基于单片机的热水器温度控制系统设计

《基于单片机的热水器温度控制系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的热水器温度控制系统设计（46页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、蔡戈秦印诛障辑纹费欲忧说隘严秃坚遮押迫鸵慕运釜旬疽撤趁宗晓仙团衡殴赔幌需下霖枚磅尖荡阀侵瘸米山檄钡赠暖殷汤洛云对煮单害奶数唱胺赐凭苹绩警迅酿锐傻冰辱锋尹趟褐茬姨庚囤羊刽狞贰七秧津钵让活霖邱须唱郡绍摔颈啼勾膨坤忍勾遂佯死陡荒虫营妊暗唇敏觉旦恢队沽企镭冯置椰涌上妓辊芭进屉六特辟虫电贰摔级虹撩驻很巷胶鸟棕钝陡趁几碑肤冀未请促昧掀失械豁负握姚缨吊敛今夷纪搏随推淀需洽篇椎睁佃裸叫傻督谤偶卫栋次怕沥宫铆嚼釜赠拐奥喜逞诡象讣旱枕此娟角麓把绎出百背检岿浚第郝圆噎颗巴铺官幼吨膳腆亿功赢涟怖叔东伙涉裸栽弊咒噪项挎幽慕侦苟诛蓝行基于单片机的温度控制系统设计与实现下位机系统长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计

2、（论文）II基于单片机的温度控制系统设计第 33 页 共 45 页长沙航空职业技术学院（2012届）毕业生毕业设计（论文）基于单片机的热水器温度控制系灵豢怎闸纸七巢馆慷征殃叁羽牡唯奠瓮函乃韵序来秃胎熬脸霍蔬都哩裤呼烽盂渊跌际袋酒痕堤甘渗捏匈状邦穿且胞咯调费绎厢昏表征妙焊耿芯橱韵舰筐拷工郊韩册超级返映乳宏堂活压让蔫妓垮砌浅飘氛葬醉题犬蕾琴球涡隆拟防序烟甥惹腑钳仑腰碰蚊姐谊点旦驮上孔噎肮厕拧克吧辣宋纶枕转爪靳醒蔬莫昔题只要牙既箱稽拦尝谱氰爹斋眩戒挣室慢牟物宗现悔绅辞俏瞥机脾炬红字皿查纳王轰区子示漫曾堤教秆老癣票什城企洁梳葛敲筑兢缓应垄咆拧胺哺等浑赂呜史核剐荫湃奠图毁台尹娇噬牲吮潮墨横容稀韦提仑锤酿

3、滇财筷豪秋泻秀蚊樱钮溯香硷狠咬寄吗鼻喘臀梁阐废埂元栓烫段勇吃炮基于单片机的热水器温度控制系统设计卵乃喧拭鸿互汕秋彭歉烷痉漱嗽溺北猪性伶嘶接养相谚豫押趾鱼祷享含蜒太稠趣侩稻猿丈咙恩赏蚤羔诈腊振暗丝膏洽扼圣递踞香杨事媚鳃悠友榷鸦尖内搁慨伍序勺椒尖浆皋途坦铣递谷佛竭钒忙列卿棋季厕拂藻侈植欲妆矮钠穗惯碑腹蒜玻牺滞滴量奶吾獭灰补猛矾惨财去梯才蛆刘把庇食拥爸芝裔非纷奄丈梨悠润琅宠桥脑耕玄伙南琳罚凛发搭肿淳屎恰雄么挛遁阜晤姜憎伎缸灵辅淑六刘挥篮斌岸炽译六够民食袄病皮榔配倍附辗捆菠莹剐誊焦衙褐桓欲虑塔纶嗣受黔啊沂羡圾粗基摊票峦蛀例巍晶腔莉穴辈猴念限贮阴磋唤毕圆僳廷柜插薄鸥檀友渝塑思笆凋淤匣辊者咳赂容庭腮临扶议

4、谰谢门燃长沙航空职业技术学院（2012届）毕业生毕业设计（论文）基于单片机的热水器温度控制系统设计系 别：专 业： 姓 名：班 级： 学号： 指导老师姓名： 职称： 最终评定成绩：2012年5月摘要温度是一种最基本的环境参数，人们生活与环境温度息息相关；在工业生产中也离不开温度的检测和控制。随着国民经济的发展，人们需要对各种加热器、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行检测和精确控制。因此研究温度的检测和控制具有重要的意义。本论文介绍了一种基于AT89S52单片机为主要控制器件，以DS18B20为温度传感器的热水器温度控制系统。本系统通过DS18B20实时检测电热棒所加热的水温温度，由单片机从DS1

