? XX 大 學微型計算機控制技術 課程設計（論文） 題目： 電熱水器恒溫控制器的設計院（系）： 電氣工程學院 專業班級： 自動化學 號：學生姓名：指導教師：（簽字） 起止時間： 2013.12.30-2013.1.10課程設計（論文）任務及評語 院（系）：電氣工程學院教研室：自動化 學 號 學生姓名 專業班級 自動化 課程設計（論文）題目 電熱水器恒溫控制器的設計 課程設計（論文）任務 課題完成的功能、設計任務及要求、技術參數 實現功能 采用單片機作為控制器，由溫度傳感器、信號放大電路和A/D轉換器采集溫度，與設定值進行比較，經過PID算法得到控制器的輸出，控制加熱裝置，并用兩位LED顯示溫度。被控對象為，仿真研究時用近似。 設計任務及要求 1、確定系統設計方案，包括單片機的選擇，輸入輸出通道，鍵盤顯示電路； 2、建立被控對象的數學模型； 3、推導控制算法，設計算法的程序流程圖或程序清單； 4、仿真研究，驗證設計結果； 5、撰寫、打印設計說明書一份；設計說明書應在4000字以上。 技術參數 溫度設定范圍：35~65℃ 誤差小于：±5% 進度計劃 1、 布置任務，查閱資料，確定系統方案（1天） 2、 被控對象建模（1天） 3、 算法推導，程序設計（3天） 4、 仿真研究（2天） 5、撰寫、打印設計說明書（2天） 6、答辯（1天） 指導教師評語及成績平時：論文質量：答辯：總成績：指導教師簽字：年 月 日 注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算 摘 要 在科技飛黃騰達的今天，各種產品日益更新換代。
然而，且隨著人們生活水平的提高，電加熱恒溫控制器也普遍用于各家各戶，且人們對電熱水器的要求越來越高，越趨向于智能化和數字化。 本系統是設計了一個電熱水器恒溫控制器，主要由溫度采集電路、單片機控制系統、溫度控制電路、人機對話通道4 個主要的功能模塊組成。溫度采集電路由溫度傳感器，信號放大，A/D轉換組成；溫度控制電路主要是控制信號的輸出通道, 主要由功率放大電路、光電耦合電路、雙向晶閘管、電加熱裝置組成；而單片機根據鍵盤輸入的預設目標溫度和采集的實時溫度進行PID 調節，由PID 輸出調節P W M 脈沖的占空比，P W M 脈沖作為單片機輸出控制固態繼電器的開通或關斷，以調節電阻絲的加熱程度，從而實現溫度控制。并用兩位LED顯示溫度。 關鍵詞：溫度采集電路；溫度控制電路；A/D轉換；PID調節 目 錄 第1章 緒論 1 第2章 課程設計的方案 2 2.1概述 2 2.2系統組成總體結構 2 第3章 硬件設計 3 3.1硬件的介紹 3 3.1.1 單片機的介紹 3 3.1.2 模數轉化器的介紹 4 3.1.3 AD590溫度傳感器的介紹 4 3.2 溫度采集電路的設計 5 3.3 溫度控制電路的設計 5 3.4 鍵盤輸入電路 5 3.5顯示電路 6 3.6 系統原理圖 7 第4章 軟件設計 8 4.1流程圖的設計 8 4．2 系統控制算法 8 第5章 系統測試與分析/實驗數據及分析 10 第6章 課程設計總結 11 參考文獻 12 第1章 緒論 近年來，市場上陸續出現了一些熱水器控制器，但大多數控制器存在著諸如性能不穩定，容易產生誤操作；溫度、水位檢測、控制誤差大；顯示器有時出現亂碼；與電輔助加熱裝置不能很好配合等弊端。
從而必然會催生性能比較穩定、功能強大、智能型的熱水器控制器。 隨著中國電力基礎設施不斷建立和完善，儲水式熱水器的普及，電熱水器市場中又一細分產品—即快熱式電熱水器因其更快、更方便、和小巧、時尚的外形越來越受到人們的親睞。其作為業內的新生力量在迅速崛起并不斷壯大。其03、04年年增長速度已超過50%，雖然市場銷售的總量仍然少于燃氣式和儲水式，但它的市場份額預測06年可超過15%。毋庸質疑，即快熱式電熱水器是今后熱水器的發展方向。隨著氣價的上漲計算機控制系統課程設計題目，相信今后電熱水器市場仍將會呈現強勁的增長勢頭。 在現代社會中，熱水器控制電路的原理不僅應用于生活方面，其運用也涉及到了生產各個方面。隨著人們生活質量的提高，酒店廠房及家庭生活中都會見到熱水器控制電路的影子，其將更好的服務于社會。隨著電子技術的發展，特別是隨著大規模集成電路的產生，給人們的生活帶來了根本性的變化，如果說微型計算機的出現使現代的科學研究得到了質的飛躍，那么單片機技術的出現則是給現代工業控制測控領域帶來了一次新的革命。應用微型計算機控制技術，采用PID調節算法，使電熱水器恒溫控制器更好地調節溫度，固滿足人們的使用需求。 本文設計分為兩個部分，硬件部分和軟件部分。
