電熱水器恒溫控制器的設計課程設計

電熱水器恒溫控制器的設計課程設計XX大學微型計算機控制技術課程設計題目：

電熱水器恒溫控制器的設計院：

電氣工程學院專業(yè)班級：

自動化學號：

學生姓名：

指導教師：

起止時間：

2021.12.30-2021.1.10課程設計任務及評語院：電氣工程學院教研室：自動化學號學生姓名專業(yè)班級自動化課程設計題目電熱水器恒溫控制器的設計課程設計任務課題完成的功能、設計任務及要求、技術參數(shù)實現(xiàn)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(jīng)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(tǒng)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(shù)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(shù)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(tǒng)方案2、被控對象建模3、算法推導，程序設計4、仿真研究5、撰寫、打印設計說明書6、答辯指導教師評語及成績平時：

論文質(zhì)量：

答辯：

總成績：

指導教師簽字：

年月日注：成績：平時20%論文質(zhì)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(chǎn)品日益更新?lián)Q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(shù)字化。

本系統(tǒng)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(tǒng)、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(jù)鍵盤輸入的預設目標溫度和采集的實時溫度進行PID調(diào)節(jié)，由PID輸出調(diào)節(jié)PWM脈沖的占空比，PWM脈沖作為單片機輸出控制固態(tài)繼電器的開通或關斷，以調(diào)節(jié)電阻絲的加熱程度，從而實現(xiàn)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(diào)節(jié)目錄第1章緒論1第2章課程設計的方案22.1概述22.2系統(tǒng)組成總體結構2第3章硬件設計33.1硬件的介紹33.1.1單片機的介紹33.1.2ADC0804模數(shù)轉化器的介紹43.1.3AD590溫度傳感器的介紹43.2溫度采集電路的設計53.3溫度控制電路的設計53.4鍵盤輸入電路53.5顯示電路63.6系統(tǒng)原理圖7第4章軟件設計84.1流程圖的設計84．2系統(tǒng)控制算法8第5章系統(tǒng)測試與分析/實驗數(shù)據(jù)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(xù)出現(xiàn)了一些熱水器控制器，但大多數(shù)控制器存在著諸如性能不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生誤操作；

溫度、水位檢測、控制誤差大；

顯示器有時出現(xiàn)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(wěn)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(chǎn)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(yè)內(nèi)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(zhì)疑，即快熱式電熱水器是今后熱水器的發(fā)展方向。隨著氣價的上漲，相信今后電熱水器市場仍將會呈現(xiàn)強勁的增長勢頭。

在現(xiàn)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(chǎn)各個方面。隨著人們生活質(zhì)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(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)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(xiàn)使現(xiàn)代的科學研究得到了質(zhì)的飛躍，那么單片機技術的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)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(diào)節(jié)算法，使電熱水器恒溫控制器更好地調(diào)節(jié)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AT89C51、A/D轉換器ADC0804的功能及溫度傳感器AD590的介紹。系統(tǒng)硬件主要以高性價比的AT89C51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(tǒng)的主流程圖和系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(jīng)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(tǒng)組成總體結構本系統(tǒng)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(tǒng)、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(jù)鍵盤輸入的預設目標溫度和采集的實時溫度進行PID調(diào)節(jié)，由PID輸出調(diào)節(jié)PWM脈沖的占空比，PWM脈沖作為單片機輸出控制固態(tài)繼電器的開通或關斷，以調(diào)節(jié)電阻絲的加熱程度，從而實現(xiàn)溫度控制。并用兩位LED顯示溫度。系統(tǒng)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(tǒng)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AT89C51。單片機AT89C51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(tǒng)提供了一種靈活性高的廉價方案。單片機AT89C51片內(nèi)含有4KB可反復擦除的PEROM，還帶有128B的隨機存儲器和四個并行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(tǒng)運行一個周期只用1μs，有利于系統(tǒng)時間的計算。其引腳功能如下：

P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)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(nèi)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口將輸出電流這是由于上拉的緣故。

P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管腳備選功能：

P3.0RXDP3.1TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4T0P3.5T1P3.6/WRP3.7/RDP3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(jié)。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(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)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(zhí)行狀態(tài)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(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。