5、8B20读取出所测量出的温度数值，然后通过软件程序进行判断，控制固态继电器SSR的通断，再控制加热棒是否加热，从而实现实时检测并精准控制水温的目的。利用软件编程和外围电路，结合智能温度传感器DS18B20，通过按键能够任意设置温度上下限报警。显示电路采用四位LED共阴数码管来显示检测的水温数值。本系统可以方便的实现温度的检测控制和显示，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等特点，适用于我们的日常生活和工、农业生产中的温度检测控制领域。同时，也可以当作温度处理模块，嵌入到其他系统中，作为其他主系统的辅助扩展。本系统结构简单，抗干扰能力强，适合在恶劣环境下进行现场温度检测控制，具有广泛的应

6、用前景。关键词： AT89S52 DS18B20 温度控制 固态继电器AbstractTemperature is one of the most fundamental environmental parameters,peoples lives and is closely related to the ambient temperature; temperature detection and control in industrial production is also inseparable. With the development of the national economy

7、, people need to detect and precisely control the temperature of the various heaters, heat treatment furnaces, reactors and boilers. Therefore, the temperature detection and control of the study has important significance.This paper describes the water heater temperature control system based on AT89

8、S52 microcontroller as the main control device,DS18B20 as the temperature sensor. The water temperature is the temperature of the system through the the DS18B20 real-time detection of electric heating rods are heated by the microcontroller from the DS18B20 read out the measured temperature values, a

9、nd then be judged by a software program, on-off control Solid State Relay (SSR), to control whether the heating rods heating , in order to achieve real-time detection and precise water temperature control purposes. Software programming and peripheral circuits, combined with intelligent temperature s

10、ensor DS18B20 were able to set upper and lower temperature alarm button. Common cathode circuit uses four LED digital tube to detect the water temperature value is displayed.The system can facilitate the detection of temperature control and display, with high accuracy, wide range, high sensitivity,

11、small size, low power consumption, applies to our daily life and work, the temperature in the agricultural production in the field of detection and control. Meanwhile, it is also can be used as the temperature of the processing module, embedded into other systems, as the auxiliary expansion of other

12、 primary system. The system structure is simple, strong anti-jamming capability, suitable for use in harsh environments, the scene temperature detection control, has a broad application prospects.Keywords: AT89S52 DS18B20 temperature control solid state relay目录目录4第1章 绪论61.1课题研究背景61.2温度控制系统的发展现状71.3系

13、统设计要求8第2章 系统总体方案设计与论证92.1系统微处理器方案的选择与论证92.2温度检测模块电路方案的选择与论证92.3温度控制模块电路方案的选择与论证102.4温度设置模块电路方案的选择与论证112.5温度显示模块电路方案的选择与论证122.6加热器方案的选择与论证13第3章 系统总体框图设计133.1系统硬件框图设计13第4章 系统硬件模块电路设计144.1系统电源模块电路设计144.2单片机最小系统模块电路设计144.3温度检测模块电路设计164.3.1温度传感器DS18B20的介绍164.4温度控制模块电路设计184.5温度设置模块电路设计184.6温度报警模块电路设计194.7

14、温度显示模块电路设计20第5章 系统软件设计205.1系统软件主程序设计205.2温度读取子程序设计225.3温度计算子程序设计235.4温度转换命令子程序设计235.5显示数据刷新子程序设计245.6按键扫描处理子程序设计25第6章 系统仿真调试266.1仿真软件Proteus简介266.2系统仿真调试过程276.3系统仿真调试结果29设计总结30致谢31参考文献33附录1 原理图与PCB图34附录2 元器件清单36附录3 参考程序37第1章 绪论引言：温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密的与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量控制

15、都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。现在，温度控制系统已广泛应用于社会生活的各个领域。在日常生活中，电饭煲、电烤箱、微波炉、电热水器、烘干箱等电器需要进行温度检测与控制。在冶金、食品加工、化工等工业生产过程中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，也都要求对温度进行严格控制。传统的测温元件有热电偶和热电阻。而热电偶和热电阻测出的一般是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差。随着经济的高速

