基于单片机的小型电加热热水控制器设计.docx
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基于单片机的小型电加热热水控制器设计
摘要
随着国民经济的发展，电力电子技术、计算机控制技术和传感检测技术被越来越广泛的采用，因此人们需要对各中加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。
采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。
介绍了一种以AT89C51为主要控制器件，以pt1000为温度传感器的新型数字温度计设计方法，其硬件电路包括主控制器，测温电路和显示电路等。
该温度计用于软件编写过程中对上下报警温度值设置，当温度不在设置范围内时，可以报警。
与传统的温度计相比，该数字温度计减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。
关键词
单片机;电加热水温控制;pt1000温度传感器。
Summary
Withthedevelopmentofnationaleconomy,powerelectronicstechnology,computercontroltechnologyandsensingdetectiontechnologyiswidelyused,peopleneedtoeachoftheheatingfurnace,heattreatmentfurnace,reactorandboilertemperaturemonitoringandcontrol.Bysinglechipmicrocomputertocontrolnotonlytothemiseasytocontrol,theadvantagesofsimpleandflexible,andcangreatlyincreasethetemperatureofthechargedwithtechnicalindicators,thuscangreatlyimprovetheproductqualityandquantity.
IntroducesakindofAT89C51asthemaincontroldevice,withpt1000asthetemperaturesensorisanewtypeofdigitalthermometerdesignmethod,thehardwarecircuitincludingmaincontroller,temperaturemeasurementcircuitanddisplaycircuit,etc.Thethermometerisusedforwritingsoftwaretoalarmtemperaturevalueissetupanddownintheprocess,whenthetemperatureisbeyondthescopeofsetting,youcancallthepolice.Comparedwiththetraditionalthermometer,thedigitalthermometerreducestheexternalhardwarecircuit,hasthecharacteristicsoflowcostandeaseofuse.
Keywords
Singlechipmicrocomputer;Electricheatingtemperaturecontrol;Pt1000temperaturesensor.
1概述
随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。
对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同。
因而，对温度的测控方法多种多样。
随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。
利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。
然而现有的温度传感元件大多为模拟器件（热电耦）体积大、应用复杂、而
且不容易实现数字化等缺点，阻碍了应用领域的扩展。
1.1课题研究的背景
温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、
电力电子等，常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同。
在工业企业中，如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。
这类控制对象惯性大，滞后现象严重，存在很多不确定的因素，难以建立精确的数学模型，从而导致控制系统性能不佳，甚至出现控制不稳定、失控现象。
传统的继电器调温电路简单实用，但由于继电器动作频繁，可能会因触点不良而影响正常工作。
控制领域还大量采用传统的PID控制方式，但PID控制对象的模型难以建立，并且当扰等因素不明确时，参数调整不便仍是普遍存在的问题。
1.2课题研究的意义
随着电子技术的发展和人们生活质量的提高，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。
现代社会中，随着社会的发展、科技的进步以及工业水平的逐步提高，各种恒温控制系统开始进入了工业以及其他领域，以单片机为核心的电热恒温控制系统就是其中之一同时也标志了恒温控制领域成为了自动化时代的一员。
