計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名專業(yè)班級學(xué)號題 目基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課題性質(zhì)課題來源指導(dǎo)教師主要內(nèi)容針對水溫控制系統(tǒng)的控制功能要求，設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，能夠?qū)λ臏囟冗M(jìn)行測量及顯示，并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)對水的溫度進(jìn)行加熱，滿足用戶的生活需求。任務(wù)要求主要參考資料（1）馬忠梅等，單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，北京航空航天大學(xué)出版社，2009修訂版（2）李廣弟等 單片機(jī)基礎(chǔ) 北京航空航天出版社， 2008.7審查意見系（教研室）主任簽字： 年 月 日1.1 課題背景當(dāng)今社會(huì)大部分人在使用熱水器時(shí)，基本上都是采用的快熱式的。這是因?yàn)樗o人們帶來了極大的方便，人們不再為熱水器耗電量大而發(fā)愁，所以快熱式電熱水器走進(jìn)千家萬戶應(yīng)經(jīng)成為必然的。我國也在不斷大力提倡家庭使用快熱式電熱水器，這樣可以為國家節(jié)省很多電能。而快熱式電熱水器 克服了上述缺點(diǎn)，它有很多優(yōu)點(diǎn)，如：安全，干凈環(huán)保；即開即熱，3-5秒出熱水無須等候，熱水使用時(shí)間不受限制，想用多久就用多久；用多少燒多少，省電省水，沒有損耗；體積小不占空間，可以隱藏在廚柜內(nèi)，安裝方便，特別適合新裝修的房子，款式多樣，美觀實(shí)用，也是職工福利和客戶禮品的絕佳選擇。特別方便于洗滌，和洗漱，是為現(xiàn)代家居廚房洗滌、衛(wèi)生間洗漱專業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的快速電熱水器，結(jié)合了燃?xì)鉄崴骱蛡鹘y(tǒng)儲水式電熱水器優(yōu)點(diǎn)。1.3 系統(tǒng)功能快熱式熱水器的設(shè)計(jì)要求：（1）必須做到隋開隨用，所以這就要求加熱功率很大，以至于減少加熱時(shí)間，所以溫度檢測元件的快速性就顯得很重要。（2）要做到安全可靠，這就要求控制電路要準(zhǔn)確及時(shí)，防止熱水器燒干而引發(fā)火災(zāi)或出現(xiàn)爆炸危險(xiǎn)危及人身安全。這里之所以設(shè)計(jì)快熱式家用電熱水器一是興趣所致，二是正是看到了它的未來，即將來人們將越來越多的使用它。2 總體方案設(shè)計(jì)對于快熱式家用電熱水器來說，硬件系統(tǒng)是它的最基本的框架，是系統(tǒng)的所有功能的叢礎(chǔ)。硬件的選擇和所選硬件的性能對系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)的精度都有直接的影響，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成功與否很大程度上取決于硬件系統(tǒng)的設(shè)汁。本系統(tǒng)硬件方案論證包括單片機(jī)、溫度檢測傳感器、加熱控制驅(qū)動(dòng)電路、電源電路、及鍵盤和顯示電路的選擇。2.1單片機(jī)的選擇方案一：我們知道8031芯片內(nèi)部無ROM，需要外擴(kuò)程序存儲器,由此造成電路焊接的困難，況且使用8031還需要另外購買其他的芯片，如A/D轉(zhuǎn)換及定時(shí)/計(jì)數(shù)器（PWM）等芯片，從而造成成本較高，不實(shí)用。方案二:因?yàn)?9C51芯片內(nèi)部有ROM，且片內(nèi)ROM全部采用Flash ROM，它能于3V的超低壓工作，與MCS-51系列單片機(jī)完全兼容，由于89C51單片機(jī)成本低廉且工作可靠，采用12MH z的晶振， 所以我們選擇89C51作為系統(tǒng)微處理器。2.2 溫度檢測傳感器的選擇溫度檢測的方法很多，有熱點(diǎn)阻，熱電偶，熱敏電阻，還有專門的集成測溫傳感器等。方案一：熱電式傳感器是將溫度變化轉(zhuǎn)化為電量變化的裝置，它利用敏感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化而變化的特性來達(dá)到測量目的。通常把被測溫度的變化轉(zhuǎn)換為敏感元件的電阻變化、電勢的變化，再經(jīng)過相應(yīng)的測量電路輸出電壓或電流，然后由這些參數(shù)的變化來檢測對象的溫度變化。熱敏電阻具有靈敏度高、體積小、較穩(wěn)定、制作簡單、壽命長、易于維護(hù)、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn),但有變化率非線性，不適合測量高溫區(qū)等缺點(diǎn)。方案二：集成測溫傳感器如：DS18B20，直接將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送給單片機(jī)。這種方法雖然比較先進(jìn)，但電路也比較復(fù)雜,成本也較高。方案三：溫度/頻率轉(zhuǎn)化測溫法，直接將溫度信息轉(zhuǎn)換成頻率信號，用單片機(jī)測出頻率的大小，從而間接測出溫度值溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路簡單可靠，成本低廉。所以采用此方案。2.3傳感器輸出的放大電路的選擇方案一：運(yùn)算放大器LM324帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。該四放大器可以工作在低到3伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。