电热水器恒温控制器的设计

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 微型计算机控制技术微型计算机控制技术 课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目： 电热水器恒温控制器的设计电热水器恒温控制器的设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动化自动化1010 学学 号：号： 王国兵王国兵 学生姓名：学生姓名： 100302058100302058 指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间： 2013.12.30-2013.1.10 本科生课程设计（论文）I课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号100302058学生姓名王国兵

2、专业班级自动化102课程设计（论文）题目电热水器恒温控制器的设计课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数实现功能实现功能采用单片机作为控制器，由温度传感器、信号放大电路和A/D转换器采集温度，与设定值进行比较，经过PID算法得到控制器的输出，控制加热装置，并用两位LED显示温度。被控对象为sesTK100，仿真研究时用15 . 0211ss近似。设计任务及要求设计任务及要求1、确定系统设计方案，包括单片机的选择，输入输出通道，键盘显示电路；2、建立被控对象的数学模型；3、推导控制算法，设计算法的程序流程图或程序清单；4、仿真研究，验证

3、设计结果；5、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在 4000 字以上。技术参数技术参数温度设定范围：3565误差小于：5%进度计划1、 布置任务，查阅资料，确定系统方案（1 天）2、 被控对象建模（1 天）3、 算法推导，程序设计（3 天）4、 仿真研究（2 天）5、撰写、打印设计说明书（2 天）6、答辩（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日本科生课程设计（论文）II注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算本科生课程设计（论文）III摘 要在科技飞黄腾达的今天，各种产品日益更新换代。然而，且随着人们生活水平的提高，电

4、加热恒温控制器也普遍用于各家各户，且人们对电热水器的要求越来越高，越趋向于智能化和数字化。本系统是设计了一个电热水器恒温控制器，主要由温度采集电路、单片机控制系统、温度控制电路、人机对话通道 4 个主要的功能模块组成。温度采集电路由温度传感器，信号放大，A/D 转换组成；温度控制电路主要是控制信号的输出通道, 主要由功率放大电路、光电耦合电路、双向晶闸管、电加热装置组成；而单片机根据键盘输入的预设目标温度和采集的实时温度进行 PID 调节，由 PID 输出调节 P W M 脉冲的占空比，P W M 脉冲作为单片机输出控制固态继电器的开通或关断，以调节电阻丝的加热程度，从而实现温度控制。并用两位

5、 LED 显示温度。关键词：温度采集电路；温度控制电路；A/D 转换；PID 调节本科生课程设计（论文）IV目 录第 1 章 绪论.1第 2 章 课程设计的方案.22.1 概述.22.2 系统组成总体结构.2第 3 章 硬件设计.33.1 硬件的介绍.33.1.1 单片机的介绍.33.1.2 ADC0804 模数转化器的介绍.43.1.3 AD590 温度传感器的介绍.43.2 温度采集电路的设计 .53.3 温度控制电路的设计 .53.4 键盘输入电路 .53.5 显示电路.63.6 系统原理图 .7第 4 章 软件设计.84.1 流程图的设计.842 系统控制算法 .8第 5 章 系统测试

6、与分析/实验数据及分析.10第 6 章 课程设计总结.11参考文献.12本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论近年来，市场上陆续出现了一些热水器控制器，但大多数控制器存在着诸如性能不稳定，容易产生误操作；温度、水位检测、控制误差大；显示器有时出现乱码；与电辅助加热装置不能很好配合等弊端。从而必然会催生性能比较稳定、功能强大、智能型的热水器控制器。随着中国电力基础设施不断建立和完善，储水式热水器的普及，电热水器市场中又一细分产品即快热式电热水器因其更快、更方便、和小巧、时尚的外形越来越受到人们的亲睐。其作为业内的新生力量在迅速崛起并不断壮大。其03、04 年年增长速度已超过 50%，虽然市场销

7、售的总量仍然少于燃气式和储水式，但它的市场份额预测 06 年可超过 15%。毋庸质疑，即快热式电热水器是今后热水器的发展方向。随着气价的上涨，相信今后电热水器市场仍将会呈现强劲的增长势头。在现代社会中，热水器控制电路的原理不仅应用于生活方面，其运用也涉及到了生产各个方面。随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到热水器控制电路的影子，其将更好的服务于社会。随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么单片机技术的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。应用微型计算机控制技术，采用

8、 PID调节算法，使电热水器恒温控制器更好地调节温度，固满足人们的使用需求。本文设计分为两个部分，硬件部分和软件部分。硬件部分介绍：智能家用电热水器电路的设计，单片机 AT89C51、A/D 转换器 ADC0804 的功能及温度传感器AD590 的介绍。系统硬件主要以高性价比的 AT89C51 单片机为核心，由温度采集电路、温度控制电路、键盘显示电路、及温度显示电路构成。软件设计主要设计了系统的主流程图和系统的控制算法。本科生课程设计（论文）2第 2 章 课程设计的方案2.1 概述本次设计主要是综合应用所学知识，设计电热水器恒温控制器的设计，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面

