毕业设计 热水器温度控制系统的设计与研究.doc

毕业论文资料论 文 题 目： 热水器温度控制系统设计与研究 目 录第一部分 毕业论文一、毕业论文第二部分 外文资料翻译一、外文资料原文二、外文资料翻译第三部分 过程管理资料一、 毕业论文课题任务书二、 本科毕业论文开题报告三、 本科毕业论文中期报告四、 毕业论文指导教师评阅表五、 毕业论文评阅教师评阅表六、 毕业论文答辩评审表本科生毕业论文资料第一部分 毕业论文（20 10届）本科生毕业论文热水器温度控制系统的设计与研究热水器温度控制系统的设计与研究- 3 - 摘 要随着社会的进步和生活水平的不断提高，家电产品在人们的日常生活中得到广泛使用，家电产品的智能化程度也越来越高。纵观大量的家电产品，其中的温度是一个很重要的控制对象。本论文设计了一个以单片机为控制芯片，对电热水器的温度进行控制的智能系统。系统设计中，通过对水的温度进行采样，结合键盘控制实现LCD显示，可实现对水温度的自动控制和报警。在实际应用中，通过PROTEUS的仿真，证明在虚拟环境下, 可以完成系统的硬件设计和软件调试，系统的性能测试及仿真数据接近真实系统测试数据,降低设计成本,缩短开发周期, 提高效率。关键词：温度控制器；单片机；系统设计；PROTEUSABSTRACTWith the development of society, an increasing number of household electrical appliances are used in peoples life, especially, electrical water heater. But due to the Temperature Measurement System is not perfect, and bring a few safety incidents, so bringing more inconvenience to peoples lives. The thesis introduces the method of use the series of 51 one-chip computer which is the control chip to control the work of kettle heat series of 51 one-chip computer which is the control chip to control the work of kettle heat sample the temperature of the water and it will be showed by LED monitor, at the same time, the system can control the temperature beyond the setting, the system of alarm will run. Inducing PROTEUS software performance and based on PROTEUS Electric Water Heater simulation design process, proves that PROTEUS environment can complete MCU system hardware and software design, performance testing, system simulation and PCB design. The simulation data of system test is close to reality. It introduces a new combination virtual simulation method for MCU hardware and software design. In the practice, PROTEUS can be applied to the development of MCU system, reduce design costs, shorten the product development cycle and improve efficiency.Key words ：Temperature Controller; MCU; System design; Proteus 目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 研究现状11.3 研究的主要内容2第2章 技术基础32.1 热水器温度控制系统总体概述32.2 元器件的选择与介绍32.2.1 温度传感器DS18B20 简介32.2.2 AT89C51 的介绍72.3 PROTEUS 简介102.3.1 PROTEUS 实际应用中的优点10第3章 系统硬件设计123.1 系统方案设计123.2 方案论证133.3 系统概述与工作原理133.4 电路设计133.4.1 DS18B20 在电路中的连接133.4.2 报警电路143.4.3 输出控制电路15第4章 系统的软件设计164.1 软件描述164.1.1 主程序和中断服务程序流程164.1.2 控制模块程序流程174.1.3 键盘管理模块程序流程174.1.4 显示模块184.1.5 温度报警模块程序流程194.2 系统仿真与调试19结 论22参考文献23附 录124附 录225致 谢41IV第1章 绪论1.1 研究背景及意义温度控制是工业生产过程中经常遇到的问题，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。