【家用浴缸水温的PLC控制16000字（论文）】

家用浴缸水温的PLC控制目录TOC\o"1-2"\h\u26924家用浴缸水温的PLC控制 114825摘要 1272541绪论 2135491.1研究背景 2132821.2国内外研究和发展现状 310001.3研究内容及研究意义 5136552智能家居需求分析及PLC简述 6255862.1智能家居需求分析 6228112.2PLC相关概述 7229413浴缸温度控制原理与算法选择 10203083.1算法选择 107473.2模型的建立 10313943.3能量守恒定律 12107483.4讨论最省水的方案 13119343.5温度转换核心算法 1497514硬件设计 17141444.1控制要求 17179094.2系统子模块设计

1862635软件系统设计 2455015.1主程序流程图

24121515.2键盘扫描流程图

2487885.3显示处理流程图

25275335.4水位温度控制流程图

25158495.5温度采集电路流程图

26170115.6液晶显示流程图

26289025.7系统调试

27257346结论 2813105参考文献 29摘要可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、运动控制、计时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入输出，控制各类机械运动或生产过程。随着生活水平的提高，越来越多的人青睐于泡热水澡。热水澡有助于缓解身体疲劳，提高睡眠质量。通常情况下，人们通过一个水龙头用热水注满整个浴缸，然后坐在浴缸中，清洗和放松。但是浴缸只是一个简单的盛水容器，一段时间后，洗澡水就会明显地变凉，所以人们需要不停地往浴缸中注入热水，当浴缸里的水达到容量极限，多余的水会溢出浴缸，造成水的浪费。针对生活中浴缸水温的控制问题，基于能量守恒定律，构造了能量守恒模型。为使模型更加精确，基于傅里叶实验定律与边界层的影响，完成了对原有模型的改进即热传导分层模型。最后利用MATLAB对模型的结果进行仿真，实现了对不含二次加热系统与循环喷流系统的浴缸水温模型的建立，在节约用水及洗浴成本等方面具有一定意义。关键词：家用浴缸；水温调节；PLC控制目录1绪论1.1研究背景在当前经济迅速发展的背景下，人们对工作生活的舒适性和便利性有着越来越高的需求，房间气温调节器和热水器等使生活更舒适便捷的电器得到了广泛的应用。在酒店、食堂等商用厨房中，产生热量的厨具通常种类多、数量大，导致相对封闭的厨房空间中温度较高;特别是在炎热夏季，工人师傅蒸饭炒菜的操作环境条件恶劣;而且商用厨房中也需要大量热水用于蒸饭和清洗碗碟锅盆等活动。而能为厨房空气提供冷量的空调器与能为厨房用水提供热量的热水器这两类电器设备的能耗相对较大。随着节能与绿色环保越来越得到全社会的高度重视，针对可以同时提供冷量(空气)与热量(水)、高效节能热泵型空调热水器进行研究，有良好的市场前景和应用价值。对于室内气温调节这一方面而言，人们对室内环境提出了更高的要求:健康，舒适，安全和方便，空调设备在住宅、办公室等建筑中已逐渐成为非常普遍的设施。空调设备所产生的能量消耗己经在全社会能耗中占据较大的比例，并且这一比例还在增加。常规型式的空调器有一定的缺点，即在炎热的夏季进行室内制冷气的过程中，冷凝热会直接排放到室外空气中，同时空调系统在运行时所产生的冷凝热要比制冷量高约30%，直接排放会产生浪费。随着常规空调的普及，其数量在不断增加，那么废弃的冷凝热就是一个非常可观的数值。如果对这部分冷凝热量加以回收，那么空调就能够更加节能。就热水器而言，通常是采用燃煤或燃油气等锅炉进行热水的制取，不但利用率低，燃烧的产物还会产生空气污染。在提倡环保低碳的当下，这种低效易污染的制取热水方式己经不再受欢迎。当前市面上比较流行的热水器主要有燃气热水器、电热水器、太阳能热水器以及空气源热泵热水器等。就节能效果而言，空气源热泵热水器的热效率最高，根据相关统计，空气源热泵热水器的运行费用约为电热水器的25%，约为燃气热水器的33%，其制热能效比一般可高达。尽管常规的空气能热水器有着较高的能效，但是存在的一个弊端是其在制取热水时汲取热量的来源是室外空气，而制冷量白白排放到了大气中。假如在炎炎夏日，木来该进行降温的室内环境却无法利用这部分冷量，令人感到可惜。倘若能在需要降温的场所对这部分冷量加以利用，那么对于热泵热水器的节能性能有着更高的提升。在常规互相独立的热泵空调系统和热泵热水器系统中，维持空调设备的运行需要一定的高品质电能，而运行热泵热水器又要消耗一定的高品质电能用于制取较低能量品质的热水。将电能转变为热能，存在能量品质降低的问题。由此可知，相互独立运行的热泵空调系统和热泵热水器系统存在能量利用率低的问题，而且还会造成环境的热污染。为了更好地符合可持续发展和节能环保的战略要求，对于常规的热泵热水器系统进行一定的整合是非常有必要的。