基于单片机的电热水器温度控制系统设计本科毕业设计论文Word文档格式.docx
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目前市场上的电热水器又连续水流式和贮水式，前者虽具有加热速度快和体积小的优点，但需要的功率大，大多数家庭供电线路难以承受。
而市场上传统的机械式电热水器控制功能不完善,而且精度低、可靠性差，生活质量的提高使得消费者对电热水器要求越来越趋向于智能化和数字化，因此我们采用ATMEL生产的TC89S51单片机作为控制中心设计了这款智能家用电热水器。
1.2研究的背景及意义由于消费水平的提高和人们对生活品质要求的提高，热水器已由一个高档的奢侈品成为一种必备的家庭用具，受到越来越多人的青睐。
而电热水器已经成为今后热水器市场的发展方向。
因为气价涨了，而电价却降了；
电热水器使用安全、卫生、又无污染。
今后几年我国电热水器市场将呈现强劲增长势头，其产品质量、技术水平、服务规范将不断提升，价格也会下降。
我国过去的热水器市场一直以燃气热水器为主，近年来电热水器逐渐占据了部分市场成为主导，并且代表了未来的发展趋势。
随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。
伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易地做到多点的温度检测，如果对其原理稍加改进，我们还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。
在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。
例如：
在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。
采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。
1.3本文的主要研究内容和研究对象当今，单片机的技术已经非常成熟了，它集成度高、功能强、存储量大、速度快、抗干扰性强和指令丰富等的优点，使它的应用遍及各个领域。
本系统设计一个基于用AT89C51的水温控制系统，能在一定的范围内采集监控水温，控制精度有所提升，同时具有较好的快速性，报警，显示等功能且价格低廉，具有很高的工程应用价值和现实意义。
整体设计思路：
采用单片机AT89C51为核心。
用温度传感器DS18B20采集温度变化信号，通过单片机处理后监控温度，并完成液晶显示、报警等操作；
其中传感器用于检测实时水温，LCD显示屏用于显示采集的温度数值，当水温超过设定值时，报警装置进行报警，加热器停止加热；
当水温低于设定值时，加热开关断开，温度回落。
第二章基于单片机的电热水器温度控制系统设计2.1电热水器控制系统功能说明本课题采用单片机为主控芯片来设计电热水器温度控制系统，主要功能如下：
1测量并采集热水器内的温度，并通过显示器实时显示水温，显示范围为090；
2正常状态下实时显示时钟；
3在温度未达到或超过设定值时报警系统作用；
4当温度低于设定值时，电热丝进行加热；
当温度超过设定值时，加热开关停止加热，温度下降。
2.2整体设计方案采用单片机AT89C51为核心。
其中传感器用于检测实时水温，LCD显示屏用于显示采集的温度数值，当温度低于设定值时，电热丝进行加热；
当水温高于设定值时，加热停止，温度回落。
图2-1系统硬件方案微控制器模块AT89C51水温采集装置键盘电路复位电路实时时钟加热开关报警电路LCD显示电路第三章系统硬件结构设计3.1系统整体设计线路图图3-1系统整体电路图3.2最小系统介绍单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。
最小系统原理图如图3-2所示。
图3-2最小系统电路图3.2.1复位电路复位电路是一种用来使电路恢复到起始状态的电路设备，它的操作原理与计算机有着异曲同工之妙，只是启动原理和手段有所不同。
单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。
89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。
单片机系统的复位方式有：
手动按钮复位和上电复位。
1、手动按钮复位手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。
一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。
当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。
由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。
2、上电复位AT89C51的上电复位电路即只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。
对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1uF。
上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。
为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。
上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；
晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。
当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。
另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。
如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。
3.2.2振荡电路图3-3振荡电路图单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。
在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。
高级的精度更高。
有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。
晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。
单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。
通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。
有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。
晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。
如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。
STC89C51使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。
3.3温度采集电路方案本部分电路主要通过传感器来实现对温度的测量，本系统选用的是DS18B20传感器，DS18B20是美国DALLAS公司继DS1820之后推出的增强型单总线数字温度传感器。
它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
3.3.1DS18B20的介绍1.DS18B20的结构DS18B20主要由寄生电源、温度传感器、64位串行ROM单线接口、存储中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM）、用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余检验码（CRC）发生器部分。
DS18B20管脚排列如图3-4所示：
图3-4DS18B20的引脚图本设计使用的是三引脚的产品。
其中，1号引脚接地，2号引脚接数据端，3号引脚接电源。
2.DS18B20的主要特点数字型智能温度传感器有以下主要特点：
（1）适应电压范围更宽，电压范围：
3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的单总线上，实现组网多点测温。
（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
（5）测温范围55125，在-10+85时精度为0.5。
（6）温度分辨力可编程。
DS18B20的数字温度输出可进行912位编程。
在实际应用时，需要在分辨力与转换时间两者之间权衡考虑。