同时，随着人们生活水平的提高，精美、实用、方便、快捷的家电用品开始走进千家万户。人们可根据不同的应用场合设计不同的系统对温度进行检测和控制，如在普通的室内温度检测中，可用一般的温度传感器，通过 A/D 转换之后，由数码管直接显示该室内的温度。但是普通型传感器芯片不仅体积大，而且输出的信号都是模拟信号，必须经过A/D转换后才能被处理器识别，而且不能实现多点温度的测量，最大的缺点就是它的精度不是很高,而在要求精度很高的温度控制中，显然普通的温度采集和显示系统已不能满足设计的需要。现有的温度传感元件大多为模拟器件（热电耦）体积大、应用复杂、而且不容易实现数字化等缺点，阻碍了应用领域的扩展。本设计从实际应用出发选取了体积小、精度相对高的数字式温度传感元件DS18B20作为温度采集器，单片机 AT89C51 作为主控芯片，实现了对温度的实时测量与控制。 随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性1。单片机作为嵌入式系统的核心器件,广泛应用于仪器仪表, 家用电器, 医用设备的智能化管理和过程控制等领域。当国内从 80 年代起开始了单片机的热潮，二十多年过去了，单片机从研究所走出来， 成为日常生活中的一个不可缺少的部件。硬件方面日趋多样化，4位、8位、16 位、32 位等型号共同并存，在不同的领域存在，如家电、玩具、工业设备、仪器、通讯等。软件方面发展主要为汇编语言、C语言、嵌入式操作系统。速度、稳定性特别要求的场合较多采用汇编语言和 C 语言。单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着 CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展2。 1.2 研究现状我们把简单的电热丝直接加热的热水器称为第一代热水器、第二代是指带有简单漏电保护、出水断电技术的加热体直接加热热水器、第三代是具有防电墙等新一代防触电技术的,加热体直接加热的储水式热水器和即热式热水器。这些都属于被动减少电热水器环境漏电电量对人体伤害的程度。这些技术的发展,使电热水器行业进入年增长速度 20%的高速发展阶段,使电热水器行业成为继彩电、冰箱、洗衣机、空调之后的第五大家电产品.但是从理论上讲,加热管迟早会损坏,一旦绝缘失效,就还会发生漏电,甚至会影响到用户的生命安全。 2005年由于解决了大功率高频电源的问题后“电磁热水器”开始出现在市场上.这种新型热水器与传统的发热管式的电热水器相比,在整个发热技术,控制技术、测试技术上进行了全新的革新,它采用由电转化成磁场,交频磁场再转化成热能的技术,使得水、电真正分离.分离的概念就是水系统与电系统自然分离.这项技术主动地把电从水系统分割出去,拒绝电的进入,从而主动杜绝了漏电现象的出现。这种真正水电分离,更安全、更节能、寿命更长的电磁热水器,也称为第四代热水器。 1.3 研究的主要内容 本论文包括5个部分：绪论，技术基础，硬件设计，软件设计，总结与展望。系统设计包括硬件电路设计、程序设计和系统调试3 个过程。在整个设计中，涉及到：水温的测量与显示；户设定功能(如水温设定，等)；对电加热管的控制功能；一些功能键(如恒温控制，手动加热等)等；第2章 技术基础 2.1 热水器温度控制系统总体概述 以电作为能源进行加热的热水器通常称为电热水器,是与燃气热水器、太阳能热水器相并列的三大热水器之一。电热水器按储水方式可分为即热式和容积式（又称储水式或储热式）两种；容积式是电热水器的主要形式，按安装方式的不同，可进一步区分为立式、横式及落地式，按承压与否，又可区分为简易式（敞开式）和承压式（封闭式），按容积大小又可区分为大容积与小容积式。 对于常规的电热水器，只要接通电源，就开始加热，直到水沸腾后通过蒸汽来产生声音报警。这种设计有下面几个方面的不足： 1. 如容器中没水，电源误接通时也会一直加热，容易引起事故。 2. 当只需要加热到沸点以下某一温度时，不能及时给出声音报警信号。 3. 当水加热沸腾后不能自动停止工作。 针对以上不足，在本设计方案中，用 AT89C51 单片机作为控制芯片，管理整个电热水器的工作情况，构成了一个闭环控制系统。它的工作情况和常规的热水器相比，有下面几个方面的特点： 1. 有三个按键，可用来设置希望加热到的温度即报警的温度。上电复位后，设置温度初值为 20 度，每按一下按键，温度设置值就会增加或减 1 度，整个温度设置值在2060度之间循环。2. 这个按键还具有启动电热水器开始工作的作用。当每次电源接通后，只有按键按下过之后，电热水器才开始加热，这样，可以防止电源误接通时电热水壶一直加热，引发事故。 3. 当加热到设置温度时，单片机会控制停止加热，并通过蜂鸣器给出声音提示。 2.2 元器件的选择与介绍 2.2.1 温度传感器DS18B20 简介 DS18B203的引脚分布，由 DALLAS 半导体公司生产的 DS18B20 型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 912位的数字值读数方式。