1、本科生毕业设计（论文）资料第一部分 设计说明书基于 proteus 的热式热水器温度控制系统的仿真研究I摘 要热水器在工业生产和家庭生活中的应用是非常普遍的，而热水器的核心技术之一就是温度控制方面，也就是说温度控制器的技术对热水器的发展起着至关重要的作用。所以温度控制器的研究对于提高热水器产品的质量，是具有很重要的现实意义的。本课题主要针对热式热水器中温度控制的特点及实现准确温度控制的意义，设计了一种基于单片机的控制系统，整个系统的设计内容包括硬件和软件两个部分。硬件电路主要以 AT89C51 单片机为微处理器，详细设计了温度信号采集电路，温度数码显示电路，键盘设置温度电路，报警电路，光耦隔离
2、输出电路，模拟加热电路。软件部分主要针对加热装置的控制模式进行了编程。温度传感器 DS18B20 采集到的温度转换成电压信号反馈到单片机，然后与温度的给定值进行比较，通过比较来控制加热装置，从而达到控制温度的目的。关键词：单片机，热水器，温度控制，AT89C51，DS18B20IIABSTRACTWater heater is common in industrial production and family life application，and the temperature control is one of the core technology of water heater,w
3、hich means temperature control technology plays a vital role for the development of water heater. Thus, the research of temperature controller has very important practical significance for improving water heater quality.Regarding to the feathers and the significance of hot water heater temperature c
4、ontrol, this subject designs a kind of system based on single-chip microcomputer control.The system includes hardware and software.Hardware circuit is designed the AT89C51 as main microprocessors, and the hardware circuit includes the temperature signal acquisition circuit,temperature digital displa
5、y circuit, the keyboard set temperature circuit, alarm circuit, light coupling isolation output circuits, analog heating circuit.The softeware is mainly aimed at heating device programming.Temperature sensor DS18B20 collects the temperature and converse it into voltage signal, feedbacks to the micro
6、controller, then compared with the given temperature value, by which to controle the heating device, so as to control the temperature.Keywords:SMC，water heater ，temperature control，AT89C51, DS18B20III目 录摘 要 .IABSTRACT .II第 1 章 绪 论 .11.1 课题背景 .11.2 系统任务 .11.3 设计思路 .2第 2 章 热式热水器温度控制系统的硬件设计 .32.1 AT89C
7、51 单片机简介 .32.1.1 AT89C51 单片机资源简介 .32.2 数字温控芯片 DS18B20 介绍 .52.2.1 DS18B20 的特性 .52.2.2 DS18B20 的测温原理 .62.2.3 DS18B20 与单片机接口电路 .72.3 显示驱动电路设计 .72.4 按键电路设计 .82.5 光耦隔离输出电路 .82.6 整体硬件电路 .9第 3 章 热式热水器温度控制系统的软件设计 .103.1 系统软件设计框图 .103.2 主程序模块 .113.3 温度采集模块 .123.4 报警及加热电路模块 .133.5 温度显示模块 .133.6 键盘扫描模块 .13第 4
8、章 热式热水器温度控制系统仿真 .154.1 proteus 简介 .154.1.1 软件功能特点 .154.2 仿真结果 .15结 论 .21参考文献 .22IV附 录 .23致 谢 .311第 1 章 绪 论本章内容主要叙述了热式热水器方面的行业背景概况，此课题要求的系统任务以及在确定系统任务之后的整体设计思路，重点是关于热水器温度控制系统的设计思路。1.1 课题背景热式电热水器，进入中国市场已有十个年头之久，对于国内消费者来说，也是一个并不陌生的产品了。从一个边缘产业到逐渐成长为重心行业，产品技术上也趋于成熟和稳定，经过十年本土化、特色化的改造后，即热式电热水器终于迎来了发展高峰期。更多
9、的企业拥入其中，据相关数据显示，目前国内已有 300 多家企业涉足此类产品的生产，其中主要集中在珠三角、长三角一带。现在市场上的热水器按利用能源类型分为燃气热水器、电热水器及电热-太阳能复合式热水器等。按照加热方式不同分为直热式电热水器和热泵式热水器。直热式电热水器又分为两个类别：即贮水式电热水器和快热式电热水器。相比前者，后者具有不需预热及保温，即用即热，出水温度恒定，体积小巧，节能，寿命长等优点。但是，它也存在诸如功率大、制作工艺复杂，价格偏高等问题。随着技术的不断成熟、成本不断降低、产品价格不断下降，快热式电热水器正迎来爆炸式的市场增长。参照国外的发展情况经验，在欧洲和东南亚，曾经是燃气
10、式和贮水式的天下，快热式电热水器的市场经过 20 年的发展，占有率达到 50%。目前中国市场即热式电热水器的销售比率只占 3%，这表明即热式电热水器在中国有极为广阔的市场前景。1.2 系统任务设计一热式热水器温度闭环控制系统，系统方框图如下图 1.1 所示： 放大器 控制器 热水器测量装置输出温度反馈温度给定温度图 1.1 系统方框图2单片机键盘输入电路显示电路温度控制电路测温电路报警电路（1）热水器温度工作范围：063；（2）检测分辨率 1；（3）键盘是采用拨动开关，实现温度设定范围为：063；（4）给定温度用 2 位 LED 用动态或静态扫描技术显示；（5）实际温度用 2 位 LED 用动
