【正文】 議（ protocol）與 DS18B20 通信；驅(qū)動(dòng)控制使用中斷來產(chǎn)生 PWM。 在滿足實(shí)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(jì)選擇ATMEL 單片機(jī) AT89C52 為主要芯片，由時(shí)鐘模塊和溫度檢測模塊 為單片機(jī)提供時(shí)間和溫度，輸出至液晶屏顯示，通過按鍵更改時(shí)間與預(yù)設(shè)溫度，并由單片機(jī)輸出控制加熱驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)熱水進(jìn)行加熱。 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(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 2 選取，并介紹了系統(tǒng)整體框架的設(shè)計(jì) ；第 二 章講述了硬件系統(tǒng) 的 設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)包括鍵盤電路、時(shí)鐘電路、溫度檢測電路、水流檢測電路、顯示電路、驅(qū)動(dòng)加熱電路等多個(gè)部分 ；第 三 章介紹了系統(tǒng) 控制算法的設(shè)計(jì) ， 以及利用 MATLAB 對(duì)控制算法的仿真 ；第 四 章闡述了軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對(duì)整體軟件系統(tǒng)流程 和各個(gè)子程序 流程進(jìn)行了詳細(xì)介紹 ； 第 五 章 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了 Protues 仿真 ；第 六 章是本次設(shè)計(jì)的結(jié) 論 。采用 PID控制能達(dá)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(gè)舒適的洗浴環(huán)境。其中儲(chǔ)水式使用前需要的預(yù)熱時(shí)間長，使用過程中水溫?zé)o法調(diào)節(jié)，而即熱式電熱水器即開即熱，只需幾秒的預(yù)熱時(shí)間即可得到源源不斷的熱水供應(yīng)。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?？梢灶A(yù)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?，F(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。最后對(duì)系統(tǒng) 進(jìn)行仿真，系統(tǒng)能正確顯示時(shí)間與溫度，準(zhǔn)確控制加熱電路的通斷，達(dá)到了預(yù)期控制目標(biāo)。 教研室 意見 教研室主任（專業(yè)負(fù)責(zé)人）簽字： 年 月 日 說明：一式兩份， 一份裝訂入學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi) ，一份交學(xué)院（直屬系）。 研究方法 理論研究 主要技術(shù)指標(biāo) (或研究目標(biāo) ) 通過對(duì)即熱式電熱水器控制系統(tǒng)功能需求分析，給出設(shè)計(jì)方案，完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，繪制電路原理圖，完成控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，通過模擬仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制 系統(tǒng)的性能。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(jì)；另外，采用“隔電墻”技術(shù)做漏電保護(hù)，保證洗浴過程中的安全。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。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(wù)。并且隨著科技的不斷進(jìn)步，電熱水器也不再滿足于普通的加熱功能而已。 當(dāng)前市面上的電熱水器分儲(chǔ)水式和即熱式。 由于熱水器的加熱過程是一個(gè)非線性系統(tǒng)，且存在較大的滯后性。 本文 對(duì)這次設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。 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(gè)電路模塊，包括： 顯示電路，用來顯示時(shí)間、溫度信息； 鍵盤電路，用來手動(dòng)設(shè)置時(shí)間、溫度； 時(shí)鐘電路，用來提供時(shí)鐘信號(hào)； 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(dòng)電路，用來控制電熱水器的加熱工作。軟件設(shè)計(jì)采用分塊編寫程序的方案。因此需要一款顯示清晰，性 能可靠穩(wěn)定的顯示屏。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(diǎn)。 ： 本設(shè)計(jì)需要為用戶提供準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)時(shí)間，故 需要單片機(jī)來提供時(shí)鐘信息。 方案二：選擇時(shí)鐘芯片。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(jī)處理。 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(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并且方便進(jìn)行多點(diǎn)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(jī)端口連接，電路非常簡單，主要通過編程來計(jì)算溫度 [3]。以下有兩種方案可供選擇。 行列式鍵盤工作原理是單片機(jī)內(nèi)部對(duì) I/O 接口進(jìn)行行列掃描來確定哪一個(gè)鍵被按下，當(dāng)按鍵較多時(shí)可以降低占用單片機(jī)的 I/O 口數(shù)目。 