自动温控淋浴器总体毕业论文.docx
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自动温控淋浴器总体毕业论文
自动温控淋浴器总体毕业论文
目录第一章引言1
1.1课题背景1
1.2课题设计目标1
第二章硬件方案论证22.1主控制器选择2
2.2驱动芯片选择3
2.3液位传感器选择3第三章系统总体设计43.1系统总体设想4
3.2水温、水位的自动控制53.3自动配水实现过程5第四章硬件电路的设计74.1系统总电路图7
4.2电源电路设计8
4.3电磁阀驱动及控制电路84.4蜂鸣器及传感器输入电路94.5液晶屏显示电路10第五章系统软件设计10
5.1程序主流程图10
5.2水位调节和液位采集流程图11
第六章系统调试13
6.1整体系统调试13
6.2硬件的调试13
6.3软件调试13
第七章结题总结14
致谢15
参考文献16
附录17
附录一:
元器件清单17
附录二:
自动控温淋浴器原理图18
附录三:
自动控温淋浴器PCB图19
附录四:
自动控温淋浴控制器实物图20
附录五:
自动控温淋浴器程序21
第一章引言
1.1课题背景
目前,国内外的自动温控淋浴器总体可分为三类:
电加热热水器、燃气热水器、太阳能热水器。
其中电加热热水器的水温不能长时间保持恒定,且加热速度比较缓慢,需要预先通电,过一会儿才能开始使用;燃气热水器虽然也可控制水温,但在能源方面消耗比较大,不符合如今倡导的节能减排、低碳的生活,且在使用过程中会排出大量废气,不仅污染环境还存在一定不安全因素;而太阳能热水
器虽然节省能源,但经常遇到热水源不稳定,调配水温度不易等问题,长时间流水后出水口温度降低,导致水温忽冷忽热的情况。
这三大类热水器都没有将预设定水温保持恒定、经济节能、安全集于一体,没有实现人性化、舒适化的理念。
在我们日常生活中有很多不合适的地方,给人们带来了一定的烦恼,使用户感到不适。
能源价格的高涨促使人们开始考虑各种形式的替代能源,而太阳能则是不错的选择。
相对于使用天然气,太阳能可以节约为60%-80%的能源。
太阳能的使用在日常生活中非常的方便,一年至少有8个月以上可以使用太阳能,即使在冬天也可以使用。
可见,太阳能在节约能源方面有着巨大的作用。
而如今的太阳能热水器虽然做到了节约能源,但在调节水温方面还是有待提高。
通常太阳能热水器都是水温可达到用户要求的理想状态,但经过一段时间的出水后,水温便不能保持恒定,即水温开始下降,水温忽冷忽热的而且非常的不易调节,这是太阳能热水器的一大弊端。
该项目就是针对此提出的,我们的项目是基于已有热水源的可控温控水位的智能化洗浴设备,可以在洗浴之前就根据需要设定好水温和水位,经过该装置的自动温控配水后,在洗浴过程中可保持水温恒定,根据个人需要设定水位可节约配水过程产生的不必要的浪费。
此外,该设备还加入了加热装置,在水温无法达到与设定水温的情况下,可根据需要决定是否启用加热装置,解决水不热这一问题。
1.2课题设计目标
本课题的设计目的:
已有热水源的情况下,出水口温度时冷时热或冷热水调节不易的时下可以实现自控配水,当水源的温度变化时无需用户的干预就可以
调节出水口的温度,使用户感觉到舒适化。
设计目标:
1控制系统能自动检测水温、水位;
2控制系统可以让用户设置水温、水位;
3控制系统可以实时的显示温度、水位信息;
4控制系统可以在水源不热情况下对水箱内水进行加热;
硬件方案论证
2.1主控制器选择
AT89C51单片机控制
这款单片机在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROMEPROM或EEPROM、时钟、定时/计数器、多种功能的串行和并行I/O口。
概括起来说,该单片机具有如下特点:
具有位处理能力,强调控制和事务处理功能。
价格低廉。
如低档单片机价格只有人民币几元钱。
开发环境完备,开发工具齐全,应用资料众多。
C8051F310单片机控制
这一款器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片。
下面列出了一些该单片机的主要特性:
高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）,全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）,带模拟多路器、真正10位200ksps的25通道单端/差分ADC（C8051F310/1/2/3）。
高精度可编程的25MHz内部振荡器,16KB（C8051F310/1）或8KB（C8051F312/3/4/5）可在系统编程的FLASH存储器,1280字节片内RAM,硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口,4个通用的16位定时器,具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）,片内上电复位、VDD监视器
和温度传感器,片内电压比较器
（2）,29/25个端口I/O（容许5V输入）。
2.2驱动芯片选择
1）BT136双控可控硅
具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件,一般由两晶闸管反向连接而成.它的功用不仅是整流,还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路,实现将直流电变成交流电的逆变,将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。
通态平均电流4A,峰值电压为600V。
2）BTA26双控可控硅这款双向可控硅的特点为:
关断速度普通,频率特性为中频,可驱动大功率的部件,额定正向平均电流、最大稳态电流为26A,反向重复峰值电压为800V,工作温度高。
2.3液位传感器选择
1）投入式液位传感器
该传感器特点有:
测量范围为0-0.1米~0-35米,最大过载不超过管的长度,测量形式是投入式测量,器件的精度等级为:
0.5%F?