其可以分别在字量，最大分辨率为0.0625，而且从需要一根口线（单线接口）读写。 图2.1 DS18B20外部形状及管脚图1)、 DS18B20 的性能特点 （1）独特的单线接口，既可通过串行口线，也可通过其它 I/O 口线与微机接口，无需变换其它电路，直接输出被测温度值。 （2）多点(multidrop)能力使分布式温度检测应用得以简化。 （3）不需要外部元件。 （4）既可用数据线供电，也可采用外部电源供电。 （5）不需备份电源。 （6）测量范围为-55+125，固有测温分辨率为0.5。 （7）通过编程可实现912 位的数字读数方式。 （8）用户可定义非易失性的温度告警设置。 （9）警告搜索命令能识别和寻址温度在编定的极限之外的器件（温度警告情况）。 （10）应用范围包括恒温控制、工业系统、消费类产品、温度计或任何热敏系统。 2)、 DS18B20 测温原理 DS18B20 的测温原理如图 2.2 所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器 2的脉冲输入。计数器 1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。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，当计数器 1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器 1 的预置将重新被装入，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，如此循环直到计数器 2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器 1的预置值。比较预值斜率累加器预值低温度系数震荡器计数器1 置位/ 清除温度存储器=0 加1计数器2高温度系数震荡器=0 停止图2.2 DS18B20 测温原理3)、 DS18B20 的特点介绍 （1）独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 （2）在使用中不需要任何外围元件。 （3）可用数据线供电，电压范围：+3.0+5.5 V。 （4）测温范围：-55 +125 。固有测温分辨率为0.5 。 （5）通过编程可实现912 位的数字读数方式。 （6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。 （7）支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的线上，实现多点测温。 （8）负压特性，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的引脚介绍 DS18B20 的外形及TO92 封装引脚排列见图1，其引脚功能描述见下表。 表2.1 DS18B20引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信线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。4)、 DS18B20 的使用方法 由于DS18B20采用的是 1Wire 总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51 单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。 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。DS18B20 的复位时序，见图 2.3 图2.3 DS18B20复位时序图置总线为低电平并保持至少 480us，然后拉高电平，等待从端重新拉低电平作为响应，则总线复位完成。 DS18B20 的读时序，见图 2.4 图2.4 DS18B20的读时序图对于DS18B20的读时序分为读 0时序和读1时序两个过程。对于 DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在 15 秒之内就得释放单总线，以让DS18B20 把数据传输到单总线上。DS18B20 在完成一个读时序过程，至少需要60us 才能完成。 DS18B20 的写时序 ，见图 2.5图2.5 DS18B20写时序图对于 DS18B20 的写时序仍然分为写 0 时序和写 1 时序两个过程。对于DS18B20 写 0 时序和写 1 时序的要求不同，当要写 0 时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在 15us 到45us 之间能够正确地采样 IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在 15us 之内就得释放单总线。 