硬件部分介紹：智能家用電熱水器電路的設計，單片機、A/D轉換器的功能及溫度傳感器AD590的介紹。系統硬件主要以高性價比的單片機為核心，由溫度采集電路、溫度控制電路、鍵盤顯示電路、及溫度顯示電路構成。軟件設計主要設計了系統的主流程圖和系統的控制算法。第2章 課程設計的方案 2.1概述 本次設計主要是綜合應用所學知識，設計電熱水器恒溫控制器的設計，并在實踐的基本技能方面進行一次系統的訓練。能夠較全面地鞏固和應用“微型計算機控制技術”課程中所學的基本理論和基本方法，并初步掌握小型微型計算機控制技術系統設計的基本方法。 應用場合：可應用于供浴室洗手間及廚房使用的家用電器。 實現功能：采用單片機作為控制器，由溫度傳感器、信號放大電路和A/D轉換器采集溫度，與設定值進行比較，經過PID算法得到控制器的輸出，控制加熱裝置，并用兩位LED顯示溫度。 2.2系統組成總體結構 本系統是設計了一個電熱水器恒溫控制器，主要由溫度采集電路、單片機控制系統、溫度控制電路、人機對話通道4 個主要的功能模塊組成。溫度采集電路由溫度傳感器，信號放大，A/D轉換組成；溫度控制電路主要是控制信號的輸出通道, 主要由功率放大電路、光電耦合電路、雙向晶閘管、電加熱裝置組成；而單片機根據鍵盤輸入的預設目標溫度和采集的實時溫度進行PID 調節，由PID 輸出調節P W M 脈沖的占空比，P W M 脈沖作為單片機輸出控制固態繼電器的開通或關斷，以調節電阻絲的加熱程度，從而實現溫度控制。
并用兩位LED顯示溫度。系統的總體組成結構如圖2.1 所示。 單 片 機 溫度傳感器 溫度傳感器 信號放大 A/D轉換 鍵盤輸入 溫度顯示 功率放大 光電耦合電路 雙向晶閘管 電加熱裝置 圖2.1系統總體結構框圖 第3章 硬件設計 3.1硬件的介紹 3.1.1 單片機的介紹 主控單元采用單片機。單片機 是美國ATMEL的一種低功耗、高性能微處理器，為多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高的廉價方案。單片機片內含有4KB可反復擦除的PEROM(Flash -mable Read Only )，還帶有128B的隨機存儲器(RAM)和四個并行8位雙向I/O口。另外，主控單元采用了頻率為12MHz的晶振，這樣系統運行一個周期只用1μs，有利于系統時間的計算。其引腳功能如下： P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數據存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。
RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在地址上置0。此時， ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。
XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 3.1.2 模數轉化器的介紹 是屬于連續漸進式（ ）的A/D轉換器，這類型的A/D轉換器除了轉換速度快（幾十至幾百us）、分辨率高外，還有價錢便宜的優點，普遍被應用于微電腦的接口設計上。以輸出8位的動作來說明“連續漸進式A/D轉換器”的轉換原理。 工作電壓： 5V計算機控制系統課程設計題目，即VCC= 5V。 模擬輸入電壓范圍：0～ 5V，即0≤Vin≤ 5V。 分辨率：8位，即分辨率為1/2=1/256，轉換值介于0～255之間。 轉換時間：100us（fCK=時）。 轉換誤差：±1LSB。 參考電壓：2.5V，即Vref=2.5V。 3.1.3 AD590溫度傳感器的介紹 AD590是美國 公司的單片集成兩端感溫電流源，其輸出電流與絕對溫度成比例。在4 V至30 V電源電壓范圍內，該器件可充當一個高阻抗、恒流調節器，調節系數為1 μA/K。片內薄膜電阻經過激光調整，可用于校準器件，使該器件在298.2K (25°C)時輸出298.2 μA電流。