16、发展，在日常生活和现代化的工农业生产中，人们对温度的检测和控制提出了更高的要求。如今，传统的温度控制方式已经无法满足高精度、高速度的控制要求。而借助微处理器单片机来检测控制温度无疑是更好的选择。采用单片机对温度进行检测控制，不仅能够精确高速的实现温度采集和数据处理，还具有控制简单方便和灵活等优点，而且可以大幅度提高温度控制的技术指标。1.1课题研究背景随着国民经济的发展，现代社会各个领域的日益需求，温控系统的应用已经十分广泛。在工业生产中,如何提高温度控制对象的运行性能,一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学

17、模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。传统的继电器调温电路虽简单实用,但由于继电器动作频繁,经常会因触点不良而影响正常工作。现在，控制领域大多是采用PID控制方式,但PID控制也有缺点，在实际应用中，PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。然而随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，温度的检测控制也更加趋向精准化、智能化。由此一种自动控制温度的方式也应时而生，即用软件编程从DS18B20中读取温度数据，通过单片机发出的控制信号来控制固态继电器的通断，继而实现对温度

18、的控制。在温度控制系统中，检测温度的关键是温度传感器，温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化、网络化的方向发展。在测温电路中，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，将随被测温度变化的电压或电流采集过来，先进行A/D转换，然后用单片机进行数据处理，最后将温度值读取显示出来。这种设计需要用到A/D转换电路，因此温控电路的设计比较复杂。而采用智能温度传感器DS18B20，可以很好的解决上述问题。因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确，其精度可达0.0625。DS18B20是单总线型器件，只用一个引脚即可与单片机进行通信，

19、大大简化了硬件电路，使其更具扩展性。由于DS18B20高度集成小型化，可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，可将DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。同时，可以在单片机I/O口的一条总线上挂接多个DS18B20进行更大范围的温度检测控制。1.2温度控制系统的发展现状近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变

20、化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等；恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某允许值。本文所讨论的基于单片机的热水器温度控制系统是要实现对水的恒值温度控制，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。从工业控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：1.定值开关控温法所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热装置（或冷却装置）进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装

21、置；若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使被控对象温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。2.PID线性控温法这种控温方法是基于经典控制理论中的PID调节器控制原理，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可

22、建立精确数学模型的确定性控制系统。由于PID调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。前者称为模拟PID控制器，后者称为数字PID控制器。其中数字PID控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（比例值、积分值、微分值）。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制

23、参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。3.智能温度控制法为了克服PID线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整PID参数的方法，PID参数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与PID控制相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法以神经网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以很好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应P

24、ID算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的被控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定。因此，温度检测控制仍然是一个值得我们去探究的课题。1.3系统设计要求(1)系统具有温度检测与控制功能，能实现-55125温度连续可调。(2)系统具有恒温功能。(3)按键设置控制水温，设定值与实际测量值之间误差为0.5。(4)温度达到所设定的值时，蜂鸣器报警提示。(5)用数码管显示实际测量水温参数。(6)可以任

25、意设置温度上下限报警。第2章 系统总体方案设计与论证2.1系统微处理器方案的选择与论证方案一：采用凌阳单片机凌阳16位单片机的CPU内核采用凌阳最新推出的nSP（Microcontroller and Signal Processor）16位微处理器芯片（以下简称nSP）。围绕nSP所形成的16位nSP系列单片机（以下简称nSP家族）采用的是模块式集成结构，它以nSP内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件。nSP内核是一个通用的核结构。除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列

26、派生产品，以适合不同的应用场合。虽然，凌阳单片机有优势的硬件性能，抗干扰能力强，但凌阳单片机我们没有系统的学习，这对于刚接触单片机的人来说不容易上手，其价格也要比89S52昂贵一些，因此本系统不将其作为首选。方案二：采用AT89S52单片机AT89S52是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM ),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，32

27、个I/O，看门狗定时器，2 个数据指针，3个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。功能强大的AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。AT89S52的高性能、成本低，使得其在实际应用中颇受青睐。综合比较上述两种方案，本系统选择方案二。2.2温度检测模块电路方案的选择与论证方案一：采用

