23浴室水温控制器设计.docx

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23浴室水温控制器设计

电子科技大学

毕业设计（论文）

论文题目：

浴室水温控制器设计

教学中心：

电子科技大学网络教育重庆学习中心

指导老师：

职称：

学生姓名：

学号:

专业：

通信工程

电子科技大学

继续教育学院

制

网络教育学院

2010年05月10日

电子科技大学

毕业设计（论文）任务书

题目：

浴室水温控制器设计

任务与要求：

本设计主要是为了对浴室水温的控制，热水控制器主要实现对水温的控制，并满足不同用户的个性需求。

以及进一步熟悉模拟和数字设计方法和规范，达到综合应用电子技术的目的，并培养了动手能力，学会阅读相关科技文献，查找器件手册与相关参数，整理总结设计报告，学习PROTEL软件的使用。

时间：

2010年3月10日至2010年5月13日共12周

办学单位：

学生姓名：

学号：

专业：

通信工程

指导单位或教研室：

指导教师：

职称：

电子科技大学

继续教育学院

制

网络教育学院

2010年3月1日

毕业设计（论文）进度计划表

日期期

工作内容

执行情况

指导教师

签字

3月02日至20日

选题

3月21日至31日

论文提纲写作

4月1日至10日

初稿写作

4月11日至15日

二稿写作

4月16日至22日

定稿并上交论文的电子文档

4月23日

至5月

做好论文答辩准备

教师对进度计划实施情况总评

　　　　　　　　　　　　　　　　　签名

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　年月日

本表作评定学生平时成绩的依据之一

电子科技大学毕业设计（论文）中期检查记录表

学生填写

毕业设计（论文）题目:

浴室水温控制器的设计

学生姓名:

学号：

专业：

层次:

教学中心名称:

指导教师姓名及职称:

教师指导毕业设计（论文）时间及地点:

检查

教师

填写

毕业设计（论文）题目工作量

饱满

一般

不够

毕业设计（论文）题目难度

大

适中

不够

毕业设计（论文）题目涉及知识点

丰富

比较丰富

较少

毕业设计（论文）题目价值

很有价值

一般

价值不大

学生是否按计划进度独立完成工作任务

学生毕业设计（论文）工作进度填写情况

学生出勤情况及出勤的考核办法

学生与指导教师见面接受指导次数

5次　

学生工作态度

认真

一般

较差

教师毕业设计（论文）指导日志是否齐全

其他检查内容：

存在问题及采取措施:

检查教师签字:

年月日

教学中心意见:

学院审核意见（加盖公章）

　　　　　　　　　年月日

摘要

自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。

以日本、美国、德国、瑞典等国家技术领先，并且都产出了一批商品化的性能优异的温度制器及仪器仪表，在各行各业广泛应用.本设计主要是为了对浴室水温的控制，热水控制器主要实现对水温的控制，并满足不同用户的个性需求。

以及进一步熟悉模拟和数字设计方法和规范，达到综合应用电子技术的目的，并培养了动手能力，学会阅读相关科技文献，查找器件手册与相关参数，整理总结设计报告，学习PROTEL软件的使用。

本系统分为，水量的测量与显示、用户设定功能（如水温设定，定时设定等）、对电加热管的控制功能、一些基本功能键（如定时自动加水，恒温控制，手动加水，手动加热等）、安全措施（漏电检测，安全失效保护，限温保护等）。