11、态或静态扫描技术显示；（6）增加预警系统，当加热到设定的温度时，则发出报警信号。1.3 设计思路热式热水器温度闭环控制系统包括检测系统、显示系统、按键设置温度系统、模拟加热系统、报警系统、单片机控制系统等六个部分。系统选择性能优良的 DS18B20 温度传感器来模拟检测热水器内的温度；用两个两位的数码管来分别显示实时设定温度和实际温度；采用两个按键来分别设置温度的十位和个位；采用一个绿色 LED 灯来模拟加热装置（灯亮则表示启动加热装置，灯灭表示关闭加热装置） ；采用一个红色 LED 灯来模拟报警信号（灯亮则表示实际水温高于预设水温，讲产生报警信号并关闭加热装置；灯灭则表示实际水温要低于预设水
12、温，此时系统处于加热状态） ；核心的单片机控制系统采用常用的 AT89C51 芯片，接收传感器反馈回来的温度信号，与设定温度值进行比较处理并作出是否开启加热装置的命令。总体结构图如下图 1.2 所示：图 1.2 系统总体原理框图3第 2 章 热式热水器温度控制系统的硬件设计本章的重点是热式热水器温度控制系统的硬件设计，主要包括控制处理器以及实现其他设计功能的硬件模块。2.1 AT89C51 单片机简介2.1.1 AT89C51 单片机资源简介AT89C51 是一种带 4K 字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read On
13、ly Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器。2.1.1.1 主要特性-与 MCS-51 兼 容 -4K 字 节 可 编 程 闪 烁 存 储 器 -寿 命 ： 1000 写 /擦 循 环 -数 据 保 留 时 间 ： 10
14、年 -全 静 态 工 作 ： 0Hz-24MHz -三 级 程 序 存 储 器 锁 定 -1288 位 内 部 RAM -32 可 编 程 I/O 线 -两 个 16 位 定 时 器 /计 数 器 -5 个 中 断 源 -可 编 程 串 行 通 道 -低 功 耗 的 闲 置 和 掉 电 模 式 -片 内 振 荡 器 和 时 钟 电 路2.1.1.2 管脚说明VCC： 供 电 电 压 GND： 接 地4P0 口 ： P0 口 为 一 个 8 位 漏 级 开 路 双 向 I/O 口 ， 每 脚 可 吸 收 8TTL 门 电 流 。 当P0 口 的 管 脚 第 一 次 写 1 时 ， 被 定 义 为
15、 高 阻 输 入 。 P0 能 够 用 于 外 部 程 序 数 据 存 储 器 ，它 可 以 被 定 义 为 数 据 /地 址 的 第 八 位 。 在 FIASH 编 程 时 ， P0 口 作 为 原 码 输 入 口 ， 当FIASH 进 行 校 验 时 ， P0 输 出 原 码 ， 此 时 P0 外 部 必 须 被 拉 高 。 P1 口 ： P1 口 是 一 个 内 部 提 供 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 ， P1 口 缓 冲 器 能 接 收输 出 4TTL 门 电 流 。 P1 口 管 脚 写 入 1 后 ， 被 内 部 上 拉 为 高 ， 可 用 作 输 入 ， P1
16、 口 被 外部 下 拉 为 低 电 平 时 ， 将 输 出 电 流 ， 这 是 由 于 内 部 上 拉 的 缘 故 。 在 FLASH 编 程 和 校 验时 ， P1 口 作 为 第 八 位 地 址 接 收 。 P2 口 ： P2 口 为 一 个 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 ， P2 口 缓 冲 器 可 接 收 ， 输出 4 个 TTL 门 电 流 ， 当 P2 口 被 写 “1”时 ， 其 管 脚 被 内 部 上 拉 电 阻 拉 高 ， 且 作 为 输入 。 并 因 此 作 为 输 入 时 ， P2 口 的 管 脚 被 外 部 拉 低 ， 将 输 出 电 流 。
17、这 是 由 于 内 部 上 拉的 缘 故 。 P2 口 当 用 于 外 部 程 序 存 储 器 或 16 位 地 址 外 部 数 据 存 储 器 进 行 存 取 时 ， P2口 输 出 地 址 的 高 八 位 。 在 给 出 地 址 “1”时 ， 它 利 用 内 部 上 拉 优 势 ， 当 对 外 部 八 位地 址 数 据 存 储 器 进 行 读 写 时 ， P2 口 输 出 其 特 殊 功 能 寄 存 器 的 内 容 。 P2 口 在 FLASH编 程 和 校 验 时 接 收 高 八 位 地 址 信 号 和 控 制 信 号 。 P3 口 ： P3 口 管 脚 是 8 个 带 内 部 上 拉
18、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”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 ， 说 明 如 下 ： 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
19、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 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
20、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5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 只 有 在 执行 MOV
21、X， 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 。 /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 （ 000
22、0H-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2.2 数字温控芯片 DS18B20 介绍美国 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS18
23、B20 是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。 “一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的 DS18B20 体积更小、更经济、更灵活，使你可以充分发挥“一线总线”的优点。 同 DS18B20 一样，DS18B20 也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55C+125C，在-10+85C 范围内，精度为0.5C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V5.5V 的电压范围，使系统设计更灵活、方便，而且新一代产品更便宜，体积更小。2.2.1 DS18B20 的特性（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，寄生电源方式下可由数据线供。（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 （3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组