1.2国内外研究和发展现状1.2.1国外研究状况热泵空调热水器中所运用的基本原理是由法国工程师卡诺(Carnot)于1824年提出的理想热机工作循环——卡诺循环。在1852年，英国物理学家开尔文勋爵汤姆森(W.Thomson)提出将逆卡诺循环原理应用于制热的设想，这成为了热泵技术发展的开端。瑞士苏黎世于1912年实现了世界上最早的一套热泵系统并用于暖气供应，该装置的热源取于河流，是一套水源热泵系统。在这之后的四十多年里，热泵技术得到了长足的发展，在工业、建筑领域乃至家用市场上均有广泛的应用。20世纪70年代之后，由于能源危机的出现，世界己经显现出矿物燃料能源的短缺与能源需求的日益增长之间的矛盾，具有较好节约能源效用的热泵技术及其应用产业迎来了极为有利的时代，国际上对热泵技术的研究与发展普遍提高了重视程度。进入21世纪之后，全球变暖的趋势使得人们对于低碳环保的生活方式更加看重。国际能源署(InternationalEnergyAgencyIEA)对采取热泵技术用于制热所能减少的二氧化碳排放量进行了评估，得出的结果是:自1997年建筑行业和工业采用热泵技术用于供暖使得全球二氧化碳排量由220亿吨减少1.14亿吨，约降低0.5%。倘若将市场中的热泵设备100%应用，会占建筑物供暖方面30%的比例，这样将减少2亿吨二氧化碳的排放，占到全世界二氧化碳排量的6%。在国外，大中型空调热水机系统的研发和应用较早就开始，经过长期的发展，如今已经相对比较成熟，主要用于对制冷和供热同时有着需求的场所。在1951年，联邦德国的舒尔特·林德公司和代利亚公司相互合作，共同研制出具备热量储存装置的中央热水机组，制热效果显著。后来美国的开利公司所研发的双管束冷凝器热泵机组也是一种对热泵循环进行冷凝热重利用的设备，除此之外还有特灵公司所生产的风冷热回收式双管冷凝器的制冷机组也是对冷凝热进行回收的产品。在小型热泵空调热水器方面，Healy和Wethrington于1965年对将建筑空调器制冷工况下所产生的冷凝热进行回收用于热水制取的设想进行实验验证，结果表明如果将空调废弃冷凝热用于热水制取，可以年均减少52%左右的生活热水耗能，尤其在天气炎热的五到十月份能够减少93%的生活热水耗能。Baxter在1984年首先采用数值模拟分析的方法对制冷设备的冷凝热回收用于热水制取所节约的能量进行研究，并且和电热水器的能效性比对分析。最终得出结论是，在需要供冷气的季节里，性能系数可提升35%以上，热水可供应63%的消耗。在需要供暖的季节里，供暖性能系数提升约3%，热回收器发挥的作用较少，大多数热水供应来源于电加热。因此这一系统在需要供暖的冬季作用并不大。而由全年运行情况对比得知，全年的能效性能提升的幅度较佳。1.2.2国内研究现状国内的智能家居相较海外而言稍显落后。在二十世纪90年代后期智能家居这一概念才开始流入中国，二十一世纪后在国内开始逐渐推广。与西方国家相比而言，发展时间较短，但由于国内以及世界范围内科学技术的突飞猛进，使得国内的不少企业以及用户都开始使用智能家居。近年来，智能家居逐渐演变为物联网应用中的重点，智能化成为智能家居中的核心概念之一，智能家居的成长始终伴随着传感器的应用，二者密不可分。室内外各种家电的控制以及信息传输，是否进行布线以及信号采用何种方式收发，都是智能家居设计过程中必须考虑的问题。结合中国市场的发展状况，2008年中国闪联对协议和接口标准做了新的规定，该规定在之后正式成为了国际4C协同领域的首个国际标准，为实现世界范围内家庭智能化标准的整体局势做出了卓越的贡献，该标准包含了IT相关产业和智能家居领域的基本定义，为我国智能家居的后续稳定发展打下了扎实的根基。随着早期海尔U-home系统，上海索博EON3、S-10、PLC-BUS等多个智能家居品牌的出现，我国的智能家居开始逐步发展前行。早在2010年秦皇岛富通尼特智能科技有限公司开发的北京海淀区香山青琴别墅智能家居中，针对智能照明系统、智能安防系统、电动窗帘系统、可视对讲系统四个方面进行设计，该项目以富通尼特智能终端为核心设备，与周围设备相互配合达到实别墅用户的要求，具有很强的代表性。同年，尼科信息技术上海有限公司开发的上海御翠园别墅智能家居解决方案中，仅需凭借具有交互功能的触摸屏便可控制住宅范围内的灯光、窗帘、暖通空调、背景音乐、视听设备、门禁、安防报警以及监控设备，其核心控制技术LONWORKS总线成为国际标准（ISO/IEC14908）和中国国家标准（GB/Z20177），被诸多著名豪宅相继采用。现如今，有越来越多的企业开始投入到智能家居这一行列中，同样也诞生了不少优秀的品牌，例如杜亚DOOYA、京东微联、科帝KOTI、河东HDL、尼特NEAT、新和创bechamp等等。智能家居的理念也更加趋向于多样化、人性化，在国内外市场均如此庞大的情况下，频繁的竞争使得行业的得以快速发展，创新性与人文需求也越来越被人们所关注。1.3研究内容及研究意义主要是利用PLC

