基于单片机的热水器温度控制系统设计.docx

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1、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姓别：专名：班业：级：学号：指导老师姓名：最终评定成绩：职称：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 DS1 8B20 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

2、 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

3、境下进行现场温度检测控制，具有 广泛的应用前景。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

4、the national economy, 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

5、system based on AT89S52 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 t

6、emperature values, and 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 intell

7、igent temperature sensor 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,

8、 high sensitivity, 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

9、 expansion of other 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

10、课题研究背景 .61.2 温度控制系统的发展现状 .71.3 系统设计要求 .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

11、设计 .164.3.1 温度传感器 DS18B20 的介绍.16 4.4 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 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

12、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

13、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

14、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，PI

15、D 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

16、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，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

17、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

18、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

19、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，

20、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

21、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 PID 算法的温度控制仪 表。目前国内温控仪表的发展，相

22、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) 可以任意设置温度上下限报警。

23、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

24、的构成，便可形成各种不同系列派生产品，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 805

25、2 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 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

26、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

27、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DS18B20 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

28、 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 AT89S52 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

29、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e =w -y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：KKK Ku(t ) =K e(t ) +Kpie(t ) dt +Kdde(t )dt（1）其中 p -为调节器的比例放大系数KKid-为积分时间常数 -为微分时间常数PID 调节器的离散化表达式为u ( k ) =K e ( k ) +K Te ( k ) +p i其增量表达形式为： Du(k ) =u ( k ) -u ( k -1)KdTe( k ) -e( k -1)=K e( k ) -e( k -1

30、) +K Te( k ) + p iKdTe (k ) -2e( k -1) +e ( k -2)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 p 、积分 时间常数 i 、微分时间常数 d 。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

31、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，

32、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。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，

33、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

34、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

35、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

36、、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。时钟电路复位电路按键输入报警电路电源电路CPUAT89S52图 3.1.1 系统硬件框图DS18B20 温度传感器SSR 固态继电器250W加热棒LED 数码管第 4 章 系统硬件模块电路设计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