【基于51单片机及温度传感器DS18B20的燃气热水器温度控制系统设计8300字（论文）】

I1绪论1.1课题背景社会在进步人们的生活水平也在提高，对于自身卫生清洁度的要求也越来越高，热水器的诞生就方便了人们日常洗浴所需，渐渐地成为了人们生活的一部分。当前市场上的热水器种类也是复杂多样，各有自己不同的能量转换方式，如电能、太阳能、热能等等，但万变不离其宗，它们的主要功能仍是操作热水器来达到控制水温的目的。最初的热水器都是使用模拟电路来达到控制水温的目的，只是这种方式成本高，电路结构复杂，常常出现宕机现象，也就渐渐的被市场所淘汰下去了。而单片机技术和微端计算机技术的出现，再加上传感器的发明，有效的改善了旧有热水器的弊病，使得其功能性越来越完善，运行性能也逐渐稳定下来，对于温度的把控也更加的精确。本次论文设计就是在以上前提下开展的。1.2燃气热水器简介燃气热水器的原理是将燃气氧化燃烧产生的热能传到热交换器来使冷水升温，从而达到生成热水的目的【5】。燃气热水器的硬件部件构成有：阀体总成、主燃烧器、小火燃烧器、热交换器、安全装置等。阀体总成是整个热水器的核心控件，热水器自动运行时何时做什么工作通通由它来决定。燃气热水器根据燃烧气体的不同可以划分为天然气、煤气、液化气等等，而按照按结构可分为容积流和直流流。按进排气方式又可划分为直排式、烟道式、平衡式、强排式和强制给排气式等【1】。1.3研究意义1.3.1理论意义：节能的重要性节约能源是每个人的责任和义务。人类的生存离不开能源。节能减排这一理念是为了全人类的可持续发展而提出的战略要求，因此低能耗清洁能源型产品将是未来市场的中坚力量。我国对于热水器的生产也有着严格的要求，除了限制废气中的CO含量，即限制不完全燃烧外，还要求废气中的NOX含量。国家对燃气热水器节能环保理念的提出也是推动了高效节能热水器的发展道路。节能不仅仅是节约能耗更为了全人类的可持续发展【15】。1.3.2现实意义：现有燃气热水器的不足燃气热水器的热量来源于煤气的氧化燃烧，因此该热水器的安装要找一个通风透气性好的位置，不然煤气燃烧不充分就会让人造成CO中毒严重的会危害人们的生命财产安全。而且，热水器的功能按键都跟机身集成在一起，人们洗浴时就需要先进行调温，但往往不会一次性就将可以将温度调节在一个舒适的范围内，让洗浴者不得不出来多次调节水温，既浪费水和煤气，又给洗浴者带来极大的不便。2热水器温度控制系统的整体设计2.1工作原理家用燃气热水器工作原理图如图2.1所示，被控对象是水箱中的水。控制系统的工作原理是：冷水流入水箱，气体通过数字比例阀流向燃烧器，燃烧放热，水箱中的冷水通过热传导加热，加热后的水流出水箱，通过淋浴喷头喷出。如果由于某种原因，水箱中的水温降至给定值以下，热传感器会将检测到的水温转换成一定的物理量，并反馈给控制器。控制器将给定值与检测值进行比较计算后，会发出控制指令，增大阀门开度，误差越大，阀门开度越大，这样会有更多的气体参与燃烧，直到检测值与给定值一致。反之，如果水温偏高，做相应调整【10】。图2.1燃气热水器工作原理图2.2系统设计要求和设计要点2.2.1系统的设计要求获取关于燃气热水器的最新发展和用户使用需求的信息。收集关于燃气热水器及其控制装置的信息，并设计一个经济实惠安全可靠的燃气热水器的控制装置。2.2.2系统的设计要点该系统的设计需要综合对安全性、舒适性、操作方便性和成本进行考虑。这些点对控制器的软件设计有严格的要求。安全性：安全是整个系统设计的首要问题，尽管迄今为止燃气热水器已有相当大的发展，安全问题几乎可以说完全解决，但安全事故，如煤气泄漏、烟道气泄漏等等还是常常会发生带给人们严重的生命财产损失。因此，确保系统的安全可靠运行是设计控制器的先决条件。