S,可以24VDC为其供电,负载电阻?
500Ω,该传感器可以测量各种无腐蚀性液体,环境相对湿度为0~95%,补偿温度是0~70?
工作温度是-10~70?
等。
但是这类传感器的价格比较昂贵。
2）压力传感器
日本松下产品,工作电压为:
4.2v?
6.2v;压力范围:
0-----1000mm水柱;电压输出:
0.23v---4.9v;线性度0.2%;外型:
30×30×20mm。
接线方式:
每个接线柱下皆有标示,G-接地,I-接+5V另与O-之间加载2.2K上拉电阻即可通过0-输出。
这种传感器的价格便宜,而且可以测量水位的模拟值。
综上所述,我们采用了C8051F310单片机控制作为主控制器,由于该系统
要求的实时性比较强,而且外部传感器有模拟传感器,为了达到系统的硬件电路的简单、实时性好,我们采用了这一方案;驱动芯片的选择我们采用低端方案,由于BT136完全可以满足电磁阀的驱动,因为电磁阀驱动电流不是很大,而且选用BT136芯片控制速度比较快点、能耗小,但是为了驱动1000W的加热棒,只能用大功率的BTA26型的双向可控硅驱动加热棒,因此我们选用BT136驱动两个电磁阀,选用BTA26驱动一个加热棒;出于投入式液位传感器的价格比较贵,我们采用松下的一款压力传感器来间接测量液位。
第三章系统总体设计
3.1系统总体设想
首先,我们用温度传感器和压力传感器对水箱中水的温度及其水位进行实时监控,来获取我们控制中所需的信息。
为了获取水温,温度传感器我们采用DS18b20数字输出,这不仅精度高而且外围电路简单。
为了获取水位的信息,我们采用间接检测方法,即测出水箱中水的压力,然而压力与水位的高低是线性变化的,进而可以得到水位的信息。
这样做主要是由于液位传感器价格太贵,增加了该设备的成本,为了达到设备的经济型,特采用上述方法进行测试。
为了方便控制热水源与冷水源的开断,在此我们接入了电磁阀,通过给电磁阀发送开关电信号,可以快捷的实现电磁阀的开闭,从而达到进水口控制的目的。
开关电信号是微弱的电量,要想控制电磁阀,中间还必须加入控制电路及继电器,用继电器来驱动电磁
阀的开闭。
考虑到若是热水源达不到用户预设定温度,该装置中还增加了一个加热棒,在热水不充足的情况下,可以自动启用装置对水箱中的水进行加热,来保证用户的要求。
加热棒用可控硅来控制,我们初步设定用PWM脉冲来控制,其加热由于有很大的滞后特性,我们通过改变PWM的脉冲宽度来解决这个问题。
3.2水温、水位的自动控制
该装置在工作面板上设有按键,可方便用户自动控制水温。
首先用户通过工作面板上设有的按键进行预设定所需水温,接着按下开关按钮启动该装置。
单片机接收数据后进行数据检测,正式进入配水阶段。
单片机按事先设定好的程序智能的对电磁阀进行控制,从而控制水的流量。
装置先加入热水,根据热水的水温智能的控制其在某一位置停止送水;这时,冷水进水口加入冷水,与热水进行混合,达到设定水位后停止,通过电磁阀的控制以及温度传感器DS18B20实时2对水温进行检测,并将温度的数据实时传回到单片机中进行数据处理,通过压力传感器可以测量出水位的压力,并将压力数据传回到单片机中处理得到水位信息,当水温达到所需温度,而检测到水位也符合要求时,单片机控制电磁阀停止上水,配水完成。
完成配水后,该装置通过蜂鸣报警提醒用户现可以使用。
如在注入一段时间水后,通过温度传感器检测到发现无法达到用户预设定水温后,将提醒用户是否启用电加热装置,进行应急电加热,保证随时可以满足用户的洗浴要求。
为了直观的了解水箱中水量的位置、用户所设定的水温及当前水温等状态,我们采用一块LCD1602液晶屏对其进行全程显示。
这样可以给用户非常直观的感觉,能够让使用者用的更加舒适
3.3自动配水实现过程
为了把热水和凉水能均匀的混合在一起,我们把水箱内部用隔板分成三部分,即如图3-1中的红色夹板把水箱分成三部分,每个隔板下面都有两个开口可以把水箱的这三部分连通,同时在进水口我们设计了一个挡板槽,槽的下面有个圆形的出口,这样可以更好的实现热水和凉水的均匀混合。
在3-1图中用蓝色的线条画出我们设计的这个挡板槽。
由热量计算公式Qcm?
