毕业设计热水器水温水位控制仪的设计.docx
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毕业设计热水器水温水位控制仪的设计
热水器水温水位控制仪的设计
摘要
可编程控制器单片机、PLC等的出现大大提高了现代工业的自动化程度,改善了产品的工作性能。
本次设计是对热水器水温水位控制系统的智能化改进,采用单片机对其水温水位参数进行控制,提高了热水器的工作稳定性,同时引进了数字传感器对水温进行数据采集,这样也就提高了系统的控制精度,对水位的控制结构简单,易于实现,具有很强的现实应用价值。
虽然是对热水器水温水位控制的改进,但这种智能化的改进方法也可以应用到工业、生活的各个水温和水位控制的环境中去,对于其他相关参数的控制的改进也具有一定的借鉴意义。
此次的基于单片机的水温水位控制系统是一个改进性的智能化产品,以其自身的控制精度高、稳定性好和成本低的独特优点在今后将会由广泛的实用价值,其基于单片机的改进方法也具用广泛的应用意义。
关键词:
热水器,加热,水位检测,水温检测
ABSTRACT
ThisacademicisaboutacontrollerwhichisbasedonSingle-chipComputer’scontrollingthewaterheater’swater-temperatureandwater-level.Itimprovedthewaterheatersintelligencegreatly.
Thissystemcanautomaticallydetectthewaterheatersandwatertemperaturesandcanshowtheactualwaterleverandwatertemperatureontime.Whenthewaterleverandwatertemperatureexceedsthelimitation,thissystemcanautomaticallypumpwatertoappropriatewaterleverandcanincreasetemperaturetotherightvalue.Watertemperatureandwaterlevelcanbeself-definedbykeys.what’smore,thissystemcandefinewatertemperatureandwater-levelatrandomincertainareaswhichiscompensatedbyitselfforincreasingwaterorheating.Itsoperationbehaviorismatchingwithvoiceandvisualsensation,whichcanmakeitaccessibletomasterremotecontrolling.
Keywords:
Waterheaters,heating,Waterlevel’sexamination
Watertemperature’sexamination
第1章绪论
随着电子技术的发展,特别是随着大规模集成电路的产生,给人们的生活带来了根本性的变化,如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃,那么可编程控制器的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。
在现代社会中,水位和温度控制不仅应用在工厂生产方面,其作用也体现到了各个方面。
随着人们生活质量的提高,酒店厂房及家庭生活中都会见到水位和温度控制的影子,水位和温度控制将更好的服务于社会目前,单片机控制器在从生活工具到工业应用的各个领域,例如生活工具的电梯、工业生产中的现场控制仪表、数控机床等。
尤其是用单片机控制器改造落后的设备具有性价比高、提高设备的使用寿命、提高设备的自动化程度的特点。
现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到水位和温度控制,早期水位和温度控制主要应用于工厂中,例如工厂中的大型锅炉,必须实时的掌握锅炉的水位和温度,确保系统的正常运行。
随着社会的发展,热水器在改善人们生活质量中起到了非常重要的作用。
现在市面上的热水器种类繁多,电热水器、太阳能热时器、煤气热水器等,它们仅仅是提供能量的方式不同而已,但它们都需要对其主要的水位和水温参数加以控制,实现热时器的自动化。
早期温度和水位的参数控制时通过模拟电路实现的,这种方式不仅电路复杂,成本高,而且误差大,系统地稳定性不好,单片机及微型计算机技术的发展和应用有效地解决了这些缺点,特别是传感器的发展,更好的提高了检测参数的精度。
选择热水器水温水位控制仪的设计课题,是因为热水器不仅在人们生活中的重要性,更重要的是热水器系统地聚温度和水位参数于一身,对于更好的掌握和认识单片机的应用和传感器的应用,系统地深刻认识自动控制的实际应用,掌握复杂的多子系统地设计起到了很强的锻炼作用。
我所采用的控制芯片为P89V51,此芯片功能强大,能够满足设计要求。
通过对电路的设计,对芯片的外围扩展,来达到对热水器水温和水位的控制和调节功能。
第2章系统设计方案讨论与选择
2.1系统设计方案的选择
方案1:
采用传统的数字模似电路,功能可以实现,但电路复杂,温度误差大,成本高,可靠性差。
方案2:
采用单片机控制,结构简单,使用方便,成本低,性能稳定,温度误差只有0.5摄式度。
方案2与方案1比较,有着明显的优势,所以我采用方案2。
2.1.1总体系统设计方框图
为实现系统的水温水位控制,根据系统的设计功能要求,构造总体方框图如图2.1所示。
图2.1总体系统方案图
2.2温度控制系统的设计方案讨论
如果采用热电阻,电路需接A/D转换电路,由单片机换算出实际温度,电路结构复杂,而且也精度不高,但采用Danas生产的单线数字温度传感器ds18B20,可直接与单片机的1位I/O相接,电路结构简单,占用单片机的口线资源极少,精度高,而且价格便宜,DS18B20以其自身独特的各方面优点作为温度传感器进行温度采样应用于此热水器水温水位控制系统中实在是当仁不让。