方案一：超聲波水流傳感器?；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。因此需要在單片機(jī)與加熱絲之間連接一個(gè)隔離驅(qū)動(dòng)電路。該方案加熱絲只有通斷兩種狀態(tài)，且加熱滯后時(shí)間較大，無法調(diào)節(jié)加熱功率。 綜上所述，本設(shè)計(jì)對(duì)加熱控制精度較高，需要對(duì)加熱絲功率進(jìn)行調(diào) 節(jié)。根據(jù)國家住宅設(shè)計(jì)規(guī)范，現(xiàn)有商品住房的電器線路導(dǎo)線必須采用銅芯線，每套住宅進(jìn)線截面積不小于 10mm2,分支引線不小于 。對(duì)于較偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)線截面積只有 的住宅，只需單獨(dú)使用一根住宅進(jìn)線也能安全安裝該熱水器。 鍵盤輸入電路的設(shè)計(jì) 為了設(shè)置熱水器的時(shí)間和預(yù)約溫度，可以使用按 鍵設(shè)置，共設(shè)置五個(gè)按鍵，分別是：時(shí)間鍵、溫度鍵、增加建、減小鍵和開關(guān)鍵。 LCD1602 顯示電路的設(shè)計(jì) 本模塊選用 LCD1602 液晶顯示屏來顯示時(shí)間和溫度，并且可通過按鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)， 液晶顯示電路與單片機(jī) 連接電路如圖 所示。 E 是使能端，與單片機(jī) 連接，當(dāng) E 置高電平時(shí)，單片機(jī)才能對(duì)液晶進(jìn)行讀寫操作。 圖 DS1302 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路 DS1302 時(shí)鐘芯片只通過 3 根線進(jìn)行數(shù)據(jù)的控制與傳遞： RST(Reset)、SCLK(Serial clock)、 I/O(Data line)。只有將 RST 置高電平才能對(duì)時(shí)鐘芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作。芯片通過該端口將時(shí)鐘信息送至單片機(jī) [5]。 DS18B20 電路的設(shè)計(jì) 溫度傳感器與單片機(jī)的連接如圖 所示。 數(shù)據(jù)段 DQ 與單片機(jī) P34 口連接進(jìn)行雙向通信，將采集的溫度數(shù)據(jù)直接傳送至單片機(jī)。 本設(shè)計(jì)選擇永久磁鋼產(chǎn)生磁場。未通水時(shí)，霍爾器件離磁鋼較遠(yuǎn)，無法形成霍爾效應(yīng)。三極管導(dǎo)通，光耦輸出高電平，經(jīng)非門后輸出高電平的控制信號(hào) 。在本設(shè)計(jì)中采用的是 MOC3042 光電雙向可控硅太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 11 驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖 所示。 驅(qū)動(dòng)電路的工作原理 圖 雙向可控硅的伏安特性 要控制雙向可控硅的導(dǎo)通，首先得了解晶閘管的導(dǎo)通及關(guān)斷條件。 光耦 MOC3042 的通斷是由輸入端控制的，單片機(jī)的 P24 端控制光耦的輸入端。 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 12 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 加熱驅(qū)動(dòng)電路如圖 所示。在可控硅兩電極之間并聯(lián)一個(gè) RC 串聯(lián)電路來吸收此電流 [9]。該技術(shù)利用水自身電阻，對(duì)電熱水器中的通水管設(shè)計(jì)，材質(zhì)的選擇以及電氣阻尼技術(shù)等形成 “隔電墻 ”。cm（國標(biāo)規(guī)定自來水在 15℃時(shí)電阻率應(yīng)大于 1300Ω所有 模塊設(shè)計(jì)完成后 ，進(jìn)行整理設(shè)計(jì) 得到系統(tǒng)的總體 原理圖 ，具體原理圖見附錄 。 PID 控制算法 本系統(tǒng)是一個(gè)簡單離散控制系統(tǒng)，方框圖如圖 所示。 圖 熱力對(duì)象示意圖 假設(shè)加熱器不與外界產(chǎn)生熱量交換，當(dāng)輸入水流量及溫度（ Ti）不變，加熱器輸入的熱流量從 P 增加到 P+pi， 輸出的熱流量為 P+po,輸出水溫變?yōu)?TO+to，根據(jù)太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 15 熱平衡方程，則： dtppCd oi )( ??? (31) Rpo ?? (32) C 為比熱容（ KJ/Kg s /KJ，延時(shí)選取 1s 典型值，得到傳遞函數(shù)： si esspssG ????? 110)( )()( ? (36) 參數(shù)整定及 MATLAB 仿真 建立完被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型后，需要對(duì) PID 控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，并進(jìn)行MATLAB 仿真 PID 參數(shù)整定 PID 控制器由比例單元 (P)、 積分單元（ I）和微分單元（ D）組成。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。常用的理論計(jì)算法有根軌跡分析法和頻域分析法。 (310) MATLAB 仿真 PID 控制器和被控對(duì)象模型建立完成后，選擇 MATLAB 軟件中 的 simulink模塊對(duì)系統(tǒng)經(jīng)行仿真 [10]，搭建的模型如圖 所示。 分析圖 的曲線，系統(tǒng)曲線能在較短時(shí)間內(nèi)到預(yù)設(shè)值并且保持穩(wěn)定，也沒有明顯超調(diào) ，滿足本次設(shè)計(jì)的要求。 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 18 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)時(shí) ， 就每個(gè) 模塊 功能單獨(dú)編寫驗(yàn)證，然后進(jìn)行系統(tǒng)的整合。 