【正文】 ............................... 29 致謝 .................................................................................................................................... 30 參考文獻 ........................................................................................................................... 31 附錄 .................................................................................................................................... 32 附錄 A 系統(tǒng)整體電路圖 ......................................................................................... 32 附錄 B 部分源程序 ................................................................................................. 33 太原科技大學畢業(yè) 設(shè)計 I 摘要 本文完成了即熱式電熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)選用 AT89C52 作為主控制器，同時結(jié)合鍵盤模塊、顯示模塊、時鐘模塊、溫度采集模塊、水流檢測模塊和驅(qū)動模塊等完成硬件電路的設(shè)計。通過 PID 控制算法控制熱水器的出水溫度，利用 C 語言完成電熱水器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計；另外，采用“隔電墻”技術(shù)做漏電保護，保證洗浴過程中的安全。最后對系統(tǒng) 進行仿真，系統(tǒng)能正確顯示時間與溫度，準確控制加熱電路的通斷，達到了預期控制目標。 關(guān)鍵詞 ： AT89C52，電熱水器， PID 太原科技大學畢業(yè) 設(shè)計 II ABSTRACT The design of electric water heater control system is introduced in this paper. AT89C52 was selected, which is regarded as the main controller, and bines with the keyboard module, display module, clock module, temperature acquisition module, water flow detection module and drive module to plete the hardware circuit design. The water temperature is controlled through the PID, and the software design of electric water heater control system is pleted by using C language. In addition， the Safe Care is used to do earth leakage protection, to ensure the safety of bathing process. Finally, through the simulation of the system, it can display the time and temperature correctly, and the control of the heating circuit can be done accurately. In this way, the expected control objectives can be achieved in this design. Keywords: AT89C52, Electric Water Heater, PID 太原科技大學畢業(yè) 設(shè)計 1 引言 隨著科技在進步與發(fā)展，熱水器早已成為家用電器的一員。然而，市場上傳統(tǒng)的熱水器可靠性差，存在一定的安全隱患。老式而簡單的熱水器由于質(zhì)量差和技術(shù)落后等 原因，已經(jīng)越來越不被用戶所青睞，也就是說將逐步退出市場。現(xiàn)在人們的生活質(zhì)量提高了，人們期盼有一種既安全，又方便的熱水器，在浴室和廚房提供熱水。而智能化的熱水器正符合人們的這一需求。它能給用戶提供直觀、數(shù)字化的體驗，而且能精確地采集和控制環(huán)境中的水溫。這樣的熱水器，必將為家庭、小型飯店、賓館酒店提供配套服務。