基于单片机的电热水器控制器设计毕业设计说明书.docx
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基于单片机的电热水器控制器设计毕业设计说明书
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
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所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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学位论文原创性声明
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日期:
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日期:
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注意事项
1.设计(论文)的内容包括:
1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)
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引言(或绪论)、正文、结论
7)参考文献
8)致谢
9)附录(对论文支持必要时)
2.论文字数要求:
理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括:
任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。
4.文字、图表要求:
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2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
4)图表应绘制于无格子的页面上
5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档
5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
1绪论
1.1课题背景
如今中国的经济发展迅猛,人均收入普遍提升,这使得人们在追求生活品质方面有了资金的保障。
伴随着科学技术水平的显著发展,智能家电逐渐被人们认可,并很快与人们家庭的日常生活紧密相连。
由于罐装液化气以及地方管道燃气价格的增长,而城镇居民所使用的家用电却很便宜,这使得多数家庭纷纷转向比较经济便利的电器产品。
据统计我国约有82.5%的城镇居民在使用热水器,约46%的城市居民家庭里表示有购买热水器的计划,市场平均一年需要1000多万台热水器维持其运行[1],除太阳能热水器制造商外,规模可观的热水器制造工厂也接近有200家。
从这一点可以看出热水器在中国市场有着广阔的前景,但我们也不得不面对其产生的诸多问题,如漏电,环保等。
这些年,电热水器发生漏电危害用户甚至致用户死亡事件频繁发生,消费者所考虑的已经从热水器的便利性问题转向其安全性问题,因此对热水器性能的改善是目前的首要问题。
随着我国人民所积累的财富越来越大,人民在追求物质生活和精神生活方面相对以前有了巨大的心理变化,花样翻新的智能家用电器逐步进入家庭生活的每个角落,家庭日常生活必需品热水器的品种更是数见不鲜,正是在当今人民生活质量有巨大变化的情况下,本课题选择基于STC89C51单片机的电热水器控制器的设计。
1.2课题研究的目的及意义
本设计是为了满足用户安心、便利大众、安全可靠的需要而设计出一款经济、精准,实现控制要求的电路。
(1)单片机做为控制核心,即能实现所要求的目的,又缩小了设计的成本,使得到的热水器安全便利。
(2)键盘电路的应用,可以方便用户根据自己的需要调节水温,从而增加了热水器的可操作性。
(3)当温度过高时实施保护,能有效避免热水器干烧而发生意外事故。
(4)有安全保护功能,可实现自动断电,使用户能放心享受沐浴,保证用户的安全。
1.3国内外研究成果及发展状况
国外对智能电热水器的研发开展的比较早,追溯到19世纪70年代,那时在国外就对热水器开展研发,经过100多年的努力,涌现出许多性能优良的产品,西门子智能电热水器,采用最新的计算机控制技术,保证出水温度恒定,让用户可以真正享受到沐浴带来的酷爽。
西门子家电集团在西门子电站技术的防漏电安全技术的基础上,研发了独特的德国安全专家模式功能[2],这种模式不但具有正常的防止漏电的功能,而且还能自测电流是否会对人体造成危害,时刻工作检测防漏电系统是否运行正常,这使得个体和电源完全分开,防止事故发生。
