毕业设计基于单片机的电暖器控制系统设计.docx

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毕业设计基于单片机的电暖器控制系统设计

毕业论文（设计）

基于单片机的电暖器控制系统设计

学生姓名：

学号：

系别：

电气工程系专业：

电气工程及其自动化

指导教师：

XXX评阅教师：

论文答辩日期

答辩委员会主席

摘要

本研究针对电暖器功率的控制方法，尤其是电暖器的智能控制方面的发展现状，分析了电暖器智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机的电暖器控制系统的设计思路，并在此基础上开发了智能控制系统的硬件装置和相应软件。

本系统采用以AT89C51单片机作为核心器件实现对电暖器系统的自动控制，通过DS18B20数字式传感器对室温进行采集和转换，将转换的数字信号传递给单片机，单片机对信号进行处理，根据采集到的温度实现初始功率的调节。

单片机通过对可控硅导通角的调节来控制调节电暖器发热丝的电压，达到电暖器功率调节的目的。

由LED数码管驱动显示电路显示电暖器的功率及当前档位，并通过按键调节档位的高低和控制电暖器的启停。

采用热释电红外传感器检测人体的存在，系统通过对人体的存在信号的识别和智能判断是否报警及切断电源。

报警电路模块功能也由单片机完成。

通过系统的设计与实现说明本设计方案切实可行，能够完成题目所要求的基本功能部分，并留有相应的接口，为完成扩展功能打下基础。

关键词:

单片机，传感器，可控硅，报警，LED数码管

Abstract

Inthisstudy,heaterpowercontrolmethods,especiallyintelligentheatercontrolthedevelopmentstatusoftheheaterintelligentcontroltheoryandimplementations,andpresentsaheatercontrolsystembasedonsinglechipdesignideas,andonthisbasis,anintelligentcontrolsystemhardwaredevicesandcorrespondingsoftware.

Inthissystem,withAT89C51microcontrollerasacorecomponentoftheheatersystemtoachieveautomaticcontrol,byDS18B20digitaltemperaturesensoronthecollectionandconversion,toconvertthedigitalsignalispassedtothemicrocontroller,thesignalprocessingsinglechip,accordingtothecollectedtemperaturetoachievetheinitialpoweradjustment.SCMSCRconductionanglethroughregulationtocontrolthevoltageregulationelectricheaterhotwire,toheaterpoweradjustmentpurposes.DrivenbytheLEDdigitaltubedisplayshowsheaterpowercircuitandthecurrentstall,andstallthroughthekeylevelofregulationandcontrolofelectricheaterinthestartandstop.Pyroelectricinfraredsensordetectsthepresenceofthehumanbody,thesystemsignalsthepresenceofthehumanbodythroughtheidentificationandintelligencetodeterminewhetherthealarmandcutoffpowersupply.AlarmcircuitmodulefunctionsarecompletedbytheMCU.

Throughthesystemdesignandimplementationofthepresentdesignisfeasible,subjecttothecompletionofthebasicfunctionsrequiredbypart,andleavetheappropriateinterface,laythefoundationforthecompletionofextensions.

Keywords:

Single-chip,Sensor,Thyristor,Alarm,Digitaltube

1绪言

1.1课题背景

随着工业化的发展、城市人口的急剧增加，工业、生活、采暖等热能消耗急剧增大，以燃煤为主的采暖锅炉排放的大量粉尘、二氧化硫等污染物正日益威胁着人们的健康。

为了解决这一问题，人们先后研发了多种环保型采暖，使采暖技术更加多样化，如区域供热系统、太阳能热水空调系统、地热供热系统、电采暖供热系统等。

尤其是电采暖系统以其方便性好、可控性高、安全性强、利用效率高、零污染排放等优点，在电力系统相关优惠政策扶持下，逐渐由辅助供热方式转化为主要的供热方式之一。

近年来，随着人们生活水平的提高，电取暖器逐渐成为人们家居必备的小家电产品之一，在市场上较为热销，成为许多家庭添置的热门商品。

随着城市建设的迅速发展，供暖面积的不断扩大，如何科学有效地控制和管理供暖系统，提高供暖的经济效益和社会效益，成为急需解决的重要课题据了解，目前房地产供暖主要包括热力集团集中供暖、小区锅炉供暖、家用天然气供暖、电供暖等方式。

但是，由于供暖管理体制、供暖技术等方面存在问题，导致各种供暖方式存在不同程度的缺陷：

如不能按住房需要提前或延长供暖季，并且供暖费用固定，不论用户是否居住，都得交供暖费，使得目前北京房地产项目中的供暖环节成为购房者投诉、退房的重要原因。

1.2课题研究的目的和意义

家用暖气如果用煤烧的话，既污染环境又不方便。

因此，开发一种使用方便、安全、简单的点控制器来自动控制暖器供暖，十分必要。

AT89C51单片机具有运行速度快、工作电压低、功耗低、输入输出驱动能力强（可直接驱动LED）、体积小、价格廉、指令简单易学易用等优点。

另外，它还集成了一系列具有独特功能的外围专用电路，例如振荡器、复位电路、监视定时器电路等；有些单片机还带有8位A/D转换部件，这样构成系统时可以减少外部元器件而降低系统成本。

