热水器水温水位控制系统毕业设计.doc

北京交通大学海滨学院毕业设计 论文 1 热水器水温水位控制系统毕业设计热水器水温水位控制系统毕业设计 目目 录录 摘 要 1 ABSTRACT 2 第 1 章 绪论 1 1 1 选题的意义 1 1 2 电热水器发展现状 1 1 3 课题任务 3 第 2 章 系统设计方案 4 2 1 设计原理 4 2 1 1 系统原理 4 2 1 2 子系统工作原理 4 2 2 设计方案 5 2 2 1 系统设计方案的选择 5 2 2 2 各部件控制系统方案 7 第 3 章 系统硬件设计 9 3 1 系统总体设计 9 3 2 各单元电路设计 11 3 2 1 控制单元设计 11 3 2 2 显示单元设计 17 3 2 3 检测单元设计 23 第 4 章 系统软件设计 31 4 1 主程序设计 31 4 2 子程序设计 31 4 2 1 温度采集 31 4 2 2 控制按键设计 32 4 2 3 读温度 33 第 5 章 系统调试 34 张胜 基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计 2 5 1 硬件调试 34 5 1 1 调试步骤 34 5 1 2 液位检测 34 5 1 3 温度检测 35 5 2 软件调试 35 5 2 1 PROTEUS仿真 35 5 2 2 软件调试过程 36 5 3 系统联调 36 总结 40 参考文献 42 致谢 43 附录 45 北京交通大学海滨学院毕业设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 选题的意义 随着电子技术的发展 特别是随着大规模集成电路的产生 给人们的生活带来了根 本性的变化 如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃 那么可编程 控制器的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命 在现代社会中 水位 和温度控制不仅应用在工厂生产方面 其作用也体现到了生活的各个方面 随着人们生活质量的提高 酒店厂房及家庭生活中都会见到水位和温度控制的影子 水位和温度控制将更好的服务于社会目前 单片机控制器在从生活工具到工业应用的各 个领域 例如生活工具的电梯 工业生产中的现场控制仪表 数控机床等 尤其是用单 片机控制器改造落后的设备具有性价比高 提高设备的使用寿命 提高设备的自动化程 度的特点 现代工业设计 工程建设及日常生活中常常需要用到水位和温度控制 早期水位和 温度控制主要应用于工厂中 例如工厂中的大型锅炉 必须实时的掌握锅炉的水位和温 度 确保系统的正常运行 因此 水温水位控制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 电器种类繁多 它们都需要对其主要的水位和水温参数加以控制 实现电器水温水位控 制的自动化 早期温度和水位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 系统的稳定性不好 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 选择基于单片机的水温水位控制系统 是因为它不仅在人们生活中具有显著的意义 更重要的是能系统地聚温度和水位参数于一身 对于更好的掌握和认识单片机的应用和 传感器的应用 系统地深刻认识自动控制的实际应用 掌握复杂的多子系统地设计起到 了很强的锻炼作用 1 2 电热水器发展现状 经过 20 多年的发展 整个热水器行业已经从最初的小而少发展到现在的大而多 产 品类型也随着技术不断成熟 由最初的燃气热水器独领风骚发展到今天的燃气式 电热 式 太阳能 空气源热泵等多种类型 随着全球经济快速发展 中国电器制造业的迅猛 发展及城市建设步伐的不断加快 为热水科技产业带来了无限商机 目前 创新 安全 张胜 基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计 2 节能 高效已成为热水器行业间竞争的焦点及发展趋势 据调查 中国热水器的普及率只有 70 左右 目前 46 6 的居民家庭表示要在未来 5 年中购买或更换热水器 未来 5 年内我国城市热水器需求量将平稳增长 达到 4660 万 台 热水器行业即将迎来新一轮的消费高峰 据国务院发展研究中心市场经济研究所推 出的 中国城市热水器市场研究咨询报告 显示 未来三年 我国热水器市场将继续保 持平稳发展的态势 年增长保持在 6 左右 就中国的具体情况而言 太阳能热水器由于安装位置的局限性 只适用于居住在顶 楼的居民 且受天气原因的限制 使用范围狭窄 燃气热水器由于必须分室安装 且须 由专业人员安装 并且燃气热水器不易调温 需定期除垢 在使用中还易产生有害气体 特别是使用液化石油气和人工煤气型的直排式燃气热水器 会产生轻度油烟 严重时甚 至会危及生命 因此燃气热水器是一种人命关天的特殊产品 即使有百分之一的疏忽 带给用户的危险将是百分之百 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分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功 能提出延伸至全新的概念层面 热水器技术未来将继续朝着以下几个方面发展 智能化 从最初的手动旋钮调节发展到如今数字化调节方式 节能技术 从最初机械结构上的保温节能到控制技术上的定时加热或分步加热技 术转变 由于在水温很高时热量流失较快 所以未采用该类技术的产品需要长时间在高 温区反复加热 不仅启动频繁 而且耗电量很大 如果用户可根据自己的实际需要设定 好规定时段以进行定时倒计时加热 则能将保温耗电降至最低 安全稳定性 由于电热水器不同于一般的家电产品 