Δt,其中Q表示吸收（或放出）的热量,c表示比热容,m表示物质的质量,Δt表示升高（或降低）或降低的温度。
和吸热公式:
Q吸cm（t-t0）,其中Q吸表示吸收的热量,c表示比热容,m表示物质的质量,t0表示初温度,t表示末温度。
及放热公式:
Q放cm（t0-t）Q放表示放出的热量,c表示比热容,m表示物质的质量,t0表示初温度,t表示末温度。
我们可以得出:
只要知道了水的温度和水的质量就可以把热水和凉水智能的混合,由于水的比热容我们都已经知道,水的密度也是知道的,则我们得到水的体积即可求出水的质量,然而水箱的底面积是已知的条件,我们测得水的液位就可以得出它的质量,温度我们可以通过DS18B20测量得出,接着热量就可以被计算出来,通过用户设定我们可以首先得到水箱内完成配水后的混合水的热量,接着通过测量热水源和凉水源的水温就可求取热水和凉水的配比质量,通过电磁阀可以控制这两个配比量,最后完成系统的配水部分。
这一方案具体实现方法是:
首用先开通热水阀让热水源开始注水,系统已设定一个水位1,当热水达到水位1时关闭热水阀,这时我们可以采集到热水源的温度T1,而且通过定时器求出热水达到水位1时用的时间t1,可以间接的知道热水源的出水流速,同时系统也已经设定好水位2,水位2是水位1的2倍。
当关闭
热水阀时我们开启凉水阀,当箱体中的水位达到设定值时关闭凉水阀,这时可以通过温度传感器测得混合液体的温度。
因为注入的热水和凉水体积相同,所以可以计算出凉水的温度T2,通过定时器可以得到凉水阀的开通时间t2,继而可以计算出凉水源的流速,这样就得到了我们需要的参数值,通过热水源的水温、流速和凉水源的水温和流速,我们可以推算出将水箱中水配到用户设定的温度T和液位3及需要开通热水阀和凉水阀的时间t3,t4。
计算这两个参数时我们把热水阀和凉水阀同时开通,这样可以更加的把热水和凉水混合均匀,当时间到达t3时关闭热水源,达到t4时关闭凉水源,当时如果最初注入的热水都没办法达到用户设定的温度,我们采用方案2,即把热水源直接注入到液位3同时开启加热棒对箱体内的谁进行加热。
图3-1
第四章硬件电路的设计
4.1系统总电路图
温度传感器、液位传感器、按键是系统的输入装置,把外部的物理量采集并转化成电信号输入单片机中,单片机按照用户指令输出电信号实时控制电磁阀以及LED显示屏的数据显现,实现该系统的功能。
4.2电源电路设计
该电路采用AZ1084芯片实现5V的稳压,LM1117芯片实现3.3V的降压为单片机供电。
所以输入电源允许一定变动,而且有一定范围,这样可以更加方便用户的使用。
4.3电磁阀驱动及控制电路
MOC3061光电双向可控硅驱动器是一种新型的光电耦合器件,它可用直流低电压、小电流来控制交流高电压、大电流,我们通过单片机对其2端口输出高低电平来控制MOC3061内部通断,既而实现BT136双向可控硅的通断进而驱动电磁阀的开、闭。
该电路不但可以驱动大功率的电磁阀,而且实现了大功率电路与单片机电路的光电隔离。
减少了大功率电路对单片机稳定工作的影响。
4.4蜂鸣器及传感器输入电路
1）蜂鸣器电路我们采用三极管对蜂鸣器进行驱动,当三极管B极输入低电平时导通,蜂鸣器有电流通过就会发出声音。
我们采用蜂鸣器来提醒用户注意,下面是蜂鸣器的驱动电路图。
2）传感器输入电路
我们为了传感器检测电路简单,尽量选用数字传感器。
检测电路只有一个电阻,温度传感器就采用数字传感器DS18b20。
但是液位传感器一般价格较高,为了节约成本我们采用松下的一款压力模拟传感器。
该传感器可以实现压力范围为0?
