单片机热水器水温控制系统的设计(2010-12-12)

基于单片机电热水器控制系统设计摘要：21世纪末，随着计算机科学的发展，计算机已深入地渗透到我们的生活中，要想学好温度测控，只有扎扎实实的把单片机知识学好，因为温度测控是基于单片机知识的。今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务，单片机在工业控制，尖端武器，通信设备，信息处理，家用电器等各测，控领域的应用中独占鳌头。时下，家用电器和办公设备的智能化，遥控化，模糊控制化已成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的，同时在使用单片机的前提下我们也还要用到A/D数模转换，本文介绍了一种基于单片机控制的电热水器控制系统，，可以设置上加热温度，方便使用。关键词：单片机，数字控制，温度计，DS18B20，AT89S521绪论1.1课题背景和意义：随着人们生活水平的提高，热水器越来越受到人们的青睐。由于燃气热水器易受水压限制，而且安全性较差。每年使用燃气热水器造成的爆炸、中毒等事故也屡有所闻。消费者对燃气热水器怀有一定的惧怕感。而电热水器越来越受到人们的认可。采用MCS-51单片机对热水器水温进行控制,具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点,为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件。1.2国内外研究现状：电热水器在中国的历史已经有10多年了，期间也经历了数次起落的过程，在上个世纪的最后几年，随着国外品牌的进入和国内一些大家电厂的目光转向电热水器，储水式电热水器能适应任何天气变化，普通家庭可直接安装使用，长时间通电可以大流量供热水。使用时不产生废气，既安全又卫生。目前市场上销售的电热水器多数还带有防触电装置。干净卫生，不必分室安装，调温方便。随着技术的成熟，今后将朝着保温层整体发泡技术、温控器置入内胆、加热管下潜式设计、节能免更换几个方面发展。热水器是一种可供浴室，洗手间及厨房使用的家用电器。据国务院发展研究中心市场经济研究所统计数据表明：近年来我国热水器的销量每年以25%的速度上升，在未来五年内，销售额每年可达近500亿以上。众所周知，燃气热水器因其安全隐患及越来越高的使用成本正渐渐淡出热水器市场，而太阳能热水器也因其严格受天气气候及安装条件影响而很难占据更大的市场份额，所以电热水器迅速崛起而不断壮大。为了满足人们对现代电器的智能化的要求，利用目前电子技术的最新成果改善电热水器的性能已经完全可能和必要。本课题将以单片机为控制核心，实现对热水器的自动控制,设计出一款具有自动化、智能化、易于操作、控制精度高、性价比高的电热水器控制系统。2单片机及设计软件介绍2.1单片机技术介绍由于单片机在整个设计中占据着重要的地方，首先介绍一下单片机的相关知识。单片机AT89S52具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要。MCS-51单片机内部结构8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：·中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。·数据存储器(RAM)8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。图2-18051内部结构·程序存储器(ROM)：8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。·定时/计数器(ROM)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。·并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。·全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。·中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。·时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图2-3图2-2MCS-51结构框图MCS-51的引脚说明：MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：MCS-51的引脚说明：MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：图2-351单片机引脚图Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态。8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图。此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。图2-4复位电路图·Pin30:ALE/当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。·Pin29:当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。·Pin31:EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。2.2软件介绍2.2.1PROTEL99SE介绍PROTEL99SE是一个全32位的电路板设计软件，使用该软件可以容易地设计电路原理图、画元件图、设计电路板图、画元件封装图和电路仿真。在这里主要用它来绘制电路原理图和生成印制电路板。原理图的设计步骤如下：编辑和调整。编辑元件的属性。包括元件名、参数、封装图等。调整元件和导线的位置等操作。对电路板的设计主要分为以下几个步骤；人工布线是画电路板的基础，但比较耗时和费力，另外由于自身经验的不足，只得先采用自动布线，在此基础上作了适当的修改。2.2.2单片机编译软件Keil介绍编写完程序后即可使用汇编软件对程序进行编译了，本设计所使用的编译软件是Keil51，其步骤如下：1源文件的建立使用菜单“File-New”或者点击工具栏的新建文件按钮，即可在项目窗口的右侧打开一个新的文本编辑窗口，在该窗口中输入要调试的汇编语言源程序，保存该文件，注意必须加上扩展名.c。2建立工程文件点击“Project-NewProject…”菜单，在出现一个对话框中，输入一个工程文件名，不需要扩展名。点击“保存”按钮。3工程的详细设置工程建立好以后，还要对工程进行进一步的设置，以满足要求。首先点击左边Project窗口的Target1，然后使用菜单“Project-Optionfortarget‘target1’”即出现对工程设置的对话框，对部分内容进行必要的设置改即可，不过大部份设置项都是取默认值。4编译、连接在设置好工程后，即可进行编译、连接。选择菜单Project-Buildtarget，对当前工程进行连接，如果当前文件已修改，软件会先对该文件进行编译，然后再连接以产生目标代码；如果选择RebuildAlltargetfiles将会对当前工程中的所有文件重新进行编译然后再连接，确保最终生产的目标代码是最新的，而Translate….项则仅对该文件进行编译，不进行连接。3系统设计3.1系统功能介绍使用高清晰度数码管实时显示水温，范围0～1O2℃；(2)可用键盘方便地设定水温，并显示设定的温度；(3)按设定温度加热0-102度的水温，并具有保温功能3.2系统方案论证3.3.1方案一由于本设计的温度测温电路，可以使用热敏电阻Pt100其感温效应，Pt100温度传感器为正温度系数热敏电阻传感器，主要技术参数如下：1、测量范围：-200℃～+850℃；2、允许偏差值△℃：A级±（0.15＋0.002│t│），B级±（0.30＋0.005│t│）；3、热响应时间30s；4、最小置入深度：热电阻的最小置入深度≥200mm；5、允通电流≤5mA。另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。铂热电阻的线性较好，在0~100摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。铂热电阻阻值与温度关系为式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735。可见Pt100在常温0~100摄氏度之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：RPt=100（1+At），当温度变化1摄氏度，Pt100阻值近似变化0.39欧。下表为Pt100在0℃~100℃的分度表传感器电路包括传感器测量电桥和放大电路两部分，图3-1传感器放大电路R2、R3、R4和Pt100组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过TL431稳至2.5V。从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。电桥的一个桥臂采用可调电阻R3，通过调节R3可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。放大电路采用LM358集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，如图1-2所示，前一级约为10倍，后一级约为3倍。温度在0~100度变化，当温度上升时，Pt100阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压Av对应升高。这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。3.2.2方案二进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器特性如下DS18B20是DALLAS公司生产的一线制数字温度传感器；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输