可以預見，在不久的將來，智能化熱水器將成為人們的首選，市場前景廣闊。 就國內(nèi)外的熱水器市場來看，目前的電熱水器除了行業(yè)內(nèi)部競爭以及與燃氣熱水器的競爭以外，還面臨著太陽能熱水器的競爭。但是不可否認的是，電熱 水器仍然占行業(yè)的主導地位。并且隨著科技的不斷進步，電熱水器也不再滿足于普通的加熱功能而已。越來越多的電熱水器往著智能化、節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展。部分高端熱水器還具有智能記憶功能，記憶用戶的用水習慣，在洗浴時間前自動提前加熱，非洗浴時段提供中溫生活用水，不僅讓用戶隨時隨地能享受到熱水，也更加節(jié)能。隨著電熱水器的智能化，相信市場前景會越來越好。 當前市面上的電熱水器分儲水式和即熱式。其中儲水式使用前需要的預熱時間長，使用過程中水溫無法調(diào)節(jié)，而即熱式電熱水器即開即熱，只需幾秒的預熱時間即可得到源源不斷的熱水供應。并 且儲水式電熱水器內(nèi)膽容量大，對安裝空間要求高，如果使用者過多就不能供應足夠多的熱水，洗澡未用完的熱水也會逐漸變冷，形成浪費；相比而言，即熱式電熱水器內(nèi)膽小，安裝便捷，使用時按照用戶個人需求提供熱水，不造成浪費，且減少耗能。而隨著國家電網(wǎng)的轉(zhuǎn)型，電費價格普遍下降，以及電力設(shè)施的改善，也表明了熱水器的發(fā)展前景。 由于熱水器的加熱過程是一個非線性系統(tǒng)，且存在較大的滯后性。采用 PID控制能達到較好地控制效果，可以較好的控制出水溫度，提供用戶一個舒適的洗浴環(huán)境。 針對上述問題，本次將設(shè)計一個即熱式電熱水器控制系統(tǒng)。該 控制系統(tǒng)將采用 PID 控制算法來完成對水溫的控制，解決水溫突變的狀況。 本文 對這次設(shè)計進行詳細介紹。 第 一 章介紹了系統(tǒng)的功能需求分析 與方案的太原科技大學畢業(yè) 設(shè)計 2 選取，并介紹了系統(tǒng)整體框架的設(shè)計 ；第 二 章講述了硬件系統(tǒng) 的 設(shè)計，硬件設(shè)計包括鍵盤電路、時鐘電路、溫度檢測電路、水流檢測電路、顯示電路、驅(qū)動加熱電路等多個部分 ；第 三 章介紹了系統(tǒng) 控制算法的設(shè)計 ， 以及利用 MATLAB 對控制算法的仿真 ；第 四 章闡述了軟件系統(tǒng)設(shè)計，針對整體軟件系統(tǒng)流程 和各個子程序 流程進行了詳細介紹 ； 第 五 章 對系統(tǒng)進行了 Protues 仿真 ；第 六 章是本次設(shè)計的結(jié) 論 。 太原科技大學畢業(yè) 設(shè)計 3 第 1 章 系統(tǒng)功能需求分析與控制方案設(shè)計 本章主要內(nèi)容是根據(jù)本系統(tǒng)所要實現(xiàn)的主要功能，分別預設(shè)多種方案，在保證可行的前提下，結(jié)合經(jīng)濟性、便利性等原則，從中選出一種最佳的實施方案，進而在后續(xù)設(shè)計中得以實現(xiàn)。 功能需求分析 結(jié)合當前電熱水器的現(xiàn)狀，本次設(shè)計的電熱水器需要完成如下功能： 采集熱水溫度，為用戶提供熱水器的實際水溫信息； 用戶可以手動設(shè)置溫度和校正時間； 控制熱水器出水溫度穩(wěn)定，給用戶一個舒適的洗浴環(huán)境； 自動檢測熱水器的工作狀態(tài)，實現(xiàn)通水通電，斷水斷電，防止干燒； 做好漏電保護 ，保證用戶在使用過程中的用電安全。 硬件功能需求分析 結(jié)合上述的系統(tǒng)功能需求分析，硬件電路中需要具備以下幾個電路模塊，包括： 顯示電路，用來顯示時間、溫度信息； 鍵盤電路，用來手動設(shè)置時間、溫度； 時鐘電路，用來提供時鐘信號； 溫度采集電路，用來采集熱水器的水溫信息； 水流檢測電路，用來檢測熱水器的工作狀態(tài)； 加熱驅(qū)動電路，用來控制電熱水器的加熱工作。 在滿足實際功能需求，縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本的前提下， 本設(shè)計選擇ATMEL 單片機 AT89C52 為主要芯片，由時鐘模塊和溫度檢測模塊 為單片機提供時間和溫度，輸出至液晶屏顯示，通過按鍵更改時間與預設(shè)溫度，并由單片機輸出控制加熱驅(qū)動模塊對熱水進行加熱。系統(tǒng)整體框圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)框圖 太原科技大學畢業(yè) 設(shè)計 4 軟件功能需求分析 結(jié)合當前科技環(huán)境使用情況，軟件設(shè)計選擇 C 語言來進行編程，結(jié)合硬件方案的設(shè)計，本設(shè)計需要實現(xiàn)溫度采集、時間顯示、 驅(qū)動控制、鍵盤輸入等功能。軟件設(shè)計采用分塊編寫程序的方案。鍵盤掃描通過返回不同的鍵值來完成不同的按鍵功能；時間 顯示電路中液晶 與時鐘芯片 和 CPU 通信 各 需使用一路串口通信 [1]；溫度采集電路中 單片機通過 DS18B20 訪問 協(xié)議（ protocol）與 DS18B20 通信；驅(qū)動控制使用中斷來產(chǎn)生 PWM。 