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电热水器水温水位控制系统设计-毕业论文定稿.doc

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1、电热水器水温水位控制系统设计摘要本系统是为电热水器水温水位控制系统而设计的。在电热水器温控系统中,水温和水位传感器起着举足轻重的作用。系统的分析了耐高温电容式液位传感器分别检测水温和水位的原理,以AT89S51单片机为核心,实现对水温和水位、上水测量、显示、报警等功能,并以电磁阀、继电器为阀门开关全自动加热、上水。整个系统精度高,耐高温性强,易于调整,测试方便。测试结果表明,误差小于2,达到设计要求。关键词AT89S51单片机,水温水位,传感器,检测与控制THESYSTEMFORCONTROLTHETEMPERATUREANDLEVELOFTHEELECTRICWATERHEATERABSTR

2、ACTTHISSYSTEMISDESIGNTOMEASUREANDCONTROLTHEWATERLEVERANDTEMPERATUREFORTHEWATERHEAERITSCOMPOSEDOFTWOSENSORADIGITALCHIPDS18B20ANDALEVERSENSOR,DISPLAY,BUZZERANDSOON,ALLTHESECOMPONENTARECONTROLOFTHECORECHIPAT89S51THISSYSTEMCANDISPLAYTHELEVERANDTHETEMPERATUREINTHEWATER_CASEINADDITION,ITWILLBEHEAETORADDWA

3、TERAUTOMATICTHROUGHELECTROMAGNETISMVAVEORRELAYWHICHARECONTROLEDBYAT89S51THEWHOLESYSTEMISEASYTOADJUSTITISPROVEDTOBERELIABLEANDOFHIGHVALUEANDHIGHFEASIBILITYAFTERTESTINGKEYWORDSAT89S51,CONTROL,SEASOR,TEMPERATUREANDLEVEL电热水器水温水位控制系统设计第III页目录第1章绪论1第2章设计思路及要求221本设计的目的和意义222控制系统的设计要求223本设计实现思路及方法2第3章硬件设计43

4、1控制系统组成及工作原理4311系统结构4312控制系统组成532单片机概述633器件介绍7331AT89C51单片机7332数码管显示834AT89C51单片机的最小系统935AT89C51单片机时钟电路1036AT89S51单片机复位电路10第4章单元模块设计1241水位检测模块1242温度检测模块1243键盘模块1344显示模块14第5章软件设计1551软件设计原理及设计所用工具1552显示子程序16521系统正常工作子程序16522设定预置温度子程序17523设定预置水位子程序18第6章系统调试与原理图19第7章总结与体会20参考文献21附录122附录223附录334致谢35作品(软件

5、)使用说明书36电热水器水温水位控制系统设计第1页第1章绪论近年来,随着用电的普及和燃气燃油价格上涨的影响,电热水器的市场上升趋势更加明显,新生力量快速电热水器以其加热快速、体积小巧、安全节能的明显优势在市场中一枝独秀倍受瞩目。据了解,近年来我国热水器的销量每年以25的速度上升,而整个热水器市场上,燃气热水器、太阳能热水器颓势未改,继续出现负增长,电热水器阵营已经占到了约60的市场比例,其中快速电热水器几何式的发展势态拉动整体热水器市场持续走高,。数据显示,目前快速电热水器行业的年增长率高达200多,是家电行业增长最快的品类,2008年国内快速电热水器的市场容量增长到66万台。预计未来3至5年

6、内,快速电热水器将全面迎来爆炸式的增长,超过所有传统热水器成为市场的主导产品。业内专家分析,国家住宅用电标准的提高和全国电网的大规模建设改造,将为快速电热水器的普及使用带来良好的发展契机据国内著名家电品牌营销企划公司及专家分析预测,2011年,即热式电热水器成为最具投资价值的新品类商机之一,理由是从市场需求量上来讲,目前国内即热式电热水器年需求量在35万台40万台,中国即热式电热水器市场销售比率只占5,而国际市场达50以上。这一现象与燃气式热水器和储水式电热水器市场高速成长前的征兆一致,意味着快速电热水器市场将迎来空前暴涨的良机。据预测,未来5年,中国市场即热式电热水器的销售比率将达到40。第

7、2章设计思路及要求21本设计的目的和意义本设计具有很强的实用性,用成本低廉的电阻式传感器以及电极配以单片机技术对生产实际中的电热水器的水温的控制以及水位的显示。本装置电路简单、实用性强、性价比高、水温控制灵活,水位显示直观醒目。可广泛应用于家庭生活对电热水器的水位显示与水温控制。具有良好的市场前景。22控制系统的设计要求1、能够根据水位和水温两个条件控制是否需要进水,每次只进整个水箱的四分之一水量,也可以在手动状态下自由进水(上满时自由停止)或停止进水。2、控制系统具有手动和自动切换功能;3、具有水温和水位显示功能;4、具有进水超水位和超水温报警指示;5、用水时若水温达不到设置值时,可手动起动