涉及到人身安全 所以安全 问题一直是各大厂家考虑的重点 随着现在各种安全技术在电热水器设计中的普遍应用 用电环境的日益规范 以及国家对电热水器实行强制认证 安全技术已经成为衡量电热 水器的重要标准 其中安全技术主要体现在能自动检测热水器是否处于正常工作状态 并具有调温 恒温 防干烧 防超高温 防漏电等多项自检功能 使用户在使用过程中 安全更有保障 此外 随着无线通信技术的发展 无线远程控制也将是新一代电热水器 北京交通大学海滨学院毕业设计 论文 3 的发展方向 用户可以通过任何一部双音频固定电话或手机遥控热水器的开 关 温度设 定等 并可查询热水器的工作状态 现在市场上较为先进的储水式电热水器能实现上述 等功能 但仍难以满足人们对现代化家电的使用要求 在现如今众多的控制手段中 要 满足低价格 高性能 尤其是智能化的要求 采用典型的嵌入式控制系统 单片机为 核心的控制器应为首选 1 3 课题任务 本设计主要是对市场现有产品的仿制 要能够实现电热水器的完整功能 以 80C51 单片机为核 心配合传感器 显示器件 继电器 电加热器 报警器等外围器件 采集热水器储水箱中的水位 水 温信号 通过控制电动机的运转 电加热器加热来控制储水器的水位 温度 利用键盘上开关按钮进 行调节水温的最大和最小限度 手动控制上水和加热 设置水位水温功能 采集热水器储水箱中水位 和水温信号 并完成水位和水温的显示 以及缺水报警系统 张胜 基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计 4 第 2 章 系统设计方案 2 1 设计原理 2 1 1 系统原理 利用热敏传感器和水位传感器检测水温和水位 并加以显示 根据水位情况进行手 动和自动上水控制 当水位从高到低 出现缺水状态时 蜂鸣器报警 缺水指示灯亮 继电器开始工作 热水器容器上水 水位上升超过 低 水位后 缺水指示灯熄灭 蜂 鸣器停止报警 水位至预置水位后继电器关闭 停止上水 当水温低于设定最低温度时 加热继电器工作 当温度加热高于设定最高温度的时候继电器停止工作 此系统是为多子系统的综合性控制系统 设计过程中也是分块实现设计调试 最后 进行综合实现 以下就从各子系统的工作原理进行分别进行说明 单 片 机 复位电路 按键电路 报警电路 时钟振荡 加水装置 温度传感器 水位传感器 LED 显示 蜂鸣器报警 图 2 1 系统原理图 2 1 2 子系统工作原理 1 温度控制系统 该子系统利用低功耗单线数字温度传感器 DS18B20 实现温度采样 将采样的温度值 通过单片机的 P3 3 口送入单片机处理 然后实现水温的控制 利用按键对水温的值进行 设置 当温度高于上限或者低于下限后蜂鸣器报警 使之保持温度在一定范围内的稳定 北京交通大学海滨学院毕业设计 论文 5 本控制系统可以时时采集热水器内部水温通过 LED 显示水温 由于太阳能热水器实 际温度不会超过 100 摄制度 所以本系统采用两位显示 测量范围为 00 99 摄氏度 温 度可以精确到小数点后两位 2 水位控制系统 该子系统能进行水位的控制 利用自制的 3 根导线对水位的信息进行采集 并通过 单片机的 P2 口送入给单片机处理加工 通过发光二极管显示器显示 共有 3 个水位挡 没水或者系统出错后 蜂鸣器都报警 使系统的水位保持在一定的范围内 本系统需显示水位 水位分低 中 高三档 均用发光二极管来指示 实验证明 纯净水几乎是不导电的 但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含 有一定的 Mg2 Ca2 等离子 它们的存在使水导电 本控制装置就是利用水的导电性来 完成的 当水位未达到 a 时 即 h a 时 这时传感器的总阻值 R 为 3R 对应 系统处于缺水 状态 当 a h b 时 传感器电阻阻值 R 为 2R 对应 系统处于 30 水位 当 b h1000 次 isp flash rom 32 个双向 i o 口 4 5 5 5v 工作电压 2 个 16 位可编程定时 计数器 时钟频率 0 33mhz 全双工 uart 串行中断口线 128x8bit 内部 ram 2 个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 北京交通大学海滨学院毕业设计 论文 13 3 级加密位 看门狗 wdt 电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的 isp 字节和分页编程 双数据寄存器指针 2 引脚功能介绍 按照功能 80C51 的引脚可分为主电源 外接晶体振荡或振荡器 多功能 I O 口 控 制和复位等 1 多功能 I O 口 80C51 共有四个 8 位的并行 I O 口 P0 P1 P2 P3 端口 对应的引脚分别是 P0 0 P0 7 P1 0 P1 7 P2 0 P2 7 P3 0 P3 7 共 32 根 I O 线 每根线可以 单独用作输入或输出 P0 端口 该口是一个 8 位漏极开路的双向 I O 口 在作为输出口时 每根引脚可 以带动 8 个 TTL 输入负载 当把 1 写入 P0 时 则它的引脚可用作高阻抗输入 当对 外部程序或数据存储器进行存取时 P0 可用作多路复用的低字节地址 数据总线 在该模 式 P0 口拥有内部上拉电阻 在对 Flash 存储器进行编程时 P0 用于接收代码字节 在 校验时 则输出代码字节 此时需要外加上拉电阻 P1 端口 该口是带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 端口 P1 口的输出缓冲器可驱 动 吸收或输出电流方式 4 个 TTL 输入 对端口写 1 时 通过内部的上拉电阻把端 口拉到高电位 此时可用作输入口 P1 口作输入口使用时 因为有内部的上拉电阻 