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1、东华理工大学毕业设计（论文）目录基于单片机的热水器温度控制摘 要温度是日常生活中不可缺少的物理量，温度在各个领域都有积极的意义。很多行业中以及日常生活中都有大量的用电加热设备，如用于加热处理的加热热水器，用于洗浴的电热水器及各种不同用途的温度箱等，采用单片机对它们进行控制具有控制方便、简单、灵活性大等特点，而且还可以大幅提高被控系统的性能，从而能被大大提高产品的质量。因此，智能化温度控制技术正被广泛地应用。本温度设计采用现在流行的AT89C51单片机为控制器，用PID控制方法，再配以其他电路对热水器的水温进行控制。关键词：89C51； PID； 温度控制26ABSTRACTTemperatur
2、e is essential physical in daily life ,and in various fields has positive implications.A lot of businesses and daily lives have a lot of electric heating equipment.Such as electric water heater for bathing and variety of different uses of the temperature boxes. MCU to control them with easy to contr
3、ol,simple,flexibility and other characteristics,also can significantly improve the performance of the controlled system,which can be greatly improved product quality. Therefore,intelligent temperature control technology is being widely used.The temperature control design uses the now popular AT89C51
4、 MCU controller,with PID control method, which together with other circuits on the water heater temperature control.Key words:89C51； PID； Temperature Control 东华理工大学毕业设计（论文）目 录绪论1研究背景1研究内容11. 系统方案论证及设计11.1 系统方案设计11.2系统方案论证11.3 系统方案实现22. PID控制策略32.1 数学建模32.2 PID算法42.3 PID整定52.4 控制的实现83. 硬件电路103.1 AT89
5、C51单片机简介103.1.1 中央处理器113.1.2 片内数据存储器113.1.3 片内程序存储区113.1.4 振荡器和时序电路113.1.5 电源与复位113.1.6 并行I/O端口113.1.7 定时/计数器123.1.8 中断系统123.2 时钟电路123.3看门狗电路133.4 温度检测及变送单元133.4.1 热电偶143.4.2 MAX6675的介绍143.4.3 MAX6675的工作原理与功能153.4.4 MAX6675的软件设定153.4.5 MAX6675与89C51的接口实现163.5 执行器163.5.1 晶闸管173.5.2双向晶闸管隔离和触发电路183.6 显
6、示电路193.6.1静态显示驱动203.6.2动态显示驱动203.7按键电路213.8 报警电路223.9 电源电路及看门狗电路224. 软件结构和程序框图244.1 主程序模块244.2 功能实现模块244.2.1 按键模块254.2.2 报警模块和喂狗模块254.2.3 温度采集子模块264.2.4 显示子模块264.3 运算控制器模块27致 谢28参考文献29附录30绪论研究背景温度是人类生产生活中非常关键的一项物理量，温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域 ,如家电、汽车、材料、电力电子等 。温度控制是工业生产过程中和日常生活中经常遇到的控制问题，人们需要对各种加热炉、热处理炉、家用
7、热水器中温度进行监测和控制。特别是在冶金 、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用，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。工业生产中温度控制具有单向性、时滞性、大惯性和时变性的特征，同时要实现温度控制的快速性和准确性，对于提高产品质量具有很重要的现实意义。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同。因而，对温度的测控方法要多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量
