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jl072 基于 单片机 电热水器 温度 控制系统 设计

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【JL072】基于单片机的电热水器温度控制系统设计,jl072,基于,单片机,电热水器,温度,控制系统,设计

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西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 毕业 任务书 一、题目 基于单片机的电热水器温度控制 系统 设计 二、指导思想和目的要求 1. 培养学生综合运用所学职业基础知识、职业专业知识和职业技能，提高解决实际问题的能力，从而达到巩固、深化所学的知识与技能； 2. 培养学生建立正确的科学思想，培养学生认真负责、实事求是的科学态度和严谨求实作风； 3. 培养学生调查研究，收集资料，熟悉有关技术文件，锻炼学生的科研工作能力和培养学生的团结合作攻关能力。 三、主要技术指标 本设计主要设计一个基于单片机的电热水器温度控制 系统 ，要求如下： （ 1） 测量并采集热水器内的温度，并通过显示器实时显示水温，显示范围为 0 90； （ 2） 正常状态下实时显示时钟； （ 3） 在温度未达到或超过设定值时报警系统作用。 所需要完成的工作： （ 1） 系统地掌握单片机的开发设计过程，相关的电子技术和传感器技术等，进行设计任务和功能的描述； （ 2） 进行系统设计方案的论证和总体设计； （ 3） 从全局考虑完成硬件和软件资源分配和规划，分别进行系统的硬件设计和软件设计； （ 4） 进行硬件调试，软件调试和软硬件的联调； （ 5） 查阅到 15篇以上与题目相关的文献，按要求格式独立撰写不少于 15000字的设计说明书及 （或翻译成中文后至少在 3000 字以上）字符以上的英文翻译。设计 论文 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 四、进度和要求 第 01 周 2 周： 查阅相关资料，并完成 英文翻译； 第 03 周 4 周： 进行市场调查，给出系统详细的设计任务和功能，进行系统 设计方案的论证和总体设计 ； 第 05 周 7 周： 完成硬件电路设计，并用 出硬件电路图 ； 第 08 周 0 周： 完成 软件模块设计与调试 ； 第 11 周 2 周： 进行 硬件调试，软件调试和软硬件的联调 ； 第 13 周 4 周：撰写毕业设计论文； 五、主要参考书及参考资料 1 白延敏 片机典型系统开发 M子工业出版社， 2009：125 2 李群芳 二版） M子工业出版社 ,2005： 873 王俊杰，张伟 M械工业出版社， 2008：354 童诗白，华成英 M等教育出版社， 2009：745 童诗白，华成英 M等教育出版社， 2009：1466 周懂明 的两用炉综合性能测试系统的研究 D京航空大学， 2006. 7 何立民 . 片机应用系统设计 M京航空航天出社， 2008：618 吴金戌，沈庆阳 片机实践与应用 M华大学出版社， 2009：2329 徐爱钧 M子工业出版社， 2009： 19510 李广弟，朱月秀，冷祖祁 M009： 14811 童诗白，华成英 M2009： 136西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12 蒋力培 M械工业出版社 ， 2004： 3213 李广弟，朱月秀，冷祖祁 M京航空航天大学出版社， 2009： 23814 张毅刚，彭喜源，谭晓 片机应用设计第二版 M尔滨工业大学出版社， 2003： 8学生 程贤箬 指导教师 刘雪梅 系主任 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 本科毕业设计论文 题 目 基于 单片机的电热水器温度控制系统设计 专业名称 自动化 学生姓名 程贤箬 指导教师 刘雪梅 毕业时间 2014 1 a . 8212 an s by a of in of to a an to of a in a to of in of by of on a of is a of of in It is 1 he is of a A of a to a to a be to at a as is to a of of is . of is a in a in be on In in be at a A a a 2 on of 99697 by s as a in of is to in to of by an of at 997 1. a of up of in of 2 he of is to of of a of its be in a a to be in 3 a of , it of be as as a 3 he to a is a of 4 a 6805 is of It a of it ED by a by on 805. is a of 805s a on 805 is to a to a of to 805. a to , as as a In of to it is at ED by a to B6 , as a of of WM 5 on 805 in to it is at be in in in it is to be a a be , 4 is to a it of a to or to of a to of in is a of at a of of of of a of of it be .2 be at in .3 of a be .4 an of of in of