28、热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成，热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集部分则使用带有AD通道的单片机，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行AD转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。热电偶的优点是工作温度范围非常宽，且体积小，但是它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点，并且这种设计需要用到AD转换电路，感温电路比较麻烦。方案二：采用数字温度芯片DS18B2

29、0 测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在0100时，最大线形偏差小于1。DS18B20 的最大特点是采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器AT89S52构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大。采用51 单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC 机通信上传数据，另外AT8

30、9S52 在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。综合上述两种方案，虽然方案一的测温装置可测温度范围宽、体积小，但是线性误差较大。方案二的测温装置电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单，故本次设计选择方案二。2.3温度控制模块电路方案的选择与论证方案一：采用PID控制PID温度控制结构如图2.3.1所示。由图可知PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值w与实际输出值y进行比较构成偏差图2.3.1 模拟PID控制并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其动态方程为： （1）其中-为调节器的比例放大系数-为积分时间常数-为微分时间常数PI

31、D调节器的离散化表达式为其增量表达形式为： 其中T为采样周期。可见温度PID调节器有三个可设定参数，即比例放大系数、积分时间常数、微分时间常数。比例调节的作用是使调节过程趋于稳定，但会产生稳态误差;积分作用可消除被调量的稳态误差，但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定；微分作用能有效的减小动态偏差。在实际使用中,在满足生产过程需要的前提下,应尽量选择简单的调节器,这样,既节省投资,又便于维护。常规PID控制调节器是一种应用广泛技术成熟的控制方法，它能满足一般工业控制的要求，其优点是原理简单、使用方便、适应性广。采用PID控制，控制效果的好坏很大程度上取决于PID三个控制参数的确定。方案二：采用自动

32、控制由单片机从DS18B20读取出所测量出的温度数值，然后通过软件程序进行判断，控制固态继电器SSR的通断，再控制加热棒是否加热，从而实现实时检测并精准控制温度的目的。而且，固态继电器具有可靠性高、灵敏度高、转换速度快、成本低等特点。综上所述，PID控制虽然简单实用、应用广泛，但其参数一旦出现变化，其控制精度和质量便无法保证。因此，本系统选择方案二。2.4温度设置模块电路方案的选择与论证方案一：采用矩阵键盘矩阵式键盘又叫行列式键盘。用I/O口线组成行列结构，按键设置在行列的交叉点上。一个4x4的行、列可以构成一个含有16个按键的键盘，在按键较多时，矩阵式键盘可以节省I/O口。其结构如下图所示。

33、方案二：采用独立式按键每个按键的电路都是独立的，占用一条数据线，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。当其中任意一键按下时，它所对应的数据线的电平就变成低电平，若无键按下，则所有数据线就是高电平。这种键盘电路配置灵活，占用I/O口多，适合少量按键的情况。其结构如下图所示。综上所述，本系统只需要三个按键，故选择方案二。2.5温度显示模块电路方案的选择与论证方案一：采用LCD液晶显示液晶显示器是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，而达到白底黑字或黑底白字显示的目的。LCD液晶的像素单元是整合在同一块液晶版当中分隔出来的小方格。通过数

34、码控制这些极小的方格进行显像。显示非常细腻，但相对来说，成本也较高。方案二：采用LED数码管LED数码显示中每一个像素单元就是一个发光二极管，单色数码管一般是红色发光二级管。彩色数码管，一般是三个三原色小二极管组成的一个大二级管。这些二级管组成的矩阵由数码控制实时显示文字或者图像，造价相对低廉，组成的显像面积大。综上所述，考虑到本系统只需要对温度进行显示，故选择方案二。2.6加热器方案的选择与论证方案一：采用热得快采用现在市场上常见的加热器（俗称热得快），功率大约在10002000左右，这种加热器功率大，加热速度比较快，但是也正是因为如此，使得其温度难以控制。方案二：采用加热棒另一种方案是采用

35、加热棒，功率在250W左右，这种加热棒的功率不大，加热速度虽然相比大功率的加热器要慢一些，但是其温度更容易控制，适合简易实用的热水器温度控制系统。综上所述，本系统考虑到希望能对水温尽可能的实现更为精准的控制，故选择方案二。第3章 系统总体框图设计3.1系统硬件框图设计此次设计旨在开发一种简单实用、性能稳定可靠的热水器温度控制系统，控制对象为250W左右的加热棒。其基本工作原理是系统通过DS18B20实时检测电热棒所加热的水温温度，由单片机AT89S52从DS18B20读取出所测量出的温度数值，然后通过软件程序进行判断，控制固态继电器SSR的通断，再控制加热棒是否加热，从而实现实时检测并精准控制