/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；

當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)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。

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。

3.1.2ADC0804模數(shù)轉化器的介紹ADC0804是屬于連續(xù)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、分辨率高外，還有價錢便宜的優(yōu)點，普遍被應用于微電腦的接口設計上。以輸出8位的ADC0804動作來說明“連續(xù)漸進式A/D轉換器”的轉換原理。

工作電壓：

5V，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。

轉換誤差：±1LSB。

參考電壓：2.5V，即Vref=2.5V。

3.1.3AD590溫度傳感器的介紹AD590是美國ANALOGDEVICES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4V至30V電源電壓范圍內(nèi)，該器件可充當一個高阻抗、恒流調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)系數(shù)為1μA/K。片內(nèi)薄膜電阻經(jīng)過激光調(diào)整，可用于校準器件，使該器件在298.2K時輸出298.2μA電流。適用于150°C以下、目前采用傳統(tǒng)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4～30V，可以承受44V正向電壓和20V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(nèi)，非線性誤差僅為±0.3℃。

圖3.1AD590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(jīng)溫度傳感器和信號放大電路產(chǎn)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(shù)字量通過系統(tǒng)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ADC0804把電壓信號轉換為數(shù)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(tǒng)采用通斷控制，通過改變給定控制周期內(nèi)加熱器的導通和關斷時間，達到調(diào)節(jié)溫度的目的。系統(tǒng)控電路由雙向可控硅輸出型光電耦合器MOC3061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(qū)動器7407輸出低電平，MOC3061的輸入端有電流輸入，輸出端的雙向可控硅導通,觸發(fā)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，MOC3061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(nèi)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(shù)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(shù)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(tǒng)顯示電路是由兩個譯碼驅(qū)動芯片CD4511和兩個LED顯示器構成，兩個發(fā)光數(shù)碼管分別顯示溫度值的個位值、十位值。CD4511是一個用于驅(qū)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(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的上拉電流，直接驅(qū)動LED顯示器。

3.6系統(tǒng)原理圖圖3.1系統(tǒng)原理圖第4章軟件設計4.1流程圖的設計本系統(tǒng)通過溫度傳感器檢測電熱水器內(nèi)實際溫度，由ADC0804將溫度傳感器輸出的信號經(jīng)放大后轉換成數(shù)字信號，存入AT89C51的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，經(jīng)處理送LCD顯示，并將采集值與設定值進行比較，經(jīng)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(fā)送溫度調(diào)用PID延時1秒初始化YN4.1程序流程圖4．2系統(tǒng)控制算法本控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)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、積分、微分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(huán)節(jié)串聯(lián)成實驗被控對象，T1=1秒，T2=0.5秒，K0=2。

GO=≈2、其外部接線圖如圖4.2所示，將函數(shù)發(fā)生器B5單元作為信號發(fā)生器，矩形波輸出施加于被測系統(tǒng)的輸入端，用LABACT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=0.3Y0,Y0=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(shù)字PID調(diào)節(jié)控制參數(shù)KP=0.358，TI=0.733，TD=0.135。

第5章系統(tǒng)測試與分析/實驗數(shù)據(jù)及分析構造模擬電路圖如圖5.1所示，應用LABACT軟件調(diào)試。設置其參數(shù)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(tǒng)仿真曲線第6章課程設計總結隨著電子技術的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)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(xiàn)使現(xiàn)代的科學研究得到了質(zhì)的飛躍，那么單片機技術的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)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(diào)節(jié)算法，使電熱水器恒溫控制器更好地調(diào)節(jié)溫度，固滿足人們的使用需求。

現(xiàn)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(tǒng)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(shù)字化。

本次系統(tǒng)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(jīng)信號放大后，采用ADC0804模數(shù)轉換器將模擬信號轉換成數(shù)字信號送到單片機處理。單片機根據(jù)鍵盤輸入的預設目標溫度和采集的實時溫度進行PID調(diào)節(jié)后，輸出控制信號，經(jīng)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(xiàn)對溫度的控制。

通過本次課程