那 些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流 在对 Flash 编程和程序校验时 P1 口接收低 8 位地址 另外 P1 0 与 P1 1 可以配置成定时 计数器 2 的外部计数输入端 P1 0 T2 与定时 计数器 2 的触发输入端 P1 0 T2EX 如表 3 1 所示 张胜 基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计 14 表 3 1 P1 口管脚复用功能 端口引脚复用功能 P1 0 T2 定时器 计算器 2 的外部输入端 P1 1 T2EX 定时器 计算器 2 的外部触发端和双向控制 P1 5 MOSI 用于在线编程 P1 6 MISO 用于在线编程 P1 7 SCK 用于在线编程 P2 端口 该口是带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 端口 P2 口的输出缓冲器可 驱动 吸收或输出电流方式 4 个 TTL 输入 对端口写 1 时 通过内部的上拉电阻把 端口拉到高电位 此时可用作输入口 P2 口作输入口使用时 因为有内部的上拉电阻 那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流 在访问外部程序存储器或 16 位的外部数据存储器时 P2 口送出高 8 位地址 在访问 8 位地址的外部数据存储器时 P2 口引脚上的内容 就是专用寄存器 SFR 区中 P2 寄 存器的内容 在整个访问期间不会改变 在对 Flash 编程和程序校验期间 P2 口也接收 高位地址或一些控制信号 P3 端口 该口是带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 端口 P3 口的输出缓冲器可 驱动 吸收或输出电流方式 4 个 TTL 输入 对端口写 1 时 通过内部的上拉电阻把 端口拉到高电位 此时可用作输入口 P3 口作输入口使用时 因为有内部的上拉电阻 那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流 在 80C51 中 同样 P3 口还用于一些复用功能 如表 3 2 所列 在对 Flash 编程和程 序校验期间 P3 口还接收一些控制信号 表 3 2 P3 端口引脚与复用功能表 端口引脚复用功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 定时器 0 的外部输入 北京交通大学海滨学院毕业设计 论文 15 P3 5 T1 定时器 1 的外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 表 3 2 续 2 RST 复位输入端 在振荡器运行时 在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其 单片机复位 看门狗定时器 Watchdog 溢出后 该引脚会保持 98 个振荡周期的高电平 在 SFR AUXR 地址 8EH 寄存器中的 DISRTO 位可以用于屏蔽这种功能 DISRTO 位的默认 状态 是复位高电平输出功能使能 3 ALE PROG 地址锁存允许信号 在存取外部存储器时 这个输出信号用于锁存低 字节地址 在对 Flash 存储器编程时 这条引脚用于输入编程脉冲 PROG 一般情况下 ALE 是振荡器频率的 6 分频信号 可用于外部定时或时钟 但是 在对外部数据存储器每 次存取中 会跳过一个 ALE 脉冲 在需要时 可以把地址 8EH 中的 SFR 寄存器的 0 位置 为 1 从而屏蔽 ALE 的工作 而只有在 MOVX 或 MOVC 指令执行时 ALE 才被激活 在单 片机处于外部执行方式时 对 ALE 屏蔽位置 1 并不起作用 4 PSEN 程序存储器允许信号 它用于读外部程序存储器 当 80C51 在执行来自外 部存储器的指令时 每一个机器周期 PSEN 被激活 2 次 在对外部数据存储器的每次存取 中 PSEN 的 2 次激活会被跳过 5 EA Vpp 外部存取允许信号 为了确保单片机从地址为 0000H FFFFH 的外部程序 存储器中读取代码 故要把 EA 接到 GND 端 即地端 但是 如果锁定位 1 被编程 则 EA 在复位时被锁存 当执行内部程序时 EA 应接到 Vcc 在对 Flash 存储器编程时 这条 引脚接收 12V 编程电压 Vpp 6 XTAL1 振荡器的反相放大器输入 内部时钟工作电路的输入 7 XTAL2 振荡器的反相放大器输出 3 复位电路设计 单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容 一是系统扩展 即单片机内部的 功能单元 如 ROM RAM I O 定时器 计数器 中断系统等不能满足应用系统的要求时 必须在片外进行扩展 选择适当的芯片 设计相应的电路 二是系统的配置 即按照系 统功能要求配置外围设备 如键盘 显示器 打印机 A D D A 转换器等 要设计合适 的接口电路 本设计中只用最小系统加上键盘 显示 ISP 接口电路 单片机本身资源可 张胜 基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计 16 以满足设计要求 所以不必对单片机进行扩展 复位电路虽然简单 但其作用非常重要 一个单片机系统能恢复正常运行 首先要 检查是否能复位成功 其中手动复位开关比较常用 如图所示 图 3 5 手动开关复位电路 手动开关未按下之前 电容正极处于充电状态 当按键按下去后 VCC 与 GND 导通 电容放电 从而实现放电 4 按键电路 本毕业设计的按键采用独立式按键 是直接用 I O 