安全设计首先要解决的主要问题是避免煤气和烟道气泄漏，从而确保在工作状态下，热水器内的气体能够及时的排除导通；燃气阀门的开关必须严格把控；在控制器失灵时，燃气阀要及时关闭；其次，水温的安全性也需要得到保障以防烫伤的情况发生，这就要求系统在水温过高时有特定的警报与温度显示。舒适性：即洗浴时的水温处于一个刚刚好的状态。控制器设计中最重要的部分是温度控制，其对出水温度的控制效果是控制器设计成功的关键【12】。操作方便性：控制器是被安装在热水器内部的用户是不可见的，但用户可以通过相关功能按键来实现人机交互控制热水器。所以操作的方便是实现设置工作方式、设置洗浴、温度控制等操作要求，通过简单的设计过程，更好的为用户服务提升用户的使用体验。成本：该系统最终的目的是作为一个产品来面向所有的热水器用户，那么就必须控制成本，使产品的价格也能够被人们所广泛接受。这也是各大厂家一直奉行的原则【12】。（5）功能要求：控制器需要以智能化管理为基本要求，不仅可以提供生活所需热水，还要有便捷的交互界面以及对热水器故障发出报警等功能。2.3总体方案设计本系统的设计思路我决定以以下步骤展开：先利用外部按键将温度设定在一个合理范围内，随后温度传感器将采集到水温与设定的温度进行比对然后做出不同的指令操作。即水温＜设定值，比例阀控制燃气浓度增大，燃烧产生更多的热量，水温也随之增加。水温＞设定值，则报警器发出警报并停止工作。水温=设定值时，停止比例阀的调节，系统处于保温状态。并且该系统还会将设定值与水温LCD1602上显示出来以便用户更好的做出判断。结合上述原理，我们需要设计一个以单片机为基本核心的电路控制系统，该系统具备温度设定按键模块、LCD显示模块、报警及输出电路模块等。经过仔细分析和计算，并适当考虑到各种因素。本次设计决定使用AT89c51作为核心控件对传感器收集的数据进行全面分析，并对数据进行相应处理，从而确保设计任务的准确性、稳定性和高效性。图2.2为本系统的结构框图：图2.2系统结构框图2.4系统的性能指标2.4.1温度测量范围：0～99℃由于测试的是水的温度并且在热水器工作过程中一直是液态形式，在考虑到实际生活中水温的因素，决定将0～99℃设为测量范围。LCD液晶显示器所显示的温度范围也处于0～99℃。在查阅有关资料文献后得知，热水器在40℃时工作状态最佳[12]。2.4.2温度设定用户可以在热水器外部安装的小型键盘上输入自己想要的的温度。2.4.3蜂鸣器报警功能在设定温度值＜水的实际温度时，系统自动停止工作并由蜂鸣器发出报警声，及时的对现有的状态给用户发出反馈。在水温达到预定值时会以短促的一声蜂鸣来告知用户水的加温已经完成，实现智能化[21]。3热水器系统的硬件部分设计3.1选择元器件3.1.1单片机的选择STC89C51一款由宏晶科技公司制造的单片机，能够和工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容【9】。STC89C51单片机有4组8位的可编程控制I/O口，即p0-p3，每个口又有8位总计32位【6】。图3.1STC89C51 引脚配置图3.1.2显示器件的选择显示设备包括液晶模块和数码管。其中，液晶模块分为三种类型：数字显示液晶模块、点阵字符液晶模块和图形液晶模块【1】。数码管内部的LED基本上是一个电流敏感器件，其正向电压降低是高度分散的，这也与温度有关。恒定的工作电流可以让数码管具有良好的亮度均匀性，并且要保证不会受到温度的影响。而且，若受的温度变化的影响，驱动芯片能够对输出电流做出自动的调节，以补偿其温度与颜色差异之间的平衡。即使是短时电流过载，对发光二极管造成的破坏也是不可忽视的[1]。显示内容要以四位的形式显示出设定温度和实时温度。若是使用数码管，单片机的端口就会被过多的占用，这就涉及到了端口的扩展，这样做加大了开发成本，而且数码管的稳定性也较差，所以本次系统设计选取了功能强稳定性高的液晶LCD1602显示[1]。