恒温系统设计

第一章设计题目及要求

1.1 课程设计题目

中小功率热水器恒温控制系统

1.2 功能说明及要求

功能说明：设计一台基于单片机的中小功率热水器恒温控制装置；

加热范围：30℃~60℃；

精度要求：0.1℃；

加热速度：0.5℃~1℃/s；

要求：画出原理图，硬件仿真调试，设计软件流程图并编写程序（以单片机为核心）。

第二章各功能模块的确定及选择本设计要实现的是热水器的温度控制，根据这一要求可以基本确定温度控制系统的工作模块：温度测量模块，温度显示模块，温度设定输入模块，加热模块。

对于温度的检测有很多方法，基本的有数字测温和模拟测温两种，数字测温可以使用DS18b20数字温度传感器来实现，模拟测温可以使用热电阻来实现，利用热电阻的温度特性输出不同的电压再经过A/D模数转换来表示不同的温度。DS18B20能够直接读出被测温度并且可以根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数；以其独特的一线接口方式，实现多点能力；无需连接外部元件，就可用数据总线供电，电压范围为3.0 V至5.5 V ；测量温度范围为-55°C至+125℃，其中-10°C至+85°C范围内精度为±0.5°C，最大分辨率可达0.0625℃，可实现高精度测量。而利用热电阻的温度传感器需要使用A/D模数转换器，它需要安装模数转换模块，结构较为复杂且需要的I/O较多,并且温度的测量和转换会受到影响使转换的精度受到影响。综上所述，本设计根据设计实现简便和稳定性分析使用DS18b20数字温度传感器。DS18b20的使用在以后的章节中详细介绍。

通常显示电路主要有两类：数码管（LED）显示和液晶（LCD）显示。液晶显示屏（LCD）：低压微功耗、平板型结构、显示的信息量大、无电磁辐射、使用寿命长等优点，但占用I/O口线较多。数码管显示（LED）：采用LED数码管显示，该方案具有实现容易、发光亮度大、驱动电路简单等优点，但是显示内容单一。因为本设计需要显示的信息较多，数码管显示（LED）无法满足，所以选用的是LCD液晶显示。

热水器恒温控制需要一个用户的输入界面，温度设计输入的是数字，在本设计中用的是数字矩阵键盘作为用户的输入界面，输入的数字为0—9以及小数点，3x4的矩阵键盘基本能够满足设计的需要，对于多出来的一个按键可以将其设置成数字输入的控制键，由此就可以占用矩阵键盘的12个按钮。矩阵键盘的输入读取运用的是系统扫描的方式，该方法的运用将在以后的章节中介绍到。

在温度的加热和恒温部分,温度加热的方法有很多,PWM控制加热、晶闸管控制加热、可控硅电加热,在本设计中要实现的是简单的加热状态的转换,所以运用简单的加热器就可实现。因为需要的是加热和恒温的两个状态，选用两个加热器就可以实现，一个低功率用于保持水温的恒定一个用于对水进行加热，该方法易于实现。

控制器主模块ATMEL公司的51系列的单片机，51系列的单片机在学习和日常使用较为多而且易于操作和实现，本设计运用普通版的AT89S52作为控制器的处理器，AT89S52的优点为：处理速度快；价格低；加密性强；超强抗干扰；超低功耗；在系统可编程，无需编程器，无需仿真器。

第三章系统总体的搭建和连接

热水器恒温控制系统的实现是系统控制器主模块、温度测量模块、温度显示模块、矩阵按键输入模块和水温加热模块五个模块的相互联系和配合，其中的系统控制模块主要是AT89S52的最小系统来工作实现的，AT89S52的最小系统主要包括有电源电路、复位电路、时钟电路、I/O口上拉电阻电路。其总体设计框图如图2.1所示

图2.1系统整体结构

单片机控制系统是以单片机为核心，配合温度传感器，信号处理电路，显示电路，

输出控制电路组成，软件选用C语言编程。单片机可将温度传感器检测到的空气温度的数字量(利用二进制存储在DS18b20里)读取到处理器并转换成相应的温度值，显示于显示器上。功能由硬件和软件两大部分协调完成，硬件部分主要完成各种传感器信号的采集、转换，各种信息的显示；软件主要完成信号的处理及控制功能等。