它实用性强，功
能比较齐全，使人们相信这是科技进步的成果。
温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用，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。
1.3课题研究的内容
本课题主要完成以下内容：
A.在明确系统功能要求的前提下设计出系统的总体结构；
B.方案设计，根据现场系统工作原理框图和系统的结构图以AT89C51芯片为控制核心，选择控制系统所需的硬件并进行系统硬件电路的设计；
C.完成系统的软件设计。
2.系统的方案设计
2.1系统设计要求
A.温度控制范围：
室温+10℃～+90℃；
B.温度控制精度：
±0.5℃；
C.温度设置：
可以由按键设置控制温度；
D.显示：
四位有效值显示。
2.2方案设计
对课题进行深入的分析和思考，可将整个系统分区为以下几部分：
控制电路、温度设定电路、测温电路、水位检测电路、显示电路、加热电路、补
水电路。
图2-1系统总体框图
2.2.1控制电路和温度设定电路方案与选择
控制电路可以用硬件的方式实现，也可以用软件的方式实现，具体方案有三：
A.方案一
可以用运放等模拟电路搭接一个控制器，用模拟方式实现PID控制，对纯粹的水温控制这是足够的。
但是附加的显示，温度的设定等功能，还要附加许多电路，稍显麻烦。
同样也可以用逻辑电路实现，但总体的电路设计和制作繁琐。
B.方案二
可以使用FPGA实现控制功能，使用FPGA时，电路设计比较简单，通过相应的编程设计，可以很容易实现控制、显示、键盘等功能。
是一种可选的方案。
但与单片机相比较，价格较高，显得大材小用。
C.方案三
可以使用单片机作为核心，同时可以实现控制、显示、键盘等功能。
电路设计和制作比较简单，是一种非常好的方案。
2.2.2测温电路方案选择
A.方案一
可以使用热敏电阻作为测温元件，热敏电阻精度高，需要配合电桥电路，电路设计比较麻烦。
B.方案二
可以使用热点偶作为测温元件，热电偶在工业上应用比较广泛，测温精度比较高，性能可靠，并有专用的热电偶测温电路。
C.方案三
采用半导体集成温度传感器作为测温元件，半导体温度传感器应用也比较广泛，精度、可靠性都不错，价格适中，使用比价简单，是一种较好的方案。
2.2.3显示模块的选择方案和论证
A.方案一
采用LED液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字、图形,显示多样、清晰可见，但是价格昂贵，需要的接口线多，所以在此设计中不采用LED液晶显示屏。
B.方案二
采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中，对于显示数字最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用的单片机口线少。
综上所述，所以采用了LED数码管作为显示。
2.2.4加热电路方案选择
根据题目，可以使用电炉加热，当水温过高时，一般只能关掉加热器，让其自动冷却，加热电源选用220V交流电。
A.方案一
采用电力电子技术的PWM技术，控制其功率实现较好的精度，但电路设计比较麻烦，制作难度比较大。
B.方案二
可以使用功率晶闸管控制加热器工作。
晶闸管体积小，重量轻，效率高，寿命长，使用方便。
可以方便的进行整流和逆变且可以不改变电路结构的前提下改变整流或逆变电流的大小。
2.2.5单片机的选择
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100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89C51是一种高效微控制器，89C51是它的一种精简版本。
89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
所以，选择采用AT89C51单片机作为主控制系统。
2.2.6单片机AT89C51
A.主要性能
a.与MCS-51单片机产品兼容
b.4K字节在系统可编程存储器
c.100次擦写周期
d.全静态操作：
0Hz～24Hz
e.三级加密程序存储器
f.32个可编程I/O口线
g.两个16位定时器/计数器
h.5个中断源
i.可编程串行通道
j.低功耗空闲和掉电模式
h.片内振荡器和时钟电路
B.管脚说明
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0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P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据。
图2-2AT89C51引脚图
地址的低八位。
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。
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，如下所示：
接口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（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MOVX，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，则在此期间为外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器读取外部ROM数据。