S7-200作为可编程控制器，系统采用PID控制算法，手动整定或自整定PID参数，实时计算控制量，控制加热装置，使加热炉温度为为一定值，并能实现手动启动和停止，运行指示灯监控实时控制系统的运行，实时显示当前温度值。针对水温控制问题，柴利松研制了一套基于嵌入式控制器的自动恒温供水装置系统。系统采用ARM处理器以及PID控制算法使系统的响应速度更快、控制精度更高且更稳定可靠。国外M.E.Folan研究了一种利用特殊的甲烷灯泡来控制浴缸水温恒定在40℃的设备，其精度大约在1℃的范围内。Anger.A.T发明了一种自带控制面板的浴缸，通过在控制面板上各点的传感器来测定水温进而通过各个供水管道来控制使水温恒定。上述研究均采用了较先进的技术，安全性、可维护性均存在需要解决的问题，同时造价也不低，所以不适用于普通的家庭。本文针对不含二次加热系统与循环喷流系统的普通浴缸建立水温模型，确定入水温度与最小流速。因此，我们对水温模型的研究在节约用水及洗浴成本等方面具有一定意义。2智能家居需求分析及PLC简述2.1智能家居需求分析2.1.1智能家居控制系统性能需求分析智能家居系统的最终目的是为人服务，集多种功能于一身，设计精简、移动方便、操作难度小等是人们对智能家居的一大期望。因此，智能家居在设计之初也都以这些方面为参考，在各项技术上力求突破，最终可满足现实应用需求。结合当前科学技术的发展状况，智能家居控制系统应具备以下的性能需求：实时性：系统能够实时有效的检测范围内的各个设备信息，以及周围的相关环境参数，如室内外气温情况。同时应保证数据精度，使得即使在略有偏差的情况下也不会有太大的影响发生；预警性：当家居设备以及环境参数发生变化时，一旦达到某一设定值时，应立即对用户进行相关提示或预警，尽量避免任何不良事情的发生；可靠性：应具备良好的数据传输及高效的数据管理能力。在智能手机几乎已经完全普及的情况下，人们更倾向于在远程通过智能手机以及平板等设备对家庭内的设备进行查看和操控。因此，优良的远程数据传输能力是当前智能家居系统下必不可少的一大要素。当家庭内的各个设备传来相关信息时，应具有高效的数据处理能力，并同时对这些数据进行一定的管理存储，便于对监控历史数据进行查询、调取，以及将来在这些信息上的进一步升级操作；稳定性：智能家居控制系统使用时间一般较长，通常情况下需保持不间断地运行，因此系统必须具有稳定性，为用户提供稳定的服务，同时确保系统本身不发生死机、崩溃、无响应等情况；兼容性：智能家居在发展的过程中形成了几种不同的技术标准，此外还应考虑到未来会不断有新的设备需加入到智能家居体系中，因此系统需具备一定的兼容性，使得不同的产品技术都可以运行。同时也应预留部分接口，使其具备可升级扩展性。一方面可以容许未来其他家电设备的加入，另一方面则是以适用性强且使用寿命长的硬件基础为前提，当将来的技术再一次发展时，也可以对系统进行一定的升级操作；经济性：智能家居最终的目的是为用户所服务，被更多的人接受使用，未来的目的也是走进千家万户，而不仅仅是存在于一些高端住宅区或实验项目中。因此在保证功能与品质的同时，更加经济的性价比也是影响智能家居行业发展的重要因素。2.1.2智能家居控制系统功能设计在整个系统实现之前，根据需求分析，结合智能家居的特点来设定系统的功能。智能家居控制系统主要以控制模块为核心，与其他传感器检测模块与传输模块共同组成。系统的运行离不开各个模块的相互配合，为了系统将来的升级更新，则应该预留部分接口。因此综合而言，系统的功能设计如下：信息采集功能信息的采集主要是指传感器对室内外部分环境情况的监测。具体表现如室内的温湿度，室外温度、光照强度等信息的采集。这些信息的综合可以让人们有效的了解环境及太阳能热水器水箱中存储水的情况，更好的把握自己的生活节奏。信号无线传输功能无线传输主要是为了使信号可以方便有效地传输到另一接收端，进而使整个系统得以流畅运行。在智能化高度发达的今天，无线连接方式以其独有的便利性已经逐渐开始在某些方面取缔有线方式。无线传输一方面可以避免布线所带来的复杂性且不影响美观，另一方面由于其在室内这样的传输距离中传输速度完全可以满足人们的需求。人机交互功能人机交互可以使人们更直观的感受到系统的当前状态。如采集到的室内外环境信息，经数据处理后显示到用于人机交互的触摸屏上，使用者可以在观测到所传来的信息后，选择是否对设备状态进行更改调节。这种直接有效的交互方式，是智能家居中一个较为关键的功能。2.2PLC相关概述2.2.1PLC简述可编程逻辑控制器（Programmable