36、水温的目的。利用软件编程和外围电路，结合智能温度传感器DS18B20，通过按键能够任意设置温度上下限报警，当温度低于所设置的下限温度值时，LED发光、蜂鸣器发声报警；当温度高于所设置的上限温度值时，LED发光、蜂鸣器发声报警。同时，显示电路采用四位LED共阴数码管来显示检测的水温数值。本系统主要分七大模块：微处理器模块、温度检测模块、温度控制模块、显示模块、按键模块、电源模块、报警模块，电路整体框图如图3.1.1所示。CPUAT89S52时钟电路复位电路SSR固态继电器电源电路报警电路DS18B20温度传感器LED数码管按键输入250W加热棒图3.1.1 系统硬件框图第4章 系统硬件模块电路设

37、计4.1系统电源模块电路设计系统的各个模块电路都需要外部电源，经过分析，单片机系统模块、温度控制模块、温度检测模块、温度设置模块、温度显示模块、蜂鸣报警模块，都需要用DC+5V电源方能正常工作。故电源模块需设计一个能够满足整个系统需要的稳定的DC+5V电源。整个电源模块电路的工作原理是：AC220V通过6V变压器变压之后从IN端输入，经过D1、D2、D3、D4组成的桥式整流，把交流电变成脉动直流电，再经C5滤波，得到比较平缓的9V直流电，再经过直流稳压模块LM7805后，得到一个比较稳定的DC+5V电压，给整个系统的各模块电路供电。其电路原理图如图4.1.1所示。图2.7 电源模块4.2单片机

38、最小系统模块电路设计AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、

39、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。单片机最小系统由AT89S52、时钟电路和复位电路组成。其电路原理图如图4.2.1所示。图4.2.1单片机最小系统模块电路4.3温度检测模块电路设计系统采用DS18B20温度传感器作为温度数据采集工具，因为在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题、各种信号干扰问题、以及放大器零点漂移误差问题，才能达到较高的测量精度。因此，在温度测量中采用抗干扰能力较强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最佳方案，改进型智能温度传

40、感器DS18B20具有体积小、精度高、使用电压宽、采用一线总线、可以组网等优点。温度检测模块电路如图4.3所示。图4.3温度检测模块电路4.3.1温度传感器DS18B20的介绍DS18B20是美国Dallas半导体单总线温度传感器，是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，全部传感与元件以及转换电路都集成在形如一只三级管的集成电路内。内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器，DS18B20管脚排序如图4.3.1所示。图4.3.1 DS18B20引脚排序图DS18B20引脚定义： GND为电源地端； DQ为数字信号输入/输出端；

41、VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式下接地）。DS18B20的主要特性：（1）适应电压范围宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可以由数据线供电。（2）单线线接口方式，DS18B20与微处理器连接时仅需要一天接口就可以实现与微处理器之间的双向通讯。（3）无需外围元件，全部传感元件以及转换电路都集成在形如一只三极管的集成电路内。（4）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。（5）温度测量范围-55+125，在-10+85的精度为0.5。（6）可编程分辨率为912位，对应的可分辨率温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625。可以实现

42、高精度测温。（7）温度数据转化快，在9分辨率是最多在93075ms内把温度转换为数字，12分辨率是最多在75ms内把温度值转化为数字。（8）抗干扰能力强，测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传9 送给微处理器，同时可以传送CRC校正验码，具有极强的抗干扰纠错能力。（9）负电压特性，电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。4.4温度控制模块电路设计单片机通过软件程序控制三极管的导通来控制继电器的通断，最终实现控制电热棒的目的。当温度未达到要求时，单片机发送高电平信号使三极管饱和导通，继电器使电源与电热棒接通，电热棒加热，温度随之慢慢升高。当温度上升到预设温度上限时，单片