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，单片机读取内部程序存储器。
（扩展有外部ROM时读取完内部ROM后自动读取外部ROM）。
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。
2.2.7总体电路设计
本着简单实用的原则，最后选择以下方案：
A.测温电路选用PT1000温度传感器测量温度信号。
B.功率控制电路选用继电器控制。
C.控制芯片选用常见的AT89C51。
D.显示方式选用数码管显示。
E.键盘采用4×1的扫描键盘。
3．硬件电路的设计
3.1电路总体原理框图
温度测量及加热系统控制的总体结构如图3-1所示。
系统主要包括现场温度采集、实时温度显示、加热控制参数设置、加热电路控制输出、与报警装置和系统核心AT89C51单片机作为微处理器。
图3-1系统总体原理框图
温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机。
单片机结合现场温度与用户设定的目标温度，按照已经编程固化的模糊控制算法计算出实时控制量。
以此控制量控制固态继电器开通和关断，决定加热电路的工作状态，使水温逐步稳定于用户设定的目标值。
在水温到达设定的目标温度后，由于自然冷却而使其温度下降时，单片机通过采样回的温度与设置的目标温度比较，做出相应的控制，开启加热器。
当用户需要比实时温度低的温度时，此电路可以利用风扇降温。
系统运行过程中的各种状态参量均可由数码管实时显示。
3.2系统各功能模块电路设计
3.2.1最小系统部分
按照单片机系统扩展与系统配置状况，单片机应用系统可分为最小系统、最小功耗系统及典型系统等。
AT89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，具有丰富的内部资源：
4kB闪存、128BRAM、32根I/O口线、2个16位定时/计数器、5个向量两级中断结构、2个全双工的串行口，具有4.25～5.50V的电压工作范围和0～24MHz工作频率，使用AT89C51单片机时无须外扩存储器。
个发光二极管的单片机最小应用系统，
其具体硬件组成如图3-2所示。
图3-2最小系统图
单片机内部有一个高增益反向放大器，输入端为芯片引脚，输出端为引脚。
而在芯片外部和内部之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。
晶体震荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快，但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高，所以，这里使用震荡频率为12MHz的石英晶体。
震荡电路产生的震荡脉冲并不直接是使用，而是经分频后再为系统所用，震荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号。
在设计电路板时，振荡器和电容应尽量靠近单片机，以避免干扰。
需要注意的是：
电路板时，振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近，以减小寄生电容的存在更好的保障振荡器稳定、可靠的工作。
此时钟电
路接单片机的XTAL1。
程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需按复位键以重新启动。
RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效。
按键复位又分按键脉冲复位（图3-9）和按键电平复位。
电平复位将复位端通过电阻与Vcc相连，按键脉冲复位是利用RC分电路产生正脉冲来达到复位的。
因为按键脉冲复位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位的。
所以电平复位要将复位端通过电阻与Vcc相连.如复位电路中R、C的值选择不当，使复位时间过长，单片机将处于循环复位状态。
故本设计采用按键复位。
此复位电路接单片机的XTAL2。
3.2.2温度采集部分
温度采集电路模块如图3-3所示。
R2、R3、R4和Pt1000组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过TL431稳至5V。
从电桥获取的差分信号通过两级运放放大（此电路运算放大器运用ADA4922-1）,将电压的变化转变为数字变化后，由A/D转换器转换后输入单片机，运算放大器采用单电压形式。
电桥的一个桥臂采用可调电阻R3，通过调节R3可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。
VCC为外接供电电源输入端。
图3-3温度采集电路原理图
TLC549是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17us，最大转换速率为40000HZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为3V至6V。
它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系
统。
所以选择此A/D转换器。
3.2.3键盘和显示部分
3.2.3.1键盘部分
