【正文】 ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 本 科 畢 業(yè) 論 文 電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)的研究Research on Control System of Electric Water Heater Temperature and Water Level院（部）名稱： 電子信息與電氣工程 專業(yè)班級： 自動化（專升本）2011級 學生姓名： 學 號： 指導教師姓名： 指導教師職稱： 高級實驗師 講師 2013年 5 月目 錄摘要： IAbstract II引言 1第一章 系統(tǒng)方案設計 3 3 系統(tǒng)總體方案的選擇 3 4 5第二章 元器件介紹及硬件電路設計 6 元器件介紹 6 溫度傳感器 6 單片機AT89C52 8 LCD1602液晶屏 9 超聲波測距儀 10 鍵盤 11 硬件電路設計 11 溫度采集電路 11 溫度控制電路 12 LCD1602液晶顯示電路 12 13 14II 14 15第三章 系統(tǒng)軟件設計 17 17 17 17 LCD1602顯示程序流程圖 19 溫度采集處理程序 20 20 21 22第四章 實驗測試 24 LCD1602顯示“ABCD1234” 24 24 24結論 26致謝 27參考文獻 28附錄A 29附錄B 30電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)的研究摘要：本設計介紹了一種以AT89C52單片機為控制核心、以一種新型的可編程溫度傳感器（DS18B20）為溫度采集器件來實現(xiàn)水溫水位控制系統(tǒng)。文章著重介紹核心器件的選擇、各部分電路及軟件的設計。AT89C52單片機完善的內部結構、優(yōu)良的性能和強大的中斷處理能力，決定了該控制系統(tǒng)的特點：電路結構簡單、程序簡短、系統(tǒng)可靠性高等。水位以AT89C52單片機檢測缺水溢流，實現(xiàn)自動控制，溫度檢測采用新型的可編程溫度傳感器（DS18B20），不需要復雜的信號調理電路和A/D轉換電路，能直接與單片機完成數(shù)據(jù)的采集和處理，采用LCD1602液晶實時顯示溫度值，并由語音模塊實時播報。實現(xiàn)方便、簡單。本系統(tǒng)根據(jù)不同需要可用于各種場合。關鍵詞：單片機； DS18B20；LCD1602 ；語音播報；控制Research on Control System of Electric Water Heater Temperature and Water LevelAbstract：This design introduces a AT89C52 MCU as the control core, a new programmable temperature sensor (DS18B20) for the temperature acquisition device to achieve the water temperature control system. The design of this article mainly introduces the core device of choice, each part of the circuit and software. AT89C52 microcontroller perfect internal structure, excellent performance and powerful interrupt processing ability, determines the characteristics of the control system: the circuit structure is simple, quick, high reliability. The water level based on AT89C52 single chip microputer detecting water overflow, to achieve automatic control, programmable temperature sensor with temperature detection (DS18B20), do not need plex signal conditioning circuit and A/D conversion circuit, can be directly with the MCU to plete the data collection and processing, using LCD1602 liquid crystal display the temperature value, and the voice module realtime broadcast. Easy implementation, simple. This system can be used for a variety of occasions according to different needs.Key words：microcontroller ；DS18B20 ； LCD1602 ；voice broadcast；control；51引 言自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在電子技術的迅猛發(fā)展，以及自動控制理論和設計方法的推動下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化自適應參數(shù)自整定等方面取得了優(yōu)異成果。