NANCHANG UNIVERSITY GONGQING COLLEGE 学 士 学 位 论 文(设 计) THESIS OF BACHELOR (2010—2014 年) 中文题目: 智能热水器温度控制系统的设计 英文题目: Intelligent Temperature Control System of Electric Water Heater 学 院: 南昌大学共青学院 系 别: 工程技术系 专业班级: 1 0 电气工程及其自动化 2 班 学生姓名: 樊素强 学 号: 8110210055 指导教师: 燕贤青 二 ○ 一 四 年 五 月 学士学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。 除了 文中特别加以标注引用的内容外, 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体, 均已在文中已明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 本人签名: 日期: 南昌大学共青学院毕业设计(论文) 摘要 I智能热水器温度控制系统的设计 摘 要 本次设计采用 ATMEL 公司生产的 AT89S51 芯片作为智能电热水器的控制芯片, 对该芯片的引脚和功能做了 详细的介绍。 在硬件系统设计方面, 对温度检测电路、 LED 显示电路、 报警电路、 加热电路等进行了分析和设计。 在软件设计方面, 采用汇编语言程序编程, 汇编语言易于为单片机所识别, 而且执行速度快。本次设计所用到的芯片主要有 AT89S51,DS18B20, 7920A 等。 它的主要功能是利用集成温度传感器 AT89S51 作为传感元件, 集成放大器作为放大电路, A/D 转换器作为数据采集器件, 单片机作为数据处理器件, 数码管作为显示器件。 设计最终目的为了 要实现一个能对重量信息进行实时数据采集、 处理及显示, 并可用键盘设定阈值。 该智能电热水器设计完善, 设计方案简单易行, 采用软件设计控制,可以实现智能检测水温, 智能加热, 并且提高整机的可靠性和准确性。 关键词: 单片机; PID 控制; 智能温控系统 南昌大学共青学院毕业设计(论文) Abstract IIAbstract This design uses ATMEL Corporation AT89S51 chip as smart electric water heater controller chip, the chip is pin and function made a detailed presentation. In the hardware system design, temperature detection circuit, LED display circuit, alarm circuit, heating circuit are analyzed and design. In software design, the use of assembly language programming, assembly language is easy to identify the microcontroller, and fast execution speed. The design of the chips used mainly AT89S51, DS18B20, 7920A and so on. Its main function is to use the integrated temperature sensor AT89S51 as the sensing element, integrated amplifier for amplifying circuit, A / D converter as a data acquisition device, the microcontroller as a data processing device, a digital display. The ultimate goal of the design in order to be able to achieve a weight information real-time data acquisition, processing and display, and keyboard can be used to set thresholds. The smart electric water heater designed, the design is simple, using software designed to control the water temperature can be achieved intelligent detection, intelligent heating, and improve the reliability and accuracy of the machine. Keywords: single-chip microcomputer; PID controller; intelligent temperature control system 南昌大学共青学院毕业设计(论文) 目录 目 录 摘 要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I I 第一章 绪论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 1 智能热水器温度控制系统设计的研究目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 2 智能热水器温度控制系统设计的研究背景和意义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 3 国内智能热水器温度控制系统的研究现状以及发展趋势 . . . . . . . . . . . . . 1 第二章 智能热水器温度控制硬件设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2. 1 智能热水器温度控制系统设计的结构框图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2. 2 智能热水器温度控制系统设计的各部分的功能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. 2. 1 温度采集模块 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. 2. 2 显示模块 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2. 2. 3 电加热模块 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2. 2. 4 音乐报警模块 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2. 2. 5 漏电检测电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2. 