随着樱花电热水器室内信息精确定位系统的应用,打破了旧式的只能够单一时间段实现节能的模式,其工作过程越来越人性化,系统可以自主记录、分析用户一段时间(一个月)的用水量,然后选择一种相对节能的模式为使用者提前备好热水,实现了24小时都可以节能供水的要求[2]。
先进的智能中温保温系统,完全填补了旧式的弊端,依据用户设定理想的温度、外界环境、所处的季节等因素的不同,系统会自主选取最为经济节能的保温状态,防止因恒定的中温保持技术产生巨大的温差造成本来可以避免的浪费,并可以减少加热时间,彻底实现了节能的功效。
我国对电热水器开展研发已经比西方发达国家晚了几十年,20世纪60年代的热水器在中国对国人来说属于闻所未闻的稀有高档产品,周总理的出国访问带回了两台日本生产的燃气热水器,总理希望这一产品在中国能普及,并多次督促有关部门制定热水器研发方案。
由于种种缘由这一要求一直没有被执行,20世纪80年末90年代初历经十余年的努力热水器终于进入中国市场[2]。
很快热水器在中国得到普及,随着科技的发展,国内热水器经历了好几代的更新,每次更新的产品其性能都有很大提升,在产品使用的便利性和舒适度等方面都有了很大的改良。
现在许多热水器都具备恒温保持功能,燃气不流出时热水器会自动停止工作,水量高于设定值时会自动泄压处理,此外还有安全防护功能,暂时停气时,仍有储存的热水可供使用。
随着智能化程度越来越高,将来的产品将带来更多的益处,然而更加的便利和节能却是制造商始终追求目标。
将来的产品会根据使用者的习惯提前加热,方便使用者随时享受沐浴,不用时自动开启中温保温模式,系统依据用户所设定的理想目标温度得到可以实现有效节能的保温温度,缩小热水器表里温差,可大大减少因保温问题而增加的加热次数,确实做到不用拔掉热水电器插头却更省电的功能[2]。
将来的电热水器将会往更加的人性化,智能化方向发展,人们会感受到热水器带来无尽的便利。
1.4本文内容安排
本次设计的主要任务是设计出在单片机的控制下电热水器能实现设计要求的功能。
本次论文一共有五章内容,顺序如下:
第一章为绪论,主要对热水器的发展概况进行了详细的介绍。
第二章为系统分析,分析出系统需实现的功能,并依据相关要求选择合适的
器件。
第三章为系统的硬件设计,主要对系统原理图进行分模块设计与介绍。
第四章讲述了单片机控制下的电热水器的软件设计,从系统的工作流程上设计和编写相关程序。
第五章为系统在上电运行后的测试结果与简要的分析。
2设计方案
设计方案便是基于主体的要求对系统的硬件电路和软件程序进行相关的设计策划,并选择其中最理想的解决方案去实现目标。
硬件设计就是通过对设计要求进行分析,了解各独立元器件,它包括对各种元器件的引脚和发展状况的了解,以及对各种元器件在具体电路中使用时具体连接方法的了解,便于设计顺利进行,同时需要合理规划这些元器件的布局,焊接在电路板上时能够实现空间利用率的最大化。
软件设计是通过编程使得设计方案更加的直观,方面用户了解系统的具体工作流程。
2.1设计要求
本设计是制作一套基于单片机控制的电热水器控制系统,根据人的需要让电热水器能迅速、稳定的达到所设置的温度,以体现本系统的独特优势。
2.2总体方案设计
具体方案设计的思路如下:
首先用系统按键来设定水温上下限值,然后用温度传感器采集实际的水温值,通过采集得到的温度值与设定的温度值进行比较,决定系统的工作过程。
如果采集的实际水度低于设定的温度值,则加热器会持续工作,当实际水温高于设定上限温度时,蜂鸣器报警,加热器立即暂停工作,通过键盘设定的温度值和温度传感器采集的实际水温值可以通过数码管直接显示[3]。
根据系统功能分析,基于单片机的电热水器控制器的设计主要包括MCU核心控制模块,外围由用户设定温度的按键模块,温度传感器温度采集模块、电源时钟复位模块、加热模块、LED显示模块,报警电路模块组成[3],其系统总模块框图如图2.1所示。
图2.1系统模块图
(1)微控制器控制模块
微控制器的俗名叫单片机。
它是将计算机的CPU、一定容量的程序存储器和数据存储器、定时计数器、多种I/O接口和其它一些外围电路集成在一块芯片上,形成的芯片级的计算机[3]。
MCU为控制的核心,整个系统,以及系统外围设备的操作都是由它支配实现的。
(2)复位模块
初始化单片机,清除单片机在上一轮工作里缓存的数据与程序,便与单片机稳定工作。
(3)键盘设定模块
键盘电路使用主要目的是为了便于操作者设定和修改所需的温度。
下文有具体温度设定的过程。
(4)温度测量模块
检测温度模块,使用温度传感器来采集温度,采集到的温度值通过I/O口发送给单片机,单片机控制LED显示模块显示对应温度。
(5)加热模块
当温度传感器采集到的温度低于或高于设定值时,单片机会控制继电器工作进而控制加热模块,启动或停止加热器。