8、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。研究内容本设计的内容是温度控制系统，控制对象是水的温度。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如电热水器，孵化器，发酵缸等场所的温度控制。这些场合都需要有一种能够比较精确快速实现所需温度的控制器。本文设计的目的就是实现一种可连续高精度调温的温度控制器。需要实现以下功能：（1）调节设置温度。（2）通过实际温度反馈快速准确的实现所需温度。（3）在数码管中显示温度值。（4）超温报警。东华理工大学毕业设计（论文） 系统方案论证及设计1. 系统方案论证及设计1.1 系统
9、方案设计对于热水器温度控制系统来说控制方案有很多：如采用单片机控制、PLC控制、PC机控制等。方案一：利用单片机实现温度控制利用单片机实现热水器水温的控制，系统主要包括现场温度采集、温度显示、加热控制参数设置、加热电路控制输出、报警装置和以单片机AT89C51作为微处理器。温度采集电路以数字形式将现场温度传至单片机，单片机结合现场温度与用户设定的目标温度，按照已经编程固化的PID控制算法计算出实控制导通量。以此控制量控制双向晶闸管开通和关断，决定加热电路的工作状态，使温度逐步稳定于用户设定的目标值。方案二：利用PLC实现温度控制 采用PLC控制实现电热丝加热全通、间断导通和全断加热的自控式方式
10、，来达到温度的恒定。智能型电偶温度表将置于被测对象中，热电偶的传感器信号与恒定温度的给定电压进行比较，生成温差，自适应恒温控制电路根据差值大小控制电路的断开。方案三：利用PC机实现温度控制利用PC机实现温度控制需要将温度信号通过通信协议传输到PC机进行处理后再将控制信号传输到执行器控制执行操作。能够实现丰富的操作和灵活的编程环境。1.2系统方案论证首先排除方案二，虽然说经过不断的改进现在PLC已拥有了强大的功能和完全满足要求的可靠性，但PLC现在市场价格太高，不适用于在价格相对比较便宜的热水器。其次排除方案三，PC机拥有强大的计算能力，完好的人机界面，并且正在快速的普及中，但PC机需要合适的通
11、信协议和通信硬件与外围器件相连接以实现控制信号的传输和接受。如果不算PC机的价格，只算通信硬件的价格就很高。而且PC机不能放置在现场并且系统实现起来复杂，不能灵活应用于每一个家庭中去。方案一使用单片机作为控制器，外围电路直接连接到单片机的控制方法具有灵活性高，易扩展的优势，并且现在的单片机一般都具有通信接口能够实现与外控制器通信，包括PC机。单片机经过发展其可靠性已得到大家的认可，并且经济价格便宜，具有大规模应用的条件。更重要的是单片机体积小，能够直接放置在需要控制的装置中去，不用另外设计安装空间。根据对比我们可以清楚的看出上述三种系统方案的好坏，所以我们使用方案一作为本次设计的系统方案。1.
12、3 系统方案实现根据系统方案一，本文选用单片机作为控制器，但要实现所需的温度控制的功能我们还需要另外的电子元器件组成电路，并发送和接受相应的电信号来组成一个完整的控制系统。所需的电路模块如图1-1所示：电源单片机键盘电路看门狗数据显示超温报警AD转换晶振加热器温度传感器被控系统执行器图1-1 系统框图34东华理工大学毕业设计（论文） 硬件电路东华理工大学毕业设计（论文） PID控制策略2. PID控制策略本文设计的目的为控制热水器的水温，首先根据控制要求，需要建立被控对象的数学模型，然后根据数学模型选定合适的控制策略。建模的方法主要有测试法建模和机理法建模。2.1 数学建模根据工业过程的输入和
13、输出的实测数据进行数据处理后得到的模型特点：把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态特性，不需要深入掌握其内部机理。为了获得动态特性，必须使被研究的过程处于被激励的状态，施加一个阶跃扰动或脉冲扰动等。这种方法称为测试法建模。根据生产过程中实际发生的机理变化，写出各种有关的平衡方程。如：物质平衡方程，能量平衡方程，动量平衡方程以及反映流体流动、传热、传质、化学反应等基本规律的运动，物性参数方程和某些设备的特性方程等，从中获得所需的数学模型。这种方法称为机理法建模根据本文讨论的对象，本文采用机理法建模。设被控参数为热水器内温度T,控制量为电热丝两端电压U 。根据网上资料一