3.1.3LCD1602夜显及其引脚说明如图所示：图3.2LCD1602引脚图1602使用的是16引脚接口【1】：引脚1：VSS为电源接地即低电平端口。引脚2：VCC与5V电源正极相连即高电平端。引脚3：V0为LCD的对比度调整端子，与高电平相连时对比度最弱，与低电平相连时则对比度最高(“鬼影”会在对比度过高时产生，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)【1】。引脚4：RS为寄存器选择，高电平为1时选择数据寄存器、低电平为0时选择指令寄存器。引脚5：RW为读/写信号线，在高电平(1)时读取，在低电平(0)时写。引脚6：E(或EN)为使能端,高(1)时读取信息，负时执行指令。引脚7～14：D0～D7为8位双向数据端子。引脚15～16：空脚或背灯的电源。15引脚背光阳极，16引脚背光阴极。表3.1LCD1602基本参数表3.2LCD1602接口定义采用LCD1602芯片进行温度显示，降低了对单片机接口数量的要求，降低了系统的功耗。3.1.4数字温度传感器的选择由DALLAS公司生产的DS18B20是一种微型的数控温度显示计，可以让测温系统的电路大大简化，并且可以多个数控计同时连接一条通讯线[1,19]。DS18B20产品的特点：只凭一个端口就可以实现通信功能。 DS18B20的每个设备都有一个序列号。在实际应用中，它可以在没有其他元件的情况下测量温度。测量温度范围为－55℃～＋125℃。内部设有温度上下限报警设置。DS18B20的引脚介绍序号名称引脚功能描述1GEN地信号2DQ数据输入/输出引脚3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地【2】。表3.4DS18B20详细引脚功能描述DS18B20的使用方法DS18B20与AT89S51单片机相比，可以在一条数据线上将数据双向的进行传输。因此可以使用软件模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问[1，19]。DS18B20严格规定了初始化、读取、写入三种通讯协议，让数据传输的准确完整得到了保障。在这些序列中，主机都是作为主设备使用而单总线设备起辅助作用。每一次的命令的数据传输都严格按照该顺序执行。若要想让单总线设备将数据发回，在写入命令完成后，主机需要在执行写命令后开始读序列【2】。数据和命令的传输都是低位在前【20】。3.1.5D/A数模转换的选择采用CMOS工艺制成的8位模数转换器DAC0832。数字转换的结果以电流形式产生。如果需要模拟电压信号，可以通过高输入电阻线性放大器实现【21】。3.1.6比例阀的选择气体比例阀是一种可移动的永磁电磁比例阀系统，它可以对阀口的开合度以及气燃气的流量进行自动调节，从而达到水温的控制目的。若比例阀的输入电流保持不变影响阀口的开度的另一因素即压力就开始对比例阀产生影响使比例阀再次自动调节，来达到保温效果【1】。3.2硬件电路3.2.1主控制电路晶振电路、LED灯显示电路、单片机芯片等部件组成了系统的主控电路。单片机就可以利用内部程序控制外部硬件来实现水温的调节显示功能[1]。3.2.2键盘输入电路考虑到实际应用中温度最高也就是0-99℃，那么只需十位、个位、确定三个按键就可以实现设计需求[1]。3.2.3声光报警电路当出现干烧、温度过高等情况时，蜂鸣器会发出长鸣报警提醒用户及时检查。3.2.4温度检测电路温度检测电路由DS18B20温度传感器将采集到的温度数据发往单片机，便于系统自动判断接下来的操作[1]。3.2.5液晶显示电路LCD1602可以把温度传感器的实时温度以及用户的设定值显示出来[1]。