圖 系統(tǒng)主程序流程圖 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 19 其中系統(tǒng)初始化部分包括 對(duì)系統(tǒng)的時(shí)鐘芯片 DS1302 初始化、 DS18B20 初始化、液晶顯示 LCD1602 初始化、定時(shí)器中斷進(jìn)行設(shè)置等，其他模塊的初始化在各模塊函數(shù)中初始化。 1． 按鍵消抖 鍵盤與單片機(jī)連接電路如圖 。 圖 按鍵抖動(dòng)圖 2． 按鍵掃描 在編寫鍵盤掃描程序前先確定每個(gè)按鍵的鍵值，時(shí)間設(shè)置鍵的鍵值為 1， 溫度設(shè)置鍵的鍵值為 2， 增加鍵的鍵值為 3， 減小鍵的鍵值為 4， 開關(guān)鍵的鍵值為 5。本節(jié)介紹了 DS18B20 初始化時(shí)序、寫數(shù)據(jù)時(shí)序、讀數(shù)據(jù)時(shí)序和檢測溫度的流程 [11]。 圖 DS18B20 的初始化 DS18B20 寫數(shù)據(jù) DS18B20 的寫數(shù)據(jù)過程如下： （ 1） 數(shù)據(jù)線先置低電平； （ 2） 延時(shí)確定的時(shí)間為 15 微秒； （ 3） 從最低位到高位依次 發(fā) 送字節(jié)； （ 4） 延時(shí)時(shí) 間為 45 微秒； （ 5） 將數(shù)據(jù)線拉到高電平； （ 6） 重復(fù)上 述步驟 1 到 6 的操作過程 ， 直到字節(jié)全部發(fā)送完畢； （ 7） 最后將數(shù)據(jù)線拉高。 圖 DS18B20 的讀操作時(shí)序圖 DS18B20 溫度讀取 DS18B20 經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲(chǔ)器的第 0 和第 1 個(gè)字節(jié)。 表 正溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)值表 溫度 二進(jìn)制 十六進(jìn)制 125176。C 0000 0000 1010 0000 00A0H 0176。 1602 液晶用來顯示字符和數(shù)字時(shí)用到的基本操作有：寫指令和寫數(shù)據(jù)。 LCD1602 有 2行每行 16 個(gè)有效地址，第 1 行有效地址從 00h 到 0Fh；第 2 行有效地址從 40h 到太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 24 4Fh。 由此可得到 LCD1602 的初始化過程： （ 1）寫指令 38h； （ 2）寫指令 0Ch； （ 3）寫指令 06h； （ 4）寫指令 01h。 ] (41) 式中， Ti為積分時(shí)間常數(shù)； Td為微分時(shí)間常數(shù)； Kp為比例系數(shù)； Ki=錯(cuò)誤 !未找到引用源。位置式 PID 算法控制算法流程圖如圖 所示 。通過控制 10ms內(nèi) PWM輸出口的高低電平時(shí)間即相當(dāng)于控制 PWM輸出的占空比。 本章小結(jié) 本章對(duì)整個(gè)系統(tǒng) 的軟件 系統(tǒng) 部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)， 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分一定要巧妙的使用模塊化的編程思想，如果都放在整體來設(shè)計(jì)，會(huì)顯得程序繁重，看太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 26 的又不清晰。 本章選擇 Protues 軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，經(jīng)過多次調(diào)試后，系統(tǒng)終于實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。此時(shí)預(yù)設(shè)溫度顯示光標(biāo)閃爍，可通過加減鍵來調(diào) 節(jié)水溫。 圖 斷水停止加熱 如圖 所示，通水后三極管 Q2 基極接收到的控制信號(hào)是高電平，三極管導(dǎo)通。綜上，本設(shè)計(jì)結(jié)果基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 本設(shè)計(jì)還有一些不足之處，由于電熱絲加熱是一個(gè)非線性的大時(shí)滯系統(tǒng)，簡單的 PID 控制難以做到精確控制，使得控制精度變低，需要改進(jìn)。通過查閱英文資料，參考別人的文獻(xiàn)，對(duì)題目有了一定的了解之下，以及在 金 老師一遍又一遍 指導(dǎo) 和一次又一次的修改之下我的論文終于完成。 //溫度設(shè)置鍵 sbit key3=P1^2。 sbit RST=P3^5。 uchar code WRITE_RTC_ADDR[7] = {0x80, 0x82, 0x84, 0x86, 0x88, 0x8a, 0x8c}。 uchar ds_data = 0。 uchar YearData=0,MonthData=0,DayData=0,WeekData=0,HourData=0, 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 34 MinuteData=0,SecondData=0。 define LCD1602_DATAPINS P0 sbit DS18B20 = P3^4。 //使能 LCD1602_RS = 0。 //等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定 LCD1602_E = 1。 //使能清零 LCD1602_RS = 1。 LCD1602_E = 1。 //將 8 位總線轉(zhuǎn)為 4 位總線 LcdWriteCom(0x28)。 //清屏 LcdWriteCom(0x80)。break。break。break。 i++。 _nop_()。 RST = 1。 n8。 SCLK = 1。 } for (n=0。 dat = 1。 _nop_()。 RST = 0。 _nop_()。 for(n=0。//數(shù)據(jù)從低位開始傳送 addr = 1。//DS1302 下降沿時(shí)，放置數(shù)據(jù) _nop_()。 n++)//讀取 8 位數(shù)據(jù) { dat1 =