14、般加热丝质量为M（0.5kg），比热为C(0.49)，传热系数为H(0.0628)，传热面积为A(0.0628m2),未加温前热水器内温度为T0,加温后的温度为T。 根据热力学知识有，MC*d(T-T0)/dt+HA(T-T0)=Qi.Qi 与外加电压u的平方成比例，故 Qi 与u是非线性关系。 在平衡点(Q0、U0)附近进行线性化，得Ku=Q/u于是可得对应的增量微分方程MC*dT/dt+HAT=Kuu令T=MC/HA=62 取K=Ku/HA=1则上式可写为T* dT/dt+T=Ku可得热水器内温度变化量对控制电压变化量之间的传递函数为G(s)= T(S)/ u(s)=K/(Ts+1)可以看
15、出被控对象为一阶惯性环节，因为用加热丝加热水温，所以存在一定的滞后性，滞后时间随加热丝功率和所要加热水量有关，取滞后时间为10S。可得传递函数为：G(s)= T(S)/ u(s)=K/(Ts+1) e-ts=-10s晶闸管为执行器件连接在控制系统中，晶闸管的传递函数在本系统中可以等效为一个滞后环节，但滞后时间为几十微秒与水温系统的滞后时间相比可以忽略不计。未加PID控制的系统的特性用MATLAB仿真可原始系统性能曲线如图2-1：图2-1 原始系统性能曲线2.2 PID算法PID控制器的数学模型可以用式2-1表示： (式2-1)式中，u（t）控制器的输出； e（t）控制器输入，它是给定值和被控对
16、象输出值的差，称偏差信号； KP控制器的比例系数； TI 控制器的积分时间； TD控制器的微分时间。PID控制规律由比例、积分、微分三部分组成。分别介绍如下：(1) 比例部分比例部分数学式表示如式2-2下： (式2-2)偏差一旦产生，控制器立即有控制作用，使控制量朝着减小偏差的方向变化，控制作用强弱取决于比例系数Kp。Kp越大，控制作用越强，则过渡过程越短，控制结果的稳态误差也越小；但Kp越大，超调量也越大，越容易产生震荡，导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。因此，比例系数Kp选择必须适当，这样才能取得过渡时间短、稳态误差小而又稳定的效果。(2) 积分部分积分部分数学式如式2-3所示：
17、(式2-3) 从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就会不断地积累，输出控制量以消除偏差。可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差，可是积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使系统超调加大，控制的动态性能变差，甚至会使闭环系统不稳定。积分时间TI，对积分部分的作用影响极大。当TI较大时，则积分作用较弱，这时，有利于系统减小超调，过渡过程不易产生震荡，但是消除静差所需的时间较长，当TI较小时，则积分作用较强，这时系统过渡过程中有可能产生震荡，但消除静差所需的时间较短。(3) 微分部分微分部分数学表达式如式2-4所示： (式2-4)微分作用的引入是为了改善高阶对象的控制品质，
18、因为微分作用是按照偏差的变化趋势来控制，具有及时性。微分部分的作用强弱由微分时间TD决定。TD越大，则它抑制e(t)变化的作用越强，有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。因为微分作用的引入会把高频干扰放得很大，反而可能使系统调节品质降低。TD越小，它反抗e(t)变化的作用越弱。它对系统的稳定性有很大的影响。2.3 PID整定凑试法是通过观察系统的响应曲线(例如阶跃响应)。本系统使用凑试法实现对PID参数的整定。在凑试时，可以参考PID参数对控制过程的影响效果，对参数实行下述先比例、后积分、再微分的整定步骤。 1首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，并观察
19、系统的响应，直至得到过渡时间短、超调小的响应曲线。 2如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。整定时首先置积分时间TI为一较大值，并将第一步整定得到的比例系数略为缩小，然后减小积分时间，在保持系统良好动态性能的情况下，使静差得到消除。3若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。因为为热水器水温控制系统，超调量不能过大，所以牺牲了一些响应时间，让超调量变小，整定置为：KP=5TI=0.07TD=30MATLAB传递函数图如图2-2所示。图2-2 热水器系统传递函数PID仿真运算后系统的响应曲线如图2-3