目前，微控制器已广泛应用于家电控制、通讯、工业控制、智能仪器仪表、金融电子等许多领域。

鉴于以上优点，我们选用单片机为家用电暖器设计控制器。

1.3国内外电暖器研究的现状及其存在的问题

目前许多省市已开始实行该政策。

研发具有蓄热功能的电暖器，是近期电暖器行业关注的方向。

该类电暖器可利用低谷电蓄热，蓄存热量可随时供采暖使用。

这不仅有利于缓解峰谷差，降低城市的燃煤污染，而且在实行峰谷电价分计的地区可节约运行费用，因此有广阔的应用前景。

远红外电暖器求用远红外辐射加热技术。

因远红外线较其它红外线更易被辐射物体所吸收，穿透力强，可以使人体直接感受到热量做到开机即暖。

所以，它不受空间环境限制，即使在密封条件较差、空间较大、阴暗潮湿甚至室外使用。

只要距离适当，都能达到转佳取暖效果。

尤其是中午时间较短，在不可能迅速提升整个室温的前提下，只要你置身于它的辐射范围之内，就会感到温暖舒适。

远红外电暖器有石英管和卤素管之分，困石英管电暖器有红光灼热的缺点，加之寿命较藕，所以被逐步改良成卤素管远红外电暖器。

卤素管属于密封一体化元件，管内充有卤素气体，可以有效保证内部电热丝寿命，同时．它亮度比石英管更强，辐射热量更大，为此大都在机前设置一个晶格散热网．来有效降低反射亮度，使透出的光线柔和，辐射适中。

远红外电暖器的最大忧势在于它适中的价格，几十上百元的价位，深爱市场认可，已成为许多普通家庭的必备品。

目前以电采暖的新型采暖方法也是花样繁多，进口产品也不少，有美国、法国欧式等方式；有分户集中空调、立式电暖器、红外加热、电热膜、低温地板辐射和蓄热式等多种结构，但效果都不够理想。

据报道，新型采暖方式聚焦效果差、费用高两个问题，也是电暖器设计的两个难题。

所以解决电暖器这两个难题必需走技术创新的道路。

在日本，卤素管电暖器（hagogenheater）市场曾经达到近300万台的规模。

但随后开始缩减，目前据估计仅有150万台的规模。

而与此同时，对于高端远红外线取暖器的需求则在不断扩大整个市场展示出来的趋势是分为高端和低端两大产品类型。

在日本国内场．采用电能、煤气或汽油的各种取暖设备都能买到。

就电取暖产品而言，专业制造厂商在市场进八方面比那些大型电器制造企业更为积极。

这部分市场的实际规模很难把握。

制造商通过开发高端产品．如具有更高附加值的产品来区别于低端产品，从而扩大它们的市场份额。

从2007年9月1日开始，三洋电子公司开始为秋冬销售大战而推出各种型号的电暖器，包括远红外线电暖器、带有电解水除菌功能（细菌清洗器）和加湿功能的陶瓷风扇式电暖器RSF—VWl3A。

远红外线电暖嚣产品包括高端型号的“远红外金属加热”RX—FXl2。

两种远红外套管电暖器（不锈钢电暖器套管），其功率强大，可达到1200W。

据说这种远红外线符合远红外协会的标准。

而且RX—FXl2的颈部还可以垂直或水平晃动或者自动在70。

的范围内散发热量。

1.4本课题研究的内容和目标

1.4.1研究内容

本课题的研究内容有如下几点:

（1）通过单片机控制电暖器的最大功率及最小功率；

（2）根据室温自动调节初始功率的大小；

（3）通过数码管显示当前档位及功率；

（4）研究传感器的相关功能；

（5）实现安全报警功能；

1.4.2研究目标

本系统采用以AT89C51单片机作为核心器件实现对电暖器系统的自动控制，通过DS18B20[2，16，17]数字式传感器对室温进行采集和转换，将转换的数字信号传递给单片机，单片机对信号进行处理，根据采集到的温度实现初始功率的调节。

单片机通过对可控硅导通角的调节来控制调节电暖器发热丝的电压，达到电暖器功率调节的目的。

由LED数码管驱动显示电路显示电暖器的功率及当前档位，并通过按键调节档位的高低和控制电暖器的启停。

采用热释电红外传感器检测人体的存在，系统通过对人体的存在信号的识别和智能判断是否报警及切断电源。

2系统设计方案的研究

2.1总系统设计方案

2.1.1总系统设计方案描述

采用AT89C51[1,2,3]单片机作为核心器件实现对电暖器系统的自动控制，通过DS18B20数字式传感器对室温进行采集和转换，将转换的数字信号传递给单片机，单片机对信号进行处理，根据采集到的温度实现初始功率的调节。