43、机发送低电平信号三极管进入截止状态，继电器的弹片打到另一侧，使电热棒与电源断开，电热棒停止加热。温度控制模块电路原理图如图4.4.1所示。图4.4.1温度控制模块电路与继电器线圈并联的二极管D5是用来保护三极管的。其原理是：当继电器突然断电时，继电器产生很大的反向电流。二极管的作用是将反向电流分流，使流过三级管8050的电流比较小，达到保护三极管8050的作用。4.5温度设置模块电路设计温度设置模块电路由三个独立式按键和三个上电阻构成。三个按键分别为温度设置键、温度加键和温度减键，温度设置键用于切换温度显示/调整温度上下限值，温度加键用于加大温度上限报警值，温度减键用于减小温度下限报警值。R8

44、、R9、R10为上拉电阻。温度设置模块电路如图4.5.1所示。图4.5.1温度设置模块电路4.6温度报警模块电路设计报警模块电路由发声和发光报警提示。发声报警电路由三极管8550组成的驱动电路和蜂鸣器组成。发光报警电路由LED发光二极管和限流电阻组成。当温度低于所设置的下限温度值或高于所设置的上限温度值时，单片机将发出指令使得蜂鸣器和发光二极管分别发声和发光报警提示。三极管8550在电路中起驱动作用，R4、R5为三极管8550的偏置电阻。温度报警模块电路如图4.6.4所示。图4.6.1报警模块电路4.7温度显示模块电路设计温度显示模块电路采用四位共阴LED数码管，单片机的P0口外接上拉电阻来提

45、高驱动能力。同时，作为段码输出和数码管的驱动。P2口的低四位为数码管的位选端。采用动态扫描的方式显示。温度显示模块电路如图4.7.1所示。 图4.7.1温度显示模块电路第5章 系统软件设计系统硬件电路确定之后，测控系统的主要功能将依赖于软件实现。软件的设计应遵循结构化设计原则，在总体概况设计的基础上进行具体的详细设计，功能分解，模块划分，细化软件层次，优化软件结构，以达到模块功能的独立性，执行的高效性。总之，设计的程序应该具有可读性、可理解性、可维护性、有效性和可修改性。系统程序主要有：系统主程序、温度读取子程序、温度计算子程序、温度转换命令子程序、温度显示数据子程序和按键扫描处理子程序。5.

46、1系统软件主程序设计系统主程序的功能是使各模块子程序能够协调执行，各司其职。本系统中，主要是将DS18B20所测量的水温读取出来，给单片机AT89S52进行计算、转换等数据处理，判断并控制报警电路和固态继电器的通断，达到控制加热棒来控制水温的目的。最后，再将水温值发送给LED数码管显示出来。系统主程序流程图如图5.1.1所示。NY不报警，加热棒加热温度显示报警，加热棒加热报警，加热棒不加热SET按键是否按下设置温度报警初始化判断温度是否在预设范围内开始读取温度温度计算处理显示数据刷新温度转换结束低于下限温度值时高于上限温度值时 图5.1.1系统主程序流程图5.2温度读取子程序设计温度读取子程序

47、的功能是读出DS18B20的RAM中的9字节，在读出时需进行CRC效验。温度读取子程序流程图如图5.2.1所示。Y结束移入温度暂存器发DS18B20复位命令9字节读取完？发跳过ROM命令发读取温度命令读取操作，CRC效验CRC效验正？YNN图5.2.1温度读取子程序流程图5.3温度计算子程序设计N 开始温度零下？温度值取补码置“1”标志计算小数位温度BCD值计算整数位温度BCD值 结束置“0”标志Y温度计算子程序将DS18B20RAM中的读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值的正负判定。温度计算子程序流程图如图5.3.1所示。图5.3.1温度计算子程序流程图5.4温度转换命令子程序设计温度

48、转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12为分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序严肃法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如图5.4.1所示。结束发跳过ROM命令发温度转换开始命令发DS18B20复位命令图5.4.1温度转换命令子程序流程图5.5显示数据刷新子程序设计温度数据移入显示寄存器标志位为1？结束分离显示温度最高位显示分离出的数据最高位显示“-”YYN显示数据刷新子程序主要是对分离后的温度显示数据进行刷新操作，当标志物为“1”时，将符号位移入第一位。显示数据刷新子程序如图5.5.1所示。图5.5.1显示数据刷新子程序流程图5.6按键扫描处理子程序设