2.3水位控制系统的设计方案讨论
此系统要进行水温水位控制,马上想到的是水温水位的两个参数的控制,在温度传感器采用DS18B20之后,对于水位的控制不假思索的想到要运用水位传感器,经过几天的资料搜集,发现水位的传感器是通过压力传感器变换过来的,看到最多的是浮球式液位传感器,而且此传感器的适用温度范围和测试精度也适合该设计系统,但唯一的缺点了价格非常昂贵;后来又考虑采用应用于秤中的数字压力传感器,去测得整个容器中水的变化和容器中液位的换算关系,此想法是基于发现电子秤能够测得一张纸的重量,但是在实际应用中,考虑到容器的氧化,容器内部的水垢增多,而且容器的外置也会产生整个容器重量的变化,从而造成液位采集的不准确,此压力传感器的市场价格也比较昂贵,应用于此控制模型中也是一种浪费;从经济、实用的角度出发,自制了八根线将容器中的液位分成了八个水位挡,通过和电源正极的结合,利用水导电的特性,通过9012三极管等元件构成的驱动电路的电平转换,将液位数据输入P2口,通过单片机换算转换成液位数据存入一个存储器单元,随时读取。
2.4数据显示系统的设计方案讨论
为了能构造一个适合的人机界面,在诸多的显示器件中TC1602的液晶字符性显示器非常适合运用于此控制系统当中的,它的功能特性也完全适用于此设计系统的功能要求,也不会造成资源的浪费,所以就确定TC1602作为本此设计系统的显示器件。
为了配合显示器件,就需设置按键,根据系统的功能要求和单片机的口线资源,为系统配制了四个独立式键盘,K1键为确定键,K2和K3键作为光标的移动和数据的增减,K4键作为设置键。
2.5报警系统的设计方案讨论
作为一个完整的系统,免不了要设置报警装置,处于系统模型化的考虑,采用蜂鸣器和二极管的结合,伴随着系统故障的产生和动作的产生,给予人以视觉和听觉的提示,使之能通过多种方式掌握系统的状态,而且此报警装置也比较经济实惠。
第3章系统工作原理
此系统是为多子系统的综合性控制系统,设计过程中也是分块实现设计调试,最后进行综合实现,以下就从各子系统的工作原理进行分别进行说明。
3.1水温控制系统
该子系统利用低功耗单线数字温度传感器DS18B20实现温度采样,将采样的温度值通过单片机的P0.7口送入单片机处理,然后实现水温的控制,利用按键对水温的值进行设置,按确定键后,通过驱动电路驱动继电器启动电热丝对水进行加温,能自动补偿温度到自定义温度,正常状况下显示水温的同时检测下限温度,反馈温度信息并及时调整,使之保持温度在一定范围内的稳定。
3.2水位控制系统
该子系统能进行水位的控制,利用自制的八根导线对水位的信息进行采集,并通过单片机的P2口送入给单片机处理加工,通过显示器显示,共有8个水位挡,从600ml到1300ml,1000ml一个挡,可通过按键对水位进行设置,确定后通过驱动继电器启动小型水泵给予加水到热水器自定义的水位同时检测下限水位,反馈水位信息给单片机进行处理并及时调整,使系统的水位保持在一定的范围内。
3.3水温水位显示系统
该子系统采用TC1602液晶显示起能实时的显示热水器的水温水位信息,按键操作时,采用菜单提示性显示,引导用户进行操作,界面分辨率可调,字符清晰。
3.4热水器报警系统
该系统利用蜂鸣器和同步工作的发光二极管实现能给予人视觉和听觉上的系统故障报警和水温水位信息报警,以便及时掌握热水器系统的工作状况,系统自己不能处理的就可以人工辅助处理,这样能让系统更好的运行在稳定状况下。
第4章系统单元电路设计
4.1单片机最小系统
4.1.1时钟电路
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号,单片机本身就是一个复杂的同步时序电路,为了保证同步工作方式的实现,电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器,其输入端为芯片引脚,输出端为引脚,在芯片的外部跨接晶体振荡器和微调电容,形成反馈电路,就构成了一个稳定的自激振荡器。
此电路采用6MHz的石英晶体。
时钟电路如下图4.1:
图4.1时钟电路
4.1.2复位电路
复位是单片机的初始化操作,其主要功能是把PC初始化为0000H,使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外,当由于程序运行出错或操作错误是系统处于死锁状态时,为摆脱困境,也需要按复位键以重新启动。
RST引脚是单片机复位信号的输入端,复位信号是高电平有效,其有效时间应持续24个振荡周期(即2个机器周期)以上,若使用频率为12MHz的晶振,则复位信号持续时间应超过4s才能完成复位操作。
复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的。
在本设计中采用了按键电平复位方式,其复位电路如下图4.2:
图4.2复位电路
4.1.3下载口电路
为了将软件程序下载到单片机中,必须为之设计一种串行接口电路,在此电路中采用MAX232芯片,MAX232片内含有一个电容性发生器以便在5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。
每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转为5VTTL/COMS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。
DW或N封装及逻辑符号如下图4.3:
图4.3MAX232的DW或N封装及逻辑符号
MAX232工作特点如下:
1、单5V电源工作
2、LinBiCMOS工艺
3、两个驱动器及两个接收器
4、正负30V输入电
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