Logic

Controller，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有控制能力强、可靠性高、使用灵活方便和易于编程、扩张、通信等一系列优点，是当今及今后工业控制的主要手段和控制核心，因此PLC技术、数控计数、计算机辅助设计、计算机辅助生产以及机器人技术、已并列为现代工业生产自动化的四大支柱。

西门子是中国多个业务领域的领先工业解决方案供应商，在制造业自动化、流程工业自动化、运动控制、驱动、低压控制以及电气安装技术方面提供了各类创新、可靠、高效和优质的产品。并全面提供系统的解决方案和服务，产品涵盖范围广，在信息、通信、自动化与控制、电力、交通医疗、照明等各个行业领域处于优势。

2.2.2

PLC工作原理

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的，即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器的程序。按指令序号（或地址号）做周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直到程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和输出状态的刷新等工作。

PLC的扫描一个周期必须输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

输入刷新阶段：

在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。

程序执行阶段：

在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。

输出刷新阶段：

当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。

由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。

显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。

PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进行程序执行阶段。

PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果在写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

3浴缸温度控制原理与算法选择3.1算法选择设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。利用单片机AT89C51实现水温的智能控制，使水温能够在40-90度之间实现控制温度调节。利用仪器读出水温，并在此基础上将水温调节到我们通过键盘输入的温度（其方式是加热或降温），而且能够将温度显示在我们的七段发光二极管板上。1.可以对温度进行自由设定，但必须在0~100摄氏度单位内，设定时可以适时的显示出设定的温度值，温度是可以自由设置的，传感器的检测值与设定的温度比较，可以显示在七段发光二极管上。2.温度由1台1000W电炉来实现，如果温度不在40~90度之间，则在LED上显示“8888”,表示错误。3.能够保持不间断显示水温，显示位数4位，分别为百位，个位，十位，和小数位（但由于规定不超过90度，所以百位也就没有实现，默认的百位是不显示的）。温度采集我们最初选用热电偶测炉温，实验室通过变送器送出来的是1V~5V的电压信号。结果用ADC0809做转换芯片，NE555做0809的时钟源，做出来是78.9KHZ，用PLC控制0809的时序，转换出来非常准，最大误差不到0.02V。但是由于这是个8位的转换，而实验室的炉温是1V~4V对应0~100℃，8位精度将会非常差。所以最终选用了DS18B20做温度传感器测水温。用单片机AT89C2051控制器时序转换成实测温度值送到PLC输入端。最后直接用，把重点放在了PLC的控制部分。PID控制的效果取决于其4个参数，即采样周期ts、比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Ka。其可靠性高、算法简单。被广泛应用于过程控制中。这里我们采用PID算法，也因为其控制精度比较高。3.2模型的建立我们的模型建立在系统热量守恒的基础上，输入浴缸系统的热量等于系统向外散发的热量。输入的热量等于向浴缸里加入的热水的热量;输出的热量则分为三个部分:第一部分是通过浴缸壁的传导散热，第二部分是浴缸里的水与空气的对流散热，第三部分则是水向人体的散热。由于要保持浴缸里水温的恒定，基于系统热量守恒，可以得到系统输入的热量等于向系统外散失的热量。3.2.1输入的热量设沐浴时的水的比热容为c，通过水龙头向浴缸里注入的水的温度为Th，水龙头的水流流速为vkg/s。利用以上几个变量，以及水的热量计算公式，可以求出系统在单位时间dt的输入能量为dQ=cThv（3.1）3.2.2散发的热量浴缸壁的热传导散热平板的热传导根据热传导公式———傅里叶定律，可以得到，在一个均匀的平板内，当T1＞T2(T为温度)时，热量以导热的方式通过物体，方向从T1侧向T2侧传递，如图3.1所示:图3.1板子的热传导模型设热流方向的微分长度为dn，在dt(t为单位时间)的瞬时传递能量为dW。根据热传导公式实验证明，单位时间内通过平板传导的热量dW与温度梯度dT/dn和传热面积A成正比，其中T表示单位温度，即dW∝A·(dT/dn)dt其中，左式与右式之间的比例系数称之为导热系数，则:（3.2）侧壁和壁底散热设侧壁的厚度为b，水与浴缸侧面的接触面积为Sl，水与浴缸底部的接触面积为Sd，浴室空气的温度为Tair，浴缸内的水的温度为T0，那么我们可以列出热量通过浴缸底面及侧面的散失值:（3.3）水面与空气间的对流散热根据对流散热公式，设浴缸内的水面的温度为T0，空气的温度为Tair，单位时间dt内通过水气交界面(面积为Sup)，水面向空气中传播的热量dQ2，散热系数为，则（3.4）散热系数α的计算采用管来贝格计算法。设水的比热容为c、密度为ρ、浴缸深度为h;通过简化模型，只考虑平衡水温，可得出散热系数的简化公式为(3.5)将式(3.4)与式(3.5)联立可以求出水面与空气间的对流散热表达式为(3.6)人体吸热静止吸热静止时人体和水之间的传热可简化为导热问题，设人体的热导率为k，人体和水的接触面积为Sp，传热厚度为L。根据之前提到的傅里叶定律，可得出水与人体的导热量为（3.7）由于人体热导率低(40℃时约为0.2W/(m·k)，固定水温情况下传导热量较低。(2)移动对流吸热当人体在运动时，水和人体表面的热量交换加入了强制对流。设强制对流系数为h(强制对流系数受到很多因素影响，水约为1000～1500)，根据牛顿冷却定律可以得出人在运动的时候从水中吸收的热量为（3.8）放走的水的热量类比于吸收的水的热量公式，可得出放出水的热量为3.3能量守恒定律在这个系统中，总的输入热量等于输出热量之和，即（3.9）3.4讨论最省水的方案针对省水问题，我们主要考虑水从浴缸里溢出对水温与用水量的影响。