在這方面日本、美國、德國、瑞典等國技術處于領先地位，并且都生產出了一批商品化性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應用。 目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀器儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。 溫度控制系統(tǒng)在國內各行各業(yè)的應用雖然已經十分廣泛，但從國內生產的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等技術先進的國家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體技術水平處于20世紀80年代中后期水平。成熟產品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后復雜時變溫度系統(tǒng)控制，而且應用于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表國內的技術還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少。現(xiàn)在，我國在溫度等控制儀表業(yè)與國外還有著一定的差距。溫度、壓力，流量和液位是四種最常見的過程變量，其中溫度是一個非常重要的過程變量，因為它直接影響燃燒、化學反應、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結晶以及空氣流動等物理和化學過程。溫度控制在工業(yè)領域應用非常廣泛，由于其具有工況復雜、參數(shù)多變、運行慣性大、控制滯后等特點,它對控制調節(jié)器要求較高。溫度控制不好就可能引起生產安全，產品質量和產量等一系列問題。盡管溫度控制很重要，但是要控制好溫度常常會遇到意想不到的困難。隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術的快速發(fā)展及其在各個領域的廣泛應用，人們對電子產品的小型化和智能化要求越來越高，作為高新技術之一的單片機以其體積小、價格低、可靠性高、適用范圍大、本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢，在各個領域、各個行業(yè)都得到了廣泛應用。本文主要介紹以單片機控制水溫、水位的系統(tǒng)設計過程，其中涉及系統(tǒng)結構設計、元器件的選取、程序的調試和系統(tǒng)參數(shù)的整定。在系統(tǒng)構建時選取了AT89C52芯片作為該控制系統(tǒng)的核心，溫度信號由新型的可編程溫度傳感器（DS18B20）提供。通過軟件實現(xiàn)對水溫的控制，使用繼電器作執(zhí)行部件對水位的自動控制。系統(tǒng)控制對象為水箱。水溫可以在一定范圍內由人工設定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動控制，以保持設定的溫度基本不變,具有較好的快速性與較小的超調。該系統(tǒng)為一實驗系統(tǒng)，要求系統(tǒng)有控制能力，實現(xiàn)對主要可變參數(shù)的實時監(jiān)控。使用軟件編程既減少了系統(tǒng)設計的工作量，又提高了系統(tǒng)開發(fā)的速度，使用軟件還可以提高所設計系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第一章 系統(tǒng)方案設計該系統(tǒng)為一實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)設計任務：設計一個水溫水位自動控制系統(tǒng)，控制對象為水杯。水位實現(xiàn)自動加水和自動溢出控制，水溫可以在一定范圍內由人工設定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調整，以保持設定的溫度基本不變。利用AT89C52單片機實現(xiàn)對水溫水位的智能控制，使水溫水位在設定范圍內控制溫度和水位恒定。利用儀器讀出水溫，并在此基礎上將參數(shù)調節(jié)到我們通過鍵盤輸入的范圍之內，而且能夠將溫度顯示在LCD1602液晶上并由語音模塊實時播報。系統(tǒng)設計具體要求：（1）由鍵盤設定溫度，設定范圍為0一99℃，最小區(qū)分度為l℃，標定溫差＜1。（2）溫度低于設定溫度值時加熱，溫度高于設定值時降溫（3）用LCD1602液晶實時顯示水的實際溫度。（4）實現(xiàn)容器中水位低于設定下限時自動加水,，防止燒干；高于設定上限時自動抽水，從而使水位恒定。 系統(tǒng)總體方案的選擇（1）方案一 （）此方案是傳統(tǒng)的二位式模擬控制方案，其基本思想與方案采用上下限比較電路，控制精度比較高。