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1、 专业整理 学习帮手 太原科技大学学毕业设计毕业设计 论论文 任务书务书 学院 直属系 电子信息工程学院 时间 学 生 姓 名指 导 教 师 设计 论文 题目即热式电热水器控制系统设计 主要研 究内容 1 掌握控制系统设计方法和一般步骤 2 运用单片机完成对即热式电热水器控制系统设计 2 熟练运用 C 语言进行编程 研究方法理论研究 主要技术 指标 或研 究目标 通过对即热式电热水器控制系统功能需求分析 给出设计方案 完成 系统硬件设计 绘制电路原理图 完成控制系统软件设计 通过模拟 仿真验证所设计控制系统的性能 教研室 意见 教研室主任 专业负责人 签字 年 月 日 说明 一式两份 一份装订
2、入学生毕业设计 论文 内 一份交学院 直属系 专业整理 学习帮手 目录 摘要 I ABSTRACT II 引言 1 第 1 章 系统功能需求分析与控制方案设计 3 1 1 功能需求分析 3 1 1 1 硬件功能需求分析 3 1 1 2 软件功能需求分析 4 1 2 控制方案设计 4 1 3 执行器的选择 6 1 4 本章小结 6 第 2 章 系统硬件设计 7 2 1 键盘输入电路的设计 7 2 2 LCD1602 显示电路的设计 7 2 3 DS1302 时钟电路的设计 8 2 4 温度采集电路的设计 9 2 4 1 DS18B20 简介 9 2 4 2 DS18B20 电路的设计 9 2 5
3、 水流检测电路的设计 10 2 6 加热驱动电路的设计 10 2 6 1 大功率光耦 MOC3042 10 2 6 2 驱动电路的工作原理 11 专业整理 学习帮手 2 6 3 驱动电路的设计 12 2 7 漏电保护技术 12 2 8 本章小结 13 第 3 章 控制算法设计 14 3 1 PID 控制算法 14 3 2 被控对象模型的建立 14 3 3 参数整定及 MATLAB 仿真 15 3 3 1 PID 参数整定 15 3 3 2 MATLAB 仿真 16 3 4 本章小结 17 第 4 章 系统软件设计 18 4 1 软件系统总体设计 18 4 2 键盘输入 19 4 3 DS18B
4、20 测温 20 4 3 1 DS18B20 初始化 20 4 3 2 DS18B20 写数据 21 4 3 3 DS18B20 读数据 22 4 3 4 DS18B20 温度读取 22 4 4 LCD1602 显示 23 4 4 1 LCD1602 时序介绍 23 4 4 2 LCD1602 初始化 24 4 5 PID 算法的软件设计 24 4 6 PWM 输出 25 专业整理 学习帮手 4 7 本章小结 26 第 5 章 模拟仿真与结果分析 27 5 1 显示模拟仿真 27 5 2 加热模拟仿真 28 5 3 结果分析 28 第 6 章 结论 29 致谢 30 参考文献 31 附录 32
5、 附录 A 系统整体电路图 32 附录 B 部分源程序 33 专业整理 学习帮手 摘要 本文完成了即热式电热水器控制系统的设计 系统选用 AT89C52 作为主控 制器 同时结合键盘模块 显示模块 时钟模块 温度采集模块 水流检测模 块和驱动模块等完成硬件电路的设计 通过 PID 控制算法控制热水器的出水温 度 利用 C 语言完成电热水器控制系统的软件设计 另外 采用 隔电墙 技术做 漏电保护 保证洗浴过程中的安全 最后对系统进行仿真 系统能正确显示时 间与温度 准确控制加热电路的通断 达到了预期控制目标 关关键键词词 AT89C52 电热水器 PID 专业整理 学习帮手 ABSTRACT T
6、he design of electric water heater control system is introduced in this paper AT89C52 was selected which is regarded as the main controller and combines with the keyboard module display module clock module temperature acquisition module water flow detection module and drive module to complete the ha
7、rdware circuit design The water temperature is controlled through the PID and the software design of electric water heater control system is completed by using C language In addition the Safe Care is used to do earth leakage protection to ensure the safety of bathing process Finally through the simu
8、lation of the system it can display the time and temperature correctly and the control of the heating circuit can be done accurately In this way the expected control objectives can be achieved in this design Keywords AT89C52 Electric Water Heater PID 专业整理 学习帮手 引言 随着科技在进步与发展 热水器早已成为家用电器的一员 然而 市场上传 统的