热水控制器主要实现对水温的控制，并满足不同用户的个性需求。

本设计中的软件部分是利用DS1820数字温度传感器、PIC16C16C57、74hc148、单片机芯片来编写的。

关键词：

PIC单片机 DS1820数字温度传感器 热水控制器

Abstract

Sincethe70s,duetotheneedsofindustrialprocesscontrol,especiallyintherapiddevelopmentofelectronictechnology,andautomaticcontroltheoryanddesigndevelopment,drivenbytherapiddevelopmentofforeigntemperaturecontrolsystem,andintelligentself-tuningandotheradaptiveparametersachieveresults.Japan,theUnitedStates,Germany,Swedenandothercountries,leadingtechnology,andbothoutputanumberofexcellenttemperatureperformanceofcommercialsystemsandinstrumentationdevices,widelyusedinallwalksoflife.Thisdesignismainlytocontrolwatertemperatureofthebath,themaincontrollertorealizethehotwatertemperaturecontrol,andmeettheindividualneedsofdifferentusers.Andbecomemorefamiliarwithanaloganddigitaldesignmethodsandspecifications,toachievethepurposeofcomprehensiveapplicationofelectronictechnology,andtrainedability,learntoreadtherelevantscientificliterature,manualsandfindthedeviceparameters,organize,analyze,report,studyPROTELuseofthesoftware.Thesystemisdividedinto,watermeasurementanddisplay,theusersettingfunctions（suchaswatertemperaturesettings,timesettings,etc.）,onthecontrolofelectricheatingpipe,someofthebasicfunctionkeys（suchasautomaticwatertimer,temperaturecontrol,manualwater,manualheating,etc.）,safety（leakagedetection,securityfail-safe,limittemperatureprotection,etc.）.Hotwatertemperaturecontroltorealizecontrolofthemajor,andmeettheindividualneedsofdifferentusers.PartofthisdesignsoftwareistheuseofDS1820digitaltemperaturesensor,PIC16C16C57,74hc148,towriteasinglechip.

KEYWORDS：

PICMicrocontrollerDigitalTemperatureSensorHotwatercontroller

第一章绪言

第一节热水器概况

近十年来燃气快速热水器在我国发展非常快，尤其当天然气即将普及的形势下，燃气热水器及其相应的加热和冷却设备必将进一步发展。

在我过还没有参加WTO以前就有很多欧洲形式的热水器涌入我国市场。

可想而知，我国参加WTO以后，必将会发生激烈的市场竞争。

只有认真总结这一阶段我国热水器技术发展的经验与教训，吸收并消化国外先进技术，根据我国发展的现况，设计与生产出符合国情的燃气用具。

本文回顾了燃气热水器在我国发展的沿革，可以看出不能盲目搬用国外技术，凡是不符合国情的技术均被淘汰。

另外还根据有关资料提出今后的发展趋势。

第二节系统设计必然性

第一代热水器属传统热水器：

废渣、废气、废水三废俱全，治理困难。

并且占地面积大，运行费用高，对环境污染严重，且不安全。

又需专业人员值守和维护,管理费用高.；第二代燃气热水器燃气热水器相对于传统热水器来说，具有占地面积小，排放污染少等优点，属传统热水器的换代产品，但依旧存在严重的不安全因素；第三代电热水器电热水器属第三代更新换代产品，不存在传统热水器产生的排放物，对环境不造成污染。

但是热水容量普遍偏小，加热时间受电功率限制，也存在一定的危险性；第四代空气能中央空气能中央热水器和太阳能热水器被誉为“第四代”热水器，空气能中央热水器其理论来源于逆卡诺循环原理。

是当今世界最先进的能源利用产品之一。

面对曰益加剧的能源危机，空气能中央热水器将成为热水器市场的主流产品。

而我们所设计的热水控制器将引领我们的热水器的前沿具有节能、环保、经济、安全等优点。

热水控制器主要实现对水温的控制，并满足不同用户的个性需求。

因此一个较完善的控制器应具有以下功能：

水温的测量与显示；水量的测量与显示；用户设定功能（如水温设定，定时设定等）；对电加热管的控制功能；一些基本功能键（如定时自动加水，恒温控制，手动加水，手动加热等）。

安全措施（漏电检测，安全失效保护，限温保护等）。

系统软件采用PIC16C5X精简指令编写。

由于PIC16C57没有中断功能，因此本系统中键盘扫描、漏电检测等子程序都通过查询实现，并采用4MHz的时钟频率，对指令的运行时间进行了精确计算和设计，保证软件的可靠性和稳定性。