口线构成的单个按键电路 其特 点是每个按键单独占用一根 I O 口线 每个按键的工作不会影响其它 I O 口线的状态 当有按键被按下时说明用户要手动上水 按键使用上拉电阻方式接入单片机 未按 下时对单片机输入一个高电平 按下后输入一个低电平 键的闭合与否 反映在行线输出电压上就是呈现出高电平或低电平 如果高电平表 示断开的话 那么低电平则表示闭合 所以通过对行线电平的高低状态的检测 便可以 确认按键按下与否 为了确保 CPU 对一次按键动作只确认一次按键 必须消除抖动的影 响 北京交通大学海滨学院毕业设计 论文 17 图 3 6 按键电路 报警温度用按键 S2 S3 S4 来设置 S2 为调整键 按一次可调整报警上限温度值 按两次可调整报警下限温度值 按三次数码管恢复到正常温度显示 3 2 2 显示单元设计 1 报警电路的设计 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器 采用直流电压供电 广泛应用于计算机 打印机 复印机 报警器 电子玩具 汽车电子设备 电话机 定时器等电子产品中发 生器 一 蜂鸣器主要分为 1 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器 压电蜂鸣片 阻抗匹配 器及共鸣箱 外壳等组成 有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管 多谐振荡由晶 体管或集成电路构成 当接通电源后 多谐振荡器起振 输出 1 5 2 5kHZ 的音频信号 阻抗匹配器推动压电蜂鸣器发声 压电蜂鸣器片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制 成 在陶瓷片的两个镀上银电极 经极化和老化处理后 再与黄铜片或不锈钢片粘着一 起 2 电磁式蜂鸣器由振荡器 电磁线圈 磁铁 振动膜片及外壳等组成 接通电源 后 振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈 使电磁线圈产生磁场 振动膜片在电磁 线圈和磁铁的相互作用下 周期性地振动发声 2 蜂鸣器的驱动 由于自激蜂鸣器是直流电压驱动的 不需要利用交流信号进行驱动 只需对驱动口 输出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音 很简单 这里就不对 张胜 基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计 18 自激蜂鸣器进行说明了 这里只对必须用 1 2duty 的方波信号进行驱动的他激蜂鸣器进行 说明 单片机驱动他激蜂鸣器的方式有两种 一种是 PWM 输出口直接驱动 另一种是利用 I O 定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动 PWM 输出口直接驱动是利用 PWM 输出口本身可以输出一定的方波来直接驱动蜂鸣 器 在单片机的软件设置中有几个系统寄存器产生符合蜂鸣器要求的频率的波形之后 只要打开 PWM 输出 PWM 输出口就能输出该频率的方波 这个时候利用这个波形就可 以驱动蜂鸣器了 而利用 I O 定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点 必须利用定时器来 做定时 通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形 这个波形就可以用来驱 动蜂鸣器了 比如为 2500Hz 的蜂鸣器的驱动 可以知道周期为 400 s 这样只需要驱动 蜂鸣器的 I O 口每 200 s 翻转一次电平就可以产生一个频率为 2500Hz 占空比为 1 2duty 的方波 再通过三极管放大就可以驱动这个蜂鸣器了 有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的差别主要差别为 有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的根本区别 是产品对输入信号的要求不一样 有源蜂鸣器工作的理想信号是直流电 通常标示为 VDC VDD 等 因为蜂鸣器内部有一简单的振荡电路 能将恒定的电流电转化成一定频 率的脉冲信号 从面实出磁场交变 带动钼片振动发音 但是在某些有源蜂鸣器在特定 的交流信号下也可以工作 只是对交流信号的电压和频率要求很高 此种工作方式一般 不采用 而无源蜂鸣器没有内部驱动电路 无源蜂鸣器工作的理想信号方波 如果给预 直流信号蜂鸣器是不响应的 因为磁路恒定 钼片不能振动发音 这里说的 源 不是 指电源 而是指振荡源 有源蜂鸣器和无源蜂鸣器好像一样 但仔细看 两者的高度略有区别 两种蜂鸣器 的引脚朝上放置事 可以看出有绿色电路板的一种是无源蜂鸣器 没有电路板而用黑胶 封闭的一种有源蜂鸣器 有源蜂鸣器直接接上额定电源就可以连续发声 而无源蜂鸣器则和电磁扬声器一样 需要接在音频输出电路中才能发声 报警电路 北京交通大学海滨学院毕业设计 论文 19 图 3 7 蜂鸣器电路 本系统中采用蜂鸣器报警 由于单片机输出电流较小 所以用三极管 9013 驱动蜂鸣 器发出声音 图 3 8 水位报警电路 当水位比较低的时候 红灯亮 水位在中间的时候 红灯和黄灯亮 当水位慢的时 候三个灯都亮 出故障的时候三个灯闪 2 LED 数码管显示 张胜 基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计 20 图3 9 数码管 数码管使用条件 a 段及小数点上加限流电阻 b 使用电压 段 根据发光颜色决定 小数点 根据发光颜色决定 c 使用电流 静态 总电流 80mA 每段 10mA 动态 平均电流 4 5mA 峰值电 