这里我们考虑满水的极端情况，因为在满水的情况下，人在水中的运动会造成水的溢出，而在水不满的情况下，无法具体确定人的运动是否造成水的溢出，在这里我们不做讨论。设人体适宜的沐浴温度范围为［T1，T2］，当浴缸水满时，人由躺在浴缸里到坐在浴缸里，这个过程中水的变化量为ΔM，而人躺在水中时水的体积为M。图3.2人在浴缸的两种姿势的讨论极端一:躺在浴缸里达到温度不变，然后坐起来。在坐起来之后，由于水位下降，加入的水在一定时间内要填满浴缸，所以不会像之前一样流出，这个过程中温度会一直上升，直到将浴缸的水填满后才开始下降;由于此时蒸发散热量会增加，所以导致最后稳定的水的温度会比之前稳定的温度还要低，即为整个过程中温度的最低值。关系式为（3.10）人体的沐浴温度范围使得最大的温度不能比T2高，最低温度也不能比T1低，根据这两个限定条件我们可以求出最小的流速vmin和此时最大的加入水温。极端二:坐着达到温度不变，然后躺下去。由坐在浴缸里到躺在浴缸里，会排出ΔM的水，水的蒸发量会减少，这必然会导致水的温度上升。关系式为（3.11）同理因为最大温度不能比T2高，联立以上两个式子，可以确定出最小流速vmin和此时最大入水温度(Th)max。3.5温度转换核心算法DS18B20的测温功能当DSI8B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的0，1字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0．0625℃／LSB形式表示。DSI8B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH做比较，若T>TH或TRoM操作命令->存储器操作命令->处理数据1初始化单总线上的所有处理均从初始化开始2ROM操作品令总线主机检测到DSl820的存在便可以发出ROM操作命令之一这些命令如指令代码ReadROM(读ROM)[33H]MatchROM(匹配ROM)[55H]SkipROM(跳过ROM][CCH]SearchROM(搜索ROM)[F0H]Alarmsearch(告警搜索)[ECH]3存储器操作命令指令代码WriteScratchpad(写暂存存储器)[4EH]ReadScratchpad(读暂存存储器)[BEH]CopyScratchpad(复制暂存存储器)[48H]ConvertTemperature(温度变换)[44H]RecallEPROM(重新调出)[B8H]ReadPowersupply(读电源)[B4H]温度传感器与单片机通讯时序2.温度转换算法及分析由于DS18B20转换后的代码并不是实际的温度值，所以要进行计算转换。温度高字节（MSByte）高5位是用来保存温度的正负（标志为S的bit11～bit15），高字节（MSByte）低3位和低字节来保存温度值（bit0~bit10）。其中低字节（LSByte）的低4位来保存温度的小数位（bit0~bit3）。然而由于本程序采用的是0.0625的精度，小数部分的值，因此可以用后四位代表的实际数值乘以0.0625，得到真正的数值，数值可能带几个小数位，所以采取小数舍入，保留一位小数即可。也就说，本系统的温度精确到了0.1度。核心算法：首先程序判断温度是否是零下，如果是，则DS18B20保存的是温度的补码值，需要对其低8位（LSByte）取反加一变成原码。处理过后把DS18B20的温度Copy到单片机的RAM中，里面已经是温度值的Hex码了，然后转换Hex码到BCD码，分别把小数位，个位，十位，百位的BCD码存入RAM中。由于百位没有用，默认情况是置为0A，在显示屏上没有任何显示。温度算法核心代码DATA_DEAL:MOVA,TEMPERATURE_H；TEMPERATURE_H存放的是DS18B20转换后的高8位的值（上图的MSByte）ANLA,#80H；判温度是否零下JZTEMPC1；A为0，说明是正数，跳往TEMPC1,如果是负数，则对低8为进行补码处理CLRCMOVA,TEMPERATURE_L；为负数，对低8位（上图的LSByte）求补CPLA；取反加1ADDA,#01HMOVTEMPERATURE_L,A；取补码后存回TEMPERATURE_L，此时TEMPERATURE_L里面的值就可以表示温度了MOVA,TEMPERATURE_HCPLAADDCA,#00H；高位TEMPERATURE_H取反，加上从低位TEMPERATURE_L进来的位MOVTEMPERATURE_H,A；写回TEMPERATURE_HMOVTEMPERATURE_HC,#0BHSJMPTEMPC11TEMPC1:MOVTEMPERATURE_HC,#0AHTEMPC11:MOVA,TEMPERATURE_HCSWAPAMOVTEMPERATURE_HC,AMOVA,TEMPERATURE_LANLA,#0FH；取A低4位(小数位，单位是0.0625),得出来的数要乘以0.0625,通过查表来算出值MOVDPTR,#TEMPDOTTABMOVCA,@A+DPT；查表MOVTEMPERATURE_LC,A；TEMPERATURE_LC的低四位保存小数部分BCDMOVDIS_BUF_X,A；小数位的BCD码送入显示buffer中MOVA,TEMPERATURE_L；整数部分ANLA,#0F0H；得到个位单个数值SWAPA；SWAP后就得到个位真正的个位MOVTEMPERATURE_L,AMOVA,TEMPERATURE_HANLA,#0FHSWAPAORLA,TEMPERATURE_LMOVTEMPERATURE_ZH,A；组合后的值存入TEMPERATURE_ZHLCALLHtoB；转换HEx值成为BCD码MOVTEMPERATURE_L,A；TEMPERATURE_L目前存入的是十位和个位的BCD编码ANLA,#0F0HSWAPAORLA,TEMPERATURE_HC；TEMPERATURE_HC低4位存放十位数BCDMOVTEMPERATURE_HC,AMOVA,TEMPERATURE_LANLA,#0FHSWAPA；TEMPERATURE_LC高4位存放个位数BCDORLA,TEMPERATURE_LCMOVTEMPERATURE_LC,AMOVA,R7JZTEMPC12ANLA,#0FHSWAPAMOVR7,AMOVA,TEMPERATURE_HC；TEMPERATURE_HC高4位存放百位数BCDANLA,#0FHORLA,R7MOVTEMPERATURE_HC,ATEMPC12:RET；小数部分码表TEMPDOTTAB:DB00H,01H,01H,02H,03H,03H,04H,04H,05H,06H,06H,07H,08H,08H,09H,09H结果温度值的BCD码存放到TEMPERATURE_HC(百位和十位)，TEMPERATURE_LC(个位和小数位)中。4硬件设计4.1控制要求欲使受热体维持一定的温度，则需要降温工具不断给其降温。这就需要同时有一加热器以不同加热量给受热体加热，这样才能保证受热体温度恒定。

