热水器水温控制器设计1.doc

本科生课程设计 论文 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 热水器水温控制器设计热水器水温控制器设计 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 学学 号 号 111902011111902011 学生姓名 学生姓名 吴小强吴小强 指导教师 指导教师 孟德威孟德威 起止时间 起止时间 本科生课程设计 论文 I 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计 论文 题目 热水器水温控制器设计 课程设计 论文 任务 其功能是实时检控水的温度 将水的温度控制在允许范围内 0 70 温度可由使用者可任意设定并显示 使用电阻丝加热 加热功率 1kW 主要设计内容 主要设计内容 硬件电路设计 1 CPU 最小系统设计 包括 CPU 选择 晶振电路 复位电路 2 温度传感器选择及接口电路设计 3 显示电路及控制电路设计 4 电源设计 软件设计 1 编程程序流程图 2 程序编写 进度计划 第 1 天 查阅收集资料 第 2 天 总体设计方案的确定 第 4 天 CPU 最小系统设计 第 5 天温度传感器选择及接口电路设计 第 6 天显示电路及控制电路设计 第 7 天 程序流程图设计 第 8 天 软件编写与调试 第 9 天 设计说明书完成 第 10 天 答辩 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 本科生课程设计 论文 II 摘 要 随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用 以单片机为核心的温度采 集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平 本设计设计了一套热水器水温控制器系统 能实现在 0 70 范围内设定控制温 度 且 70 时高温报警 十进制数码管显示温度 在 PC 机上显示温度曲线等功 能 并具有较快响应与较小的超调 整个系统核心为 51 单片机 包括传感器 按键输入电路 LED 显示电路 上位机通信电路以及控制加热器的继电器驱动电 路 利用 ADC0809 的 8 位精度的 A D 转换器 完成对水温的实时采样与模数转 换 通过数字滤波消除系统干扰 并对温度值进行运算处理 以调节加热功率大 小 同时在下位机上通过数码管显示当前温度 通过 USB 接口传送信息至上位 机 可以直接在 PC 端 观察温度的变化曲线 并根据需要进行相应的数据分析 和处理 由此完成对水温的采样和控制其功能是实时检控水的温度 将水的温度 控制在允许范围内 0 70 温度可由使用者可任意设定并显示 使用电阻丝 加热 加热功率 1kW 简述了设计中各单元电路的工作原理 关键词 单片机 温度控制 A D 转换器 本科生课程设计 论文 III 目 录 第 1 章 绪论 4 1 1 热水器水温控制器概况 4 1 2 本文研究内容 4 第 2 章 CPU 最小系统设计 5 2 1 热水器水温控制器总体设计方案 5 2 2 CPU 的选择 6 2 3 数据存储器扩展 3 2 4 复位电路设计 7 2 5 时钟电路设计 7 2 6 CPU 最小系统图 8 第 3 章 热水器水温控制器输入输出接口电路设计 10 3 1 热水器水温控制器传感器的选择 10 3 2 热水器水温控制器检测接口电路设计 10 3 2 1 A D 转换器选择 11 3 2 2 模拟量检测接口电路图 11 3 3 热水器水温显示输出接口电路设计 12 3 4 人机对话接口电路设计 4 第 4 章 热水器水温控制器软件设计 13 4 1 软件实现功能综述 13 4 2 流程图设计 14 第 5 章 系统设计与分析 16 5 1 系统原理图 16 5 2 系统原理综述 17 第 6 章 课程设计总结 18 本科生课程设计 论文 IV 参考文献 19 第 1 章 绪论 1 1 热水器水温控制器概况 热水器水温控制器应用于热水器的温度控制 功能是实时监控水的温度 将 水的温度控制在允许范围内 0 70 温度可由使用者任意设定 低于设定值 时启动加热装置 当到达所设定值时 停止加热 主要研究单片机的数据处理功 能 以及实时的采集的及时性 对于 51 单片机可以有更好更高的了解及应用 对以后的工作研发或是现场控制有着基本的要求 1 2 本文研究内容 设计一个热水器水温控制器实时监控水的温度 将水的温度控制在允许范围 内 0 70 温度可由使用者可任意设定并显示 使用电阻丝加热 加热功率 1kW 硬件电路设计 1 CPU 最小系统设计 包括 CPU 选择 晶振电路 复位电路 2 温度传感器选择及接口电路设计 3 显示电路及控制电路设计 4 继电器控制部分 5 按键电路 6 报警部分 软件设计 1 编程程序流程图 本科生课程设计 论文 5 第 2 章 CPU 最小系统设计 2 1 热水器水温控制器总体设计方案 图 2 1 过程层原理框图 因为 80C51 单片机内部自带 8K 的 ROM 和 256 字节的 RAM 因此不必构建 单片机系统的扩展电路 单片机的最小系统设计包括单片机的选择 时钟电路设 计和复位电路设计如图 2 1 所示 1 单片机选择 由于系统属于小型 对于精度和速度方面上都不是有着太高的要求所以选择 51 系列单片机即可实现课设所要求的目的 