流 100mA 上面这个只是七段数码管引脚图 其中共阳极数码管引脚图和共阴极的是一样的 4 位数码管引脚图数码管使用注意事项说明 1 数码管表面不要用手触摸 不要用手去弄引角 2 焊接温度 260 度 焊接时间 5S 3 表面有保护膜的产品 可以在使用前撕下来 这类数码管可以分为共阳极与共阴极两种 共阳极就是把所有 LED 的阳极连接到共 同接点 com 而每个 LED 的阴极分别为 a b c d e f g 及 dp 小数点 共阴极则 是把所有 LED 的阴极连接到共同接点 com 而每个 LED 的阳极分别为 a b c d e f g 及 dp 小数点 如下图所示 图中的 8 个 LED 分别与上面那个图 中的 A DP 各段相对应 通过控制各个 LED 的亮灭来显示数字 北京交通大学海滨学院毕业设计 论文 21 图 3 10 共阳数码管内部结构 图 3 11 共阴数码管内部结构 对于单个数码管来说 从它的正面看进去 左下角那个脚为 1 脚 以逆时针方向依 次为 1 10 脚 左上角那个脚便是 10 脚了 上面两个图中的数字分别与这 10 个管脚一一 对应 注意 3 脚和 8 脚是连通的 这两个都是公共脚 共阳 共阴 张胜 基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计 22 还有一种比较常用的是四位数码管 内部的 4 个数码管共用 a dp 这 8 根数据线 为 人们的使用提供了方便 因为里面有 4 个数码管 所以它有 4 个公共端 加上 a dp 共 有 12 个引脚 下面便是一个共阴的四位数码管的内部结构图 共阳的与之相反 引脚 排列依然是从左下角的那个脚 1 脚 开始 以逆时针方向依次为 1 12 脚 下图中的数 字与之一一对应 图 3 12 位共阳数码管内部结构 1 数码管编码说明 4 位数码管编码说明 如 3 3 表所示 表 3 3 控制命令表 P2 7P2 6P2 5P2 4P2 3P2 2P2 1P2 0 eddpcgbfa 00010100028H 111101011EBH 20011001032H 310100010A2H 411100001E1H 510100100A4H 60010010024H 711101010EAH 80010000020H 910100000A0H H0110000161H 管脚顺序 从数码管的正面观看 以第一脚为起点 管脚的顺序是逆时针方向排列 12 9 8 6 公 共脚 A 11 B 7 C 4 D 2 E 1 F 10 G 5 DP 3 北京交通大学海滨学院毕业设计 论文 23 L001100013DH 11110111F7H C001111003CH 表 3 3 续 2 四位数码管显示电路 图 3 13 数码管显示电路 4 位数码管为共阳管 由于单片机输出电流比较小 故用 4 个 PNP 型的三极管 9015 来驱动数码管 单片机输出低电平时三极管导通 使数码管的 4 各公共端 1 4 5 和 12 脚为高电平 此时数码管的数据端输入低电平后数码管被点亮 120 欧电阻 R12 到 R19 为 三极管的限流电阻 3 2 3 检测单元设计 一 温度传感器 张胜 基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计 24 DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感 器 与传统的热敏电阻等测温元件相比 它能直接读出被测温度 并且可根据实际要求 通过简单的编程实现 9 12 位的数字值读数方式 TO 92 封装的 DS18B20 的引脚排列见图 3 14 其引脚功能描述见表 3 4 图 3 14 DS18B20 底视图 表 3 4 DS18B20 详细引脚功能描述 序 号 名称引脚功能描述 1GND 地信号 2DQ 数据输入 输出引脚 开漏单总线接口引脚 当被用着在寄生电源 下 也可以向器件提供电源 3VDD 可选择的 VDD 引脚 当工作于寄生电源时 此引脚必须接地 1 DS18B20 的性能特点如下 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信 多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上 实现多点组网功能 无须外部器件 可通过数据线供电 电压范围为 3 0 5 5 零待机功耗 温度以 9 或 12 位数字 用户可定义报警设置 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度 温度报警条件 的器件 负电压特性 电源极性接反时 温度计不会因发热而烧毁 但不能正常工作 DS18B20 采用 3 脚 PR 35 封装或 8 脚 SOIC 封装 其内部结构框图如图 3 15 所示 北京交通大学海滨学院毕业设计 论文 25 图 3 15 DS18B20 内部结构 64 位 ROM 的结构开始 8 位是产品类型的编号 接着是每个器件的惟一的序号 共有 48 位 最后 8 位是前面 56 位的 CRC 检验码 这也是多个 DS18B20 可以采用一线进行通信 的原因 温度报警触发器 和 可通过软件写入户报警上下限 DS18B20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存 和一个非易失性的可电 擦除的 EERAM 高速暂存 RAM 的结构为 8 字节的存储器 结构如图 3 所示 头 2 个字节包 含测得的温度信息 第 3 和第 4 字节 和 的拷贝 是易失的 每次上电复位时被 刷新 第 5 个字节 为配置寄存器 它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率 