9、地巩固和应用“微型计算机控制技术”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握小型微型计算机控制技术系统设计的基本方法。应用场合：可应用于供浴室洗手间及厨房使用的家用电器。 实现功能：采用单片机作为控制器，由温度传感器、信号放大电路和 A/D 转换器采集温度，与设定值进行比较，经过 PID 算法得到控制器的输出，控制加热装置，并用两位 LED 显示温度。 2.2 系统组成总体结构本系统是设计了一个电热水器恒温控制器，主要由温度采集电路、单片机控制系统、温度控制电路、人机对话通道 4 个主要的功能模块组成。温度采集电路由温度传感器，信号放大，A/D 转换组成；温度控制电路主要是控制信号的输出通道,

10、 主要由功率放大电路、光电耦合电路、双向晶闸管、电加热装置组成；而单片机根据键盘输入的预设目标温度和采集的实时温度进行 PID 调节，由 PID 输出调节 P W M 脉冲的占空比，P W M 脉冲作为单片机输出控制固态继电器的开通或关断，以调节电阻丝的加热程度，从而实现温度控制。并用两位 LED 显示温度。系统的总体组成结构如图 2.1 所示。单片机温度传感器温度传感器信号放大A/D 转换键盘输入温度显示功率放大光电耦合电路双向晶闸管电加热装置图 2.1 系统总体结构框图本科生课程设计（论文）3第 3 章 硬件设计3.1 硬件的介绍3.1.1 单片机的介绍主控单元采用单片机 AT89C51。

11、单片机 AT89C51 是美国 ATMEL 的一种低功耗、高性能微处理器，为多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高的廉价方案。单片机AT89C51 片内含有 4KB 可反复擦除的 PEROM(Flash Program-mable andErasable Read Only Memory)，还带有 128B 的随机存储器(RAM)和四个并行 8 位双向 I/O口。另外，主控单元采用了频率为 12MHz 的晶振，这样系统运行一个周期只用1s，有利于系统时间的计算。其引脚功能如下：P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL门电流。当 P3 口写入“1”

12、后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（记时器 1 外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要

13、保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE本科生课程设计（论文）4只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。/

14、PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。/EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.2 ADC0804 模数转化器的介绍ADC080

15、4 是属于连续渐进式（Successive Approximation Method）的 A/D 转换器，这类型的 A/D 转换器除了转换速度快（几十至几百 us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。以输出 8 位的 ADC0804动作来说明“连续渐进式 A/D 转换器”的转换原理。工作电压： 5V，即 VCC= 5V。模拟输入电压范围：0 5V，即 0Vin 5V。分辨率：8 位，即分辨率为 1/2=1/256，转换值介于 0255 之间。转换时间：100us（fCK=640KHz 时）。转换误差：1LSB。参考电压：2.5V，即 Vref=2.5V。3.1.3

16、 AD590 温度传感器的介绍AD590 是美国 ANALOG DEVICES 公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。在 4 V 至 30 V 电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为 1 A/K。片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在 298.2K (25C)时输出 298.2 A 电流。适用于 150C 以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。应用AD590 时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。 AD59

17、0 的测温范围为- 55+150； AD590 的电源电压范围为 430 V，可以承受 44 V 正向电压和 20 V 反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏； 精度高，本科生课程设计（论文）5AD590 在- 55+-150范围内，非线性误差仅为0.3。 图3.1 AD590温度传感器3.2 温度采集电路的设计前向通道是信息采集的通道, 主要包括温度传感器、信号放大、A/D 转换电路组成的信号采集电路和以单片机为核心的信号处理电路.水温经温度传感器和信号放大电路产生 05V 的模拟电压信号送人 A/D 转换器,将模拟量转换为数字量通过系统总线送人单片机进行运算处理。图 3.1 中温度传感器采

18、用 AD59O 将温度变换为电流,与运算放大器 Opo7 和电阻 Rl、VRI、RZ、VRZ 组成信号转换与放大电路,将温度转换为电压信号。采用 ADC0804 把电压信号转换为数字信号输送到单片机。3.3 温度控制电路的设计本温度控制系统采用通断控制， 通过改变给定控制周期内加热器的导通和关断时间，达到调节温度的目的。系统控电路由双向可控硅输出型光电耦合器MOC3061 和双向可控硅 BTA12 组成。当单片机的 P1.6 口输出低电平时，同向驱动器 7407 输出低电平，MOC3061 的输入端有电流输入，输出端的双向可控硅导通,触发外部的双向可控硅 BTA12 导通，加热器通电；当 P1