对于信息期间的普及化和小型化 产 业化 其价格是日益降低 所以选择 AT89C51 单片机 其优点 有一得性能价 格比 集成度高 体积小 有很高的可靠性 控制功能强大 低功耗 低电压 便于生产便携式产品 2 时钟电路设计 51 单片机时钟信号可以由两种方式产生 内部时钟方式和外部时钟方式 内 部有一个高增益反向放大放大器 用于构成片内振荡器 引脚 XTALI 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端 在 XTALI 和 XTAL2 两端跨接警惕或陶瓷谐 单片机 AT89C51 LED 数码显 示 加热装置 复位电路 报警装置 温度传感 器 本科生课程设计 论文 6 振器 就构成了稳定的自激振荡器 其发出的脉冲直接送入内部的时钟发生器 振荡器的频率范围 0 24MHz 为了减少寄生电容 更好地保证振荡器稳定可靠 地工作 谐振器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近 外部时钟用于特殊的 环境所以不予考虑及介绍 3 复位电路设计 复位操作可以使单片机初始化 也可以使死机状态下的单片机重新启动 因 此非常重要 单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的 在时钟电路工作后 只要在单片机的 RESET 引脚出现 24 个时钟振荡脉冲 两个机器周期 以上的高 电平 单片机就能实现复位 为了保证系统可靠复位 在设计复位电路时 一般 使 RESET 引脚保持 10ms 以上的高电平 单片机便可以可靠地复位 采用上电复 位电路和按键脉冲复位结合的方式 2 2 CPU 的选择 本设计采用 Intel 公司生产的 AT89C51 单片机 如图 2 2 AT89C51 是一 种低功耗 高性能的单片机 性价比非常高 采用 ATMEL 高密度非易失存储器 制造技术制造 89C51 单片机的最大特点是在片内有 Flash 存储器 Flash 存储器 是一种可以电擦除和电写入的闪速存储器 简记 Flash ROM 读写方便 因此 得到广泛应用 图 2 2 AT89C51 单片机 E A V P 31 X 1 19 X 2 18 R E SE T 9 R D 17 W R 16 IN T 0 12 IN T 1 13 T 0 14 T 1 15 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PS E N 29 A L E P 30 T X D 11 R X D 10 本科生课程设计 论文 7 2 3 数据存储器扩展 89C 51 型单片机片内有 128B 的 RAM 在实际应用中仅靠这 256B 的数据存储 器是远远不够的 这种情况下可利用 MCS 51 单片机所具有的扩展功能扩展外部 数据存储器 MCS 51 系列单片机最大可扩展 64KB 6264 是 8K 8 位静态随机存 储器 采用 CMOS 工艺制造 单一 5V 电源供电 额定功率 200mW 典型存取时间 200ns 为 28 线双列直插式封装 NetLabel7NetLabel8 NetLabel11 NetLabel12 A0 10 A1 9 A2 8 A3 7 A4 6 A5 5 A6 4 A7 3 A8 25 A9 24 A10 21 A11 23 A12 2 CS1 20 CS2 26 WE 27 OE 22 D0 11 D1 12 D2 13 D3 15 D4 16 D5 17 D6 18 D7 19 6264 图 2 3 6264 引脚图 6264 的特性及引脚信号 6264 的容量为 8KB 是 28 引脚双列直插式芯片 采用 CMOS 工艺制造 A12 A0 地址线 可寻址 8KB 的存储空间 D7 D0 数据线 双向 三态 读出允许信号 输入 低电平有效 OE 写允许信号 输入 低电平有效 WE CE1 片选信号 1 输入 在读 写方式时为低电平 CE2 片选信号 2 输入 在读 写方式时为高电平 VCC 5V 工作电压 GND 信号地 6264 的操作方式 6264 的操作方式由 CE1 CE2 的共同作用决定 本科生课程设计 论文 8 2 4 复位电路设计 复位操作可以使单片机初始化 也可以使死机状态下的单片机从新启动 因 此非常重要 如图 2 4 单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的 在时钟电 路工作后 只要在单片机的 RESET 引脚上出现两个机械周期以上的高电平 单 片机就能实现复位 为了保证系统可靠的复位 在设计复位电路时 一般使 RESET 引脚保持 10ms 以上的高电平 单片机便可以可靠的复位 复位电路中电阻电容的值是根据复位信号的有效脉冲的宽度来计算电容电阻 的取值的 也就是说 假设 单片机高电平复位 而高电平至少要持续 10ms 才 有效 就要根据这个时间来设置电容电阻的值 假设高电平复位有效 一充一放周期是 1 386 RC 舍去充放过程中较低的电 平 一般的单片机复位脉冲宽度取值 大概为 0 7 1 RC 其周期为复位脉冲 宽度的倒数 因此可以根据周期确定相应的电容电阻值 其中 R1 可以为 0 因为 R1 的作用是为了防止电流过大 保护电路 2 5 时钟电路设计 计算机在工作时 是统一的时钟脉冲控制下一拍一拍的进行的 这个脉冲是 有单片机控制器中的时序电路发出的 