(6)LED显示模块
系统将温度传感器检测的温度通过数码管显示,便于操作者直接观察水温的变化。
2.3主要元件介绍
本课题设计中核心元件的是单片机,所以选用合适的单片机是设计智能电热水器的关键,最终能否按照操作者的意愿实现相应功能都要看单片机能否与外设之间进行稳定的信息交流。
所以本设计的当务之急是要根据系统的控制要求选择合适的单片机,然后再根据系统设计的功能要求选择性能优良的其它元器件。
2.3.1STC89C51单片机
单片机是一种集成电路芯片,是一个体积很小功能却相当完善的计算机系统。
当前在电子产品中使用的单片机数量和种类都很多,所以对于单片机类型的选择至关重要。
选择单片机时需各个角度去分析考虑,如单片机将要应用的场合、外界环境以及单片机本身存储器的容量、软件编写是否简单等[4]。
因此,在单片机芯片在选择时需要考虑其是否具备以下主要性能:
(1)集成化度高,体积小,可靠性高
单片机把功用各异的元件集成在一块晶体芯片上,具有相当高的集成度,在体积上也就小很多。
芯片本身是在严格工业测试条件要求的条件下研发的,片内元器件排列紧凑,其抗干扰性能比普通的中央处理器要高出很多。
单片机中所有的数据和程序等固化在程序存储器中,很难因受到外界的因素而改变,片内存在着众多信号通道,故其抗干扰性能极高。
(2)控制功能强
为了能够达到对目标的控制要求,单片机的指令系统拥有极其丰富的功能[5]:
分支转移功能,输入/输出口的逻辑操作和位处理功能,十分适合特殊的控制系统。
(3)工作电压低,相应的功耗也非常低,易于小体积实用产品的生产
大多数单片机工作电压仅约为1.8V~3.6V,其电流也很小,仅约为几百微安,所有其功耗很低,产品成型后使用寿命很长。
(4)易扩展
单片机本身就是一个微型的计算机控制系统,片内元器件齐全,片外有大量可供扩展的三总线和串行、并行的I/O管脚,易于形成各类形式的计算机控制系统。
(5)优异的性价比
单片机的性能极高。
精简指令集计算机流水线及数字信号处理等技术的应用,为的是提升单片机的运行速率及效率。
因为目前可应用单片机场合很多,所有市场对单片机的需求量很高,各大制造商为了能在当今这个异常激烈的市场竞争中脱颖而出,迫不得已降低单片机成本,使其性价比极大极高[5]。
考虑到硬件设计与软件方案之间会相互作用的影响,所以应把二者结合在一起。
综上分析,有以下两个方案:
方案一:
使用STC89C51单片机作为控制核心,其片内有4KB的程序存储器存储空间,512字节数据存储器的存储空间,还带有2KB的EPROM存储空间,可以和MCS-51系列完全兼容,此单片机能够通过串口下载数据。
方案二:
使用AT89S51,芯片内具有4KB的RAM存储空间,256字节的ROM存储空间但是没有EPROM存储空间,其也可以和MCS-51系列单片机完美兼容。
虽然两款单片机都能够达到设计的要求,但STC89C51与ATS89C51相比价格更低廉,且下载更容易。
考虑便利且经济的因素,所以本设计选择STC89C51[6]。
其相关功能如表2.1所示,塑料直插式封装如图2.2所示。
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
8KB的可反复擦写动态数据存储器
32个双向输入输出接口
2048位内部程序存储器
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率为0-24MHz
两个串行中断
可编程通用异步收发传输器串行通道
超低能耗空闲与掉电模式
通过软件设定休眠与唤醒功能
表2.1STC89C51主要功能表
图2.2STC89C51封装图
2.3.2DS18B20传感器
众所周知传感器在当今的检测技术中有着不可撼动的重要地位,虽然计算机对数据进行运算的能力已经十分高超,却不能对真实存在中的非数字量进行处理[7]。
倘若没有各式各样的精准稳定的传感器对物理量和模拟量进行检测,并将检查结果传输给计算机,那计算机失去它重要的作用。
传感器可以将非电量转变为电量,再将得到的电量进行信号放大,转换为相应的数字量传输给计算机,最后通过计算机对数字量进行分析处理。
传感技术与计算机技术交叉结合,在自动化和信息化技术领域起重要作用[7]。
各种传感技术与微处理技术的应用可以简化不同工业生产测量控制和检测过程,可以精确判断出产品的性能,并第一时间检查出存在的危害。
由于系统大多会在相当严酷的环境下在工作,而对采集目标要求却相当高,所以对性能是否优良的传感器的选用是决定系统是否能完成严格工作要求的关键。
DS18B20恰是沿着这种高精度、多功能、总线标准化、可靠性及安全性极高、研究单片机测温系统等先进控制方向快速发展[7],DS18B20作为温度检测设备在人们的家庭起居和工农业生产等方面早已得到普遍的使用。