is to a of a of in b of to q(t) of . ma mb of a b 1 2 to to Its to 1) 2) a(s), is of of 7 is a (s) is a (s) of 1) 2)1) 2) its to of D(s) of is (s), well be its to =1=1= of is . a is to 3). is a = 1=so tz; 0 is be p1 a of K _0:14 _=W t _ 295 4) aq(s) of q(t) is Td(s) is or (s) is (s) is in as be to at a C(s) on . of is a is to is of is be It is to an be in be , a of of on so in of WM to of to is or of a of A/D WM is a to 9 in of WM ( WM On a is to is to an of is of of It is an in In is to an it t do to a , its to a of an in a to a a be In of of A of is to of of is is as as as to of is in of be . A of 2, 3, 4 in be on of as 4 , as , WM 1 I/O 0 (). to on a to a to be of of of a a of of a of be of at 100) to at 7500). a 805 _ an a 900 It 5. to of in of a is by is 0% of . of in it in an is to of of 11 5 he of to an a A of a a of a of of in to of of a of a to of of of of of WM of he to by in It is to 1 M. M. D. . of a 997 12 ( 997. 2 1990. 3 1995. 4 1995. 5 s 1993. ( & E . 单片机温度控制： 一个跨学科的本科生工程设计项目 程科学系三一大学德克萨斯州 圣安东尼奥市 78212 摘 要 本文所描述的是作者领导由四个三一大学高年级学生组成的团队进行的一个跨学科工程项目的设计。该项目的目标是设计一个气室内温度控制系统。该系统的要求是：当实际气室的温度阶跃响应时，规定范围内的温度进入气室后，稳定时的温度误差和超调量必须少于一个绝对温度。本组学生开发设计是基于摩托罗拉 列单片机。该问题的教学价值也通过某些步骤的关键描述在本文说明。研究结果表明，解决该方案需要具有广泛的工程学科知识，包括相 关电子、机械和控制系统工程的知识。 1 引 言 13 该设计项目来自一个实际应用问题，一个关于显微镜载玻片干燥剂温控器 欧米茄 度控制器，而这个设计的目标是研发一个自定义的通用温度控制系统取代欧米茄系统、一个以更低的成本实现相同功能的自定义控制器，就像欧米茄系统一样，并不需要能够全方位的处理各种问题。 该载玻片干燥机的机械布局如图 1 所示。干燥机的主体是一个足够大的绝缘充气室，里面依次存放着薄纸包着的石蜡。为了使石蜡保持适当稳定性，载玻片气室的温度必须维持稳定。第二个气筒（电子围绕元件）设有一个电阻 加热器、一个温度控制器以及一个安装在干燥机上的风扇，是为了把风吹过加热器，把热量带到载玻片气室。 图 1 载玻片干燥机的机械布局 自 1996年来，本文作者带领四位三一大学工程科学系的高年级学生开展此项目的研究。本文的目的说明了提出一些问题并详细阐述学生的一些解决方案，而且讨论了这种类型的跨学科设计项目在教学方面应用的问题。这份学生报告曾经在 1997 年全国本科毕业生研讨会上提出过并讨论过。第 2 节给出该设计的更多详细情况，包括性能规格。第 3 节具体 学生的设计。第 4 节是论文的主体，讨论该设计在教学应用方面的实施问题。最后，第 5 节全文总结。 2 问题阐述 该项目基本的思想是设计一个自定义温度控制系统来取代相关的欧米茄度控制器。温度时通常保持在一个稳定的常数，但重要的是阶跃变化可以被“合理”的跟踪。因此主要要求如下： 可以对空气室的温度进行设定， 同时显示设定值和实际温度， 以及在设定温度值情况下，可接受范围内的跟踪阶跃变化，稳态误差，超调量。 14 表 1 精确的规格说明 设定温度接口 范围 精度 60C 1 C 设定温度显示 范围 精度 60C 1 C 室内温度显示 范围 精度 准确度 60C 1 C 1 室内温度阶梯响应 范围（稳定状态） 精度（稳定状态） 最大超调 设定时间（到 1） 60 1 C 1 C 120s 尽管表 1 部分说明并不明确，但是它清楚的反映了人们对数字显示器在设定值和实际温度的要求和温度应该通过于单片机的电热水器温度控制系统设计 姓名：程贤箬 指导教师：刘雪梅 究背景 1 2 硬件系统设计 3 软件系统设计 4 5 致谢 6 小结 系统总体分析 究背景 由于消费水平的提高和人们对生活品质要求的提高，热水器已由一个高档的奢侈品成为一种必备的家庭用具，受到越来越多人的青睐。而电热水器已经成为今后热水器市场的发展方向。因为气价涨了，而电价却降了；电热水器使用安全、卫生、又无污染。今后几年我国电热水器市场将呈现强劲增长势头，其产品质量、技术水平、服务规范将不断提升，价格也会下降。我国过去的热水器市场一直以燃气热水器为主，近年来电热水器逐渐占据了部分市场成为主导，并且代表了未来的发展趋势。 随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题 。 