2.2.2 AT89C51 的介绍 AT89C514是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C251是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 本设计主要用到了单片机的4个输入输出口，复位接口，读写口，外界晶振等，下文对这些接口作一下介绍： P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 表2.2 P3作AT89C51 的一些特殊功能口口管脚备选功能口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断 0）P3.3INT1（外部中断 1）P3.4T0（记时器 0 外部输入）P3.5T1（记时器 1 外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.3 PROTEUS 简介 PROTEUS5 软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件，是基于SPICE3F5 仿真引擎的混合电路仿真软件，它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。 软件功能模块PROTEUS 软件功能模块由三部分组成： (1) 智能原理图输入系统 ISIS(Intelligent Schematic Input System)和虚拟系统模型VSM (Virtual Model System)；(2) PROSPICE 混合模型 SPICE 仿真； (3) 高级布线及编辑软件ARES (Advanced Routing and Editing Software)也就是ARES PCB 设计。 仿真设计器件资源PROTEUS 可提供的仿真元器件资源包括： (1) 数字和模拟、直流交流等 30 多个元件库， 数千种元器件。 (2) 可以仿真51 系列、 AVR、 PIC等常用主流单片机，如 51 系列、 AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系列、PIC18 系列、Z80 系列、HC11 系列、68000 系列等。 (3) 可提供的仿真仪表资源： 示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI 调试器、I2C 调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。 (4) 虚拟逻辑分析仪、示波器等， RAM, ROM， 键盘， 马达， LED， LCD， AD/DA，部分 SPI 器件，部分 I2C 器件等。对于元器件库中没有的元件，设计者也可以通过软件自己创建。 . 提供的调试手段 PROTEUS 提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。PROTEUS 提供了两种单片机硬件电路和软件的调试方法，一种是系统总体执行效果，在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出， 能看到运行后输入输出的效果。一种是对软件的分步调试，执行的效果是单句执行、进入子程序执行和跳出子程序执行，可供调试时分析和查看。PROTEUS 自身只带汇编编译器， 不支持 C 语言， 但可以与 KeilC51 集成开发环境连接，将用汇编和 C 语言编写的程序编译好之后，可以立即进行软、硬件结合的系统仿真，像使用仿真器一样来调试程序。2.3.1 PROTEUS 实际应用中的优点 PROTEUS PCB 设计 PROTEUS 的PCB 设计除了有自动布线仿真功能外，还集成了 PCB 设计，支持多达 16 个布线层，可以任意角度放置元件和焊接连线，集成了高智能的布线算法。Proteus 与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机 CPU 的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。第3章 系统硬件设计3.1 系统方案设计 方案一：该方案使用了 AT89C51 单片机作为控制核心,以智能温度传感器DS18B20为温度测量元件，加上一些基本的外接电路模块为基础6 ，其包括按键控制模块，温度显示模块，声光报警模块，系统方框图如图3.1所示： 温度采集AT89C51温度LCD显示拨动开关按键控制声光报警输出控制图3.1 方案一系统框图方案二：该方案由单片机、模拟温度传感器 AD590、运算放大器、AD转换器、44键盘、LCD 显示电路、集成功率放大器、报警器组成。本方案采用模拟温度传感器 AD590 作为测温元件，传感器将测量的温度变换转换成电流的变化，再通过电路转换成电压的变化，使用运算放大器交将信号进行适当的放大，最后通过模数转换器将模拟信号转换成数字信号，传给给单片机，单片机将温度值进行处理之后用 LCD显示 ，当温度值超过设置值时，系统开始报警。模拟温度传感器键盘模块运算放大器LCD显示模块单片机A/D转换集成功放报警器图3.2 方案二系统框图3.2 方案论证 方案二采用模拟温度传感器，转换结果需要经过运算放大器和 AD转换器传送给处理器。它控制虽然简单，但电路复杂，不容易实现对多点温度进行测量和监控。由于采用了多个分立元件和模数转换器，容易出现误差，测量结果不是很准确，因此本方案并不可取。 