3.2.6电流控制电路单片机P0口将指令数据传输到DAC0832，DAC0832把接收到的数据转为模拟量，但是需要输出的电流量很小，转换出来的电压会呈现出负值，因此倒接一个发光二极管，结合220V电阻就实现了电压与电流转换的过程从而起到电流控制的作用[1]。4系统软件设计4.1主程序流程图主程序设计，在系统通电后先对定时器和显示屏等设备进行初始化操作，随后对控制程序即温控等进行检测，LCD1602液晶显示屏会将这些过程实时的展现出来【3】。图4.1主程序流程图4.2按键控制程序流程图图4.2按键控制程序流程图该模块是实现温度的范围限制操作。系统设置有“设置按键”、“加按键”、“减按键”。“设置按键”可以对系统界面状态转换，然后使用加减键来设定温度上限与下限，实现温度的控制功能【3】。4.3温控及报警程序流程图图4.3温控及报警程序流程图该模块即系统根据之前的设定上下限来实时的对水温进行范围内的调节。如同4.3所示。并且设置蜂鸣器来起到对系统的状态做出预警提示作用【3】。4.4DS18B20操作程序流程图图4.4DS18B20操作流程图单片机访问DS18B20的步骤为：先初始化DS18B20，然后调用ROM操作指令，最后才进行数据的存储。DS18B20的每项操作都严格按照时序与协议执行。例如主机控制DS18B20执行温度转换操作时，按照DS18B20的通讯协议规定【3，23】，需要有三个步骤：DS18B20的每次读写操作都要复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令。如图4.4所示，即为该过程的流程演示【24】。5系统的调试5.1程序编写与软件的调试本文采用kei1软件进行程序设计和调试，kei1C5是德国kei1Software公司出品的51系列产品，功能齐全，特别是对于高级语言C语言的编写调试，优势十分明显，再加上平时的课程学习过程中有所接触了解，采用kei1编写和调试，可以让我们事半功倍。Kei1软件系统功能齐全，支持编译仿真等，不仅如此，采用kei1进行程序编写，可以及时查找自己编写错误的地方，及时修改更正，加上它强大的集成开发环境，可以将多部分组合在一起。本设计采用C语言进行编程，kei1也就成为了我们最好的选择。当我们把程序编写好之后，对程序编译成功，就可以把程序变换成为我们需要的.HEX文件，方便之后的软硬件调试的使用。Kei1软件编写、调试界面如图所示：图5.1kei1软件界面图5.2软件的调试本设计采用PROTEUS软件进行温度控制系统的模拟仿真，PROTEUS仿真软件是世界上出名的EDA仿真软件，采用PROTEUS软件进行仿真，优势明显，在软件中我们可以对原理图连线布图，对自己编写的代码进行调试，看自己的程序在实际的硬件中是否可以进行外部电路的模拟仿真。它结合了电路仿真软件、印刷电路设计软件和虚拟模型仿真软件，支持8051系列、HC11系列、AVR系列、ARM系列、CORTEX系列和DSP系列处理器，并继续添加其他处理器型号。在编译方面，它还支持IAR、kei1和MATLAB等几种变压器【13】。在本次的设计中，我十一的PROTEUS软件版本为8.6版本，版本功能齐全，里面包含了目前使用的常规的大部分器件，只要知道需要器件在PROTEUS中的符号代表，就可以在器件选择框中输入符号选择，当然，同样的符号，器件可能有多重类型，这就需要我们正确选择才能对系统仿真使用，不仅如此，在仿真过程中，我们可以运用软件提供的仪器，配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。也可以配合虚拟逻辑分析仪、示波器等，对仿真结果和运行情况进行观测。