系统主程序框图如图3-7所示，本文讨论键盘显示与水温测量两个模块。

第三节总体设计方案

单片机采用功能强大的51单片机作为控制核心，用温度传感器检测水温，与设定值对比后，由单片机做出决策，驱动调节阀调节水温。

用流量传感器检测用水量，并将两个参数在LED进行显示。

人机交换模块用键盘和液晶显示器构成友善的人机交互界面。

抗干扰模块使用看门狗芯片X5045，其看门狗功能将对系统运行起到有效的监视作用，内含512B串行EPR0M，具有掉电非易失特性，在本系统中作数据备份用。

温度控制是工业生产过程中进场遇到的过程控制，许多生产过程是以温度作为被控参数。

温度控制系统是典型的控制系统。

本文是以51单片机为基础设计的温度控制系统，通过各种电路辅助完成硬件电路设计，并且把程序模块化，方便固化到硬件电路中，有较高的可实现性。

软件电路总体设计

浴池水温控制系统的软件程序用汇编语言编写，主要用来对传感器采集到的数据送入单片机中的特定单元,然后一部分送去进行LED显示，另一部分与设定值进行比较,通过PID算法得到控制量并经由单片机输出去控制电动调节阀进行水温调节。

1、主程序

构造整个程序的结构，进行初始化，分配好地址，合理调用子程序。

2、子程序

⑴温度传感器和流量传感器输出为模拟信号，经过ADC0809A/D转换为数字信号后,再通过软件换算为与其对应的温度和流量。

⑵利用中断子程序，单片机完成A/D数据采集转换、数据滤波、显示当前温度、与设定值进行比较和调用PID算法子程序并输出控制信号等功能。

⑶键盘中断子程序优先级最高，系统要实时响应该中断，以便进行相应的功能控

制。

⑷显示子程序用来显示被测温度和流量。

硬件总体设计

主机电路、数据采集电路、键盘控制电路、控制执行电路、显示电路以及掉电保护电路。

第二章水温控制的设计原理

第一节系统构造及具体操作

本系统中，有四个功能按键：

定时加水、恒温控制、手动加水和手动加热；三个七段码显示与四个LED灯指示。

 a.按下定时加水按钮时，定时LED变亮，并以当前时间为定时时标，每24小时自动加水至设定水量；若长按此钮超过5秒，定时LED灭，并听到“嘟”一声进行水量设定，此后每按一下钮，水量显示加一档，1~4档循环显示，不按此钮超过5秒，再次听到“嘟”一声，水量设定完毕。

系统的定时功能主要通过软件完成。

PIC16C5X内带一个8位定时器/计数器RTCC，在进行24小时定时加水时采用了该定时器，RTCC及其相关电路如图3-8所示。

 由图3-8可知，RTCC工作状态由OPTION寄存器控制，其中OPTION寄存器的RTS位用来选择RTCC的计数信号源，当RTS为“1”时，信号源为来自RTCC引脚的外部信号，RTS为“0”时，信号源为内部时钟。

OPTION寄存器的PSA位控制预分频器分配对象，当PSA为“1”，分配给RTCC，即外部或内部信号经过预分频器分频后再输出给RTCC。

预分频器的分频比率由OPTION内的PS0~PS2决定。

OPTION的RTE位用于选择外部计数脉冲的触发沿，当RTE为"1"时下降沿触发，“0“时为上升沿触发。

RTCC计数器采用递增方式计数，当计数至FFH时，在下一个计数发生后，将自动复零，重新开始计数，以此循环下去。

在实际设计中，OPTION寄存器为“00100111“，即定时器的信号源来自RTCC引脚的外部信号，预分频器的分频比率为1：

256，上升沿触发。

RTCC引脚信号的输入频率为1kHz，因此RTCC计数至FFH时需65536ms。

通用寄存器F0EH、F0FH用作定时暂存。

当设置定时加水功能时，初始化RTCC、OPTION、F0EH、F0FH,开始进行定时，每隔256ms查询一次RTCC的值，RTCC每循环一次，F0EH－F0FH增1，当增到1318时，24小时定时到，寄存器复位，自动加水。