20、PID控制系统响应曲线所示：图2-3 PID控制系统响应曲线延时时间为17s,超调量为5%，峰值时间为65s,上升时间为24s，调节时间为47s,与未加控制时的响应曲线相比有明显的改进，达到了PID控制的目的。可以使用PID控制方法控制这个系统。因为在PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调量和长时间的波动，在温度变化缓慢的过程中，这一现象更为严重。此时，可采用积分分离措施，即偏差e(k)较大时，取消积分作用；当偏差e(k)较小时才将积分作用投入。所以本文采用当|e(k)|10时，全能力输出，当|e(
21、k)|10时，采用PID控制。为了便于单片机实现，必须把PID公式变换成差分方程，为此可做如下近似如式2-5和式2-6所示：(式2-5)(式2-6)式中，T为采样周期，k为采样序号。由式2-1，式2-5和式2-6，可得数字PID位置型控制算式为u(k)= KPe(k)+T/TI+TD(4)式（4）表示的控制算法提供了执行机构的位置u(k),所以被称为数字PID位置型控制算式。但位置型算式要累加偏差e(i),在编程计算时要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，所以本文使用增量型控制算式，算式有位置型变换而来，形式如下：=u(k)-u(k-1)= KPe(k)-e(k-1)+KIe(k)+KDe
22、(k)-2e(k-1)+e(k-2)（5）其中：KP=比例增益；KI=KPT/TI称为积分系数；KD=KPTD/T称为微分系数。为了编程方便，可将式（5）整理成如下形式；=q0 e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2)其中：q0=KP(1+T/TI+TD/T)=2153q1=-KP(1+2TD/T)=-15q2=KPTD/T=52.4 控制的实现根据上式可以编程实现对热水器温度的控制，对加温的温度控制可以采用调节供电电压或在一定的时间循环周期内的供电时间比例来调节加温控制温度，本系统采用双向晶闸管来实现，所以这里采用调节加温时间比例的办法来实现控制。所以系统经PID计算出的数据要转化为晶闸
23、管导通时间占单位周期时间的比例。我们设定一个标准的加温周期，以30S为标准，本系统就在这个30S内对输出进行控制，也就是说在这个30S内加温多少时间，全速加温就是连续整个周期都加温，停止加温就是完全不输出。设定当设定温度减实际温度大于十时全速加温，当设定温度减实际温度小于等于10时运行PID算法。所以本系统的控制范围为10。根据计算可以让加温时间在030S内变化，比如计算所得我们在这一个周期内应加温10S，经过30S以后再检测水的温度，通过计算应加温8S等。这里除了加温以外就是不加温，等待下一个周期到来。在下一个周期再进行计算下一周期系统的输出量，周而复始，不断修正系统的输出量，以实现对温度的
24、有效控制。为了使程序处理的方便，我们在程序内部使用单片机的两个个定时器。因为定时时间超出了定时器直接定时时间，所以使两个定时器都工作在自动重装状态。设定T0定时时间为30S，30S时间到检测是否运行PID算法，得出T1的溢出次数，设置定时器T1溢出次数，当溢出次数到预定值时，即定时到了规定单位时间。系统执行PID运算并设置定时器T1溢出次数。定时器T1溢出次数用于实现晶闸管在单位时间内的导通时间。通过溢出次数的设定，我们可以对30S进行细分，我们把30S进行100等分，单位为300MS，这样的输出单位对本系统的水温度控制来说已经足够细了。因为控制范围为10对应的溢出次数为0-100，所以得到的
25、温度误差乘以10即为定时器T1不加PID运算的溢出次数。将温度误差乘以10后得到的数值代入PID的到的即为T1的溢出次数。东华理工大学毕业设计（论文） 软件结构和程序框图3. 硬件电路硬件合理选择和优化配置直接决定了热水器温度控制系统的可靠性，以及控制效果的优劣，根据认真仔细的比较本文选用如下的硬件来实现系统要求的功能。3.1 AT89C51单片机简介AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，带有4K字节的可反复擦写的程序存储器（PENROM）。和128字节的存取数据存储器（RAM），这种器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丢失存储技术生产，并且能够与MCS-51系列的单片机兼
26、容。片内含有8位中央处理器和闪烁存储单元，所以功能较强的AT89C51单片机能够提供一种安全可靠的控制方案，而被应用到控制领域中。AT89C51单片机的引脚如图3-1所示：图3-1 AT89C51AT89C51单片机主要功能部件包括中央处理器、片内数据存储器、片内程序存储器、震荡电路、电源与复位电路并行I/O接口、定时器/计数器、中断系统组成。简要介绍一下本文用到的一些部件3.1.1 中央处理器中央处理器（CPU）是AT89C51单片机的核心部件，其字长为8位，主要由运算器和控制器等部件组成。运算器用于实现对操作数的算术逻辑运算和位操作。控制器是单片机的智慧控制部件，控制器的主要任务是识别指令