5.2.1总体仿真在使用PROTEUS仿真画图时，要注意电压属性的定义，有正电源（VDD/VCC）、负电源（VEE）、地（VSS）引脚的元器件，当我们未对需要的电压大小进行属性定义时，它是系统默认的，比如当我们需要12V的电压时，要对属性定义，否则虽然有电压值，但是它的输出是默认的5V，而不是想要的12V。使用确定的直流电压时，工具栏里提供有POWER和GROUND放置元器件，初始值分别默认为+5V，0V，若是需要更大电压时，可以在元器件的电压选项栏中自定义输入，需要注意的是电压前的“+”“-”要加上否则会发生电路故障。总线可以使用在PROTEUS中，在这里默认为总线并未与任意的电器有连接，仅仅当做一条单纯连接线，但电器连接却需要与Component的按钮之间建立相应的连接并且还要与Labe1标号建立一个逻辑连接，还可以防止单纯用标号时可能产生的错误。运用Labe1标号可以避免复杂的线路连接，只需对连接端定义好就行了，使用十分方便。系统整体仿真如图所示：图5.1系统整体仿真图5.3硬件调试5.3.1实物制作对购买得到的元器件进行质量检查，按各元件的检测方法分别进行检测，在检测好后上件、焊件。实物硬件图5.2系统硬件图元件清单元件标号元件名称数量C110UF电解电容1C10470UF电解电容1C2,C330PF瓷片电容2J1,J22P蓝色3.96插座2JK1,JK2继电器5V2K1,K2,K3,K4轻触按键4L1,L23mm红色LED灯2LS15V有源蜂鸣器1P1电源接口1P24针排针1P6LCD1602液晶显示屏+16P排座1PR1103排阻1Q5,Q6,Q78550三极管3R24.7K电阻1R310K电阻21R10,R112.2K电阻2R8,R9,R131K电阻3R123K电阻1RX13针排针1SW1自锁开关1U1STC89C52D单片机+DIP40插座11U2DS18B20温度传感器（防水）1Y112M晶振16总结本次燃气温度控制系统将定时中断原理与AT89S51、温度传感器DS18B20、键盘及显示电路等等模块结合起来完美的达到了设计需求。方便了用户日常生活中的使用并且有效提高了热水器的安全性，让热水器变得更加环保节能，本系统目前或许还存在一些我未曾考虑到的漏洞，但我坚信，只要我坚持不懈的努力学习下去，总会设计出更好的智能控制保护系统。该系统的设计将我大学多年所学的知识与经验通通调动整合了起来，是对我大学多年求学生涯的总结。这次设计不仅调动了我动手的积极性并且也让我学到了丰富的课外知识与人生经验，真是一举两得。对于仿真软件的应用以及电路原理等的理解也更加的深刻。例如使用PROTEL软件绘制电路原理图和PCB图，还有就是PROTEUS软件的应用。最重要还是对于各类元器件的认识与用途有了更好的认知，方便了以后设计的相关使用。另外，我也懂得了一个道理，团队的力量才是最重要的，单人的匹夫之勇远远创造不出任何成果。团队中的每个人各司其职互相交流学习，氛围一片其乐融融。人与人之间的互帮互助更是加深了彼此的友谊，大家携手共进一同创造属于我们的蓝天。总之，通过这次毕业设计，使我学会了如何更好的学习，如何更好的查资料，如何更好的找信息。参考文献郭宏建.1405250109­郭宏建­基于单片机的燃气热水器控制器设计.2018.张志号.单片机水温水位检测.高职高专院校联合对比库，2017.倪昕钰.C电气162+1650601231.2020.张绪伟.家用燃气热水器自动报警方法[P].发明专利，2013.周天、詹云.为节能而设计­创意热水器的设计研究与实践[J].美术教育研究，2015.蔡美琴、张为民.MCS-51系列单片机系统及其应用（第二版）[M].高等教育出版社，2004.何立民.单片机应用系统设计系统.北京：北京航空航天大学出版社，2001.赵玉磊.中央燃气热水器的嵌入式控制系统设计.西安电子科技大学.2009.谢少华.基于STC单