统总体分析 当温度低于设定值时，电热丝进行加热；当温度超过设定值时，加热开关停止加热，温度下降。 测量并采集热水器内的温度，并通过显示器实时显示水温 电热水器控制系统功能说明 正常状态下实时显示时钟 在温度未达到或超过设定值时报警系统作用 微控制器模块 温采集装置 键盘电路 复位电路 实时时钟 加热开关 报警电路 系统总体分析 89微控制器 温度采集 实时时钟 1602显示屏 显示电路 系统总体分析 件系统设计 1、中央控制模块 890年代初推出的 8位 嵌入式微控制器（内部数据总线为 8位，外部 数据总线为 8位），它与 芯片相比，具有性能高、功能全、售价低廉、 使用方便（ 48优点。由于大的高 度集成化已把许多常用的输入检测输出控制 通道都制作在同一块硅片上，大大地灵活了外 部连线，增强了系统的稳定性并且速度快（时 钟 12非常适合于工业环境下安装使用 。因此本系统 9 件系统设计 单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。 件系统设计 本部分电路主要通过传感器来实现对温度的测量，本系统选用 度传感器、 64位串行 储中间数据的高速暂存器（内含便笺式 用于存储用户设定的温度上下限值的 8位循环冗余检验码 (生器部分。 其特点如下： (1)适应电压范围更宽，电压范围： 寄生电源方式下可由数据线供电。 (2) 独特的单线接口方式， 与微处理器连接时仅需要一条口线即可 实现微处理器与 双向通讯。 (3)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 。 (4) 温度分辨力可编程。 12位编程 。 件系统设计 传感器模块电路 件系统设计 4、 显示模块 1602液晶也叫 1602字符型液晶 它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块 它有若干个 5个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔 每行之间也有也有间隔 起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此 所以他不能显示图形（用自定义 示效果也不好） 16026可以显示两行，每行 16个字符液晶模块（显示字符和数字）目前市面上字符液晶绝大多数是基于 制原理是完全相同的，因此基于 显示模块由 示实时的温湿度和给定的中间温湿度值。其中 二行显示当前湿度值和系统给定的中间的湿度值。 件系统设计 件系统设计 件系统设计 本设计采用串行实时时钟芯片 日历和 31字节的静态 经过一个简单的串行接口与微处理器通信。实时时钟 /日历提供秒、分、日、周、月和年等信息。 件系统设计 件系统设计 件系统设计 结 系统以 8051单片机设计了一个电热水器温度控制系统，对实时温度进行采集显示，并通过判断其是否越限对其采取相应的措施使其降到或升到合适的范围。 整个系统由单片机、温度传感器、显示模块、报警器、温度调节系统等 5部分组成。用户预先输入温度报警上下限值到程序中，该值作为系统阈值。温度传感器采集实时温度后传输给单片机，当单片机比较采集到的数值超出所设定阈值时，驱动蜂鸣器报警，并为温度调节系统提供控制信号，实现自动控制。 系统实时地测量显示环境的温度值，实现温度自动控制，使其在较宽的温度范围内具有较高的测试精度，同时还可以根据用户设定报警阈值报警，一旦发现环境温度超限，立即报警。 谢 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 1 摘 要 随着科学技术和生产的快速发展，在生活中，温度成为了频繁出现的词汇。温度 测量与控制也成为了生活生产中重要的一部分 。 在化工、石油、冶金等生产领域 的物理过程和化学反应中，温度往往是一个很重要的量，需要准确地加以控制。除了这些部门之外，温度控制系统还广泛应用于其他领域，是用途很广的一类工业控制系统。 本文所设计的电热水器温度控制系统就采用 片机为控制核心，利用 有的接口来连接 外围硬件模块 ,并通过 度传感器准确的检测出当前的温度、 时时钟芯片实现显示时间的功能，并将所测到的温度数据传送给单片机进行分析处理。并由 晶屏显示温度值及实时时间。其中，系统软件设计中，分别预先设计好所需温度的上下限数值，并通过该上下限控制蜂鸣器的报警，再通过继电器的通断 来决定电热丝是否加热，实现对温度的简单控制，达到预先设置范围内 。 关键词： 片 机 ， 温度控制 ， 示 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 2 of a of an in is a to be In to is in is a of In of to to to of 北工业大学明德学院本科毕业设计论文 3 目 录 第一章 绪 论 . 5 言 . 5 究的背景及意义 . 5 文的主要研究内容和研究对象 . 6 第二章 基于单片机的电热水器温度控制系统设计 . 7 热水器控制系统功能说明 . 7 体设计方案 . 7 第三章 系统硬件结构设计 . 8 统整体设计线路图 . 8 . 8 . 11 电器控制电路 . 15 盘电路 . 15 时时钟电路 . 16 示电路 . 18 度报警电路 . 24 第四章 系统软件设计 . 25 程软件及编程语言的介绍 . 25 程序工作流程图 . 25 模块子程序流程图 . 27 第五章 系统的仿真 . 28 真软件 . 28 统的仿真运行与分析 . 29 第六章 总结与展望 . 31 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 4 参考文献 . 32 致 谢 . 