单片机通过对可控硅导通角的调节来控制调节电暖器发热丝的电压，达到电暖器功率调节的目的。

由LED数码管驱动显示电路显示电暖器的功率及当前档位，并通过按键调节档位的高低和控制电暖器的启停。

采用热释电红外传感器检测人体的存在，系统通过对人体的存在信号的识别和智能判断是否报警及切断电源。

控制器工作原理框图如图2.1所示。

图2.1AT89C51单片机控制系统框图

2.1.2系统电路原理图

图2.2系统电路原理图

如图2.2所示，该电路[4,5]主要由电源电路，温度采集转换电路，可控硅调压电路，按键输入，报警电路，数码管扫描显示电路及热释电红外传感电路组成。

2.2主要模块的方案论证比较

2.2.1传感器的选择

方案一：

采用热敏电阻。

热敏电阻价格便宜，对温度灵敏，原理简单，但线性度不好，如不进行线性补偿，对于本设计归一化输出的要求，难于达到设计精度；如要对非线性进行补偿，则电路结构复杂，难于调整。

故不采用。

方案二：

采用热电偶。

热电偶在测温范围内热电性质稳定，不随时间变化而变化，电阻温度系数小，导电率高，比热小，但热电偶一般体积较大，使用不方便，价格相对较高。

作为一个电暖器的温度传感器，要求体积小，使用方便，便于携带，故此方案不合适。

方案三：

采用DS1820数字温度传感器。

DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。

DS1822的精度较差为±2°C。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

适合于恶劣环境的现场温度测量。

具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域[16]。

该方案能完全满足此设计的要求，故采用此方案。

2.2.2电源模块的选择

采用普通的直流电源实现电路简单，而且采用集成电源芯片设计的直流电源电压比较稳定，完全满足系统各模块的供电要求，但是普通直流电源体积比较大，变压器的散热对测温精度也有影响，所以，选用220V交流电经变压器市降压、桥式整流、电容滤波后由7812、7805、7905三端集成稳压管分别得到＋12V、+5V、-5V电压，给整个电路供电。

完全满足AT89C51和DS18B20等各模块的工作电压范围。

2.2.3显示模块的选择

由于显示模块只需要对所测的电压值和档位进行显示，且考虑到通用性和物美价廉，故采用LED数码管[8]显示。

2.2.4热释电红外传感器的工作原理

图2.3热释电红外传感器

图2.3是一个双探测元热释电红外传感器[14,15]的结构示意图。

使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。

该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。

它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。

对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。

制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2～20um。

为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。

这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。

人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性如下：

人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10µM左右的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的10µm左右的红外线而进行工作的。

人体发射的10µm左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。

红外感应源采用热释电元件，这种元件在接受到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生由人体存在的信号。

（1）这种探头是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为10µm左右的红外辐射非常敏感。

（2）为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。

（3）人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元，而且制成的两个电极化方向相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。

（4）一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被人体存在传感器的热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而输出有人体存在的信号。

（5）菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。

人体传感器透镜的信号采集敏感区示意图如图2.4：

图2.4信号采集敏感区示意图

有人进入时，移动人体发出的红外线被红外传感器接收，则人体存在被感应，并输出高电平。

若人体进入最不敏感移动方向时，则人体传感器所体现的信号就会不理想，有时还会产生误动作，所以要特别注意人体传感器的安装方向。

3主要电路设计与参数计算

3.1电源电路模块电路设计

图3.1电源电路图

如图3.1所示，220V交流电经变压器降压、桥式整流、电容滤波后由7812、7805、7905三端集成稳压管分别得到＋12V、+5V、-5V电压。

给整个电路供电。

3.2温度采集模块电路设计

图3.2温度采集转换电路

3.2.1DS1820简介

DALLAS[18,19]最新单线数字温度传感器DS18B20简介新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。

一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。

DS1822的精度较差为±2°C。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

适合于恶劣环境的现场温度测量，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。

而且新一代产品更便宜，体积更小。

DS18B20、DS1822的特性DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。

可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。

分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

DS18B20的性能是新一代产品中最好的！

性能价格比也非常出色！

DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。

省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2°C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。

继“一线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。

DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。

图3.3DS18B20

DS18B20的管脚排列如下:

　　DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

3.2.2温度采集转换原理

DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:

用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

　　这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

　　例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。

　　DS18B20温度传感器的存储器：

　　DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。

　　暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。

第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。

第六、七、八个字节用于内部计算。

第九个字节是冗余检验字节。

　　该字节各位的意义如下：

　　TMR1R011111

　　低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。

在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。

R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：

（DS18B20出厂时被设置为12位）

　　分辨率设置表:

　　R1R0分辨率温度最大转换时间

　　009位93.75ms

　　0110位187.5ms

　　1011位375ms

　　1112位750ms

　　根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：

每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。

　　DS1820使用中注意事项

　　DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：

（1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。

在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。

（2）在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。

当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。

　　（3）连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。

试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。

当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。

这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。

因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。

　　（4）在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。

这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。

3.3报警模块电路设计

图3.4报警器结构框图

如图3.5所示，通过热释电红外传感器感应人体存在与否的信号，将信号传递给单片机，由单片机设定延时时间如5分钟，当人体离开超过5分钟以上，驱动喇叭发出报警声。

图3.5报警电路

3.4显示驱动模块的设计

图3.6数码管显示电路

3.5PID算法的分析

在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。

它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