它的性能特點(diǎn)是短跑保護(hù)輸出、真差動(dòng)輸入級、底偏置電流為最大100mA、每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器、具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ堋⒐材７秶鷶U(kuò)展到負(fù)電源、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列、輸入端具有靜電保護(hù)功能。但用在本電路中接線較復(fù)雜，且價(jià)格昂貴所以不用。方案二：采用74LS04作為輸出放大電路的選擇，它還可以作為驅(qū)動(dòng)電路使用，74LS04是TTL電平反相器，使用較經(jīng)濟(jì)且性能也很理想，所以在本方案中采用。2.4 顯示器的選擇 LED數(shù)碼管顯示器可分為兩種顯示方式：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。方案一： LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示，多片七段譯碼器驅(qū)動(dòng)顯示，這不僅增加了成本，還需要占用單片機(jī)多個(gè)I/O口，也給電路的焊接帶來一定的困難，因此不選用這種方案作為顯示模塊，所以排除此方案。方案二： LED數(shù)碼管顯示器動(dòng)態(tài)顯示方式下，將所有位的段選線并聯(lián)在起，由位選線控制哪位接收字段碼。采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，也就是在顯示過中，輪流向各位送出字形碼和相應(yīng)的字位選擇，同一時(shí)刻只有一位顯示，其他各位熄滅。利用顯示器的余暉和人眼的視覺暫留現(xiàn)象，只要每一位顯示足夠短，則人看到的就是所有數(shù)碼管同時(shí)顯示，在動(dòng)態(tài)顯示方式下電路設(shè)計(jì)簡單，易采用。2.5 系統(tǒng)組成框圖及工作原理快熱式熱水器組成框圖如圖2.1所示，主要由7部分組成：單片機(jī)系統(tǒng)及外圍電路、電源電路、按鍵輸入電路、溫度檢測電路、LED數(shù)碼管及指示燈電路、報(bào)警電路和加熱控制電路。圖2.1 系統(tǒng)組成框圖3 硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)硬件電路主要包涵:單片機(jī)，報(bào)警電路、加熱控制電路、過零檢測電路和溫度檢測電路等部分。其中加熱部分采用雙向二極管控制的熱敏電阻，控制方便可靠；報(bào)警電路采用自鳴式報(bào)警器，實(shí)用也很方便買到；過零檢測部分橋式電路，三極管和一個(gè)“非”門組成的電路，靈明度更高；而溫度檢測部分很重要，所以采用rc震蕩電路和由熱敏電阻組成的電路進(jìn)行檢測，簡單并且成本很低，也很容易實(shí)現(xiàn)。3.1單片機(jī)晶振電路在整個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)中，CPU既是運(yùn)算處理中心，又是控制中心，是控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的器件。此系統(tǒng)控制方案簡單，數(shù)據(jù)量也不大，因此選用89C51作為控制系統(tǒng)的主機(jī)。3.2 溫度傳感器及放大電路設(shè)計(jì)溫度/頻率變換電路由多諧振蕩器組成，R24是一個(gè)熱敏電阻，當(dāng)溫度變化是引起它的阻值變化，因而電流發(fā)生變化，從而振蕩器的輸出頻率發(fā)生變化，所以通過頻率值可以求得溫度值。它的電路如圖3.1所示： 圖3.1 溫度傳感器及放大電路3.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)加熱控制驅(qū)動(dòng)電路：通過光耦二極管來控制加熱絲的導(dǎo)通，而加熱電阻通過發(fā)光二極管來顯示加熱于否，當(dāng)加熱時(shí)二極管發(fā)光，而不加熱時(shí)二極管不發(fā)光，其中利用熱繼電器來控制電路的通斷，當(dāng)通電時(shí)它的常開觸頭閉合，電路接通，電熱絲加熱，否則電路斷開。它的熔斷絲選為110度的熱保險(xiǎn)絲，控制加熱溫度。電路如圖3.3所示：3.4 報(bào)警驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)水溫超過65度時(shí)停止加熱并蜂鳴報(bào)警，當(dāng)溫度降到45度一下時(shí)恢復(fù)。報(bào)警器驅(qū)動(dòng)電路，電路圖如圖3.4所示： 圖3.4 報(bào)警器驅(qū)動(dòng)電路4 軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)的快熱式家用電熱水器的軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、顯示掃描、按鍵掃描子程序、加熱控制子程序和溫度檢測子程序。41主程序流程圖由于51系列單片機(jī)沒有停機(jī)命令，所以可以利用主程序設(shè)置死循環(huán)反復(fù)運(yùn)行各個(gè)任務(wù)。把有實(shí)時(shí)要求的子程序（顯示掃描、按鍵掃描、加熱控制）放在最內(nèi)層的循環(huán)中，計(jì)算其運(yùn)行一次占用的CPU時(shí)間，然后根據(jù)溫度檢測定時(shí)的間隔時(shí)間，計(jì)算出該循環(huán)的循環(huán)次數(shù)。該系統(tǒng)每運(yùn)行一次有實(shí)時(shí)要求的子程序（即顯示掃描、按鍵掃描、加熱控制）約占用5msCPU時(shí)間，運(yùn)行測溫子程序的時(shí)間間隔為0.5s，那么循環(huán)次數(shù)應(yīng)為100次。 主程序流程圖如圖 4.1所示： 圖 4.1 主程序流程圖4.2中斷程序流程圖中斷服務(wù)程