軟件方面最主要的是多功能的相互配合切換。 控制方案設(shè)計 ： 顯示模塊主要通過顯示包括時間、預設(shè)溫度和實時溫度等信息，讓用戶直觀明了的了解電熱水器當前水溫以及工作狀態(tài)。因此需要一款顯示清晰，性 能可靠穩(wěn)定的顯示屏。 目前主流的顯示器有 LED 數(shù)碼管和 LCD 液晶屏。數(shù)碼管應用廣泛，顯示亮度高且電路連接簡單。但是不能顯示字符，不能滿足本設(shè)計的顯示需求。而 LCD液晶顯示屏具有靈活多變，重量輕，占地小，功耗低、畫面豐富的優(yōu)點。指令操控簡單，顯示內(nèi)容多樣，可以雙行顯示，可以顯示字符、字段，顯示英文、阿拉伯數(shù)字、漢語等。滿足本模塊的顯示需求，且畫面質(zhì)量高，顯示清晰穩(wěn)定。 綜上所述，考慮本次設(shè)計需要的顯示量較多且含有字符，故選擇 LCD1602作顯示屏。 ： 本設(shè)計需要為用戶提供準確的實時時間，故 需要單片機來提供時鐘信息。 方案一： 由單片機提供時鐘信息。單片機內(nèi)部具有多個定時器，通常可由定時器中斷實現(xiàn)時鐘功能，十分方便。但由于系統(tǒng)晶振誤差、溫漂、中斷響應時間的不確定性及定時器重新裝載時間常數(shù)所帶來的誤差，使得最終計時的誤差偏大，決定它不能用來作為時鐘的時間基準。 方案二：選擇時鐘芯片。時鐘芯片內(nèi)都集成了時鐘、日歷功能，高性能、低功耗，且具有閏年補償?shù)葍?yōu)點，外圍電路非常簡單并具有掉電保護功能，給時鐘系統(tǒng)設(shè)計帶來很多方便。 由于本設(shè)計中需要定時器產(chǎn)生 PWM，無法再用來提供時鐘，所以選擇 DS1302太原科技大學畢業(yè) 設(shè)計 5 時鐘芯 片來提供時鐘信息。 ： 本設(shè)計采集實時的水溫信息并提供給用戶，讓用戶知道當前水溫以便調(diào)節(jié)自己所需水溫。故此需要通過溫度傳感器檢測水溫并將信息傳送至單片機處理。 目前主流的溫度傳感器有 熱敏電阻 傳感器和數(shù)字溫度傳感器等 。傳統(tǒng)的溫度檢測大多以熱敏電阻為傳感器，采用熱敏 電阻 ，可滿足 40℃ 至 90℃的 測量范圍 。但熱敏電阻可靠性差，測量溫度 精度 低，對于 1℃精度 的信號是不適用的，還得經(jīng)過專門的接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能由 單片機 進行處理 [2]。 至于 數(shù)字溫度傳感器 ， 常用的有 DS18B20，它能將采集到的 溫度信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并且方便進行多點溫度采集，功耗也非常低，并且僅有一根總線傳輸，直接與單片機端口連接，電路非常簡單，主要通過編程來計算溫度 [3]。并且有很好的溫度分辨率，最大溫度分辨率高達 ℃， 測溫范圍相對較寬，可達 55℃ 到 125℃ 。 綜合考慮， 數(shù)字溫度傳感器測溫范圍廣，精度高，且電路簡單，故本設(shè)計 選擇 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器 。 ： 本設(shè)計需提供用戶手動校正時間與設(shè)置溫度的功能，所以需要設(shè)計鍵盤來讓用戶輸入時間、溫度信息。以下有兩種方案可供選擇。 方案一： 獨立式按 鍵 。 每個按鍵單獨與單片機的 I/O 接口連接，每個 I/O 口的工作狀態(tài)互不影響，采用端口直接掃描的方式，缺點是 每個按鍵都 占用單片機的 一個 I/O 口 。 方案二： 行列式鍵盤。 行列式鍵盤工作原理是單片機內(nèi)部對 I/O 接口進行行列掃描來確定哪一個鍵被按下，當按鍵較多時可以降低占用單片機的 I/O 口數(shù)目?？梢蕴岣邌纹瑱C端口的利用率 。 本設(shè)計只需要 5 個按鍵完成溫度、時間的設(shè)置，選擇獨立按鍵即可滿足設(shè)計需求。 由于即熱式電熱水器功率較高，需要一個檢測裝置檢測加熱管內(nèi)的水流情況并反饋給單片機，通過單片機控制加 熱管加熱，防止干燒的情況出現(xiàn)。 方案一：超聲波水流傳感器。測量精度高，測量范圍大。但容易受到溫度、太原科技大學畢業(yè) 設(shè)計 6 噪聲等的干擾，受到單片機頻率限制，且價格較高，不適合本次設(shè)計。 方案二：霍爾水流傳感器?；魻杺鞲衅黧w積小，功耗小，容易安裝到通水管內(nèi)，工作溫度范圍廣，在工作溫區(qū)精度小于 1%，適用于溫度變化較大的場合。 綜上所述，方案一對被測環(huán)境要求較高，而方案二的適用范圍廣，且檢測精度滿足設(shè)計需求。所以本模塊選擇霍爾傳感器。 ： 單片機輸出的信號是小功率的直流信號，無法直接控制 220V 電壓下加熱絲的工作 。因此需要在單片機與加熱絲之間連接一個隔離驅(qū)動電路。 方案一：通過電磁繼電器控制。將繼電器線圈接在控制回路中，常開觸點接在加熱電路中。通過控制通過繼電器線圈的電流來控制觸點的閉合與斷開，達