33 毕业设计小结 . 34 附 录 . 35 附录一：电热水器温度控制系统电路图 . 35 附录二：系统软件编程 . 35 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 5 第一章 绪 论 言 热水器是一种可供浴室，洗手间及厨房使用的家用电器。目前市场上热水器主要品种有电热水器、太阳能热水器、燃气热水器 由于太阳能热水器的使用受天气原因的限制 ,使用范围狭窄；燃气热水器由于以石油、天然气为燃料，而燃料供应量又难以满足人们日益增长的需求，且不利于环境，因此电热水器越来越受到消费者的青睐。 根据中国商业联合会前不久的统计，电热水器的市场份额在销售数量和销售收入两个方面都已经超过了长期以来占优势的燃气热水器。该中心预计，在城市电网更大范围改造和城市住房市场大规模启动的带动下，今后几年 我国电热水器市场将呈现强劲增长势头。 目前市场上的电热水器又连续水流式和贮水式，前者虽具有加热速度快和体积小的优点，但需要的功率大，大多数家庭供电线路难以承受。而市场上传统的机械式电热水器控制功能不完善 ,而且精度低、可靠性差，生活质量的提高使得消费者对电热水器要求越来越趋向于智能化和数字化，因此我们采用 产的 片机作为控制中心设计了这款智能家用电热水器。 究的背景及意义 由于消费水平的提高和人们对生活品质要求的提高，热水器已由一个高档的奢侈品成为一种必备的家庭用具，受到越来越多人的青睐。而电热水器已经成为今后热水器市场的发展方向。因为气价涨了，而电价却降了；电热水器使用安全、卫生、又无污染。今后几年我国电热水器市场将呈现强劲增长势头，其产品质量、技术水平、服务规范将不断提升，价格也会下降。我国过去的热水器市场一直以燃气热水器为主，近年来电热水器逐渐占据了部分市场成为主导，并且代表了未来的发展趋势。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 6 随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速 度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易地做到多点的温度检测，如果对其原理稍加改进，我们还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机来对温度 进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。 文的主要研究内容和研究对象 当今，单片机的技术已经非常成熟了，它集成度高、功能强、存储量大、速度快、抗干扰性强和指令丰富等的优点，使它的应用遍及各个领域。 本系统设计一个基于 用 水温控制系统，能在一定的范围内采集监控水温，控制精度有所提升，同时具有较好的快速性，报警，显示等功能且价格低廉，具有很高 的工程应用价值和现实意义。 整体设计思路：采用单片机 核心。用温度传感器 集温度变化信号，通过单片机处理后监控温度，并完成 液晶 显示、报警等操作；其中传感器用于检测实时水 温， 示屏 用于显示采集的温度数值，当水温超过 设定值时，报警装置进行报警， 加热器停止加热 ；当水温低于设定值时，加热开关断开，温度回落 。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 7 第二章 基于单片机的电热水器温度控制系统设计 热水器控制系统功能说明 本课 题采用单片机为主控芯片来设计电热水器温度控制系统，主要功能如下 ： 1 测量并采集热水器内的温度，并通过显示器实时显示水温，显示范围为0 90 ； 2 正常状态下实时显示时钟； 3 在温度未达到或超过设定值时报警系统作用 ； 4当温度低于设定值时，电热丝进行加热 ；当温度超过设定值时，加热开关停止加热，温度下降 。 体设计方案 采用单片机 核心。用温度传感器 集温度变化信号，通过单片机处理后监控温度，并完成 液晶 显示、报警等操作；其中传感器用于检测实时水温， 示屏 用于显示采集的温度数值， 当温度低于设定值时，电热丝进行 加热；当水温高于设定值时，加热停止，温度回落。 图 2统硬件 方案 微控制器模块 温采集装置 键盘电路 复位电路 实时时钟 加热开关 报警电路 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 8 第三章 系统硬件结构设计 统整体设计线路图 图 3统整体 电路图 小系统介绍 单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。最小系统原理图如图 3示。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 9 图 3小系统电路图 位电路 复位电路是一种用来使电路恢复到起始状态的电路设备，它的操作原理与计算机有着异曲同工之妙，只是启动原理和手段有所不同。 单片机在启动时都需要复位，以使 系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。 89 系列单片机的复位信号是从 脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果 脚上有一个高电平并维持 2个机器周期 (24 个振荡周期 )以上，则 可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。 1、手动按钮复位 手动按钮复位需要人为在复位输入端 加入高电平。一般采用的办法是在 和正电源 间接一个按钮。当人为按下按钮时，则 +5由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 10 2、上电复位 接一 个电阻到地即可。