电源电路、复位电路、时钟电路和I/O口上拉电阻电路是单片机控制系统能够运行的必要支持,电源电路为单片机的工作提供工作电压；复位电路使得单片机在出现状况时能够从新复位运行；时钟电路为单片机的工作提供一个需要的时钟系统便于单片机的时序控制。I/O口上拉电阻电路可以提高单片机携带负载的能力。

温度检测模块是系统的温度采样转换电路，它主要元件是温度传感器DS18B20和4.7k电阻组成，这款温度传感器的其内部电路能够实现将温度变化值转化成脉冲信号发送给单片机，从而避免了模拟信号转化为数字信号的复杂过程。

温度输入电路既是用键盘输入的方式来控制单片机，以满足用户的温度设定的要求。键盘功能主要有按键识别、去抖、重键处理、发送扫描码、自动重发、接收键盘命令、处理命令等。单片机将用户通过键盘输入的温度进行读取并显示到LCD液晶显示器上并将输入的温度和DS18b20检测到的温度进行比较作为单片机输出控制的依据。

温度显示模块应用的是LCD液晶显示器，本设计所应用的液晶是1602，所显示的内容为用户输入的设定温度和DS18b20检测到的温度值，1602可以满足显示的需要。

加热模块是系统的温度控制电路，在单片机控制系统中，单片机总是要对被控制对象进行实时控制操作，因此，在这样的系统中，需要有后向通道。后向通道是单片机实现控制运算处理后，对被控对象的输出通道接口输出高、低电平。系统的后向通道是一个输出通道，其特点是弱电控制强电，即小信号输出实现大功率控制，该加热模块使用的加热器是两个简单的电阻丝加热器。

确定单片机控制系统总体方案是进行系统设计最关键的一步，总体方案的好坏直接影响整个控制系统的性能及实施细则，其设计主要是根据被控对象的任务及工艺要求而确定。

第四章系统各个模块的实现

根据题目要求系统模块可以划分为：控制器模块，温度测量模块，温度显示模块，温度设定输入模块，加热模块五个部分。

4.1 控制器模块设计方案

控制器模块设计方案控制器模块设计方案控制器模块设计方案根据题目要求，控制器主要用于对温度测量信号的接受和处理，控制加热元件和制冷装置使控制对象满足设计要求，控制显示电路对温度值实时显示以及通过控制键盘实现对温度值的设定等。

4.1.1 AT89S52单片机简介

本设计采用AT89S52芯片为CPU。AT89S52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS 8位单片机，片内含8K的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，与标准的MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。AT89S52单片机适用于许多较为复杂控制应用场合。由此可见，AT89S52单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低，适用本设计需求。

掌握AT89S52单片机，应首先了解AT89S52的引脚，熟悉并牢记各引脚的功能。AT89S52有40条引脚。这40条引脚可分为I/O端口线（32条）、控制线（4条）、电源线（2条）、外接晶体线（2条）四部分，AT89S52引脚排列如图.4.1所示。

AT89S52共有40个引脚，大致可分为4类：

（1）电源引脚

VCC:电源端（+5V）；VSS: 接地端(GND)。

（2）时钟电路引脚

XTAL1:外接晶振输入端；XTAL2:外接晶振输出端。

（3）I/O引脚

P0.0—P0.7/AD0~AD7: 一组8位漏极开路型双向I/O口，也是地址/总线复用口。作入/输出口时，必须外接上拉电阻，它可驱动8个TTL门电路。当访问片外存储器时，用作地址/总线分时复用口线。

P1.0—P1.7: 一组内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，可驱动4个TTL门电路。

P2.0—P2.7/A8~A15: 一组内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，可驱动4个TTL门电路。当访问片外存储器时，用作高8位地址总线。

P3.0—P3.7: 一组内部带上拉电阻的8位准双向I/O口。出于芯片引脚数的限制，P3端口每个引脚具有第二功能。

（4）控制线引脚

RST: 复位端。当RESET端出现持续两个机器周期以上的高电平时，可实现复位操作。

EA/Vpp: 片外程序存储器选择端。若要访问外部程序存储器则EA/Vpp端必须保持低电平。