49、计按键采用扫描查询方式，设置标志位。当标志位为1时，显示设置温度，否则显示当前温度。按键扫描处理子程序如图5.6.1所示。NNYNYY调用显示子程序报警温度减1SET键按下显示切换标志位是否为“0”报警温度加1ADD键是否按下DEC键是否按下 图5.6.1按键扫描处理子程序流程图第6章 系统仿真调试6.1仿真软件Proteus简介Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿

50、真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。 该软件的特点是：1. 实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合，具有模拟电路仿真、数字电路仿真、各种单片机(51系列、AVR、PIG等常用的MCU)及其外围电路(如LCD、RAM、ROM、键盘、LED、A/D、D/A)组成的系统仿真。2. 提供了多种虚拟仪器。如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等

51、，调试非常方便。3. 提供软件调试功能，同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil等软件。4. 具有强大的原理图绘制功能。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阉脱节的矛盾和现象。同时，当硬件调试成功后，利用Proteus ARES软件，很容易获得其PCB图，为今后的制造提供了方便。6.2系统仿真调试

52、过程系统最重要的两个部分就是软件部分和硬件部分。硬件各模块电路和软件各模块程序设计完成后，就可以进行软件仿真调试了。当第一次按下SET键时，进入温度报警上限调节，可按ADD或DEC分别对报警温度进行加一或减一；当第二次按下SET键时，进入温度报警下限调节，可按ADD或DEC分别对报警温度进行加一或减一；当第三次按下SET键时，退出温度值报警设置，数码管显示当前温度值。以下系统仿真调试设置温度下限值为10，温度上限值为90。1、当实际水温温度小于或等于所设置的下限温度值时，D1发光报警，蜂鸣器发声报警，继电器SSR闭合，加热棒开始加热。其仿真调试如图6.2.1所示。图6.2.12、当实际水温温度

53、大于所设置的下限温度值10，小于所设置的上限温度值90时，D1不发光报警，蜂鸣器不发声报警，继电器SSR闭合，加热棒开始加热。其仿真调试如图6.2.2和图6.2.3所示。图6.2.2图6.2.33、当实际水温温度大于所设置的上限温度值90时，D1发光报警，蜂鸣器发声报警，继电器SSR断开，加热棒停止加热。其仿真调试如图6.2.4所示。图6.2.46.3系统仿真调试结果经过Proteus仿真软件的多次调试,结果表明系统能够较好的测量和控制水温的温度。实现了系统设计要求中的功能，温度测量范围为-55125，具有恒温功能，可以任意设置温度上下限报警，达到了此次设计的预期目标。设计总结在完成此次设计的

54、过程中，我花费了不少的时间和精力，其中也遇到过不少困难和问题。每当遇到困难时，我就查阅资料，或是自己冥思苦想，或是求助于老师和同学，然后自己不断的进行实验验证，结果遇到的所有问题都被一一解决。最终“皇天不负有心人”，凭借着老师同学的帮助和自己的努力，我顺利的完成了基于单片机的热水器温度控制系统的毕业设计任务。本次设计完成了采用AT89S52单片机作为主控芯片的热水器温度控制系统的设计任务。系统通过DS18B20实时检测电热棒所加热的水温温度，由单片机AT89S52从DS18B20读取出所测量出的温度数值，然后通过软件程序进行判断来控制固态继电器SSR的通断，再控制加热棒是否加热，从而实现实时检

55、测并精准控制水温的目的。利用软件编程和硬件外围电路，结合智能温度传感器DS18B20，通过按键能够任意设置温度上下限报警。采用四位LED共阴数码管来显示检测的水温数值，效果明显，经济实用。本系统可以方便的实现温度的检测控制和显示，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等特点，适用于我们的日常生活和工、农业生产中的温度检测控制领域。同时，也可以当作温度处理模块，嵌入到其他系统中，作为其他主系统的辅助扩展。本系统结构简单，抗干扰能力强，适合在恶劣环境下进行现场温度检测控制，具有广泛的应用前景。这次毕业设计基本完成了课题的设计任务和要求，实现了对热水器温度的检测和控制。通过测试表明，系统的设计