8、加热装置,这样可在很大程度上节约电能;6、用水时可自由调节水温;7、控制系统具体管道排空功能,这样防止冬天时因水管内有积水而在夜间冻裂水管。23本设计实现思路及方法水位由潜入储水容器不同深度的水位电极和潜入容器底部的公共电极(导线)检测;并由四个绿色LED发光二极管显示若无水则绿灯不亮;若有四分之一储水箱的水亮一盏绿灯;通过观察绿灯点亮的数量可识别水位的高低,这里取4段显示,也可根据需要进行增减。水温由四个LED数码管显示,前三个数码管显示的为温度最后一个数码管我们只用到了四段码显示为温度的符号C,水温有效值电热水器水温水位控制系统设计第3页最多可显示为999。单片机控制。第3章硬件设计31控

9、制系统组成及工作原理311系统结构系统组成如图311所示,本系统主要由控制器、自动控制阀、手动控制阀、水位检测电极、水温检测传感器、电阻加热丝、储水箱等组成控制器主要通过里面的电磁阀控制YV1和YV2的通断,控制水温检测传感器检测水温、控制水位检测传感器检测水在水箱中的位置以及控制电阻加热丝加热。自动控制阀主要通过控制器控制,当水箱中的水的实际温度大于所设置的温度时,自动阀就自动打开往水箱中上水,直到上到上一个目标水位为止。手动控制阀当自动阀损坏时,可以通过手动阀进行上下水。水位检测电极主要用来检测水箱中水的位置,主要把水箱分成四等分,一共有五个电极,接地的电极放在最水箱的最底下,其余分别放在

10、四等分点上,比如当水箱中的水在第一等分和第二等分之间,则显示水箱中有四分之一的水,当超过第二等分,则显示二分之一的水。水温检测传感器主要用来检测水箱中水的实际温度。电阻加热丝主要用来加热水箱中水,使其达到用户所需要的温度。太阳能热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能晨水加热控制、温水循环控制、冷水集热控制、水箱加热控制。电热水器水温水位控制系统设计第5页312控制系统组成电热水器控制系统的组成如图312所示。整个系统以AT89C51单片机为核心,对水温、水位等参数进行智能检测和显示,读取水流开关、排空阀门的状态,经键盘操作和单片机内部运算比较,控制相应得执行机构进行通、断电;进行防漏电、防干

11、烧等保护,并进行相应得声光报警。对水箱水温信号的检测采用DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器DS18B20,它具有3引脚TO92小体积封装形式,CPU只需一根端口线就能与DS18B20通信控制读取温度值。水流开关信号的检测采用开关式传感器,其内部是一个霍尔开关,排空阀是一个带行程开关的球型阀,由5W交流伺服电机带动,每旋转90度输出一个开关信号,排空阀的开闭状态对应于该开关信号。上水电磁阀采用12V直流单项电磁阀;辅助电加热体的通断电采用继电器控制;排空阀图311系统组成示意图图21系统组成示意图由36V(5W)交流伺服电机带动,由排空阀的开闭状态信号确定并通过继电器控制交流伺服电机电源

12、通断电。图312控制系统组成32单片机概述图32时钟电路与复位电路图3中,晶体振荡器的频率选6MHZ,复位电路采用上电复位,电路参数如图中所示,以满足系统复位时两个机器周期的高电平的要求。由于CPU的内部已含有程序存储器,所以EA引脚接高电平。该水位自动显示控制器采用AT89C51单片机,机内有一高增益反相放大器,电热水器水温水位控制系统设计第7页构成自激振荡电路,振荡频率取6MHZ,外接6MHZ晶振,两个电容C1、C2取20PF,以便于起振荡的作用。右图中XTAL1为内部时钟工作电路的输入,XTAL2为来自反向振荡器的输出该水位自动显示控制器采用上电复位电路,由R14、C3构成复位电路,在上

13、电瞬间,产生一个脉冲,AT89C51将复位。为保证可靠复位,脉冲宽度应大于两个机器周期,这取决于R、C时间长数。取电容C10UF,电阻R10K。33器件介绍331AT89C51单片机AT89C51是一个低功耗高性能CMOS8位单片机,4KBYTESFLASH只读程序存储器ROM,512BYTES内部数据存储器RAM,该微处理器采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS51指令系统,引脚兼容80C51和80C52芯片,片内的FLASH存储器可以像常规程序存储器一样进行烧写,AT89S51片内总共有256字节的用户数据区,而128字节的内部扩展数据区需通过清SFR8EH的位1