9、热水器可靠性差 存在一定的安全 隐患 老式而简单的热水器由于质量差和 技术落后等原因 已经越来越不被用户所青睐 也就是说将逐步退出市场 现 在人们的生活质量提高了 人们期盼有一种既安全 又方便的热水器 在浴室和 厨房提供热水 而智能化的热水器正符合人们的这一需求 它能给用户提供直 观 数字化的体验 而且能精确地采集和控制 环境中的水温 这样的热水器 必 将为家庭 小型饭店 宾馆酒店提供配套服务 可以预见 在不久的将来 智能 化热水器将成为人们的首选 市场前景广阔 就国内外的热水器市场来看 目前的电热水器除了行业内部竞争以及与燃气 热水器的竞争以外 还面临着太阳能热水器的竞争 但是不可否认的是
10、电热 水器仍然占行业的主导地位 并且随着科技的不断进步 电热水器也不再满足于 普通的加热功能而已 越来越多的电热水器往着智能化 节能 环保的方向发 展 部分高端热水器还具有智能记忆功能 记忆用户的用水习惯 在洗浴时间 前自动提前加热 非洗浴时段提供中温生活用水 不仅让用户随时随地能享受到 热水 也更加节能 随着电热水器的智能化 相信市场前景会越来越好 当前市面上的电热水器分储水式和即热式 其中储水式使用前需要的预热时 间长 使用过程中水温无法调节 而即热式电热水器即开即热 只需几秒的预 热时间即可得到源源不断的热水供应 并且储水式电热水器内胆容量大 对安装 空间要求高 如果使用者过多就不能供应
11、足够多的热水 洗澡未用完的热水也 会逐渐变冷 形成浪费 相比而言 即热式电热水器内胆小 安装便捷 使用 时按照用户个人需求提供热水 不造成浪费 且减少耗能 而随着国家电网的 专业整理 学习帮手 转型 电费价格普遍下降 以及电力设施的改善 也表明了热水器的发展前景 由于热水器的加热过程是一个非线性系统 且存在较大的滞后性 采用 PID 控制能达到较好地控制效果 可以较好的控制出水温度 提供用户一个舒适的洗 浴环境 针对上述问题 本次将设计一个即热式电热水器控制系统 该控制系统将采 用 PID 控制算法来完成对水温的控制 解决水温突变的状况 本文对这次设计进行详细介绍 第一章介绍了系统的功能需求分
12、析与方案的 选取 并介绍了系统整体框架的设计 第二章讲述了硬件系统的设计 硬件设 计包括键盘电路 时钟电路 温度检测电路 水流检测电路 显示电路 驱动 加热电路等多个部分 第三章介绍了系统控制算法的设计 以及利用 MATLAB 对控制算法的仿真 第四章阐述了软件系统设计 针对整体软件系统流程和各 个子程序流程进行了详细介绍 第五章对系统进行了 Protues 仿真 第六章是本 次设计的结论 专业整理 学习帮手 第 1 章 系统功能需求分析与控制方案设计 本章主要内容是根据本系统所要实现的主要功能 分别预设多种方案 在保 证可行的前提下 结合经济性 便利性等原则 从中选出一种最佳的实施方案 进而
13、在后续设计中得以实现 1 1 功能需求分析 结合当前电热水器的现状 本次设计的电热水器需要完成如下功能 1 采集热水温度 为用户提供热水器的实际水温信息 2 用户可以手动设置温度和校正时间 3 控制热水器出水温度稳定 给用户一个舒适的洗浴环境 4 自动检测热水器的工作状态 实现通水通电 断水断电 防止干烧 5 做好漏电保护 保证用户在使用过程中的用电安全 1 1 1 硬件功能需求分析 结合上述的系统功能需求分析 硬件电路中需要具备以下几个电路模块 包 括 1 显示电路 用来显示时间 温度信息 2 键盘电路 用来手动设置时 间 温度 3 时钟电路 用来提供时钟信号 4 温度采集电路 用来采集热
14、水器的水温信息 5 水流检测电路 用来检测热水器的工作状态 6 加热驱 动电路 用来控制电热水器的加热工作 在满足实际功能需求 缩短开发周期 节约开发成本的前提下 本设计选 择 ATMEL 单片机 AT89C52 为主要芯片 由时钟模块和温度检测模块为单片机 提供时间和温度 输出至液晶屏显示 通过按键更改时间与预设温度 并由单 片机输出控制加热驱动模块对热水进行加热 系统整体框图如图 1 1 所示 专业整理 学习帮手 图 1 1 系统框图 1 1 2 软件功能需求分析 结合当前科技环境使用情况 软件设计选择 C 语言来进行编程 结合硬件 方案的设计 本设计需要实现温度采集 时间显示 驱动控制
15、键盘输入等功能 软件设计采用分块编写程序的方案 键盘扫描通过返回不同的键值来完成不同的 按键功能 时间显示电路中液晶与时钟芯片和 CPU 通信各需使用一路串口通信 1 温度采集电路中单片机通过 DS18B20 访问协议 protocol 与 DS18B20 通信 驱动控制使用中断来产生 PWM 软件方面最主要的是多功能的相互配合切 换 1 2 控制方案设计 1 显示控制方案的设计 显示模块主要通过显示包括时间 预设温度和实时温度等信息 让用户直观 明了的了解电热水器当前水温以及工作状态 因此需要一款显示清晰 性能可靠 稳定的显示屏 目前主流的显示器有 LED 数码管和 LCD 液晶屏 数码管应
16、用广泛 显示亮 度高且电路连接简单 但是不能显示字符 不能满足本设计的显示需求 而 LCD 液晶显示屏具有灵活多变 重量轻 占地小 功耗低 画面丰富的优点 指令操控简单 显示内容多样 可以双行显示 可以显示字符 字段 显示英文 专业整理 学习帮手 阿拉伯数字 汉语等 满足本模块的显示需求 且画面质量高 显示清晰稳定 综上所述 考虑本次设计需要的显示量较多且含有字符 故选择 LCD1602 作显示屏 2 时钟方案的设计 本设计需要为用户提供准确的实时时间 故需要单片机来提供时钟信息 方案一 由单片机提供时钟信息 单片机内部具有多个定时器 通常可由定 时器中断实现时钟功能 十分方便 但由于系 统晶振误差 温漂 中断响应时 间的不确定性及定时器重新装载时间常数所带来的误差 使得最终计时的误差偏 大 决定它不能用来作为时钟的时间基准 方案二 选择时钟芯片 时钟芯片内都集成了时钟 日历功能 高性能 低 功耗 且具有闰年补偿等优点 外围电路非常简单并具有掉电保护功能 给时 钟系统设计带来很多方便 由于本设计中需要定时器产生 PWM 无法再用来提供时钟 所以选择 DS1302 时钟芯片来提供时钟信息