当DS18B20工作在12位分辨力时，温度与数字输出的对应关系见表3-1：
表3-1DS18B20输出数据与温度的对应关系温度/数字输出（二进制）数字输出（十六进制）+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+25.062500000001100100010191H+10.125000000011010001000A2H+0.500000001101010000008H000000000000000000000H-10.1251111111101011110FF5EH-25.06251111111001011111FE6FH-551111110010010000FC90H（7）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
3.DS18B20测温原理用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。
计数器被预置到对应于-55的一个值。
如果计数器在门周期结束前达到0，则温度寄存器（同样被预置到-55）的值增加，表明所测量的温度大于-55。
同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。
然后计数器又开始计数直到0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程。
斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期待在测温时获得比较高的分辨力。
这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的值来实现的。
因此，要想获得所需的分辨力，必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。
温度测量电路的方框图如图3-5所示：
图3-5DS18B20测温原理图3.3.2测温电路本文中测温电路主要使用DS18B20传感器，通过P3.7口与单片机相连，实现数据的传递。
其具体硬件原理图如图3-6所示：
图3-6测温电路原理图DS18B20芯片有两种供电方式：
寄生电源供电方式和外部电源供电方式。
本文采用的是外部电源供电方式。
在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在理论上总线上可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。
注意：
在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85。
外部电源供电方式是DS18B20的最佳工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统，在外接电源方式下，可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3V，依然能够保证温度量精度。
在实际应用中还需要注意的是，连接DS18B20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，读取的温度数据将发生错误，当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通信距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通信距离进一步加长，这种情况主要是由总线分布电容使信号波形发生畸形造成的，因此，在用DS18B20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。
3.4继电器控制电路图3-7继电器控制电路设计图该部分通过单片机的P口输出的高低电平来控制固态继电器的通断，从而决定电热丝是否加热，当P口输出低电平时，加热电阻通电，周围的温度缓慢升高，DS18B20测得的温度值也升高；
当P口输出高电平时，加热电路断开，温度回落。
3.5键盘电路键盘是单片机系统设计中必不可少的组成部分，是系统与用户之间信息交流的途径之一。
键盘是一组按键的集合，它是最常用的单片机输入设备。
键盘，通常包括有数字键（09）、字母键（AZ）以及一些功能键。
操作人员可以通过键盘向单片机输入数据、地址、指令或其他控制命令，实现人机对话。
通过键盘输入数据，用户可以将控制指令传递给系统，并对系统的运行状态进行设置，使得系统能够按照用户的要求工作。
根据需要的键盘数量的分为独立式键盘和矩阵式键盘。
本次设计采用独立式键盘，就是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线。
独立式键盘电路配置灵活，软件结构简单、方便。
图3-8键盘电路3.6实时时钟电路实时时钟的缩写是RTC（Real-TimeClock）。
RTC是集成电路，通常称为时钟芯片。
本设计采用串行实时时钟芯片DS1302。
DS1302时钟芯片包括实时时钟/日历和31字节的静态RAM。
它经过一个简单的串行接口与微处理器通信。
实时时钟/日历提供秒、分、日、周、月和年等信息。
DS1302的性能特征如下：
31*8位暂存数据存储RAM；
串行I/O口方式使得引脚数目最少；
2.55.5V满度工作范围（还有2.05.5V满度工作范围可供选择）；
2.5V时耗电小于300nA；
用于时钟或RAM数据读/写的单字节或多字节（脉冲方式）数据传送；
8引脚DIP或可选的用于表面安装的8引脚SOIC封装；
可选的工业温度范围-40+85。
3.6.1DS1302管脚图和管脚说明
（1）DS1302为8管脚芯片，其管脚排列如图3-9所示：
图3-9DS1302管脚排列图
（2）DS1302的管脚功能说明：
Vcc主电源X1,X2振荡源GND地线/RST复位/片选线I/O串行数据输入/输出端（双向）SCLK串行数据输入端Vcc1后备电源DS1302连接原理图如图3-10所示：
图3-10实时时钟电路3.7显示电路我们对液晶显示器并不陌生。
液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。
在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：
发光管、LED数码管、液晶显示器。
发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，在前面章节已经介绍过，在此不作介绍，本章重点介绍字符型液晶显示器的应用。
在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：
（1）显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。
因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
（2）数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
（3）体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
（4）功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。
1.液晶显示简介：
（1）液晶显示原理液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
（2）液晶显示器的分类液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。
除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。
如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）和主动矩阵驱动（ActiveMatrix）三种。
2.液晶显示器各种图形的显示原理：
（1）线段的显示点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168=128个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。
例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；
当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；
当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。
这就是LCD显示的基本原理。
（2）字符的显示用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1
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