时钟电路用与产生单片机工作所需要的时 钟信号 时钟信号可以由两种方式产生 内部时钟方式和外部时钟发方式 本设 计采用内部时钟方式 如图 2 5 在 AT89C51 内部有一个高增益反向放大器 用于构成片内振荡器 引脚 XTSL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入和输出端 在 XTSL1 和 XTAL2 两端 接一个晶振 就构成了稳定的自激振荡器 其输出的脉冲直接送进内部时钟发生 器 电容 C1 和 C2 通常选择 20uf 左右 可稳定频率并对振荡频率有微调的作用 输出震荡范围是 0 24MHZ R 1 1K R 2 10 K S 1R E S E TC 3 V C C 图 2 4 复位电路 本科生课程设计 论文 9 图 2 5 时钟电路 2 6CPU 最小系统图 CPU 最小系统是单片机运行工作起来所必需的最基本电路组成 它包括电源 电路 时钟电路 复位电路 如图 2 6 1 电源电路 向单片机供电 其中 VCC 接 3V GND 接地 AT89S52 单片 机的工作电压范围为 4V 5 5V 所以通常外接 5V 直流电源 2 时钟电路 又称为振荡电路 是单片机工作的时间基准 决定单片机工作 速度 3 复位电路 确定单片机工作的初始状态 完成单片机的启动过程 图 2 6 CPU 最小系统 12 M 20 uf 20 uf EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 89C51 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 C1 R1 R2 S1 SW PB VCC C2 C3 本科生课程设计 论文 10 第 3 章 热水器水温控制器输入输出接口电路设计 3 1 热水器水温控制器传感器的选择 热电阻传感器主要用于测量温度及与温度有关的参数 在工业生产中被广泛用 于测量 200 500 范围内的温度 按照热电阻的热度不同 热电阻可以分为金属 热电阻和半导体热电阻两类 前者称为热电阻 后者称为热敏电阻 以热电阻或热 敏电阻为主要器件制成的传感器称为热电阻传感器或热敏电阻传感器 根据本设计中所需要测量的温度范围 敏感度 精确度以及考虑其经济性 热敏电阻传感器为最合适的测温元件 3 2 热水器水温控制器检测接口电路设计 热敏电阻接口变换是最佳的线性化设计 最关键问题是拟合直线的选择方法 问题 选择拟合直线方法不同 设计的方法也不同 测量的精度不同 本设计采用的是热敏电阻电桥接口变换 热敏电阻电桥与运放级联电路 图 3 2 电桥与运放级联 R 1 R T R 3 R 2 R 6 R 4 R R 5 9 9 E o 本科生课程设计 论文 11 3 2 1 A D 转换器选择 A D 转换接口是系统数据采集前向通道的一个重要环节 数据采集是在模拟 信号源中采集信号 并将之转换为数字信号送入计算机的过程 因此 完成数据采 集应具备下述基本部件 模拟多路转换开关和信号调节电路 采样 保持放大器 模拟 数字 A D 转换器 通道控制电路 基于以上比较 综合性价比 选择 8 为主次逼近式 A D 转换器 ADC0809 ADC0804 ADC0809的功能是将输入模拟量转换为与 其成正比例的数字量 它具有8路模拟输入端口 地 址线可决定对哪一路模拟输入做AD转换 ADC0804的功能与ADC0809基本相同 不 同点在于它有一路输入 对于本设计的要求是有 一路的输入信号 所以从性价比的方面考虑选择 ADC0804更优 3 2 2 模拟量检测接口电路图 E A V P 31 X 1 19 X 2 18 R E SE T 9 R D 17 W R 16 IN T 0 12 IN T 1 13 T 0 14 T 1 15 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PS E N 29 A L E P 30 T X D 11 R X D 10 VCC 40 GND 20 89 C5 1 D b0 D b1 D b2 D b3 D b4 D b5 D b6 D b7 C L K IN T R R D W R V CC V IN V IN C S G N D A D C 80 84 V CC 丝 丝 丝 图 3 2 模拟量检测接口电路 D b0 D b1 D b2 D b3 D b4 D b5 D b6 D b7 C L K IN T R R D W R V CC V IN V IN C S G N D A D C 80 84 本科生课程设计 论文 12 3 3 热水器水温显示输出接口电路设计 EA VP 31 X 1 19 X 2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 IN T0 12 IN T1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 A LE P 30 TXD 11 RXD 10 89C51 1K 1K 1K V CC D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 a b c d e f g D 0 D 1 D 2 D 3 LD M B1 a b c d e f g D 0 D 1 D 2 D 3 LD M B1 a b c d e f