方案一采用智能温度传感器 DS18B20，它直接输出数字量，精度高，电路简单，只需要模拟DS18B20的读写时序，根据 DS18B20 的协议读取转换的温度。 此方案硬件电路简单，程序设计复杂一些，但是我已经使用开发工具 KEIL用C语言对系统进行了程序设计，用仿真软件 PROTEUS对系统进行了仿真，达到了预期的结果。由此可见，该方案完成具有可行性，体现了技术的先进性，经济上也没有问题。 综上所述，本课题采用方案一对系统进行设计，同时对系统进行 PROTEUS仿真。3.3 系统概述与工作原理 热水器温度控制系统以 AT89C51 为中心器件，以KEIL 为系统开发平台，以PROTEUS作为仿真软件设计而成的7。通过温度传感器对温度进行采集，将采集的温度信号输给单片机。按键将设置好的温度值传给单片机，通过温度显示模块显示出来。初始温度设置好后，单片机开启输出控制模块，使热水器开始加热，同时将从数字温度传感器 DS18B20 测量到的温度值实时的显示出来，当加热到设定温度值时，单片机控制声光报警模块，发出声光报警，同时关闭加热器。当自然冷却到设定温度 3摄氏度以下时，单片机再次启动加热器，如此循环反复，以达到控制的目的。当前市场上的热水器基本上采用金属片加热，控温精度较低、可靠性差、功能也比较单一。在热水器中应用单片机，具有设计简单、可靠性高、控制精度高，功能易扩展，有较强的通用性等优点。电热水器主要实现对水温的控制，并满足不同用户的个性需求。 系统总体流程图如图4.1所示。3.4 电路设计 3.4.1 DS18B20 在电路中的连接 1-wire 总线支持一主多从式结构，硬件上需外接上拉电阻。当一方完成数据通信需要释放总线时，只需将总线置高点平即可；若需要获得总线进行通信时则要监视总线是否空闲，若空闲，则置低电平获得总线控制权8 。图3.3 DS18B20 测温电路3.4.2 报警电路 报警电路如图3.4所示，该电路采用一个小功率三极管Q1 驱动蜂鸣器BELL。当单片机接收到超额温度信号或危险信号时,输出脚BELL输出高点平,Q1导通，致使蜂鸣器BELL得电工作，发出报警声。同时，电路中的发光二极管指示出电路的工作状态9。图3.4 报警电路3.4.3 输出控制电路 MOC3041 内部带有过零控制电路,MOC3041 输出端额定电压为 400V。加热电路中采用 MOC3041 的目的有两个:其一是实现强电与弱电的隔离;其二是实现双向可控硅的过零触发,从而使流过双向可控硅的电流波形为正弦波,减少谐波。电路连接如图3.5所示，其在电路中的工作原理是单片机根据传感器和设定开关输入的控制指令，控制电器的电源通断。Q2 为 MAC97A6 型小型塑封双向晶闸管,其最大通态电流为 1A。当电源控制电路的输出管脚送出的开关控制指令为高电平，MOC3041截止，Q2截止，电器被关闭；当电源控制电路送出的开关控制指令为低电平，MOC3041导通，Q2导通，电器被打开。通过MOC3041 内部的过零触发电路，保证 Q2 在电压过零时导通和截止，对供电系统干扰极小。R8 和C6是Q2 的保护电路10。图3.5 光耦控制输出第4章 系统的软件设计4.1 软件描述 在软件设计时，必须先弄清恒温控制系统的操作过程和工作过程。加热器开始时处于停止状态，首先设定温度，显示器显示温度，温度设定后则可以启动加热。温度检测系统不断检测并显示系统中的实时温度，当达到设定值后停止加热，当温度下降到下限(小于设定值 1)时再自动启动加热，这样不断的循环，使温度保持在设定范围之内。启动加热以后就不能再设定温度，因为温度的设定可以根据实验要求改变。若要改变设定的温度，可以先按复位停止键再重复上述过程。 根据以上对操作和工作过程的分析，程序应分为两个阶段：一是通电或复位后到启动加热，程序主要是按键设定、显示器显示设定温度；二是检测并显示系统的实时温度，并根据检测的结果控制电热器，这时系统不接收键盘的输入。因此，程序可以分为以下几个功能模块：温度设定和启动；显示；温度检测；温度控制以及报警11。开始中断初始化数据、中断设置初始化温度计显示温度中断处理开始初始化数据、中断设置定时到？重置初值 键盘扫描、温度报警中断返回4.1.1 主程序和中断服务程序流程 Y N N 图4.1 主程序与中段程序流程4.1.2 控制模块程序流程 温度控制子程序流程如图 4.2 所示，将当前温度与设定好的温度比较，当当前温度小于设定温度时，开启电热器；当当前温度大于设定温度时，关闭电热器；当二者相等时，电热器保持这一状态12。 温度控制子程序当前温度预置温度当前温度预置温度打开报警允许标志返回开电热器关电热器 N Y N Y 图4.2 控制模块程序流程4.1.3 键盘管理模块程序流程 键盘管理子程序流程如图4.3 所示。当通电或复位以后，系统进入键盘管理状态，单片机只接收设定温度和启动。当检测到有键闭合时先去除抖动，这里采用软件延时的方法，延时一段时间后，再确定是否有键闭合，然后将设定好的值送入预置温度数据区，并调用温度合法检测报警程序，当设定温度超过最大值如 60时就会报警，最后当启动键闭合时启动加热13。键盘管理子程序有键闭合？有键闭合？预置温度延时去抖P3.2=1P3.3=1P3.2=1设定、切换 减加加1或减1预值温度检查、存储键闭合？AA Y Y N Y N Y N Y图4.3 键盘处理程序流程键盘设定：用于温度设定。共三个按键。 