DS18B20 工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值 该字节各位的定义如图 3 16 所示 低 5 位一直为 1 TM 是工作模式位 用于设置 DS18B20 在工作模式还是在测 试模式 DS18B20 出厂时该位被设置为 0 用户要去改动 R1 和 R0 决定温度转换的精度 位数 来设置分辨率 I O C 64 位 ROM 和 单 线 接 口 高 速 缓 存 存储器与控制逻辑 温度传感器 高温触发器 TH 低温触发器 TL 配置寄存器 8 位 CRC 发生器 Vdd 张胜 基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计 26 TM R1 1R01111 图 3 16 DS18B20 字节定义 由表 3 4 可见 DS18B20 温度转换的时间比较长 而且分辨率越高 所需要的温度数 据转换时间越长 因此 在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑 高速暂存 RAM 的第 6 7 8 字节保留未用 表现为全逻辑 1 第 9 字节读出前面所有 8 字节的 CRC 码 可用来检验数据 从而保证通信数据的正确性 当 DS18B20 接收到温度转换命令后 开始启动转换 转换完成后的温度值就以 16 位 带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第 1 2 字节 单片机可以通过单 线接口读出该数据 读数据时低位在先 高位在后 数据格式以 0 0625 LSB 形式表 示 当符号位 S 0 时 表示测得的温度值为正值 可以直接将二进制位转换为十进制 当符号位 S 1 时 表示测得的温度值为负值 要先将补码变成原码 再计算十进制数值 表 4 4 是一部分温度值对应的二进制温度数据 表 3 5 DS18B20 温度转换时间表 R1R0 分辨率 位温度最大转换时间 ms 00993 75 0110187 5 1011375 温度 LSB 温度 MSB TH 用户字节 1 TL 用户字节 2 配置寄存器 保留 保留 保留 CRC 北京交通大学海滨学院毕业设计 论文 27 1112750 DS18B20 的测温原理是这这样的 器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很 小 用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器 高温度系数晶振随温度变化其振 荡频率明显改变 所产生的信号作为减法计数器 的脉冲输入 器件中还有一个计数门 当计数门打开时 DS18B20 就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度 测量 计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定 每次测量前 首先将 55 所对 应的一个基数分别置入减法计数器 温度寄存器中 计数器 1 和温度寄存器被预置在 55 所对应的一个基数值 减法计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数 当减法计数器 1 的 预置值减到 0 时 温度寄存器的值将加 1 减法计数器 1 的预置将重新被装入 减法计数 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 如此循环直到减法计数器计 数到 0 时 停止温度寄存器的累加 此时温度寄存器中的数值就是所测温度值 其输出 用于修正减法计数器的预置值 只要计数器门仍未关闭就重复上述过程 直到温度寄存 器值大致被测温度值 表 3 6 一部分温度对应值表 温度 二进制表示十六进制表示 1250000 0111 1101 000007D0H 850000 0101 0101 00000550H 25 06250000 0001 1001 00000191H 10 1250000 0000 1010 000100A2H 0 50000 0000 0000 00100008H 00000 0000 0000 10000000H 0 51111 1111 1111 0000FFF8H 10 1251111 1111 0101 1110FF5EH 25 06251111 1110 0110 1111FE6FH 551111 1100 1001 0000FC90H 2 DS18B20 温度传感器与单片机的接口电路 张胜 基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计 28 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 4 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 MOSFET 管来完成对总线的上拉 当 DS18B20 处于写存储器操作和温度 A D 转换操作时 总线上必须有强的上拉 上拉 开启时间最大为 10us 采用寄生电源供电方式时 VDD 端接地 由于单线制只有一根线 因此发送接口必须是三态的 由于 DS18B20 是在一根 I O 线上读写数据 因此 对读写 的数据位有着严格的时序要求 DS18B20 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性 和完整性 该协议定义了几种信号的时序 初始化时序 读时序 写时序 所有时序都 是将主机作为主设备 单总线器件作为从设备 而每一次命令和数据的传输都是从主机 主动启动写时序开始 如果要求单总线器件回送数据 在进行写命令后 