由达拉斯公司制造的DS18B20温度传感器芯片外部配有金属保护管封装,具有高耐磨性,具有各式各样的封装组成,其体积小,容易使用,适合应用在各类狭窄领域的测温和监控。
具备独有的单线接口方式,在与CPU相连时只需要一条口线即可达到双向通讯功能;其检测温度的范围为-55℃~+125℃,自身测量温度的分辨率可达到0.5℃;多个并联使用时,可实现多点测温功能;工作在直流3~5V电压下,使用时不需借助任何外围元件[8]。
DS18B20除具备以上特性外还有如下特点:
(1)可以用程序来完成9到12位的数字读数;
(2)用户可以设定不容易变化的报警限值;
(3)当不小心将工作电压的极性接反时,自带系统电路可以使DS18B20不会因自身的温度太高而毁坏,芯片将进入保护状态暂停工作;
(4)转换速度相当高,在很短时间内就可以完成高位的温度转换;
当单线总线上串接多个DS18B20时,可以形成多点测温的大规模温控系统[9],其引脚如图2.3所示。
图2.3DS18B20引脚图
2.4本章小结
本章对系统的方案设计需考虑的因素以及重要元件的选择做了详细的介绍,本系统选性价比较高的STC89C51和性能稳定的DS18B20作为本次设计的关键元件,得到系统的架构图。
3系统硬件设计
依照本系统的总体设计方案,对各电路组成部分进行分模块设计,主要包括单片机最小系统、键盘与显示电路、模数转换电路等,系统硬件结构图如图3.1所示。
图3.1系统硬件结构图
3.1单片机最小系统
单片机系统的拓展多数情况下在其小系统的基础上进行拓展的。
最小系统指的是单片机中的一个真正可用的最小配置系统[10]。
对于STC89C51单片机,因为单片机内部带有ROM,所以只需要在单片机外部对应引脚上连接一个时钟电路与一个复位电路就可以实现最小系统了,如图3.2所示。
图3.2单片机最小系统电路
在单片机的引脚XTAL1和XTAL2上对应接上微调电容与晶振,这就行成所谓的时钟电路。
图中,用电容C1、C2来限制振荡频率以及协助振荡器起振,一般取范围在20pf~60pf的电容,30pf电容值是其具体的典型值。
根据所选用的单片机类型的不同,晶振的频率范围也不同,本系统选用的是频率是12MHz的晶振。
单片机运行前的必要准备工作就是复位。
当单片机上电工作时,首先要对单片机进行复位,系统有故障时也要复位单片机,这就需要所用系统的复位电路必须能做到精准工作。
在本系统里应用的是最为容易的上电复位电路[10],即微分电路,由一个电阻和一个电容串联而成。
系统上电时,电容充电,电容充电的过程,系统进行复位,伴随着电容充电结束系统的复位也结束了,系统开始正常工作。
因此,复位时间完全是由电阻值和电容值二者决定的。
参考目前所使用的大量的复位电路,并在本系统实际电路调试后,最终,电容一选用22uf,电阻用1kΩ的即可[10]。
3.2键盘设定与接口显示电路
在本系统里键盘电路的选用,其主要的目的是为了方便用户选择想要的温度值。
12个按键构成矩阵键盘,0~9按键用于温度的输入和修改。
功能键,即“*”号键,一键多用,按一次功能键为“设定”温度,此时进入了温度的设定模式,再按一次功能键为“确认”温度,用于温度设定完成后的确定。
“#”号键还没有进行定义,可用其来作扩展模块。
12个键盘做成3*4的矩阵。
设计时将键盘的4根行线与单片机的P2口的P2.0~P2.3相连接,P2.5~P2.7则与键盘的3根列线相连接[11]。
显示电路的接口显示有彩屏和数码管两个选择,考虑到成本,本系统选择了LED数码管显示电路,此数码管使用的是4位共阳LED数码管,其段码从对应串口输出[11],正常工作时,系统驱动三极管使其为数码管相应的段位供电,这时只要P0口有数字显示代码的发送信号,对应的数码管就会被点亮,进而显示出对应的数字,数码管显示电路如图3.3所示。
图3.3数码管显示电路
3.3温度采集模块
采用数字温度传感器DS18B20,DS18B20为数字式温度传感器,无需其他外加电路,直接输出数字量,可直接与单片机通信,读取测温数据,电路简单。
DS18B20与传统的热敏电阻相比,他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式,并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根线,因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单,可靠性更高。
他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面带来了令人满意的效果[12]。
3.4加热器控制电路
该
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