14、并用MOVX指令访问,片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元,另一个256BYTESRAM区与ATMEL之AT89系列8052兼容的单片机是一致的,AT89C51结合通用的8位微处理器和FLASH存储技术构成功能强大单片微处理器,可提供许多高性能低价位的系统控制应用场合。AT89C51主要特点40个引脚,32KBYTES的程序存储器,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,内置时钟振荡器,其FLASH存储器,可反复擦写1000次的FLASH存储器可有效地降低开发成本。软件设置电源省电模式,睡眠其间,定时/计数器,串行

15、口和中断口均停止工作,RAM中的数据被“冻结”,直到下次被中断激活或硬件复位方可恢复工作。图371AT89C51单片机332数码管显示由单片机的定时器TO做16位计数器(为便于数据处理,这里只用低8位计数值,即寄存器TL0中的值)。一边记录脉冲数量,一边以厘米为单位由四位数码管显示出来。四位数码管采用动态扫描方式显示。长度计量仪采用05英寸共阳极连接的LED数码管。LED数码管由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。下图为LED图数码管外形和引脚图,其中7只发光二极管分别对应AG笔段,构成“日”字形,另一只发光二极管DP作为小数点,因此这种LED显示器称为八段数码管。共阳极型LED数码管,是

16、将各段发光二极管的阳极连在一起,作为公共端COM,应接高电平。AG、DP各笔段中,某笔段接低电平时发光,高电平时不发光。为了节省单片机I/O口的数量,将各位数码管的AG对应笔画并联起来分别与单片机的P20P27引脚连接。显示时,由P2口依次输出各位数字的笔段码,并依次由P10、P11、P12、P13输出低电平位选信号接通数码管的公共端,轮流进行,循环不止,由于循环的频率较高(约50HZ),加上人眼的视觉暂留,既保障了各位数字的对应显示,又不会出现闪烁现象,实现动态扫描显示。电热水器水温水位控制系统设计第9页图372LED数码管34AT89C51单片机的最小系统所谓最小系统,即指使单片机能正常工

17、作的所需的最少的电路,即应包含CPU及辅助电路、ROM、RAM及I/O端口等电路。由于AT89C51内部已经包含4KB的FLASHMEMORY程序存储器,所以无需再扩展片外程序存储器。在AT89C51的基础上,加复位电路、时钟电路、EA引脚信号及电源即可。结合资料及所学过的内容,得到如图34所示的单片机最小系统。图36中,晶体振荡器的频率选6MHZ,复位电路采用上电复位,电路参数447F10K6M20PF5VVCCEAGNDAT89S51RSTXTAL1XTAL220PF5V图34AT89S51单片机最小系统如图中所示,以满足系统复位时两个机器周期的高电平的要求。由于CPU的内部已含有程序存储

18、器,所以EA引脚接高电平。35AT89C51单片机时钟电路该水位自动显示控制器采用AT89C51单片机,机内有一高增益反相放大器,构成自激振荡电路,振荡频率取6MHZ,外接6MHZ晶振,两个电容C1、C2取20PF,以便于起振荡的作用。右图中XTAL1为内部时钟工作电路的输入,XTAL2为来自反向振荡器的输出。36AT89S51单片机复位电路该水位自动显示控制器采用上电复位电路,由R14、C3构成复位电路,在上电瞬间,产生一个脉冲,AT89S51将复位。为保证可靠复位,脉冲宽度应大于两个机器周期,这取决于R、C时间长数。取电容C10UF,电阻R10K。图35时钟电路电热水器水温水位控制系统设计

19、第11页第4章单元模块设计41水位检测模块把储水箱大致分为四个等份,水位由潜入太阳能热水器的储水箱不同深度的水位电极和潜入储水箱底部的公共电极(导线)进行检测;由单片机依次使各水位电极呈现高电平,由公共电极所接的三极管进行电位转换,水位到达的电极,转换电位为低(0);水位没有到达的电极,转换电位为高(1);每检测一位便得到一位数据,5个电极检测一遍以后便得到了5个串行数据,然后把这5个数据转化为字节一路送发光二极管;在这里我们可以用发光二极管亮的盏数来显示水位的高低。(若没有发光二极管亮则表示箱内没有水或者只有少量的水,若有一个发光二极管灯亮则表示箱内有四分之一箱的水,以此类推,若有四个发光二