主机需启动读 时序完成数据接收 数据和命令的传输都是低位在先 图 3 17 DS18B20 电路 DS18B20 的 1 脚接地 2 脚数据端接单片机的 P3 3 3 脚接 VCC 为了确保 DS18B20 工作可靠 2 脚要接 10K 的上拉电阻 2 水位检测 我们把储水箱大致分为 3 份 水位由潜入热水器的储水箱不同深度的水位电极和潜 入储水箱底部的公共电极 导线 进行检测 由单片机依次使各水位电极呈现高电平 由公共电极所接的三极管进行电位转换 水位到达的电极 转换电位为低 0 水位没 有到达的电极 转换电位为高 1 每检测一位便得到一位数据 3 个电极检测一遍以后 便得到了 3 个串行数据 然后把这 3 个数据转化为字节一路送发光二极管 在这里我们 北京交通大学海滨学院毕业设计 论文 29 可以用发光二极管亮的盏数来显示水位的高低 若没有发光二极管亮则表示箱内没有水 或者只有少量的水 若有一个发光二极管灯亮则表示箱内有三分之一箱的水 以此类推 若有三个发光二极管亮 则表示水箱水是满的 图 3 18 水位监测电路 水位用三根导线 一个是电源负极 当导线接触到水后 由于水的导电性 使得两 外两根导线也是低电平 从而使三极管 9012 导通 P3 6 和 P3 7 是低电平 当两根导线 不接触水的时候 输出是高电平 三 继电器 继电器是一种电子控制器件 它具有控制系统 又称输入回路 和被控制系统 又 称输出回路 通常应用于自动控制电路中 它实际上是用较小的电流去控制较大点流的 一种 自动开关 故在电路中起着自动调节 安全保护 转换电路等作用 电磁式继电器一般由铁芯 线圈 衔铁 触点簧片等组成的 只要在线圈两端加上 一定的电压 线圈中就会流过一定的电流 从而产生电磁效应 衔铁就会在电磁力吸引 的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯 从而带动衔铁的动触点与静触点 常开触点 吸合 当线圈断电后 电磁的吸力也随之消失 衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的 位置 使动触点与原来的静触点 常闭触点 吸合 这样吸合 释放 从而达到了在电 路中的导通 切断的目的 对于继电器的 常开 常闭 触点 可以这样来区分 继电 器线圈未通电时处于断开状态的静触点 称为 常开触点 处于接通状态的静触点称为 常闭触点 本设计包含两个继电器 两个继电器分别是控制加热装置和加水装置 用发光二极 张胜 基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计 30 管来代替加热装置和加水装置 继电器用三极管 9012 驱动 继电器可以模拟的完成实物 上的自动控制 继电器控制电路如图所示 图 3 19 继电器控制电路 图 3 20 继电器控制电路 北京交通大学海滨学院毕业设计 论文 31 第 4 章 系统软件设计 4 1 主程序设计 为了保证系统的正常运行 当系统开机后 即单片机上电复位开始运行后 需要对 硬件各部分进行自动检查 如果正常 系统就可以继续往下执行 如果不正常就必须出 错报警 以便人工修正 为系统的正常运行作好准备 主程序流程图如 4 1 报警 转换并显示 结束 N 图 4 1 主程序流程图 开始 初始化 水位温度值 与上下限比较 Y 张胜 基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计 32 4 2 子程序设计 4 2 1 温度采集 温度采集子程序的功能是对 DS18B20 进行初始化 查询温度采集和转换是否完成 并且完成对温度数据的处理以便送 LED 显示 其程序流图如图所示 检测 DS18B20 存在 发送跳过 ROM 指令 温度转换 等待 N Y 图 4 2 温度采集程序 4 2 2 控制按键设计 按键的确认就是判断按键是否闭合 反映在电压上就是和按键相连的引脚呈现出高 电平还是低电平 如果是低电平 则表示闭合 因此 通过判断电平的高低 就可以确 读取温度数据 处理数据 返回 开始 初始化 DS18B20 读 DS18B20 的序列号 北京交通大学海滨学院毕业设计 论文 33 定是否有键按下 但是为了确保一次按键动作只确认一次按键 必须消除机械开关的抖 动影响 消除按键的抖动 通常用软件消除的方法 在第一次检测到有按键被按下时 执行一段 10ms 15ms 的延时子程序 再确认该键电平是否仍然为低电平 如果保持为低 电平状态就说明有键按下 从而消除抖动的影响 再次扫描 如果按键为高电平说明按 键松开 本报警器按键处理子程序流程图如图 4 4 所示 4 2 3 读温度 N Y N 图 4 3 读温度流程图 图 4 4 键盘处理子程序 Y 发 DS18B20 复位命令 发跳过 ROM 命令 发读取温度命令 读取操作 CRC 校验 9 字节完 CRC 校验正 确 移入温度暂存器 结束 N N Y 开始 扫描键值 是否有键按下 延时 10ms 去抖动 是否有键按下 提取键值 调用键盘处理子程序 结束 Y 张胜 基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计 34 第 5 章 系统调试 5 1 硬件调试 制造电子产品 可靠性与安全是两个重要因素 而零件的安装对于保证产品的安全 可靠是至关重要的 如何疏忽都可能造成整机工作失常 甚至导致更为严重的后果 元 件安装时我们要保证导通与绝缘的电器性能 保证机械强度 抱着那个传热的要求和安 装时接地与屏蔽要充分利用 为达到产品的可靠与安全 安装时应遵循一些基本的要求 与原则 5 1 1 调试步骤 对于整个系统制作完成后 调试工作是非常重要的一个环节 它直接关系到系统能 否正常工作 1 首先对电源部分进行调试 2 检查印刷电路是否设计正确 元器件位置是否安装正确 