適用于150°C以下、目前采用傳統電氣溫度傳感器的任何溫度檢測應用。低成本的單芯片集成電路及無需支持電路的特點，使它成為許多溫度測量應用的一種很有吸引力的備選方案。應用AD590時，無需線性化電路、精密電壓放大器、電阻測量電路和冷結補償。 AD590的測溫范圍為- 55℃~+150℃； AD590的電源電壓范圍為4～30 V，可以承受44 V正向電壓和20 V反向電壓，因而器件即使反接也不會被損壞； 精度高，AD590在- 55℃~+-150℃范圍內，非線性誤差僅為±0.3℃。 圖3.1 AD590溫度傳感器 3.2 溫度采集電路的設計 前向通道是信息采集的通道, 主要包括溫度傳感器、信號放大、A/D轉換電路組成的信號采集電路和以單片機為核心的信號處理電路.水溫經溫度傳感器和信號放大電路產生0～5V的模擬電壓信號送人A/D 轉換器,將模擬量轉換為數字量通過系統總線送人單片機進行運算處理。圖3.1中溫度傳感器采用AD59O將溫度變換為電流,與運算放大器Opo7和電阻Rl、VRI、RZ、VRZ組成信號轉換與放大電路,將溫度轉換為電壓信號。采用把電壓信號轉換為數字信號輸送到單片機。
3.3 溫度控制電路的設計 本溫度控制系統采用通斷控制， 通過改變給定控制周期內加熱器的導通和關斷時間，達到調節溫度的目的。系統控電路由雙向可控硅輸出型光電耦合器和雙向可控硅BTA12 組成。當單片機的P1.6口輸出低電平時，同向驅動器7407 輸出低電平，的輸入端有電流輸入，輸出端的雙向可控硅導通,觸發外部的雙向可控硅BTA12導通，加熱器通電；當P1.6端輸出高電平時， 輸出端的雙向可控硅關斷，外部的雙向可控硅BTA12也關斷，加熱器斷電。 3.4 鍵盤輸入電路 本次設計要求由溫度傳感器、信號放大電路和A/D轉換器采集溫度，與設定值進行比較，所以要向單片機內輸入預定溫度值。而此次要求控制溫度范圍在35～65℃之間，所以鍵盤輸入電路設計了四個按鍵輸入，其中一個按鍵設置輸入35～65中的任意一個數字；兩個按鍵分別定義為“加1”、“減1”，這樣就可以改變輸入的數值；另一按鍵設置為復位，當按下時及返回溫度設定值。固能滿足本次設計要求。 3.5顯示電路 本系統顯示電路是由兩個譯碼驅動芯片和兩個LED（數碼管）顯示器構成，兩個發光數碼管分別顯示溫度值的個位值、十位值。
是一個用于驅動共陰極LED顯示器的BCD碼—七段碼譯碼器，該芯片具有BCD轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能的CMOS電路能提供較大的上拉電流，直接驅動LED顯示器。 3.6 系統原理圖 圖3.1系統原理圖 第4章 軟件設計 4.1流程圖的設計 本系統通過溫度傳感器檢測電熱水器內實際溫度， 由將溫度傳感器輸出的信號經放大后轉換成數字信號， 存入的內部數據存儲器， 經處理送LCD 顯示，并將采集值與設定值進行比較，經過PID 運算得到控制量并由單片機輸出去控制加熱器。 啟動A/D 轉換完成 讀取轉換結果 轉換結果處理 發送溫度 調用PID 延時1秒 初始化 Y N4.1 程序流程圖 4．2 系統控制算法 本控制系統中， 使用的是數字PID 控制器。PID 控制器是一種線性控制器， 它將設定值與測量值之間偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D） 通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。 1、采用兩個慣性環節串聯成實驗被控對象，T1=1秒，T2=0.5秒，K0=2。 GO(s)= ≈ 2、其外部接線圖如圖4.2所示，將函數發生器B5單元作為信號發生器，矩形波輸出施加于被測系統的輸入端，用程序測得其從0V階躍到5V時被控對象的響應曲線如圖4.3所示。