1000mm水柱,完全可以实现我们的要求。
为了减少模拟传感器检测电路与数字传感器检测电路相互影响,我们采用零欧姆电阻把这两个模块分割开。
4.5液晶屏显示电路为了用户操作方便,我们采用一块液晶显示屏与单片机相连,实时显示水箱里的温度、液位、以及温度和液位的预设定制。
为了成本低廉我们采用LCD1602液晶屏,下面是该液晶屏的驱动电路图。
第五章系统软件设计
5.1程序主流程图
5.2水位调节和液位采集流程图
第六章系统调试
6.1整体系统调试
根据控制系统调试的需要,我们自己准备了一些调试设备
（1）5V直流电源一个
（2）数字万用表?
一个（3）传感器?
?
两个（4）下载器一个（5）PC机一台
6.2硬件的调试
由于采用单片机程序控制,所以硬件调节量不大。
第一步:
检查实验电路的焊接是否正确,用万用表检查是否有短路和断路的地方。
第二步:
连接好电源,静态检查蜂鸣器、液晶显示屏和C8051F310单片机芯片的电源是否正常。
C8051F310单片机芯片的时钟和复位是否正常。
第三步:
用下载器将程序下载到C8051F310单片机中,然后给蜂鸣器一个信号看是否能正常工作、液晶屏能否正常显示如果不能实现就不断的检查硬件和程序,找出原因,解决问题。
第四步:
调节程序观察温度传感器能否正常采集温度及传送给单片机和压力传感器能否正常采集液位信息,如果不能实现就不断的检查硬件和程序,找出原因,解决问题。
在调试液晶显示屏时出现屏幕不亮,后来发现没有调节背光灯的亮度,在调节温度传感器时发现传感器不能工作,经过一段时间的摸索,我们发现程序的时序存在一定问题,改善后该传感器即可工作。
6.3软件调试软件最初是根据理论设计编写的,待硬件实物完成后在硬件的基础上不断地修改和优化程序。
第七章结题总结
在大学的学习过程中,创新基金项目是一个非常锻炼我们的活动,是我们步入社会参与实际工程的一次极好的演示,在这次的设计中我们受益匪浅,都感觉到自己有很大的提高。
从最初的选题,项目申请,画原理图,焊接,软件设计,调试直到完成整个项目完成。
在此其间,查找资料,老师指导,与同学交流,反复修改
电路图,一步一步调试硬件电路直至成功,每一个过程都是对我们自己能力的一次检验和充实。
通过本次自动控温淋浴器的设计,我们了解并掌握了C8051F310单片机的基本理论知识,更深入的掌握单片机的开发应用和控制。
设计课题过程中,遇到了很多以前在学习过程中没有遇到的问题,同时也巩固和温习了我们以前学习的专业基础知识。
例如,在实际制作的过程当中,通过对电路方案的确定,提高了我们分析电路和计算电路中有关参数的能力,更熟悉了许多芯片的原理和应用,使我们把许多以前课本上学过的理论知识用到了实践中。
软件的设计,这个部分是我们最薄弱的环节,但通过老师和同学的帮助还是战胜了困难,提高了对单片机编程的能力。
最后的调试和测试过程,进一步提高理论知识和动手能力也增加了我们做事的耐心。
在设计中,涉及的知识面其实很广泛,能力要求包括:
运用理论去处理问题的能力,实验能力,外语水平,计算机运用水平,书面及口头表达能力等。
通过这次项目设计的经历不但提高了我们自己的专业知识水平而且也让我们更好地提高了自己的运用软件,编辑Word,还有书面写作水平。
这次设计历时至少一年,从选好题目到查找资料,从对题目详细的研究设定到制定原理图,从硬件和软件的调试,一次次失败到再一次全部重来……在这一个充满挑战伴随挫折,充满热情伴随打击的过程中,感触颇深,它已不仅是一个对平时学习知识情况和应用动手能力的检验,而且还是对钻研精神,面对困难的心态,做事的毅力和耐心的考验。
在这个过程中深刻的感受到了做创新基金项目设计的意义所在。
参考文献
?
童诗白,华成英,模拟电子技术基础.高等教育出版社.2000.3?
