饮水机温度控制系统设计报告.doc

饮水机温度控制系统设计报告目录目录1 1前言1 1.1设计的目的及意义1 1.2国内外发展现状及研究概况1 1.3 设计的主要技术指标与参数2 1.4 设计的主要内容2 2总体方案设计3 2.1方案比较3 2.2方案论证4 2.3方案选择4 3单元模块电路设计5 3.1电路组成及工作原理5 3.2模块电路的设计6 3.2.1信号采集及放大模块设计6 3.2.2 单片机最小系统7 3.2.3模数转换电路设计8 3.2.4人机交互界面设计9 3.2.4水位探测系统的设计10 3.2.5加热控制系统的设计11 3.2.6电源电路的设计12 3.3电路参数的计算及元器件的选择13 3.4特殊器件的介绍14 3.4.1 STC89C52单片机的介绍14 3.4.2 ICL7135模数转换器的介绍16 3.4.3 LCD1602液晶显示屏的介绍18 3.4.4 TL084运算放大器介绍19 4系统软件设计21 4.1 系统主程序设计21 4.2 按键处理子程序设计22 4.3温度检测子程序设计23 5系统调试24 5.1硬件调试24 5.2软件调试24 6系统功能和指标参数25 6.1系统能实现的功能25 6.2系统指标参数测试25 7结论26 8总结与体会27 9参考文献28 附录一相关设计图29 A 饮水机温控系统电路图29 B 饮水机温控系统PCB图30 1前言 1.1设计的目的及意义随着电子技术的发展，特别是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，那么单片机技术的出现则是给现代工业控制领域带来了一次新的革命。

单片机的应用领域也越来越广泛，特别是在工业控制和仪器仪表智能化中扮演着极其重要的角色。

过去经常采用模拟电路、数字电路实现的电路系统，现在相当大一部分可以用单片机予以实现，传统的电路设计方法已演变成为软件和硬件相结合的设计方法。

在实际应用中，单片机经常要与各种传感器相结合组成一定的应用系统，以实现系统的自动检测与控制。

单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多电子产品中也用到了温度检测和温度控制。

目前广泛使用的饮水机，具有价格低廉，制造简便等优点。

但是随着用户长时间使用，这些饮水机功能单一、能耗较大、长时间饮用饮水机的水对健康不利等缺点逐渐暴露出来。

此次设计是基于单片机的温度控制系统。

整个设计过程将使我巩固所学的本专业基础理论、专业知识和基本技能，增强综合运用所学知识与技术独立分析问题解决问题的能力；对饮水机的工作原理、元器件选择及电子仪器的常用设计方法等有比较深入的了解；进而掌握应用单片机进行电子线路设计的基本思想和方法。

本设计完全面向实际的思想可以使我全面的了解电子设计的基本过程和基本工艺，并且对饮水健康的考虑也使得此次设计变的更加有意义。

1.2国内外发展现状及研究概况当今社会，随着科技的进步，电子技术得到了飞速的发展与应用，数字系统的设计也有了很大的进步，如今运行速度快、在功能更加强大的基础上更加便于使用携带也成了发展的方向。

60 年代以来，在半导体器件和计算机技术发展的基础上，智能控制变的越来越简单，70 年代单片机产生使世界进入高智能，高效率，以及高可靠性的电子时代。

目前饮水机的控制方式可分为普通控制型、智能感应型和微电脑控制型三类。

普通控制型饮水机其加热和制冷均自动恒温控制，是目前用户使用最多的机型，并且其价位适中一般为首选。

因而，本文在此基础上，做了一些改造使其更为人性化，比如说加热温度设置使能够满足用户的各种温度需求，还有防干烧措施和实时显示温度等现如今单片机的发展日新月异，各种新功能，新器件，新思想不断涌现。

在国内外依旧以做嵌入式控制内核为主，而本文也是采用这样的一种智能控制思想来实现饮水机的智能控制的，从而实现饮水机温度可控，节能，可视化等设计指标。

1.3 设计的主要技术指标与参数 1. 能检测饮水机加热体中的水量和水温并能用LCD液晶显示屏实时显示水温。

2. 水量低于设定值时禁止加热，防止干烧。

3. 能够通过键盘任意设定饮水机的加热温度，同时设定两个快捷加热键，温水键可以把水加热到60 度，开水键可以把水加热到100 度并实时显示水温。

4. 系统自动比较水温和系统设定温度，当水温低于设定温度10摄氏度时，加热器开始加热，当水温达到设定温度时，加热器停止工作。

但当用户重新设定了饮水机的加热温度后无论水温是否低于设定温度10摄氏度饮水机都将水温加热到设定值。

1.4 设计的主要内容 1. 方案比较及论证，查阅相关资料，找到设计电路的基本思路。

2. 掌握基本测量原理。

3. 根据需求和系统的功能，逐级划分模块，明确各模块之间的数据流传递关系。

理解工作原理，绘制原理框图及单元电路设计。

4. 确定软件开发环境，选择设计语言，完成模块功能设计，并分别调试通过。

5. 软硬件联调，将各模块有机的结合起来，组成一个完善的系统。

6. 绘电路原理图、PCB图，列元件明细表，整理及分析有关数据。

2总体方案设计通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了两种技术方案来实现系统功能。

下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。

2.1方案比较方案一是使用简易的温控系统，这也是现在绝大多数低端饮水机采用的温度控制系统，它一般使用像“纽扣”大小的“温度继电器”，内部是由双金属片制成的温度敏感“开关”，温度到达一定值时会断开电路，饮水机停止加热。