19、.6 端输出高电平时，MOC3061 输出端的双向可控硅关断，外部的双向可控硅 BTA12 也关断，加热器断电。3.4 键盘输入电路本次设计要求由温度传感器、信号放大电路和 A/D 转换器采集温度，与设定值进行比较，所以要向单片机内输入预定温度值。而此次要求控制温度范围在本科生课程设计（论文）63565之间，所以键盘输入电路设计了四个按键输入，其中一个按键设置输入 3565 中的任意一个数字；两个按键分别定义为“加 1”、“减 1”，这样就可以改变输入的数值；另一按键设置为复位，当按下时及返回温度设定值。固能满足本次设计要求。3.5 显示电路本系统显示电路是由两个译码驱动芯片CD4511和两个

20、LED（数码管）显示器构成，两个发光数码管分别显示温度值的个位值、十位值。CD4511是一个用于驱动共阴极LED显示器的BCD码七段码译码器，该芯片具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的上拉电流，直接驱动LED显示器。本科生课程设计（论文）73.6 系统原理图123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:5-Jan-2014 Sheet of File:C:Documents and SettingsAdministrator加加2keshe.ddbDrawn By:LTBI LEcdefghabCD45

21、11abcdefghLMLED1LE D1LTBI LEcdefghabCD4511abcdefghLMLED2LE D2DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7CSRDWRINTRVCCCLKRCLKINVIN-VIN+DG NDVREF/2AG NDADC0804+24V12Mh22pf22pf22pf1K加加加加1kRES21005KGNDV CCGND+5V123AD58130K81K30K10K12AD590GNDGNDGND+15V-15V+15V5K+15VP0.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P

22、3.0P3.6P3.7XTAL 2XTAL 1GNDVCC P0.5 P0.6 P0.7 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 EA ALE PSEN P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7AT89C51+5V150PFD1D2+5V+24V+-NCNCT1T230036039360V CCM OC36010.01ufBTA12220V图 3.1 系统原理图本科生课程设计（论文）8 第 4 章 软件设计 4.1 流程图的设计本系统通过温度传感器检测电热水器内实际温度， 由ADC0804将温度传感器输出的信号经放大后转换成数字信号， 存入AT8

23、9C51的内部数据存储器， 经处理送LCD 显示，并将采集值与设定值进行比较，经过PID 运算得到控制量并由单片机输出去控制加热器。4.1 程序流程图42 系统控制算法本控制系统中， 使用的是数字PID 控制器。PID 控制器是一种线性控制器， 它将设定值与测量值之间偏差的比例（P） 、积分（I） 、微分（D） 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。1、采用两个惯性环节串联成实验被控对象，T1=1秒，T2=0.5秒，K0=2。GO(s)= 15 . 0211sssesTK1002、其外部接线图如图4.2所示，将函数发生器B5单元作为信号发生器，矩形波输出施加于被测系统的输入端，用LABA

24、CT程序测得其从0V阶跃到5V时被控对象的响应曲线如图4.3所示。启动 A/D转换完成读取转换结果转换结果处理发送温度调用 PID延时 1 秒初始化YN本科生课程设计（论文）9图4.3 被控对象的响应曲线4、通常取Y0（t1）=0.3Y0(), Y0（t2）=0.7Y0()，所以从其响应曲线中测得t1=0.81s，t2=1.81s。因此求得：T0=1.180s，=0.389s。5、用工程整定法求得数字PID调节控制参数KP=0.358，TI=0.733，TD=0.135。本科生课程设计（论文）10第 5 章 系统测试与分析/实验数据及分析构造模拟电路图如图 5.1 所示，应用 LABACT 软

25、件调试。设置其参数KP=0.358，TI=0.733，TD=0.135 后，得到其响应曲线如图 5.2 所示。图 5.2 系统仿真曲线本科生课程设计（论文）11第 6 章 课程设计总结随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么单片机技术的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。应用微型计算机控制技术，采用 PID 调节算法，使电热水器恒温控制器更好地调节温度，固满足人们的使用需求。现在电热水器是一种可供洗手间、浴室及厨房使用的家用电器，市场上传统的机械式电热水器控制精度低、可靠性差，随着人们生活水平的提高，人们对电热水器的要求越来越高，越趋向于智能化和数字化。本次系统设计了一个热水器恒温控制器的方案，用温度传感器 AD590 检测温度信号，经信号放大后，采用 ADC0804 模数转换器将模拟信号转换成数字信号送到单片机处理。单片机根据键盘输入的预设目标温度和采集的实时温度进行PID 调节后，输出控制信号，经功率放大电路、光电耦合电路、双向