对于 单片机，由于在 内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至 1电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电 容加给 一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着 电容的充电过程而逐渐回落，即 的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位， 的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时， 上升时间约为 10振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为 10振时间为 1振频率为 1振时间则为 10 电时，必然会使 电压迅速下降到 0V 以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全 “l”态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器 得不到一个合适的初值，因此， 被定义的位置开始执行程序。 荡电路 图 3荡电路图 单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作 用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。 在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 11 （ 晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的 单频振荡 。 单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。 晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。 于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量 一般在 150 度采集电路 方案 本部分电路主要通过传感器来实现对温度的测量，本系统选用的是 美国 司继 后推出的增强型单总线数字温度传感器。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较 用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。 介绍 结构 要由寄生电源、温度传感器、 64 位串行 线接口、存储中间数据的高速暂存器（内含便笺式 用于存储用户设定的温度上下限值的 发器存储与控制逻辑、 8 位循环冗余检验码 (生器部分。 脚排列如图 3 示： 图 3引脚图 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12 本设计使用的是三引脚的产品。其中， 1 号引脚接地， 2 号引脚接数据端， 3号引脚接电源。 主要特点 数字型智能温度传感器有以下主要特点： (1) 适应电压范围更宽，电压范围： 寄生电源方式下可由数据线供电。 (2) 独特的单线接口方式， 与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 双向通讯。 (3) 持多点组网功能，多个 以并联在唯一的单总线上，实现组网多点测温 。 (4) 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) 测 温范围 55 125 ，在 +85 时精度为 。 (6) 温度分辨力可编程。 数字温度输出可进行 9 12 位编程。 在实际应用时，需要在分辨力与转 换时间两者之间权衡考虑。当 2 位分辨力时，温度与数字输出的对应关系见表 3 表 3出数据与温度的对应关系 温度 / 数字输出（二进制） 数字输出（十六进制） +125 0000 0111 1101 0000 0785 0000 0101 0101 0000 0550H +000 0001 1001 0001 0191H +000 0001 1010 0010 00000 0001 1010 1000 0008H 0 0000 0000 0000 0000 0000H 111 1111 0101 1110 111 1110 0101 1111 55 1111 1100 1001 0000 北工业大学明德学院本科毕业设计论文 13 (7) 测量结果直接输出数字温度信号，以 “一线总线 ”串行传送给 时可传送 验码，具有极强的抗干扰纠错能力 。 温原理 用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于的一个值。如果计数器在门周期结束前达到 0，则温度寄存器 (同样被预置到 )的值增加，表明所测量的温度大于 。 同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到 0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程。 斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期 待 在测温时获得比较高的分辨力。这 是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的值来实现 的。