g D 0 D 1 D 2 D 3 LD M B1 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g MC14543 图 3 3 热水器水温显示输出接口电路 3 4 人机对话接口电路设计 3 4 1 显示接口电路设计 显示电路如图 3 3 所示 LED 显示块是由发光二极管显示字段的显示器件 这种显示块有共阴极和共阳极两种 共阴极 LED 显示块的发光二极管共地 NetLabel1NetLabel2 NetLabel3 NetLabel4 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P22 23 P21 22 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 RXD 10 TXD 11 ALE P 30 PSEN 29 89C51 本科生课程设计 论文 13 NetLabel1NetLabel2 NetLabel3 NetLabel4 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P22 23 P21 22 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 RXD 10 TXD 11 ALE P 30 PSEN 29 89C51 图 3 4 显示电路原理图 当某个发光二极管的阳极为高电平时 发光二极管点亮 本设计选用的显示块是共阴极 的 LED 共阴极 LED 显示块的发光二极管阴极接地 当某个发光二极管的阳极为高电平时 发光二极管点亮 将单片机 I O 口的 8 位线与显示块的发光二极管的引出端 a dp 相连 共阴极低电平有效 选通有效后 8 位并行输出口输出不同的数据就点亮相应的发光二极管 获得不同的数字或字符 本科生课程设计 论文 14 第 4 章 热水器水温控制器软件设计 4 1 软件实现功能综述 本系统上电后数码管显示当前测量温度 此时加热指示灯和保温指示灯均不 点亮 若此时按 自动加热 键 则单片机自动将预加热温度设置为 70 并开始 加热 送出一个加热信号 并点亮加热指示灯 若按 温度设置 键 则进入预 加热温度设置界面 此时数码管闪烁显示预设置温度 此时通过按键 和 进行设置温度 预设置温度按 5 递增或递减 设置好温度后再按一次 温度设置 键确定 单片机保存预设置温度 并开始加热 此时单片机通过数 码管显示实时检测的温度并和预设置温度进行对比 如果实测温度大于或等于预 设置温度 则单片机发出停止加热信号并熄灭加热指示灯 点亮保温指示灯 且 当超过预设温度时发出报警 当温度下降到预设置温度以下 5 度时 单片机再次 发出加热信号 同时熄灭保温指示灯 点亮加热指示灯 依次循环控制 本科生课程设计 论文 15 4 2 流程图设计 1 主程序流程图设计 开始 初始化 读 D18B20 温度转换 显示温度 自动加热 加热温度设置 70 C Y 设置温度 N Y N 温度 温度 设置完成 预设温度 5预设温度 5 Y N 本科生课程设计 论文 16 2 读取温度DS18B20模块的流程 3 模拟量检测流程图设计 启动采样 延时等待转换结束 读取采样电压结束 将电压结果经 A D 转换成二进制 数 单片机 开始 开始 初始化 读取温度值 ROM 操作命令 返回 存储操作命令 DS18B2 存在吗 Y N 本科生课程设计 论文 17 第 5 章 系统设计与分析 5 1 系统原理图 图 5 1 系统原理图 EA VP 31 X 1 19 X 2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 IN T0 12 IN T1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 A LE P 30 TXD 11 RXD 10 89C51 PN P 1K 1K 1K V CC a b c d e f g D 0 D 1 D 2 D 3 LD M B1 a b c d e f g D 0 D 1 D 2 D 3 LD M B1 a b c d e f g D 0 D 1 D 2 D 3 LD M B1 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g MC14543 C1 R1 R2 S1 SW PB V CC C2 C3 1 2 3 D S18B20 5v K RELA Y SPST 丝丝丝 3 3k 3 3k V CC P3 1 220V SW1 SW2 SW3 SW4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 CON 9 V CC P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 D b0 D b1 D b2 D b3 D b4 D b5 D b6 D b7 CLK IN TR RD WR V CC V IN V IN CS G ND A DC8084 V CC 本科生课程设计 论文 18 5 2 系统原理综述 热水器水温控制器系统原理 在 0 70 可控范围内控制温度 整个系统核 心用 51 单片机 包括传感器 按键输入电路 上位机通信电路以及控制加热器 的继电器驱动电路 利用 ADC0809