20、极管亮,则表示水箱水是满的。)图33水位检测电路电热水器水温水位控制系统设计第13页42温度检测模块本设计温度传感器选用AD590。AD590属于半导体集成电路温度传感器,测温范围55150,在其二端加上一定的工作电压,其输出电流与温度变化成线性关系,1UA/K,误差有几种等级1、05、03,本设计中选取05品种。OP07为高精度运算放大器,AD590电流流经R1、RP1转换为电压信号,R2、RP2为运算负反馈电阻,成反相比例放大器,将温度信号转换成05V的电压信号,ADC0832再将其转换为数字信号,输入CPU。图35为温度检测和A/D转换电路图。图34温度检测电路43键盘模块P10P17口

21、作为按键的信号输入端,键按下,就执行该键的功能。其电路如图35所示。(为了编程简单、方便,采用独立式键盘电路)。图35键盘电路44显示模块本设计采用共阳型数码管,8个LED灯如图36中接法,灯的负极依次接到数码管的AF段,采用动态扫描电路,并把显示程序作为主程序。数码管的段用P0口控制,P20口、P23口作为数码管的位控制,P24作为指示灯的控制。图36显示电路电热水器水温水位控制系统设计第15页第5章软件设计51软件设计原理及设计所用工具本次设计主要利用C语言编写程序,根据功能的需要进行编程,其中软件设计所用的软件主要是KEILUVISION3软件,PROTEUSISIS软件。电热水器在任何

22、时间都能够在设定的时间向用户提供设定温度的热水,从而给用户带来便利。当控制器在设定的时间使水温达到设定温度时,将通过声光报警提醒用户。根据这一要求,控制器软件设计采用模块化结构,包括主程序、键盘中断子程序、DS12887更新周期结束中断子程序、LED显示子程序和提前加热时间计算子程序等。系统主程序主要完成温度和水位的检测以及进行辅助加热时间预算和一些初始化功能。在主程序中采用了查表方法进行辅助加热提前量预算。系统主程序流程图如图41所示。图41系统程序流程图52显示子程序521系统正常工作子程序当K2处于第一状态时,单片机执行正常工作子程序,正常工作时K3,K4无效。系统正常工作子程序主要功能

23、是交替显示实际的热水器水位,判断是否超过设定和水温水位,其子程序流程图如图421所示。若热水器未加满水,水温又偏高时,单片机控制进水阀加水,至合适水温50左右,单片机响应中断,停止加水;当水位低于预置水位时,调用延迟子程序,15分钟自动上水至预置水位;当实际水温低于设定温度时,系统响应中断,控制启动加热器,直至水温升到所设定温度;当缺水时(位于缺水档)系统响应中断,蜂鸣器报警,延迟15分钟自动进入自动上水。水温水位在正常时由8位LED数码管同时显示。如果接触不良,频率为零,在LED上显示。电热水器水温水位控制系统设计第17页显示实时温度和水位交替显示正常状态判断是否超过预置水位或预置温度是报警

24、并关闭加热器和阀门RET图421正常状态子程序流程图522设定预置温度子程序当K1处于第二个状态时,单片机执行设定水温子程序。其程序流程图图422所示。设定预设温度由K3和K4完成,K3加1摄氏度K4减1摄氏度;此时控制端口均为低。关闭阀门和加热器调节预置温度RET调节预置温度图422设定预置温度子程序流程图523设定预置水位子程序当K2处于第三个状态时,单片机执行设定预置水位子程序其程序流程图如图423所示。设定预置水位,此时按下K3,系统检测到K3为低电平,水位预置值KEY2加20,加到100时KEY2赋20,KEY3无效。此时控制端口均为低。关闭阀门和加热器调节预置水位RET调节预置水位

25、图423设定预置水位子程序流程图第6章系统调试与原理图本次设计主要在系统软件调试方面。困难主要出现在软件的编写。虽然没有电热水器水温水位控制系统设计第19页错误,但是进行仿真时,不能达到预期的效果。经过多次调试,程序也修改过好几次,仍然走不通。而问题也主要集中在扫描显示这一模块。最后经过与同题目的其他的同学交流,结合设计思想,以及对以前的一个单片机编程作业的代码,进行了修改、调试,也终于达到了方案的总体要求。对软件方面逐步进行分析之后,重新进行系统的软件上的仿真。图51控制系统原理图第7章总结与体会本系统使用了性价比较高的AT89C51单片机实现了对电热水器水位水温的预置、检测、控制、显示和缺