本系统的给定值（目标值）可以预先设定后直接输入到回路中；过程标量由在受热体中的Pt100测温并进过温度变送器给出，为单极性电源模拟量；输出值是送至加热器的电源，其允许变化范围为最大的0%至100%。4.1.1PLC型号选择

本温度控制系统采用德国西门子S7—200PLC。S7-200

是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

4.1.2

硬件选择

S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号CPU供您使用，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU226。此系统选用S7-200CPU226型号，

CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O

点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O

点或35路模拟量I/O

点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

4.1.3

S7-200

PLC的PID功能指令

PID循环（PID）指令根据表格(TBL)中输入和配置信息对引用LOOP执行PID循环计算。

提供PID循环指令（成比例、整数、导出循环）进行PID计算。逻辑堆栈（TOS）顶值必须是“打开”（功率流）状态，才能启用PID计算。本指令有两个操作数：表示循环表起始地址的TBL地址和0至7常量的“循环”号码。

循环表存储九个参数，用于控制和监控循环运算，包括程序变量、设置点、输出、增益、样本时间、整数时间（重设）、导出时间（速率）以及整数和（偏差）的当前值及先前值。

如果循环表起始地址或指令中指定的PID循环号码操作数超出范围，CPU编译器将生成一则错误（范围错误），编译将会失败。PID指令不对某些循环表输入值进行范围检查。您必须保证程序变量和设置点（以及作为输入的偏差和先前程序变量）是0.0和1.0之间的实数。如果进行PID计算的数学运算时遇到错误，将设置SM1.1（溢出或非法数值）并终止PID指令的执行。（对循环表中的输出数值的更新可能不完整，因此您应当忽略这些数值，并在执行下一个循环PID指令之前纠正引起数学错误的输入值。）

本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。主程序的任务是对系统初始化，实现参数输入并控制电加热炉的正常运行。主程序流程图：图4.1主程序流程图4.2系统子模块设计

4.2.1温度采集电路

温度采集电路温度采集采用温度传感器DS18B20，它可以采集温度数据，然后温度数据直接进行A/D转换，可以直观且实时的检测当时的周围环境温度。DSl8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。DSl8B20的测量范围从-55℃到125℃，误差为0.5℃，工作电压则是在3-5V，自己设定的温度存储在芯片的内部即EEPROM中。它有着3个引脚，当我们的设计使用的是外部电源给系统供电时，VCC脚接电源，GND脚接地，DQ脚作为信号端接单片机的P3.4

I/O口。在VCC脚和DQ脚之间我们还需要接1个阻值约莫为4.7K的上拉电阻R16，用来使我们的总线在不使用的时候也能保持高电平。温度传感器DS18B20将自身采集到的温度信号转换为数字信号存储起来，通过I/O口传送给单片机，单片机从而控制程序驱动LCD12864显示温度，控制整个系统。温度采集电路原理图如图4-2所示：图4.2温度采集电路图4.2.2键盘电路