常见的键盘可分为独立按键式键盘和行列扫描式键盘。
独立式键盘应用在需要少量按键的情况，按键和单片机的I/O口线直接连接。
而行列扫描式键盘应用在需求较多的情况下。
考虑到热水控制器只需要高限加、高限减、底限加、底限减四个按键，所以采用独立按键式键盘。
理论上当按键按下或弹起时，可以相应的产生低电平或高电平，但实际并非如此。
键盘按键一般都采用触点式按键开关。
当按键被按下或释放时，按键触点的弹性会产生抖动现象。
即当按键按下时，触点不会迅速可靠的接通，当按键释放时，触点也不会立即断开，而是要经过一段时间的抖动才能稳定下来，
按键材料不同，抖动时间也各不相同。
表3-1按键功能
按键
键名
功能
S10
复位键
使系统复位
S1
高限加
温度低于高温下限时加
S2
高限减
温度高于高温上限时减
S3
底限加
温度低于低温下限时加
S4
底限减
温度高于低温上限时减
一次完整的按键过程，包含以下几个阶段：
1）等待阶段：
此时按键尚未按下，处于空闲阶段;
2）闭合抖动阶段：
此时键刚刚按下，但信号处于抖动状态，系统在检测时应消抖延时，约5ms到20ms；
3）有效闭合阶段：
此时抖动已经结束，一个有效按键动作已经产生，系统应该在此时执行按键功能，或将按键功能记录下来，待键弹起时再执行器功能；
4）释放抖动阶段：
许多时候编程人员并不在此时消抖延时，但最好是执行一次消抖延时，以防止误操作；
5）有效释放阶段：
若设计要求在按键抬起时才执行功能，则应当在此时进行按键功能处理。
完成系统的最高温度和最低温度调整的四个按键分别加上拉电阻接到单片机的P1.3-P1.6口上，共单片机查询，当没有按键按下时，单片机I/O口输入高电平，当有按键按下时，对应的单片机端口变为低电平，单片机通过检测这种电平的变化确定按键的状态。
图3-4键盘接口电路原理图
3.2.3.2显示部分
基于单片机的热水控制器采用7段数LED码管显示，这里采用4个数码管显示温度，隔一定的时间与显示时间相互切换。
如图3-5。
4位共阳极数码管采用扫描式工作，其中8个数据为接在单片机灌电流驱动能力最大的PO口，AT89C51单片机的每一个I/O口都能吸收8个TTL逻辑器件的输入漏电流，算下来能驱动约10mA。
能驱动数码管的8个数据阴极。
4位数码管的4个阳极采用4个PNP三极管9012驱动。
用单片机P2.4-P2.74个I/O口控制。
图3-5显示接口电路原理图
3.2.4加热控制部分
温度控制是通过对加热电阻丝的电源通断来实现的。
本系统采用晶闸管调功方式。
晶闸管开关控制方式有两种：
相位控制和过零控制。
相位控制会使负载上的电压波形发生畸变，产生高次谐波，对电网造成公害。
过零控制则能使负载上产生较完善的正弦电压波形，同时由于过零时通断，防止了过大电流冲击。
系统采用光耦过零触发驱动器实现对功率晶闸管的过零触发。
光耦内部含有过零检测电路。
在P3.6控制作用下，完成了功率晶闸管的触发导通。
晶闸管串接在50Hz交流电源和加热丝中，只要在给定周期内改变晶闸管的接通时间，就能达到加热功率改变的目的，从而实现温度调节。
单片机P3.6口输出能控制晶闸管通断时间的脉冲信号。
P3.6=1时关断晶闸管，P3.6=0时开启晶闸管。
如图3-6。
利用热电阻温度系数随温度变化而制成的温度传感器，称为热电阻温度传感器。
对于大多数金属导体，其电阻值都具有随温度升高而增大的特性。
常用的金属导体材料有铂、铜、铁和镍。
热电阻是中低温区最常见的一种温度传感器。
它主要特点是测量精度高，性能稳定。
热电阻的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难、且误差很大，必须使用电桥电路,然后经过放大电路，放大偏差值。
图3-6加热控制电路原理图
3.2.5报警部分
当设定的目标温度达到时需用声音的形式提醒用户，此时蜂鸣器为三声断续的滴答滴答的叫声。
系统中我们设计了越限报警，当温度低于设置的目标温度10度或高于10度时蜂鸣器为连续不断的滴答滴答叫声。
当单刷片机P1.7输出高电平时，三极管导通，蜂鸣器工作发出报警声。
P1.7为低电平时三极管关断，蜂鸣器不工作。
如图3-7。
图3-7报警电路原理图
3.2.6电源电路部分
直流稳压电源一般由电源变压器、整流、滤波及稳压电路所组成。
基本电路如图3-8所示。
电源变压器的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需的交流电压；整流电路的作用是将交流电压变成单向脉动的直流电压，该电路采用单相桥式整流电路，由整流二极管D2、D3、D4、D5组成，这样由于D3、D5和D2、D4两对二极管交替导通，致使负载上在电压的整个周期内都有电流流过，而且方向不变；滤波电路由电容等储能元件组成。
它的作用是尽可能地将单向脉动电压中的交流成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压，由于经整流电路后输出的波形中含有的交流分量，会影响负载电路的正常工作，这里采用截止频率低于整流输出电压基波频率的低通滤波电路；稳压部分选用输出电压固定的三端集成稳压器LM7805，利用三端固定输出电压集成稳压器可以使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。
本设计采用的是市售成品+5V电源，此稳压电源仅作解释说明作用。
图3-8电源部分连线原理图
3.2.7水位检测及补水部分
3.2.7.1水位监测
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