b.按下恒温控制钮，恒温LED变亮，表示进行恒温控制，再按一下LED灭，取消恒温控制。

与水量设定类似，长按后，进行温度设定。

  c.按下手动加热钮时，加热LED变亮，加热至65℃，如水量少于1档，则先加水到1档，再按一次取消加热。

（这种回车符号是对的）

d.按下手动加水钮时，加水至设定水量值，长按可设定水量。

手动加水过程中，再次按下取消加水。

正常情况下，两个七段码显示当前水温，另一个显示当前水位。

第二节水温测量

温度读取是通过与DS1820通信完成。

DS1820通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。

因此系统对DS1820的各种操作必须按协议进行。

操作协议为：

初始化DS1820（发复位脉冲→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据）。

各操作时序图如图2-1和图2-2所示。

本程序中需用到的操作命令如下：

SKIPROM命令（CCH）：

此命令执行后，表示以后的存储器操作命令将针对在线的所有DS1820，由于本系统中只有一片DS1820，因此发出此命令后，就可对其进行操作。

CONVERT命令代码［44H］：

启动在线DS1280进行温度A/D转换。

READSCRATCHPAD命令代码[BEH]：

读取温度寄存器的温度值。

对DS1820操作的总体流程图如图1-1所示。

图1-1基本温度水温测量电路

测温元件采用DALLAS的单线数字温度传感器DS1820。

DS1820提供九位温度读数，测量范围-55℃~125℃，采用独特1-WIRE总线协议，只需一根口线即实现与MCU的双向通讯，具有连接简单，高精度，高可靠性等特点。

在工作时，通过总线向其提供电源，单片机发出指令。

第三章水温控制的模块及参数

第一节数据采集模块

数据采集模块的主要功能是实现数据的采集和处理。

其中它包括一个信号输入部分和信号处理部分。

信号输入部分功能是提供系统所传输的信号源。

信号的处理由微控制器来实现，而微控制器一般是采用单片机。

所以，数据采集模块应该是一个信号发生与调理电路与单片机的接口电路。

数据传输节点   数据传输节点主要完成前端所采集数据的传输功能。

单片机通过程序控制将数据传输给CAN总线控制器。

然后，CAN总线控制器再把数据进行一定的处理后发送给CAN总线收发器。

为了保证数据传输的可靠性和真实性，在CAN控制器和CAN收发器之间加入了高速的光电耦合器件来完成抗干扰的功能。

在传输节点的基础上加入LED的指示电路，就构成了基本的上位指示模块。

第二节系统控制结构

本模型是一个温度类型模拟量的控制系统。

主要目的是提供一个通过AB公司模拟量处理模块来实现连续系统控制的应有实例。

系统控制结构为典型的反馈闭环，可分为三个部分：

信号采集处理部分，可编程控制器部分和执行机构。

温度信号由铂热阻采集，变换为电阻信号后，直接送人热电阻／电阻信号输入模块（1746-NR4）。

在此模块中产生对应的D/A数字值，其对热电阻变送的温度信号的分辨率约为1/8度，处理中直接使用NR4的转换值，无需在硬件级电路上作其他处理。

处理器为SLC-5/04，通过DH＋网同上位机（PC）通信；使用RS－view制作的人机界面中的数据上传和下传皆由此通道进行另外在Ethernet上，亦可将数据传送至局域网中的任一工作站。

执行机构由可控硅电压调整器（提供可控硅触发脉冲的控制下的输出移相触发方式）和一个双向可控硅构成。

调整器接受来自模拟量I/O模块（1746NIO4V）的电压输出信号，以通过双向可控硅控制电源的开度（即一周期内的导通比率），从而控制电源的输出功率。

   控制算法为分段式PID控制。

在系统工作的大多数时间内，仅为PID控制，其参数由10%电源开度下的温度飞升曲线测得。

在温度响应曲线的由初态向设定点的上升段过程中，大致采用三段控制。

首先置电源为满开度，以最大的功输出克服热惯性；接下来转入PID控制；接近设定点时置电源开度为0，提供一个保温阶段，以适应温度的滞后温升。

具体参数及处理可见源程序。

出于实际考虑，程序在温度升至距设定点6/8度时，恢复PID控制，以缩短上升时间，尽快达到设定点。

系统工作情况可参见图形记录。

由于单纯的PID控制并不是大滞后系统的最佳控制策略，故采用了以上近似于经验控制的方法。

对对象的依赖性较强，是目前算法的一大缺点。

第三节强大的模块及故障自诊功能

·供电:

由通信控制器的I/O扩展接口为模块供电、输入端子由外部24VDC供电；

·I/O接线端子：

可插拔端子，2×10针；

·工作环境：

-25～+55℃、湿度＜90%；

·尺寸（W×H×D）,76mm×120mm×84mm；

·防护等级：

IP20。

表3-1TNode-Mix具体介绍

型号

功能

TNode-Mix

CAN端口

1路CAN2.0A/B端口，最高1Mbps/路，可自定义速率，64字节接收缓冲，13字节发送缓冲，支持硬件过滤器。

RS232串口

三线制标准RS232，最高速度115200bps，可设置无校验、奇、偶校验、5,6,7,8数据位，1，2停止位。

RS485串口

最高115200bps，数据位:

5、6、7、8,停止位:

1、2,校验位:

无、奇、偶、标记。

输入阻抗≥24kΩ，每端口最多可连接64个下位机（受实际环境限制）。

转发模式

通过修改设备配置参数，切换CAN-bus转RS232或RS485

CAN数据转发模式

1.     流传输模式，完全兼容传统的RS232/RS485通讯模式

2.     CAN数据包模式，数据报文形式的CAN-bus数据通讯接口，支持全部CAN-bus特性。

管理

提供一个用于本地管理的RS232管理口。

电源

DC8-36V供电，可定制为DC8-58V。

供电模式

现场端子供电。

防护

CAN-bus端口：

350W保护，符合IEC61000−4−2（ESD）Level4，IEC61000−4−4（EFT）40A–5/50ns，IEC61000−4−5（Lighting）8.0A（8/20us）。

串口：

600W浪涌防护。

运行环境

温度：

-20-60℃，湿度：

5%-95%RH，无凝露。

附带软件

使用说明书等。

功能上与TNode相同，可以将1路RS232、RS485或TTL转换到CAN-bus。

在CAN-bus流传输模式下，完全兼容传统的RS232/RS485通讯模式，无须对原有设备做任何修改，就可以使系统立即具备先进的CAN-bus联网能力。

在CAN-bus数据包模式下，通过CAN-MixNet编程接口支持CAN-bus2.0A/B全部功能。

第四节水温控制的要求

温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。

本题目要求实现浴池的水温自动控制和用水量自动检测，要求水温的给定温度可以由操作面板上的键盘输入，也可以由远程计算机串行传送输入。

具体要求：

实现水温和用水量的自动控制

水温设定温度通过键盘输入或远程串行通讯输入

显示温度到小数点后1位；用水量到小数点后2位

水温控制精度为±0.5℃

第四章水温控制带给社会的有益性

温度控制器在工业自动化领域的应用非常广泛，数字式温度控制器具有非常好的应用前景。

本设计论述了用高度集成的K型热电偶信号处理芯片MAX6675设计数字式温度控制器的优越性，介绍了MAX6675的工作原理及特点，并给出了基于单片机89C51的数字式温度控制器的硬件实现和软件功能框图设计。

本设计以硬件设计为主，软件设计为辅，主要包括数据采集（采样）部分、系统人机接口部分、及主体控制部分。

以上三部分为本设计的核心所在。

本设计所选器件经济实用，设计思路简明易懂,具有一定的理论和实际应用价值。

随着工业自动化的不断发展，数字式温度控制器一定会具有更广阔的应用发展空间和应用前景。

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。

同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。

智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。

自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。

一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。

控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。

不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。

比如压力控制系统要采用压力传感器。

电加热控制系统的传感器是温度传感器。

目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调