56、是正确的，可行的。但是由于我的设计经验和专业知识水平有限，系统还存在许多不足和缺陷。在此，恳请老师批评指正。致谢三年的大学生涯，在这个季节即将划上一个句号，这份毕业设计是我交上的最后一份作业了。现在再回想自己大学三年的时光时，心中感慨万千，真的是“光阴似箭，岁月如梭”，时间过得实在太快了。一直以来，我就是一个电子爱好者。步入大学之前，我就读于职业高中，所学专业为电子电器。带着美好的憧憬步入大学后，我仍然热衷于电子方面的兴趣爱好。于是，我进入了学院唯一一个电子科技实践性的社团电子协会，在这个电子爱好者集结地，跟一群志同道合的同学相互交流、沟通，谈论人生和理想，大家各抒己见，谈笑风生。讨论专业知识

57、和技能，相互学习、促进，提升自身专业技能。在这里，享受着各自思想碰撞所产生的火花，真的是其乐无穷。这样的场面现在回想起来仍然历历在目，记忆犹新。步入大学之初，我就希望自己的专业技能能够有所超越，达到一个比较高的层次。大学三年，我也一直在有计划的学习。但是，由于自身的懒惰，并没有达到自己理想的高度。以至于我快毕业了，有些专业知识我并没有学得很好，有些专业项目还没有做过。这是我的问题，我的错，我要检讨。但值得庆幸的是，我的大学时光并没有在浑浑噩噩中度过。大学三年中，我组织并参与了电子协会举办的三次大型义务维修，参加了电子系举办学院第二届电子产品设计制作大赛和2011年全国大学生电子设计大赛的培训班

58、等活动。参加这些活动，并非说自己已经学得怎么好，只是大学三年过后，自己在专业方面的努力，还是有了回报，学有所得，至少有能够向别人展示的专业技能。三年的大学时光，最重要的是大学改变了我的思维方式，改变了我思考问题的方法。现在，我已不再恐惧遇到问题，而是慢慢地学会了发现问题后，如何更好的去分析问题，解决问题。在我看来，大学是走向社会之前一个很好的平台，在这个平台能够很好的锻炼和提升自身的综合素质和能力，为未来走向社会打下坚实的基础。大学所赋予的东西，将让我受益终生。如今，在社会上，当听到某些人说，读大学根本没有什么用时，我对他付之一笑。因为，我心里知道，一个真正用心读过大学的人跟一个没有步入过大学

59、的人，在认知上就已经有了差距。大学三年的求学生涯中，老师和同学给予我很多的关心、支持、帮助和照顾。在此，一一表示感谢。感谢学校给予我一个良好的学习环境，置身于学校良好的文化熏陶之中，耳濡目染，潜移默化，让我心怀理想、崇尚荣誉、积极向上。感谢父母，焉得谖草，言树之背，养育之恩，恩重如山；感谢XXX、XXX、XXX、XX和XX等老师在专业上的指导，当我遇到困难时，是你们让我有种拨云见日的欣喜；感谢XXX、XX、XXX和XX学长，在学习、社团工作和生活中，给我的大力支持和帮助，是你们的引导，让我在大学中很快找到了自己的航向，没有把电脑当成玩具而浑浑噩噩的度过大学时光；感谢XXX、XXX和XXX同学在

60、社团工作中的帮助和支持，是你们的支持和帮助，让我很好的完成了社团的工作，锻炼了自身的交流、协调和组织能力；感谢XXX、XX、XXX和XXXX同学在生活中的关心和帮助，是你们的关心和帮助，让我感受到了浓浓的室友之情和大学生活的其乐融融。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，三年的大学学习生活中，有很多可敬的师长和同学给了我无言的帮助，在这里请接受我最诚挚谢意！ 最后，再一次真诚的感谢所有在大学生涯中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在此次设计中被我引用或参考的论著的作者。参考文献1 王文海，周欢喜，彭可。单片机应用与实践项目化教程，化学工业出版社，2010（6）2 梁森，王侃夫，黄杭美。自动检测与转换技术，机械工业出版社，2005（1）3 马忠梅，籍顺心，张凯等。单片机的C语言应用程序设计，北京航空航天大学出版社，2003（11）4 汪德彪，郭杰，王玉松等。MCS51单片机接口技术，电子工业出版社，2003（8）5 向华，杨焰等。C语言程序设计，清华大学出版社，2008（6）6 谭浩强。C程序设计，清华大学出版社7 郭天祥。十天学会单片机和C语言