27、，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。3.1.2 片内数据存储器89C51单片机内部数据存储器容量仅为256B，与片外数据存储器空间（64K）相独立，采用8位地址码寻址。其中低地址空间的128B（007FH）供用户使用，可按规定规划为工作寄存区、堆栈区、位寻址数据存储器区和通用数据存储器区；高地址空间的128B（80FFH）为特殊功能寄存器（FSR），实际中只用到26B，其地址分布并不连续。3.1.3 片内程序存储区89C51单片机内部程序存储器容量为4KB，分布在整个64K程序存储器空间的低地址空间.3.1.4 振荡器和时序电路89C51单片机内部有
28、震荡电路，只需外接石英晶体振荡器和频率微调电容即可产生024MHz震荡脉冲信号（震荡周期为单片机工作的最小时间单位），震荡脉冲经定时电路处理，产生CPU工作的各种时序信号。3.1.5 电源与复位89C51单片机采用DC5V供电工作电流为30mA左右，在掉电方式下，电流消耗可大大降低。89C51单片机需要外部电路提供上电或手动复位信号（高电平脉冲），使单片机内各部件回到初始状态。3.1.6 并行I/O端口89C51单片机有四个8位并行I/O（输入/输出）端口，每个端口均是准双向口，助记符分别为P0、P1、P2、P3，通过32个引脚将各I/O端口线全部引出，与外部建立联络。外围电路的连接就主要通过
29、这些I/O口实现与单片机的数据传输。3.1.7 定时/计数器在单片机实际应用中，往往需要精确的定时或对外部事件进行计数。89C51单片机内部设置的两个定时/计时器为此提供了便利。两个定时/计数器的助记符分别为T0、T1，可以设置为计数方式，实现对外部事件的计数；也可以设置为定时方式，实现精确定时。3.1.8 中断系统89C51单片机采用向量中断逻辑，可以处理5个中断源的中断请求，并依据中断优先级安排进入相应的中断服务程序。5个中断源的中断向量为固定值，采用高低两级优先权队列和固定优先级相结合的管理模式。由于堆栈区容量限制，仅允许两级中断嵌套，即高优先权队列的中断请求可中断低优先权队列的中断服务
30、，但同等优先权队列的高级别中断不能中断该队列中的低优先级中断服务。3.2 时钟电路时钟电路用于产生单片机工作时所必须的时钟控制信号。89C51单片机的内部电路在时钟信号控制下，严格地按照时序执行指令进行工作。单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准工作的。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定运行。常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。内部时钟方式受到的影响较少，能够提供更加稳定的信号，所以本文采用内部时钟方式。内部时钟方式的电路连接图3-2所示：图3-2 晶振硬件连接电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30pF左
31、右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的震荡频率的范围通常是在1.2MHz12MHz之间。但时钟频率越高单片机的运行速度越快，但对电子器件的要求越高。考虑到所需的定时时间以及扩展和PC机的通信，本文选用11.0592MHz的频率。3.3看门狗电路看门狗,又叫 watchdog timer,是一个定时器电路, 一般有一个输入,叫喂狗,一个输出到89C51的RST端,89C51正常工作的时候,每隔一端时间P1.3输出一个信号到喂狗端,给 WDT 清零,如果超过规定的时间不喂狗,(一般在程序跑飞时),WDT 定时超过,就回给出一个
32、复位信号到89C51使89C51复位. 防止89C51死机. 看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。MAX813片内看门狗定时器用于监测单片机的活动。如果在1.6s内WDI端没有收到来自89C51 的触发信号，并且WDI处于非高阻态，则WDO输出变低。只要复位信号有效或WDI输入高阻，则看门狗定时器功能就被禁止，且保持清零和不计时状态。复位信号的产生会被禁止定时器，可一旦复位信号撤消并且WDI输入端检测到短至50ns的低电平或高电
33、平跳变，定时器将开始1.6s的计时。即WDI端的跳变会清零定时器并启动一次新的计时周期。看门狗电路连接及资源分配如图3-3所示。图3-3 看门狗电路3.4 温度检测及变送单元当将单片机用作测控系统时，系统要有被测信号得输入，由控制器拾取必要的输入信息。对于控制系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。家用电器的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各