当温度降低的时候双金属片闭合，电路接通，饮水机开始加热，元件一般装在金属“水胆”外壁上。

另外还设有一个100摄氏度的温度继电器，断电后需要手动开启，此温度继电器主要用来防止加热体干烧。

方案二是经过对设计要求的分析我们可以基本确定下设计方案的雏形，即以单片机为核心，外围围绕温度传感器，调理电路，AD转换器，水位探测器，加热控制器，键盘电路和显示电路等。

通过软件编程实现对各硬件的控制和通信，进而实现对加热器的控制，实现设计要求。

在此我们可以选用高性价比的STC89C52单片机，完全可以满足设计要求并能节省设计成本。

我们选用防水型的温度传感器LM35DZ，首先此款传感器的温度怒测试范围是0100摄氏度，对于测试水温来说刚好能满足要求，这也提高了温度的测量精度。

再次，LM35DZ 具有非常高的市场普及率，有各种各样的封装形式所以适合我们的选用。

水位监测由于这里只需要定性的测量不需要定量测量，所以我们直接采用一根金属棒接于单片机的的一个引脚来判断饮水机是否有足够的水位。

图2.1 方案二的原理框图2.2方案论证首先两种方案都是可行的，且都有各自的优缺点，下面就分别介绍第一种方案采用温度继电器，温度继电器成本低廉，易更换，且完全实现了硬件控制无需软件设计，简化了设计流程。

由于纯硬件的设计必然缺乏智能性，不能设定加热水温，人机交互方面欠缺。

另一方面控制精度差，一般有上下23 度的误差。

另外饮水机一般都是有两个温度继电器，一个是控制热水温度的，大概在90 左右度，是自动断电自动复位的，另一个是极限温度控制器，大概在100 左右度，断电后是手动复位的，此温度继电器主要用来防止加热体干烧。

这种控制方式简单，温度继电器可以直接参与加热控制。

但此方法智能控制水平较低不能体现出设计的核心思想方案二的优点是实现了高精度，温度显示，使用了LCD1602低功率液晶显示，并带有键盘控制，防干烧处理，人机交互方面做得比较好。

另一方面，目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系显示温度和控制饮水机的加热方式。

单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。

但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。

使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。

2.3方案选择基于实现了高精度，加热温度设定，温度显示，低功率，防干烧处理，综合以上二种方案，最终选择了方案二。

3单元模块电路设计本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的连接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。

3.1电路组成及工作原理家用饮水机温度控制系统由温度采集电路，模数转换器，水位探测器，LCD 显示电路，键盘电路，加热控制器等组成。

单片机完成监控系统数据采集过程、采集方式的控制。

是整个系统的核心处理器，单片机首先把通过传感器测到的现场温度与预先设置的温度进行比较，如果大于或小于预先设置值，就输出信号去控制加热器的工作，从而实现温度控制与此同时将温度数据传输给LCD 显示器，并对水位探测器的反馈信号进行处理从而实现防止干烧的发生。

温度传感器温度传感器将加热体中的温度采集，经过模数转换变换成数字数据供单片机使用，在设计过程中尽量采用集成模数转换功能的传感器，这样一来可以极大的减少设计工作量，并且可靠性也将会有比较大的提高，这种传感器在实际生产中有这很广泛的应用。

水位探测器水位探测器主要是用来防止加热体干烧，在设计过程中可以根据需求将其简化成能定性测量水位是否足够即可，在这里我们要尽量的简化设计。

键盘电路键盘电路用来设置加热温度，与单片机通信，加热模式控制信号传送给单片机供其与温度传感器所提供的数据进行比较决定是否继续或停止加热。

显示电路实时显示加热体内水温和设定温度，指示灯显示饮水机的工作状态，当发生干烧的时候LCD显示警告，指示灯全亮，提醒用户饮水机需要加水了。

加热控制器弱电低压信号驱动强电220V 电流对加热体内水进行加热控制，是整个设计的与加热体相结合的重要模块，设计方案要遵循安全可靠的要求。

电路系统框图如下。

单片机数据采集电路ADC 4*4键盘电路水位探测电路LCD显示电路加热控制器图3.1系统框图从图3.1的系统框图可以看的出温度传感器信号，键盘电路信号，水深探测器信号均为饮水机温控系统的输入信号而显示电路信号，加热控制信号则为饮水机温控系统的输出信号。

系统框图也充分的体现出了单片机作为整个系统的核心部件的这一理念。

所有的外围的设备围绕单片机作为单片机的功能模块与单片机进行信息交换和通信。

核心部件单片机对所有的外围设备数字温度传感器、键盘电路、水位探测器等器件反馈的信息在软件的设定下进行综合分析，发出指令信号控制加热控制器和LCD 显示器的工作状态。

设计框图作为整个设计方案的灵魂将自始至终的指导设计的全过程，在以后的设计中将完全按照框图所列的模块进行分模块设计。

这样一来使整个设计简化为六部分，各部分又可以单独的进行设计，这样一来通过对各个模块的多种方案进行分析比较确定最佳选择并将其作为最终选择，最后将各模块的最佳方案进行组合得到我们的最终设计方案。