26、水报警等功能。利用数字技术和频率技术分别检测水温和水位,大大提高了系统的抗干扰能力。利用电梯继电器控制加热器和进水阀的通断,可以远距离控制但由于实际的制作的过程中,其制作电容用的板子没有很好的绝缘材料的密封,使得其容值不断的变化,因而其震荡的频率(在看似相同的情况下)也不断的改变,并且改变的数值的范围与理论值相差很大,在此很抱歉,没有做成功。但是,通过对这次基于单片机的太阳能温控进水及水温水位显示控制装置的设计,我将在大学里所学的专业知识在这次毕业设计中的到了广泛的运用,加深了理论与实际的联系。提高了思维与动手能力,增长了才干;培养了自己的创新意识,使自己在单片机应用方面得到了全面提高,为今后

27、的工程实际应用,新产品开发奠定了基础。通过这次课程设计,自己进一步熟悉和掌握了ISIS仿真软件PROTEL软件,体会到ISIS、PROTEL等功能强大的设计软件,在现代电子系统设计中发挥的强大的作用。总之,此次课程设计经过自己独立思考、查找资料,自己受益匪浅。而且,通过这次设计,更深切地感觉到团队合作的重要性。是全体组员的共同努力,才完成了此次智能仪器课程设计任务总之,以往的课程设计都是停留在理论层面上,而这次课程设计的实际意义非常明显。经过这次课程设计,自己从心理上就成长了不少,这将是自己以后人生路上一笔宝贵的财富。电热水器水温水位控制系统设计第21页参考文献1刘刚、秦永左单片机原理及应用M

28、北京北京大学出版社,200612胡汉才单片机原理及其接口技术M北京清华大学出版社,20043蔡美琴、张为民MCS51系列单片机系统及其应用(第二版)M高等教育出版社,20044杨振江、杜铁军流行单片机实用子程序及应用实例西安西安电子科技大学出版社,20025刘迎春、叶湘滨现代新型传感器原理与应用国防工业出版社,19986张毅刚、彭喜元单片机原理及应用高等教育出版社,20077何立民单片机应用系统设计系统北京北京航空航天大学出版社,20018王幸之单片机应用系统抗干扰技术北京北京航空航天大学出版社,20019徐煜明单片机原理及接口技术电子工业出版社200810张迎新单片微型计算机原理应用及接口技

29、术第2版国防工业出版社,200811曹巧媛单片机原理及应用M北京电子工业出版社,199712刘大茂单片机应用系统监控主程序的设计方法J上海人民出版社,200013JANNOTY,COULIBALYYTHE“EVAPORATIVECAPACITYASAPERFORMANCE”INDEXFORSOLARDRIERAIRHEATERJSOLARENERGY19986363879114JANSENTJSOLARENGINEERINGTECHNOLOGY,CHAP7NEWJERSEYPRENTICEHALL,INC,198515JINAPS,THIENJ,YAPTNEFFECTOFDRYINGONACI

30、DITYANDCOCOABEANSJFOODAGRICULT199465677516KOLBA,WINTERERF,VISKANTAREXPERIMENTALSTUDIESONASOLARAIRCOLLECTORWITHMETALMATRIXABSORBERJSOLARENERGY1999652918附录1电热水器水温水位控制系统设计第23页附录221主程序清单主程序INCLUDEINCLUDEINCLUDEDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARSBITBUZZERP10/蜂鸣器SBITHEATERP16/加热器SBITCP36/水阀门SBIT

31、P0_0P37/温度DS18B20数据线SBITADCP15/SBITCCLP14SBITLED8P00SBITLED7P01SBITLED6P02SBITLED5P03SBITLED4P04SBITLED3P05SBITLED2P06SBITLED1P07/8位数码管显示位选端UCHARTEMP111UCHARA,BUCHARBITSELECTBITKEY1,KEY2,KEY3,KEYON,KEYOFF,BUZZER1UCHARKEY1_STATE,TEMP,KEY2_STATEUINTPLUINTLED1_DATA,LED2_DATA,LED3_DATA,LED4_DATA,LED_DATAINTYTM40,YP60,TM0,P0LONGT0COUNT,X,OUCHARCODELED_SEGMENT130XC0,0XCF,0XA4,0X86,0X8B,0X92,0X90,0XC7,0X80,0X82,0X70,0XFF,0XBFUCHARDISBUFFER0,0,0,0,0,0,0,0/温度值的变量;/结果为负和正的标志位。/延时程序/VOIDDELAYUINTVWHILEV0V/显示模块/VOIDDISPLAY1VOIDFORBITSELECT0BITSELECTYTM3HEATER0IFPYP5

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