在键盘电路中我们通常有着独立键盘和矩阵键盘2种方式，当独立键盘与单片机相连时，每一个按键都需要一个单独的I/O口来控制，若我们设计的系统需要很多按键的时候，会导致I/O口不够用。当我们使用矩阵键盘时，可以将1行的按键连成一个接口，占用1个I/O口。每一列的按键连成一个接口，占用1个I/O口，这样子我们可以通过扫描I/O口，来确定我们使用的是哪个按键，这样子可以在需要很多I/O口的时候节省很多的I/O口。因为在本次设计中我们仅仅需要4个按键而已，I/O口比较充足，故使用独立键盘电路。

在单片机设计中，除了复位按键，其他的按键都是采用的开状态和关状态来控制输入与功能的。本次设计共有3个按键，能实现设置，增大，减小，启动4个功能，采用I/O口线构成的单个按键电路，互相不会影响。键盘的按键K1，K2，K3，K4功能如下表4-1所示。键盘电路如下图4.3：表4-1键盘功能表图4.3键盘电路图4.2.3显示电路

本设计主要采用的是LCD12864显示器，可以用来显示汉字与图形，在温度检测与温度设置下限时，可以直接的显示出来。DB0-DB7接单片机的P2.0至P2.7作为数据的输入输出，GND接地，VDD是电源正极接+5v，V0口接一个电位器来调整液晶显示对比度，RS口接单片机的RS口，作为数据/命令的选择端，R/W端接W/R端来行使读/写输入端的功能，EN端是使能信号，NC脚是空脚不用接，RST端接+5V来行使复位功能，V0UT也是空脚不接，BLA是背光电源正极，所以接+5V电源，BLK端是背光电源负极，所以接地。液晶显示电路如下图4.4：图4.4液晶显示电路图4.2.4水位检测电路

本次设计在Q1和Q2这2个三极管的基极分别接出一根导线，电源处也接出一根导线，分别置以不同的高度，电源处的导线最低，三极管Q1基极接出的导线在三极管Q2基极接出的导线和电源处导线之间。Q1接出的导线位置标为P3.3，Q2接出的位置标为P3.2。C2和D2则分别接至单片机的P3.3和P3.2口。，在水位在初始到P3.3之间时，C1和D1均与接地接通，三极管导通C1和C2以及D1与D2均为低电平。在水位在P3.3和P3.3之间时，C1与电源的线导通，三极管截止，C2呈现高电平，C1也是高电平，D2和D1则是低电平，单片机则是判断C2和D2的电平来做出判断，开始检测水温，然后来进行是否加水。当水位达到P3.2之上时，C1和C2均与电源导通，三极管截止，D2出现高电平，D1也是高电平，C1和C2也是高电平。单片机来判断C2和D2的电平来判断是否排水。其中的R13和R14有10K的阻值，它的作用上拉电平，加强驱动力。R11和R12的电阻则是1K，它的作用是用来限流，防止烧毁三极管。水位检测电路如下图4-5所示：图4.5水位检测电路图4.2.5水位控制电路

在我们洗浴的时候，我们需要一定量的水位高度的水，所以设定了2个水位值，一个为水位下限，在低于水位下限的时候，开始加水直至达到水位下限。一个为水位上限，在水位高于上限时，开始排水，从而将水位控制在自己设定的范围内。本次设计采用发光二极管来代替执行电路。L1灯代表释放热水，L2代表释放冷水，L3代表排水。控制电路如下图4-6所示：图4.6水位控制电路4.2.6水温控制电路

本设计采用电动控制门阀来控制水的流量以达到温度控制的功能，它采用的原理主要是热平衡原理。假设热水为T1，冷水为T2，混合水的温度为T3，易而得之T1＞T3＞T2，由Q吸等于Q放

可以得到：可以得出

T3=（M热水*T1+M冷水*T2）/（M冷水+M热水），令A=M热水/M冷水

则T3为（AT1+T2）/(1+A)，可以得出这是以A的递增函数，这样子当实际温度小于设定温度值时，可以控制2个电动调节门阀使得A增大，使得温度逐步达到所需要的值。

4.2.7

单片机最小系统

时钟电路是用于产生STC89C52单片机正常工作所需的时钟控制信号。它的产生来自于两种电路形式，内部振荡方式与外部振荡方式。在引脚ATXL1和ATXL2外接晶振就构成了内部振荡方式。单片机内部有一个高增益反相放大器，外接晶振以后，构成了自振振荡器来产生时针脉冲，内部振荡信号相对稳定，多数电路设计均采用。本设计也是采用内部振荡的方式。在单片机最小系统图4-7所示，图中C6与C7起着稳定振荡频率与快速起振的作用，电容值是30pF，晶振频率为12MHZ，内部振荡方式所得的时钟复位操作可以使单片机的片内初始化，以一种确定的初始状态开始运行。