34、种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证控制的高效率和高质量。3.4.1 热电偶温度控制过程中，首先要取得外界的温度。然后与预订定温度相比较来判断执行什么样的操作。热电偶作为一种主要的测温元件，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点，被广泛应用于水温度控制过程中。但热电偶输出电势及其微弱，而且存在冷端温度误差和输出电势与被测温度的非线性问题，易引起较大测量误差，尤其在以单片机为核心器件的智能装置中，需进行复杂的信号放大、A/D转换、查表线性、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计，硬件芯片使用过多，软件编写任务重，不能适应现阶段产品集成化、模块化的需要。MAX66
35、75是MAXIM公司推出的K型热电偶串行模数转换器，它能独立完成信号放大、冷端补偿、线性化、A/D转换及SPI串口数字化输出功能，大大简化了热电偶测量智能装置的软硬件设计。所以本文采用MAX6675作为温度传感器。3.4.2 MAX6675的介绍MAX6675封装在SO-8脚的芯片中，推荐工作电压为一单+5V直流电压，连续工作时的功耗仅为47.1mW，电流为50mA，适用于在体积不大，不利散热的装置条件下使用，其引脚图如图3-4所示。图3-4 MAX6675引脚图其中SO为SPI串行输出端口引脚；CS为片选信号；SCK为串行时钟输入；T+、T-分别接热电偶的测量端和冷端。3.4.3 MAX66
36、75的工作原理与功能 根据热电偶测温原理，热电偶的输出热电势不仅与测量端的温度有关，而且与冷端的温度有关，使用硬件电路进行冷端补偿时，虽能部分改善测量精度，但由于热电偶使用环境的不同及硬件电路本身的局限性，效果并不明显；而使用软件补偿，通常是使用微处理机表格法或线性电路等方法来减小热电偶本身非线性带来的测量误差，但同时也增加了程序编制及调试电路的难度。MAX6675对其内部元器件参数进行了激光修正，从而对热电偶的非线性进行了内部修正。同时，MAX6675内部集成的冷端补偿电路、非线性校正电路、断偶检测电路都给K型热电偶的使用带来了极大方便.MAX6675内部集成有冷端补偿电路；带有简单的3位串
37、行SPI接口；可将温度信号转换成12位数字量，温度分辨率达0.25；内含热电偶断线检测电路。冷端补偿的温度范围-2080，可以测量01023.75的温度，基本符合温度上温度测量的需要，其串行接口时序如图3-5所示。图3-5 MAX6675时序图由接口时序可以看出，当MAX6675的CS引脚从高电平变为低电平时，MAX6675将停止任何信号的转换并在时钟SCK的作用下通过SO引脚向外输出已转化的数据（此数据是经过放大了的A/D转换后的数字量与冷端补偿之和）；相反，当CS从低电平变回高电平时，MAX6675将进行新的转换。在CS引脚从高电平变为低电平时，第一个字节D15出现在引脚SO上，一个完整的
38、数据读过程需要16个时钟周期，数据的读取通常在SCK的下降沿完成。3.4.4 MAX6675的软件设定由以上的叙述可知MAX6675是可编程的K型热电偶A/D转换器，可以使用C汇编程序完成。MAX6675的输出数据为16位，其中D15始终无用且一直为零，D14D3对应于热电偶模拟输入电压的数字转换量，D2用于检测热电偶是否断线（D2为1表明热电偶断开），D1为MAX6675的标识符，D0为三态。其转换结果与对应温度值具有较好的线性关系：温度值1023.75 转换后的十进制为4096。所以取出MAX6675的数据后应除以4得到实际值。MAX6675成功解决了热电偶非线性、冷端补偿等影响热电偶测量
39、精度的问题，试验结果误差在0.5左右，相对与测量范围在几百度的热电偶来说，完全达到了测量精度，因此它可广泛使用在热电偶温度信号的采集装置中，从而大大减少装置的体积，减轻系统软硬件设计的困难，提高装置运行的可靠性。除此之外，此芯片亦可用于热电偶自动检定等其他需要使用热电偶测量的场合中。3.4.5 MAX6675与89C51的接口实现 MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与单片机接口，因此它只能作为从设备即串行接口芯片。SPI（Serial Peripheral Interface）总线系统是一种同步串行外设接口，是Motorola公司推出的总线标准，它可以使单片机与各种外围设备以串行方式进
