEMP_TH ;TH值减1151 MOV A,TEMP_TH ;TH值送入A152 CJNE A,#0FFH,A9 ;比较，若A=0FF,程序向下运行153 JMP A12 ;转移到A12154 A9: ACALL LOOK_ALARM ;调用显示信息区子程序155 MOV R5, #10156 ACALL DELAY ;调用延时子程序157 JMP A0 ;转移到A12158 ;159 ;TL值调整（减少）160 A10: JB K3, A13 ;按K3(TL值设定键)，程序向下运行161 ACALL SPK_BZ ;蜂鸣器响一声162 DEC TEMP_TL ;TL值减1163 MOV A,TEMP_TL ;TH值送入A164 CJNE A,#0FFH,A11 ;比较，若A=0FF,程序向下运行165 JMP A12 ;转移到A12166 A11: ACALL LOOK_ALARM ;调用显示信息区子程序167 MOV R5, #10168 ACALL DELAY ;调用延时子程序169 JMP A0 ;转移到A0170 A12: CPL 20H.1 ;UP/DOWN 标记反向171 JMP A3 ;转移到A3 ，TH值调整（增加）172 A13: JMP A7 ;转移到A7 ，确定调整 OK173 RET ;子程序返回174175 ; 显示信息区子程序 176 LOOK_ALARM:177 MOV DPTR,#M_ALAX2 ;存表178 MOV A,#2 ;显示在第二行179 ACALL LCD_PRINT ;调用显示字符子程序180 MOV A,#0C6H ;显示起始地址为第二行第7位181 ACALL TEMP_BJ1 ;调用显示温度标记子程序 182 MOV A,TEMP_TH ;加载TH数据183 MOV X,#3 ;设置位置184 ACALL SHOW_LINE2H ;显示数据185 ;186 MOV A,#0CEH ;设定显示起始地址为第二行第15位187 ACALL TEMP_BJ1 ;调用显示温度标记子程序188 MOV A,TEMP_TL ;加载TL数据189 MOV X,#12 ;设置位置190 ACALL SHOW_LINE2L ;显示数据191 RET192 ;193 M_ALAX1:194 DB LOOK ALERT CODE,0195 M_ALAX2:196 DB TH: TL: ,0197 ;198 ;显示温度标记子程序199 TEMP_BJ1: 200 ACALL WR_COMM ;调用写指令子程序201 MOV DPTR,#BJ2 ;存代码表202 MOV R1,#0 ;使指针指到表中第一个码203 MOV R0,#2 ;取码次数205 B0: MOV A,R1 ;A为0206 MOVC A,A+DPTR ;读取码207 ACALL WR_DATA ;调用写数据子程序208 INC R1 ;R1值加1209 DJNZ R0,B0 ;判断是否将代码读取完？210 RET211 ;212 BJ2: ;代码表213 DB 00H,C214 ;215216 ;在 LCD 的第二行显示高温数字217 SHOW_LINE2H: 218 MOV B,#100 ;设置被除数，B为百位数219 DIV AB