KEY1（P3.2）: 状态切换；温度设置确认；温度重新设置。 KEY2（P3.3）: 设置温度“+”或“-”。KEY3（P3.4）: 系统测温、启动热水器的加热丝加热。系统上电后，LCD显示当前温度和预设温度（设定为20度），根据按 KEY1 和KEY2设定相应的温度，当温度设定好之后，再按 KEY3确定，系统开始测温，开启加热器14。4.1.4 显示模块 显示模块是利用了LM016L的液晶LCD显示的，其上面包含了实际温度和给定温度的现实，同时也包含了加热时间的显示15。在本次设计系统中，用到的是点阵字符型的LCD显示器，要使用点阵字符型LCD显示器，必须有相应的LCD控制器，驱动器，来对LCD显示器进行扫描、驱动，以及一定空间的RAM和ROM来存储写入的命定和显示字符的点阵。现在人们已经将LCD控制器、驱动器、RAM、ROM和LCD显示器用PCB连接起来称为LCM。这种模块与单片机接口简单，使用灵活方便。4.1.5 温度报警模块程序流程报警子程序流程如图4.4所示。根据设计要求，当检测到当前温度值高于设定温度值1时报警，报警的同时关闭电热器。为了防止误报，设置了报警允许标志，只有在允许报警的情况下，温度值高于设定温度值时才报警16。报警子程序允许报警？差值1度当前温度设定温度开报警器，关热水器返回 N Y N Y N Y图4.4 报警子程序流程图4.2 系统仿真与调试 因本系统是利用单片机进行系统控制，所以需采用单片机仿真工具 Proteus进行仿真。前文已经介绍了PROTEUS软件，其良好的仿真效果正是我们所需要的。首先在KEIL里输入程序并保存到相关的目录下。接着运行PROTEUS的ISIS进入仿真界面仿真开始时，仿真图如图 4.5所示，LCD显示当前温度传感器的温度，按下KEY1进行温度的输入设置。图4.5 刚启动的仿真图在设置好温度值如 26 摄氏度并按 KEY3 键确定后，数码管显示实时温度值26摄氏度，系统开始进入加热状态，LED灯D2亮，进行光电耦合控制输出。如图4.6所示。红色“加热状态灯”D2亮，系统控制加热器对水进行加热。同时显示加热的时间。图4.6 系统启动加热仿真图系统启动加热一段时间后，达到设定的温度值，系统进行报警 ，系统停止加热，报警灯 D1点亮，如图4.7所示。图4.7 系统进入报警状态仿真图 结 论本论文对电热水器温度控制系统设计和研究做了大量的工作。从开始的理论研究到仿真的实现，整个系统的设计基本上是我独立完成。设计中我采用了AT89C51 来作为控制的核心，用 DS18B20 来对温度进行采集，并用 LCD 液晶显示器实时显示出来，通过后端的升温降温驱动电路来完成对温度的控制。本设计具有电路简单，温度检测灵敏度高，成本低，实用性高的特点。另外我采用了PROTEUS进行仿真，此虚拟仿真大大的节约了系统开发成本。在本次设计中我认真查找资料，积极向老师请教和参与小组讨论，完成了设计的整体思路，各个硬件模块的选择，各个模块间的连接，整体电路图的绘制和软件的编译。在功能上能够实现对温度的实时显示和对温度的控制，基本实现了在任务书里面所提出的要求。 毕业设计中的收获：首先是加强了我对温度控制方面知识的掌握。其次，也加深了对单片机知识的学习，把以前没有搞懂的知识理解了，使单片机学习不在是停留在书本知识的学习，而是将其应用与实践中，使其成为一个系统的体系。还有就是通过设计我也认识到软件的编程工作不光可以用汇编语言来完成，还可以用高级语言来实现，如C51等，这样可以使编程更简单、容易。 于此同时我在设计中还有一些不足的地方。如：温度显示只考虑了20度以上的显示，不能显示出以下的温度；软件的编译方面还不够完善；在硬件上本来应该制作实物出来，但因为时间的关系没能做出实物也是十分的遗憾。参考文献1 先锋工作室. 单片机程序设计实例M. 北京：清华大学出版社 ：67-702 吴金戌，沈庆阳，郭庭吉编著.8051 单片机实践与应用M. 北京：清华大学出版社 ：42-453 梅丽凤. 单片机原理及接口技术M. 北京：清华大学出版社 2004 年 4 张迎新. 单片微型记数机原理，应用接口技术M. 北京：国防工业出版社 1993 年 5 李全利. 单片机原理及应用技术M. 北京：高等教育出版社 2001 年 6 何立民. 单片机应用系统设计M. 北京：北京航空航天大学 7 J. Aracil， G Heredia and A. Ouero. Global Stability Analysis of Fuzzy path Tracking Using Freq Intelligent Tuning and Adaptive Stability Analysis of Fuzzy Path Engineering Applications of Articial IntelligenceM.2000，13 (2)：109119 8 D. Li，N .J. Bo wring and L .G .Baker. A S canning Temperature Control System for Laser Diodes. Meas. Sci. Technol M. 1993，(4 )：11111113 9 DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer. Dallas Semiconductor Data Book and C