复位即是单片机初始化，当AT89S52单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的的高电平，就会自动执行复位操作。单片机复位有多种形式如片内复位，上电复位，按钮电平复位和按钮脉冲复位。本次设计采用电或开关复位，能实现的是电源接通以后自动复位，而且能够在单片机运行的时候，按下开关可以达到单片机复位的效果。单片机最小系统如图4-7所示：图4.7最小系统图4.2.8语音电路

在这个模块中，A0-A7接到单片机的P0口，REC、PLAYE、PLAYL接口接上外围的一些元器件即限流电阻R1，R2，R3，耦合电容0.001uF的C1，构成语音录放电路。在语音芯片的RECLED引脚与电源之间接上1个发光2级管D1和1K阻值的限流电阻R5，来实现这个模块的录音和放音的操作。XCLK外部时钟引脚端接地，VCCD和VCCD引脚接入到+5V电源电压，VSSD和VSSA接地，在VSSD和VCCA之间接入1个0.1uF电容即C2，为了滤高平电源电压，从而使得供电电压更加稳定。SP+和SP-接入到喇叭，ANA

IN和ANA

OUT之间接入一个0.1uF的电容C3，和5.1K电阻的R4，进行功率放大，AGC引脚接上2个并联起来的470KΩ电阻R6和0.1uF的电容，来实现滤高平平的功能。语音控

制模块如下图4-8所示：图4-8语音模块图5软件系统设计5.1主程序流程图

系统的软件部分主要是由主程序流程图，键盘扫描流程图，水位温度控制流程图，LCD显示处理流程图。当通电时，主程序启动，初始化液晶显示器即对液晶显示器设置并口方式，基本指令操作，显示开或关光标，然后清除LCD显示内容，接着温度及温度下限和工作状态，通过键盘扫描子程序，设定温度的下限值，经过显示处理得出系统工作位flag的值，当设定的温度在35℃到45℃之间时，flag=1，当设定的温度不在35℃到45℃之间，flag=0。经过系统工作位flag值的判断，当flag=0时，温度控制恢复至初始状态，然后跳转到LCD显示处继续循环，当flag=1时，执行温度控制子程序来控制温度和水位，然后也跳回到LCD显示处继续循环。主程序流程图如下图5-1所示：图5.1主程序流程图5.2键盘扫描流程图

本程序主要是完成温度下限的设置，因为人体的承受温度主要是在35°到45°之间，太高和过低对人的身体都有伤害的。K2键是设置键。K3，K4在设置过程中是有着温度下限加1，K4在设置过程中有着温度下限减1的功能，flog的初始值为0，K2在每按一次的时候，flog的值加1，通过判断flog的值，执行不同的功能。因为设置键按的次数是奇数时，是有着设置温度下限的功能，是偶数的时候，则是完成设置，故在flog大于1时，重新变为0。在完成温度设置之后，按下K3，则是进行显示处理。键盘扫描的流程图如下图5-2所示：图5-2键盘扫描流程图5.3显示处理流程图

当设定的温度高于45℃时，液晶显示温度过高，请重新设置，工作状态为stop

，flag=0，即系统工作位为0，当设定的温度低于35℃时，液晶显示温度过低，请重新设置，工作状态为stop，flag=0，当设定的温度在35℃到45℃之间，此温度可以设置，液晶显示此设定的温度值，工作状态为RUN，flag=1，系统工作位为1。显示处理流程图如下图5-3所示：图5-3显示处理流程图5.4水位温度控制流程图

本程序主要将水位和水温控制在一个范围内，在水位未达到水位下限时，语音提示加水，冷热水混加，保证有足够的水，可以用来洗浴。在水位处在水位上限和下限之间时，温度高于温度上限时，则加入冷水，直至温度上限。温度低于温度下限时，则加入热水，直至温度不低于温度上限。温度处于温度上下限之间时，温度就适用于洗浴了。水位高于水位上限时，语音提示排水，进行排水处理。温度控制的流程图如下5-4所示：图5-4水位温度控制流程图5.5温度采集电路流程图

DS18B20温度传感器的每一次命令和数据传输都是从写时序开始，数据传送给单片机时，需要启动读时序来接收数据，每一次的读时序和写时序都需要60μs，在独立的读和写时序之间最少需要1μs的恢复时间。它的写和读时序都有0时序和1时序。在写时序的0时序时，单总线被最少拉低60μs，保证它能够在15μs-45μs，可以正确的采样。在写时序的1时序，单总线拉低，在15μs内释放。在读时序的0时序，总线的状态是低电平，读时序的1时序，总线则是高电平，要保持15μs的采样总线。温度采集电路流程图如下图5-5所示：图5-5温度采集电路流程图5.6液晶显示流程图

液晶LCD12864想要显示内容之前，首先要对其进行初始化，也就是进行显示清屏设置，显示模式的设置，显示开关光标的设置。LCD12864是并口运行方式，在显示内容之前，要对显示位置进行设置，即写入命令函数，然后写入数据，可以显示出数据。液晶显示程序流程图如下图5-6所示：图5-6液晶显示流程图5.7系统调试

首先进行了系统硬件的看设计调试，在硬件焊