周润景,张丽娜,Protel99SE原理图与印制电路板设计.电子工业出版社?
肖玲妮,袁增贵,Protel99SE印刷电路版设计教程.清华大学出版社?
周坚,单片机轻松入门.北京航天航空大学出版社
?
余锡存,曹国华,单片机原理及接口技术.西安电子科技大学出版社?
马忠梅,单片机的C语言应用程序设计.北京航天航空大学出版社?
张洪润,张亚凡,传感器技术与应用教程.清华大学出版社附录
附录一:
元器件清单
名称规格数量名称规格数量
单片机C8051F3101可控硅驱动器MOC30613双向可控硅BT1362双向可控硅BTA261稳压芯片AZ10841降压芯片LM11171发光二极管LED2二极管1N41481液晶屏LCD16021开关5
蜂鸣器DELL1座插HEADER5X21晶振24MHZ1温度传感器DS18B201压力传感器988B2101961滑动变阻器10K1
电阻393电阻3009电阻10K9电阻1K4电阻4701电阻10M1电阻01极性电容0.01u3电解电容220u1电解电容22u1电容0.1u7电容1u1瓷片电容22P2电解电容100u2电解电容1u4底座2p4底座3p2底座6p1底座16p1附录二:
自动控温淋浴器原理图
附录三:
自动控温淋浴器PCB图
正面电路板图
反面电路板图
附录四:
自动控温淋浴控制器实物图附录五:
自动控温淋浴器程序
#include//头文件
#include
#include
#include
sbitLCM_RSP1^1;//定义端口sbitLCM_RWP1^2;
sbitLCM_EP1^3;#defineRS_CLRRS0#defineRS_SETRS1#defineRW_CLRRW0#defineRW_SETRW1#defineEN_CLREN0#defineEN_SETEN1#defineBusy0x80//用于检测LCM状态字中的Busy标识
#defineucharunsignedchar
unsignedcharbdataabit;
sbithotP0^1;//电磁阀控制
sbitcoldP0^7;//电磁阀控制
sbitjiareP1^0;//加热棒控制
sbitLED_KP2^4;//背光灯的负端
sbitBeepP2^5;//蜂鸣器控制引脚sbitpressP2^6;//液位传感器
sbitdownP3^4;//减计数按键
sbitupP3^3;//加计数按键
sbitqidongP3^1;//开始按键
sbitstopP0^0;//停止按键
sbitsureP3^2;
sbitDQP2^7;//温度传感器
sfr16ADC00xBD;sbitdb7abit^7;sbitdb6abit^6;sbitdb5abit^5;sbitdb4abit^4;sbitdb3abit^3;sbitdb2abit^2;sbitdb1abit^1;sbitdb0abit^0;sbitd7P2^3;sbitd6P2^2;sbitd5P2^1;sbitd4P2^0;sbitd3P1^7;sbitd2P1^6;sbitd1P1^5;sbitd0P1^4;ucharflag;
floatTem_num;voidWriteDataLCMunsignedcharWDLCM;
voidWriteCommandLCMunsignedcharWCLCM,BuysC;
voidLCMInitvoid;
voidDisplayOneCharunsignedcharX,unsignedcharY,unsignedchar
DData;
voidDisplayListCharunsignedcharX,unsignedcharY,unsignedchar
code*DData;
unsignedcharcodeTem[]"Tem:
";unsignedcharcodeRTem[]"RTem:
";unsignedcharcodeLev[]"Lev:
";floattemp_copy;
inttemp_int;//温度值的整数部分
inttemp_frac;//温度值的小数部分（以百分之一度为单位）inttemp;
intyali;
/*函数名:
voidPORT_Initvoid**************////功能描述:
端口初始化**********************//voidPORT_Initvoid
P0MDIN0xff;//P0口
P0MDOUT0xff;
P1MDIN0xff;//P1口
P1MDOUT0xff;
P2MDIN0xbf;//P2口
P2MDOUT0xff;
P2SKIP0x40;
P3MDIN0Xff;//P3口
P3MDOUT0xe1;
XBR00x00;
XBR10x42;//42
//函数名:
voidInternal_Crystalvoid*******//
//功能描述:
设计内部时钟********************//
voidInternal_CrystalvoidOSCICN0x82;
CLKSEL0x00;
/*--定时器初始化子程序*/
voidInit_Timervoid
TMOD|0x01;//使用模式1,16位定时器,使用"|"符号可以在使用多个定时
器时不受影响EA1;//总中断打开
ET01;//定时器中断打开
TR01;//定时器开关打开
void
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