特别是二极管 三极管 电容等极性不要装错 观察有没有焊接点短路 虚焊 多余的管脚有没有剪去 保证导通与绝缘的电气特性 电气连接的通与断是安装的核心这里所说的通与断 不仅是安装后简单的使用万用表测试的结果 而且要考虑在振动 长期工作 湿度等自 然条件变化的环境中 都能保证通者恒通 断者恒断 保证机械强度 电子产品在使用过程中 不可避免的需要运输和搬动 会发声各种 有意或无意达到振动 冲击 如果机械安装不够牢固 电气连接不够可靠 都有可能因 为加速度的瞬间受力使装置受到损害 保证传热的要求 在安装中 必须考虑某些零部件在传热 电磁方面的要求 安装时接地与屏蔽要充分利用 接地与屏蔽一是消除外办对产品的电磁干扰 二是 消除产品对外办的电碰干扰 三是减少产品内部的相互电磁干扰 3 当检查电路和焊接无误后 就可以将一些比较主要的元器件和主控芯片装上去进 行调试 焊接后的检查 焊接结束后必须检查有无漏焊 虚焊以及由于焊锡流淌造成的元件 短路 虚焊较难发现 可用镊子夹住元件引脚轻轻拉动 如发现摇动应立即补焊 北京交通大学海滨学院毕业设计 论文 35 5 1 2 液位检测 将自制的测水位导线放入水中 通电之后 显示当前的水位 我们把储水箱大致分 为 3 份 水位由潜入热水器的储水箱不同深度的水位电极和潜入储水箱底部的公共电极 导线 进行检测 由单片机依次使各水位电极呈现高电平 由公共电极所接的三极管 进行电位转换 水位到达的电极 转换电位为低 0 水位没有到达的电极 转换电位 为高 1 每检测一位便得到一位数据 3 个电极检测一遍以后便得到了 3 个串行数据 然后把这 3 个数据转化为字节一路送发光二极管 在这里我们可以用发光二极管亮的盏 数来显示水位的高低 若没有发光二极管亮则表示箱内没有水或者只有少量的水 若有 一个发光二极管灯亮则表示箱内有三分之一箱的水 以此类推 若有三个发光二极管亮 则表示水箱水是满的 将自制的测水位导线放入水中 通电之后 显示当前的水位 导线分三级 当水位 没有达到最低级时 蜂鸣器响 继电器开始模拟进水的过程 当水位高于最低级时 蜂 鸣器停止 显示中等水位 继电器继续模拟上水 当水位达到最高点时 显示最高水位 的发光二极管亮 继电器停止工作 5 1 3 温度检测 温度传感器检测到的水温 利用数码管能正确显示出当前的水温 图 5 1 温度显示电路 张胜 基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计 36 5 2 软件调试 5 2 1 Proteus 仿真 Proteus 软件是来自英国 Labcenter electronics 公司的 EDA 工具软件 它组合了 高级原理布图 混合模式 SPICE 仿真 PCB 设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计 系统 此系统受益于 15 年来的持续开发 被 电子世界 在其对 PCB 设计系统的比较文 章中评为最好产品 The Route to PCB CAD Proteus 产品系列也包含了我们革命性 的 VSM 技术 用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真 用户甚 至可以实时采用诸如 LED LCD 键盘 RS232 终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真 其功能模块 个易用而又功能强大的 ISIS 原理布图工具 PROSPICE 混合模型 SPICE 仿真 ARES PCB 设计 PROSPICE 仿真器的一个扩展 PROTEUS VSM 便于包括所有相 关的器件的基于微处理器设计的协同仿真 此外 还可以结合微控制器软件使用动态的 键盘 开关 按钮 LEDs 甚至 LCD 显示 CPU 模型 支持许多通用的微控制器 如 PIC AVR HC11 以及 8051 最新支持 ARM 交互的装置模型包括 LED 和 LCD 显示 RS232 终端 通用键盘 I2C SPI 器件 强大的调试工具 包括寄存器和存储器 断点 和单步模式 IAR C SPY 和 Keil uVision2 等开发工具的源层调试 应用特殊模型的 DLL 界面 提供有关元件库的全部文件 5 2 25 2 2 软件调试过程 本系统所使用的汇编软件是 Keil Keil 编译器把 C 语言编写的源程序与 Keil 内含的 库函数装配在一起 然后由 C51 编译器编译成目标文件 OBJ 目标文件可由 LIB51 创 建生成库文件 也可以与库文件一起经 L51 连接定位生成绝对目标文件 ABS ABS 文 件由 OH51 转换成标准的 HEX 文件 然后将其写入 CPU 存储器中 电路设计制作完成后 先用 keil u Vision2 仿真器进行调试 1 使用菜单 Project New Project 出现一个对话框 然后给将要建立的工程 取一个名字 单击保存后会出现另外一个对话框选择系统所使用的单片机型号 本系统 所使用的单片机型号为 80C51 选中后回到工程窗口的页面打开 Tatget 的下一层 Source Group 1 单机右键选中 Add file to group Source Group 1 出现对 话框 选择系统所用的源文件即可 2 单击 Project Target 1 出现对话框选中 Target 页面修改单片机的频率 项 Xtal MHz 为 12 选中 Out put 页面选中 Create HEX 选项 北京交通大学海滨学院毕业设计 论文 37 3 编译连接通过 Project Rebuild all Target Files 来实现 4 在 Protues 上画出电路图 并将 keil 所生成的 Hex 文件调入到电路中的单片 机内 点击运行 5 3 系统联调 通上电源 在缺水的