因此，要想获得所需的分辨力，必须同时知道在给定温度下计数器的 值和每一度的计数值。温度测 量 电路的方框图如图 3示： 图 3温原理图 温电路 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 14 本文中测温电路主要使用 感器，通过 与单片机相连，实现数据的传递 。 其具体硬件原理图如图 3示： 图 3温电路原理图 片有两种供电方式：寄生电源供电方式和外部电源供电方式。本文采用的是外部电源供电方式。 在外部电源供电方式下， 作电源由 脚接入，此时 I/O 线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在理论上总线上可以挂接任意多个 感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下， 脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是 85 。外部电源供电方式是 最佳工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统，在外接电源方式下，可以充分发挥 电源电压范围的优点，即使 电源电压 到 3V，依然能够保证温度量精度。 在实际应用中还需要注意的是，连接 总线电缆是有长度限制的，试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过 50m 时，读取的温度数据将发生错误，当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通信距离可达 150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通信距离进一步加长，这种情况主要是由总线分布电容使信号波形发生畸形造成的，因此，在用 行长距离测温系统设计时，要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 15 电器控制电路 图 3 电器控制电路设计图 该部分通过单片机的 P 口输出的高低电平来控制固态继电器的通断，从而决定电热丝是否加热，当 P 口输出低电平时，加热电阻通电，周围的温度缓慢升高，得的温度值也升高；当 P 口输出高电平时，加热电路断开，温度回落。 盘电路 键盘是单片机系统设计中必不可少的组成部分，是系统与用户之间信息交流的途径之一。键盘是一组按键的集合，它是最常用的单片机输入设备。键盘，通常包括有数字键（ 09）、字母键（ AZ）以及一些功能键。操作人员可以通过键盘向单片机输入数据、地址、指令或其他控制命令，实现人机对话。通过键盘输入数据，用户可以将控制指令传递给系统，并对系统的运行状态进行设置，使得系统能够按照用户的要求工作。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 16 根据需要的键盘数量的分为独立式键盘和矩阵式键盘。本次设计采用独立式键盘，就是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线。独立式键盘电路配置灵活，软件结构简单、方便。 图 3盘电路 时时钟电路 实时时钟的缩写是 集成电路，通常称为时钟芯片。本设 计采用串行实时时钟芯片 钟芯片包括实时时钟 /日历和 31 字节的静态 经过一个简单的串行接口与微处理器通信。实时时钟 /日历提供秒、分、日、周、月和年等信息。 性能特征如下： 31*8位暂存数据存储 串行 I/O 口方式使得引脚数目最少 ； 度工作范围（还有 度工作范围可供选择） ； 00 用于时钟或 据读 /写的单字节或多字节（脉冲方式）数据传送 ； 8引脚 可选的用于表面安装的 8 引脚 装 ； 可选的工业温度范围 +85 。 脚图和管脚说明 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 17 （ 1） 8 管脚芯片，其管脚排列如图 3示： 图 3脚排列图 （ 2） 管脚功能说明 ： 主电源 2 振荡源 地线 / 复位 /片选线 I/O 串行数据输入 /输出端（双向） 串行数据输入端 后备电源 接原理图如图 3示： 图 3时时钟电路 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 18 示电路 我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、 码管、液晶显示器。发光管和 码管比较常用，软硬件都比较简单，在前面章节已经介绍过，在此不作介绍，本章重点介绍字符型液晶显示器的应用。 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点： （ 1） 显示质量高 由于液晶显示器每一个 点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（ 样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。 （ 2） 数字式接口 液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。 （ 3） 体积小、重量轻 液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 （ 4） 功耗低 相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 ，因而耗电量比其它显示器要少得多。 （ 1） 液晶显示原理 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、 动通信工具等众多领域。 （ 2） 液晶显示器的分类 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 19 液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（ 单纯矩阵驱动（ 主动矩阵 驱动（ 种。 2. 液晶显示器各种图形的显示原理 ： （ 1） 线段的显示 点阵图形式液晶由 MN 个显示单元组成，假设 示屏有 64 行，每行有 128 列，每 8 列对应 1 字节的 8 位，即每行由 16 字节，共 168=128 个点组成，屏上 6416 个显示单元与显示 1024 字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由 的000H00 16 字节的内容决定，当（ 000H） =，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为 8 个点；当（ 3=，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（ 000H） = 001H） =00H，（ 002H） =00H， （ 0000H，（ 00=00H 时，则在屏幕的顶部显示一条由 8 段亮线和 8 条暗线组成的虚线。这就是 示的基本原理。 （ 2） 字符的显示 用 示一个字符时比较复杂，因为一个字符由 68 或 88 点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示 的 8 字节，还要使每字节的不同位为 “1”，其它的为 “0”，为 “1”的点亮，为 “0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器 的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在 开始显示的行列号及每行的列数找出显示 应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。 （ 3） 汉字的显示 汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占 32B，分左右两半，各占 16B，左边为 1、3、 5 右边为 2、 4、 6 根据在 开始显示的行列号及每行的列数可找出显示 应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加 1，送第二个字节，换行按列对齐 ，送第三个字节 直到 32B 显示完就可以 得到一个完整汉字。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 20 符型 介 ： 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式 前常用 16*1， 16*2， 20*2 和 40*2 行等的模块。 （ 1） 1602基本参数及引脚功能 1602为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为 背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下所示： （ 2） 1602要技术参数： 表 3602要技术参数 显示容量 162 个字符 芯片工作电压 作电流 模块最佳工作电压 符尺寸 H) 3） 引脚功能说明： 1602用标准的 14 脚（无背光）或 16 脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表 3示： 表 3脚接口说明表 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 源地 9 据 2 源正极 10 据 3 晶显示偏压 11 据 4 据、命令选择 12 据 5 R/W 读 /写选择 13 据 6 E 使能信号 14 据 7 据 15 光源正极 8 据 16 光源负极 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 21 第 1 脚： 地电源。 第 2 脚： 5V 正电源。 第 3 脚： 液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生 “鬼影 ”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度。 第 4 脚： 寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第 5 脚： R/W 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 低电平 R/ 高电平 R/W 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚： E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第 7 14 脚： 8 位双向数据线。 第 15 脚：背光源正极。 第 16 脚：背光源负极。 （ 4） 1602指令说明及时序 1602 液晶模块的读写操作、屏幕和 光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明： 1 为高电平、 0 为低电平） 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令： 指令 1：清显示，指令码 01H,光标复位到地址 00H 位置。 