這種方法還是模擬控制方法，因此也不能實現(xiàn)復雜的控制算法使控制溫度做的更精確。而且不能用數(shù)碼管顯示和鍵盤設定。信號采集信號放大上限比較下限比較信號處理固態(tài)繼電器負載溫度預置（2）方案二 （）此方案采用AT89C52單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)。單片機軟件編程靈活，自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。單片機系統(tǒng)可用數(shù)碼管顯示水溫的實際值，能用鍵盤輸入設定值等功能。本方案選用了AT89C52芯片，不需要外擴展存儲器，可使系統(tǒng)整體結構更為簡單。方案論證 方案一是傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)復雜控制規(guī)律，控制方案的修改也較麻煩。而方案二是采用以AT89C52為控制核心的單片機控制系統(tǒng)，尤其對溫度控制，可以達到模擬控制所達不到的控制效果，并且可以實現(xiàn)顯示、鍵盤設定，報警等功能。大大提高系統(tǒng)的智能化，也使得系統(tǒng)所測結果的精度大大提高了。所以本次設計采用方案二。 控制系統(tǒng)框圖本設計方案的選擇主要是感溫元件的選擇,經查閱資料,IC式感溫器在市場上應用比較廣泛的有以下幾種：1．AD590：電流輸出型的測溫組件,溫度每升高1 攝氏度K (凱式溫度)，電流增加1μA，溫度測量范圍在一55℃ ～150℃之間。其所采集到的數(shù)據(jù)需經A/D 轉換，才能得到實際的溫度值。2．DS18B20：除了測量溫度外，它還可以把溫度值以數(shù)字的方式(9 B i t ) 送出，℃，溫度測量范圍在55℃ — 125℃ 之間，可以做恒溫控制。3. SMARTEC感溫組件:這是一只3個管腳感溫IC，溫度測量范圍在45℃ ～ 13℃，℃ 以內。本設計選用DS18B20感溫IC，這是因其性能參數(shù)符合設計要求，接口簡單，內部集成了A/D 轉換，測溫更簡便，精度較高，反應速度快，且經過市場考察，該芯片易購買，使用方便。本設計過程中，主要對一下三種傳感器進行了比較選擇。方案一：浮子式水位計浮子式水位計利用液體浮力測液位的原理，靠浮力隨水面升降的位移反映水位變化。漂浮通過繩索經滑輪與編碼器相連，編碼器的數(shù)字輸出即為水位高度。但是由于技術比較落后，不予采用。方案二：壓力傳感器目前的液位壓力傳感器大部分是投入式靜壓液位變送器，而投入式靜壓液位傳感器只有參考大氣壓才能進行準確測量，然而連接電纜中的通氣會受到環(huán)境的影響，造成氣管內壁冷凝，結露。露水滴到電子器件和傳感器上，會影響精度或者輸出漂移。同時，結露過快，變送器的使用壽命也會大大縮短。此壓力傳感器容易受到環(huán)境的影響而造成測量不準確，并且安裝不方便。方案三：超聲波傳感器超聲波傳感器是工業(yè)領域內第一款在產品上帶有按鍵設定功能和自診斷功能的小型傳感器。它雖然體積小，但是具有其他大型傳感器所具有的功能，安裝使用方面而且不受被測物體的顏色影響，有許多特設功能，如：具有自診斷LED顯示和按鍵設定功能，溫度補償功能，可選擇模擬量或開關量輸出等；氣供電電壓為10~30V，測量范圍為30mm~300mm，輸出電壓0V~10V，輸出電流為4mA~20mA，,外形分為直線型和直角形。感應口徑為18mm。此傳感器只需要提供一個10us以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內部將發(fā)出8個40kHz周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。本設計選用超聲波傳感器監(jiān)測水位，因為它具有接線操作簡單、獨立性適應性強、精確度高、反應靈敏等特點。第二章 元器件介紹及硬件電路設計 元器件介紹 溫度傳感器溫度傳感器選用可編程溫度傳感器（DS18B20）芯片。DS18B20是DALLAS公司生產的1－Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。它在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進， 給用戶使用帶來了更多方便。（1）DS18B20產品的特點 （a）單線接口：僅需一根線與單片機相連；（b）由用總線提供電源，也可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：～；（c）測溫范圍為55℃～+125℃，在10～85℃時，℃；（d）可編程的分辨率為9～12位，～℃；（e）用戶可編程的溫度報警設置；（f）12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數(shù)字量。（2）DS18B20的引腳介紹 DS18B20可編程溫度傳感器有3個管腳。GND為接地線，DQ為數(shù)據(jù)輸入輸出接口，通過一個較弱的上拉電阻與單片機相連。VDD為電源接口，既可由數(shù)據(jù)線提供電源，又可由外部提供電源，范圍3．O～5．5 V。本文使用外部電源供電。 （3）DS18B20的內部結構DS18B20內部