2. 6 简绘热水器水位测量系统的结构图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2. 3 热水器温度控制系统设计的控制部分的要求 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2. 4 AT89S51 芯片的介绍 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2. 5 数据采集和加热模块的选择及 I/O 接口的设置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 第三章 程序的设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3. 1 主程序 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 南昌大学共青学院毕业设计(论文) 目录 3. 2 温度传感器 DS18B20 模块 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3. 3 LED 显示模块 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3. 4 键盘控制模块 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 总 结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 致谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 附 录 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 南昌大学共青学院毕业设计(论文) 第一章 绪论 1第一章 绪论 1.1 智能热水器温度控制系统设计的研究目的 本设计的的研究内容是温度控制系统, 其控制的对象是温度, 也就是温度控制。 温度控制在日常生活以及工业领域应用相当广泛, 比如温室、 水池、 印刷行业、 化工、 石油、 冶金、 航空航天、 机械制造、 粮食存储、 葡萄酒生产等场所的温度控制。 在很早以前温度控制是由人工操作来完成的, 而且人们都不够重视,其实在很多场所温度都需要监控以避免发生意外, 造成不必要的损失。 针对此问题, 本系统设计的研究目的是实现一种可连续高精度调温的温度控制系统, 应用于热水器, 是一款既实用方便又廉价的智能控制系统。 1.2 智能热水器温度控制系统设计的研究背景和意义 温度控制无论是在工业生产过程中, 还是在日常生活中都起着非常重要的作用, 过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用, 从而造成水资源的巨大浪费。 特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下, 我们更应该掌握好对水温的控制, 把身边的水资源好好地利用起来。 在现代冶金、 石油、 化工及电力生产过程中, 温度是极为重要而又普遍的热工参数之一。 在环境恶劣或温度较高等场合下, 为了 保证生产过程正常安全地进行, 提高产品的质量和数量, 以及减轻工人的劳动强度、 节约能源, 要求对加热炉炉温进行测、 显示、 控制, 使之达到工艺标准, 以单片机为核心设计的炉温控制系统, 可以同时采集多个数据, 并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。 那么无论是哪种控制, 我们都希望水温控制系统能够有很高的精确度(起码是在满足我们要求的范围内), 帮助我们实现我们想要的控制, 解决身边的问题。 在计算机没有发明之前, 这些控制都是我们难以想象的。 而当今, 随着电子行业的迅猛发展, 计算机技术和传感器技术的不断改进, 而且计算机和传感器的价格也日益降低, 可靠性逐步提高, 用信息技术来实现水温控制并提高控制的精确度不仅是可以达到的而且是容易实现的。 用高新技术来解决工业生产问题, 排除生活用水问题实施对水温的控制已成为我们电子行业的任务, 以此来加强工业化建设, 提高人民的生活水平。 南昌大学共青学院毕业设计(论文) 第一章 绪论 21.3 国内智能热水器温度控制系统的研究现状以及发展趋势 近年来, 我国城镇居民家庭中也开始呈现出家庭中央热水化趋势, 在武汉地区, 这一趋势的表现犹为明显, 以前风光无限的燃气热水器开始慢慢退出市场,市场份额仅剩不足 20%。 家庭中央热水系统正逐渐被消费者接受。 家庭中央热水化趋势的形成源于国内近年来的房地产开发特征。 虽然近两年来小户型成市场热点, 但综合来看, 100 平米以上的三房才是迎合三口之家甚至三代同堂的中国家庭需要的主流户型, 因此对于家庭热水的需求也随之增长。 尤其经过近几年 150 平米以上大户型广受开发商追捧的沉淀之后, 对于满足大户型需要的家庭中央热水器的需求自然随之增长。 本设计是基于 AT89S51 单片机的智能电热水器的控制器的设计, 要达到的智能控制要求有:  设置四个数码管显示当时水温。  水的温度检测显示范围为 0~100℃, 精度为±0.5℃。  温度预设范围为 25~60℃, 当检测温度低于预设温度 2℃时, 控制系统开始加热; 并检测其温度高于预设温度 2℃时, 就停止加热。  报警设置: 高温报警: 当检测温度高于 60℃时, 自动报警。 低温报警: 当检测温度低于 0℃时, 自动报警。 缺水报警: 当储水箱内缺水时, 自动报警。 漏电报警: 当热水器发生漏电情况时, 自动报警。  设置一个音乐器, 如果热水器出现异常情况而报警时, 由音乐器发出警报声, 并自动切断加热元件的供电。 南昌大学共青学院毕业设计(论文) 第二章 智能热水器温度控制硬件设计 3第二章 智能热水器温度控制硬件设计 2.1 智能热水器温度控制系统设计的结构框图 经过对所要设计的控制系统的功能要求进行分析, 可以得道系统的总体硬件设计框图, 如图 2.1 所示。 由系统的总框图可以看出该系统的工作原理为: 单片机 89S51 作为控制核心并协调整个系统的工作, 通过数字温度传感器检测当前水的温度, 由于数数字信号就直接送入单片机 89S51 内, 通过单片机的处理在 LED 数码管上显示当前的温度值。 使用模糊 PID 控制水温的变化及其变化率, 让水温达到理想的的设定温度,缩小其误差范围, 使其更精确和稳定。 在工业控制中, PID 控制是工业控制中最常用的方法。 但是, 它具有一定的局限性:当控制对象不同时, 控制器的参数难以自动调整以适应外界环境的变化。 为了 使控制器具有较好的自适应性, 实现控制器参数的自动调整, 可以采用模糊控制理论的方法。 按键用来设定想要的温度值, 单片机在内部通过比较设定的温度和当前温度,温度值在时时检测, 达到控制目的。 图 2.1 系统总体硬件框图 南昌大学共青学院毕业设计(论文) 第二章 智能热水器温度控制硬件设计 42.2 智能热水器温度控制系统设计的各部分的功能 智能热水器控制系统的主体部分为 51 系列单片机芯片, 其外围电路由温度采集模块、 电加热模块、 显示模块、 以及音乐报警模块构成。 单片机部分主要用...