指令 2：光标复位，光标返回到地址 00H。 指令 3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。 指令 4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控 制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令 5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 22 指令 6：功能设置命令 电平时为 4 位总线，低电平时为 8 位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示 5点阵字符，高电平时显示 5点阵字符。 指令 7：字符发生器 址设置。 指令 8： 址设置。 指令 9：读忙信号和光标地址 忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令 10：写数据。 指令 11：读 数据。 表 3602 液晶模块内部的控制器控制指令 与 兼容的芯 片时序表如下： 序号 指令 * 3 置输入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 显示开、关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光标或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 置功能 0 0 0 0 1 F * * 7 置字符发生存储器地址 0 0 0 字符发生存储器地址 8 置数据存储器地址 0 0 1 显示数据存储器地址 9 读忙标志或地址 0 1 数器地址 10 写数 1 0 要写的数据内容 11 从 数 1 1 读出的数据内容 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 23 表 3本操作时序表 读状态 输入 ,R/W=H,E=H 输出 态字 写指令 输入 ,R/W=L,令码， E=高脉冲 输出 无 读数据 输入 ,R/W=H,E=H 输出 据 写数据 输入 ,R/W=L,据， E=高脉冲 输出 无 （ 5） 读写操作时序如图所示： 图 3操作时序 图 3操作时序 1602 址映射及标准字库表 液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志 为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图 3 1602 的内部显示地址 ： 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 24 图 3602部显示地址 例如第二行第一个字符的地址是 40H，那么是否直接写入 40H 就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？这样不行，因为写入显示地址时要求最高位 定为高电平 1 所以实际写入的数据应该是 ： 01000000B（ 40H） +10000000B(80H)=11000000B( 在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。 1602 液晶模块内部的字符发生存储器（ 经存储了 160 个不同的点阵字符图形，如图 10示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母 “A”的代码是 01000001B（ 41H），显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母 “A” 度报警 电路 当环境温度不在设置温度范围内，需要发出警报，报警电路由三极管和 蜂鸣器 。电路中刚才用 极管，选用低功率三极管，当 电平，三极管集电极正偏，发射级反偏，三极管导通，驱动蜂鸣器报警。 图 3警电路 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 25 第四章 系统软件设计 程软件及编程语言的介绍 本电热水器温度控制系统程序由 片机 C 语言编写，该软件主要由以下几 个子模块组成：主程序模块，按键模块温度采集和控制模块，温度显示模块等，程序源代码见附录 2。 应用 言编写程序具有以下特点： （ 1） 不要求了解处理器的指令集，也不必了解存储器的结构。 （ 2） 寄存器分配和寻址方式由编译器管理，编程时不必考虑存储器的寻址等。 （ 3） 可使用与人的思维更接近的关键字和操作函数。 （ 4） 可使用 言中库文件的许多标准函数。 （ 5） 通过 C 语言的模块化编程技术，可以将已编制好的程序加入到新的程序中。 （ 6） 言编译器几乎适用于所有的目标系统，已完成的软件项目可以很容易的转移到其他微处理器和环境中。 程序工作流程图 在主程序中，主要完成的任务系统的开机自检、加热系统 。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 26 图 4程序工作流程图 开 始 初始化 示当前温 度 判断当前温度值 超过设定 温度上限 加热开关断开 红灯亮 设定温度上、下限 启动电热丝升高温度 是 否 低于设定 温度下限 是 绿灯亮 否 结束 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 27 模块子程序流程图 图 4温程序流程图 图 4制部分流程图 “ G” “