圖4.3 被控對象的響應曲線 4、通常取Y0（t1）=0.3Y0(∞), Y0（t2）=0.7Y0(∞)，所以從其響應曲線中測得t1=0.81s，t2=1.81s。因此求得：T0=1.180s，ζ=0.389s。 5、用工程整定法求得數字PID調節控制參數KP=0.358，TI=0.733，TD=0.135。 第5章 系統測試與分析/實驗數據及分析 構造模擬電路圖如圖5.1所示，應用軟件調試。設置其參數KP=0.358，TI=0.733，TD=0.135后，得到其響應曲線如圖5.2所示。 圖5.2 系統仿真曲線 第6章 課程設計總結 隨著電子技術的發展，特別是隨著大規模集成電路的產生，給人們的生活帶來了根本性的變化，如果說微型計算機的出現使現代的科學研究得到了質的飛躍，那么單片機技術的出現則是給現代工業控制測控領域帶來了一次新的革命。應用微型計算機控制技術，采用PID調節算法，使電熱水器恒溫控制器更好地調節溫度，固滿足人們的使用需求。 現在電熱水器是一種可供洗手間、浴室及廚房使用的家用電器，市場上傳統的機械式電熱水器控制精度低、可靠性差，隨著人們生活水平的提高，人們對電熱水器的要求越來越高，越趨向于智能化和數字化。
本次系統設計了一個熱水器恒溫控制器的方案，用溫度傳感器AD590檢測溫度信號，經信號放大后，采用模數轉換器將模擬信號轉換成數字信號送到單片機處理。單片機根據鍵盤輸入的預設目標溫度和采集的實時溫度進行PID 調節后，輸出控制信號，經功率放大電路、光電耦合電路、雙向晶閘管后控制電加熱器的通斷，從而實現對溫度的控制。 通過本次課程設計，更好地加深了對微型計算機控制技術的理解，得到了一次獨自完成設計的鍛煉，為以后在大型工程的設計奠定了一定的基礎。 參考文獻 [1]于海生,丁軍航,潘松峰,吳賀榮.微型計算機控制技術[M]. 北京:清華大學出版社,2009 [2] 李華.MCS-51系列單片機使用接口技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,1990. [3]盧超.基于pc機與單片機分布式溫度采集系統的設計[J].儀表技術與傳感器.2007,(6):38-40. [4]項莉萍,張志剛. 基于51單片機的數字電壓表的設計與仿真[j].洛陽師范學院學報.2012,31(2):40-41 [5]徐倩，孫澤陽，王亞飛.基于51單片機的數字電壓表設計[j].企業技術開發.2011,30(14):1 [6]楊慶文,崔海.基于ＡＴ８９Ｃ５１單片機的溫度控制系統[j].中國科技信息.2010,(23):153-154 [7]張曉芳,基于Ｃ５１的單片機溫度控制系統設計[j]蘇州市職業大學學報.2009,20(4):36-38 [8] 林祝亮,張長江,朱更軍.基PID算法的家用電熱水器恒溫控制系統設計[j].器學儀儀表報.2006,27(6):1972-1974 [9] 宋劍英,石從剛.數字溫度傳感器 在多點溫度測量系統中的應用[j]. 遼寧師學報.2006,8(1):77-79 [10] 郁玉龍,趙寧,盧洪武.用單片機設計智能家用電熱水器,單片機制作.2011,23(5):33-35 [11] 魏英智,丁紅偉,張琳.數字PID控制算法在溫控系統中的應用[J].現代電子技術.2010, 33(17):157-159 [12]陳明熒.8051單片機課程設計實訓教材[M].北京:清華大學出版社,2004 [13]于鳳明,單片機原理及接口技術[M].北京:中國輕工業出版社,1997 [14] 韓志軍,沈晉源,王振波編著.單片機應用系統設計[M]. 機械工業出版社, 2005 [15] 陶永華主編.新型PID控制及其應用[M]. 機械工業出版社, 2002 遼寧工業大學課程設計 本文檔由香當網()用戶上傳