40、行通信以交换数据。以单路热电偶为例来说明MAX6675与单片机的接口连接。由于单片机不具有SPI串行总线接口，可以使用软件来模拟SPI操作，包括串行时钟、数据输入和数据输出。如图所示，串行外部时钟由P0.1提供，片选信号由P0.2提供；转换数据由P0.3读取. MAX6675的转换结果在SCK的控制下连续输出。其与单片机接口的连接如下图3-6所示： 图3-6 MAX6675硬件连接3.5 执行器家居使用的电热水器品种主要分为：即热式和储水式。储水式电热水器是指将水加热的固定式器具，它可长期或临时储存热水，并装有控制或限制水温的装置。家庭常用储水式电热水器，其安装方便，价格不高，但需加热较长时间
41、，达到一定温度后方可使用。虽然说即热式热水器与储水式相比有很多的优点，但即热式功率一般加大，现在家庭的电网比较难以承受，所以本文采用储水式热水器作为研究对象。根据控制要求的我们选用双向晶闸管及其相应的触发电路来控制镁棒是否导通加热。3.5.1 晶闸管晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称作可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极； 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无
42、触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。晶闸管的工作条件：1. 晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。2. 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。3. 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。4. 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。晶闸管是用半导体控制原理来实现的，所以能够实现快速的开关
43、转换，并且没有电弧的产生。快速晶闸管的开关时间为数十微秒，对于温度控制系统来说已经十分的精确。双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，而且仅需一个触发电路，是比较理想的交流开关器件。双向晶闸管电器特性如图3-7所示。图3-7 双向晶闸管特性双向晶闸管的选择根据热水器的功率来选择，一般的三口之家用40L的储水式热水器就够了，40L的功率一般为2000W。保留一定余量后，所以我们选用的晶闸管为KS20A螺栓型双向晶闸管。3.5.2双向晶闸管隔离和触发电路双向晶闸管所控制的是强电，如果直接和单片机的驱动电路连接将会有很大的安全隐患，如果双向晶闸管出现故障将会把
44、强电引入到系统中去。所以需要一个合适的隔离电路，把控制信号引入双向晶闸管，同时隔离和单片机的连接，通过选择光耦是最合适的隔离器件。MOC3061系列光电双向晶闸管驱动器是美国摩托罗拉公司推出的光电器件。该系列器件的特点是大大加强了静态dv/dt能力，保证了电感负载稳定的开关性能。由于输入与输出采用光电隔离，绝缘电压可达7500V。MOC3061系列可以用来驱动工作电压为220V的交流双向晶闸管。当交流负载电流较小时，如220MA以下，也可以直接用它带负载。MOC3061系列产品适用于电磁阀及电磁铁控制、电机驱动、温度控制等，也可用于固态继电器、交流电源开关等场合。由于采用了光电隔离，并且能用T
45、TL电平驱动，它很容易与微处理器接口，进行各种自动控制设备的实时控制。MOC3061的管脚排列如下：1、2脚为输入端；4、6为输出端；3、5脚悬空，如图3-8所示。图3-8 MOC3061引脚图输出极为具有过零检测的光控双向晶闸管。当红外发光二极管发射红外光线时，光控双向晶闸管触发导通。主要性能参数：可靠触发电流Ift=5-15mA;保持Ih=100uA；超阻断电压600V；重负冲击电流峰值1A；关断状态额定电压上升率dv/dt=100v/us.利用双向晶闸管调节功率的原理如下图3-9所示。图3-9通过图示可以看出双向晶闸管的工作方式为调节周期时间内的通过周期波的个数，从而实现对功率的调节。例
46、如最小周期是输出功率为50%的时候，周期为40毫秒（0.04秒），即导通一个周波，关断一个周波。与调相功率相比电路上更容易实现，并且对系统的要求不是很高。双向晶闸管与MOC3061的连接电路如图3-10所示：图3-10 MOC3061硬件连接3.6 显示电路显示电路本文采用四位八段共阳极LED数码管，用前两位显示实际温度，后两位显示设定温度。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。3.6.1静态显示驱动静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制