畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于單片機(jī)的燃?xì)鉄崴鳒囟瓤刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì).doc

畢 業(yè) 論 文題目 基于單片機(jī)的燃?xì)鉄崴鳒囟瓤刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì) 鄭 重 聲 明本人的學(xué)位論文是在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立撰寫并完成的，學(xué)位論文沒(méi)有剽竊、抄襲、造假等違反學(xué)術(shù)道德、學(xué)術(shù)規(guī)范和侵權(quán)行為，否則，本人愿意承擔(dān)由此而產(chǎn)生的法律責(zé)任和法律后果，特此鄭重聲明。 學(xué)位論文作者（簽名）： 年 月 日摘 要隨著現(xiàn)代居民生活消費(fèi)水平的不斷提高，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。熱水器作為家居生活中非常重要的一部分，用戶對(duì)熱水器的功能需求也越來(lái)越智能化。燃?xì)鉄崴髯鳛闊崴鞯囊环N，以其加熱速度快、體積小、安全、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，深受廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)。而目前大多數(shù)燃?xì)鉄崴鞯闹悄芑潭冗€較低，處于手動(dòng)調(diào)溫階段，且水溫不能實(shí)時(shí)顯示，用水量和用氣量不能實(shí)時(shí)控制，這使消費(fèi)者的用戶體驗(yàn)水平大大降低。根據(jù)現(xiàn)今燃?xì)鉄崴髦写嬖诘牟蛔?，向著智能調(diào)溫方向發(fā)展，本文設(shè)計(jì)了燃?xì)鉄崴鞯暮銣乜刂葡到y(tǒng)，概括起來(lái)有以下幾點(diǎn)：(1)用8位單片機(jī)89S51和DS18B20溫度傳感器，提出了水溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)相比16位的單片機(jī)、熱敏電阻和A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有更高的性價(jià)比。(2)根據(jù)溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，與設(shè)定溫度數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，再通過(guò)DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換為不同的電流，從而控制燃?xì)獗壤y的大小，調(diào)整加熱的力度，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。(3)采用數(shù)字PID程序控制，提高了溫度的控制精度，并能實(shí)現(xiàn)溫度的連續(xù)可調(diào)。(4)加入了LCD1602液晶顯示屏，用于出水溫度的實(shí)時(shí)顯示；并加入了看門狗和聲光報(bào)警子電路，提高了熱水器的安全性。(5)對(duì)設(shè)計(jì)程序進(jìn)行了工程樣板制作。關(guān)鍵詞：燃?xì)鉄崴?；單片機(jī)；溫度控制；DS18B20- 17 -AbstractWith the improvement of the consumption level of modern residents, customers requirements of life quality are getting higher and higher. As a very important part of home life, the water heaters function is also more and more intelligent. Gas water heater as one of water heater, with its heating speed, small size, safety and energy saving, is very popular by the vast number of consumers. At present, most of the gas water heater is still relatively low-degree of intelligence, only can adjust the temperature by hands, and the water temperature can not be displayed at any time, the weight of water and gas can not be control automaticly, therefore these make the users user experience level greatly reduced.According to the shortcomings of gas water heater, this paper designed a constant temperature control system for gas water heater:(1) In this paper, 8-bit single-chip 89S51 and DS18B20 temperature sensors were used, and the temperature control system of real-time monitoring of water temperature was put forward. Compared with the temperature data acquisition system, which was constituted of 16-bit microcontroller, thermistor and A/D converter, the system of this article is cost-effective. (2) According to the temperature data of temperature sensor, through the data conversion, and compared with the set temperature value, and then through the DAC0832 digital converter into the different electric current value, the size of gas proportional valve can be control. Finally, the heating force can adjust so that achieve the temperature of the automatic control.(3) The temperature control system used the digital PID program control, improved the temperature control accuracy, and can achieve continuous adjustable temperature.(4) A 1602 LCD screen was joined in the temperature control system for the real-time display of water temperature; and watchdog and sound and light alarm circuit were set to improve the safety of water heaters.(5) The design process was made into the project model, and was debugged successful.Key words: Gas water heater; Single chip; Temperature control; DS18B20目 錄摘 要IAbstractII1 前言12 燃?xì)鉄崴飨到y(tǒng)設(shè)計(jì)12.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求22.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案22.3 系統(tǒng)性能指標(biāo)32.4 本章小結(jié)43 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)43.1燃?xì)鉄崴饔布刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)方案43.1.1 信息處理模塊43.1.2 顯示器件53.1.3 溫度采集模塊63.1.4 數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊63.1.5 燃?xì)忾_(kāi)關(guān)閥73.2 硬件電路設(shè)計(jì)93.2.1 系統(tǒng)主控制電路的設(shè)計(jì)93.2.2 溫度值輸入電路的設(shè)計(jì)93.2.3 報(bào)警電路設(shè)計(jì)103.2.4 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)103.2.5 LCD液晶顯示電路的設(shè)計(jì)113.2.6 電流控制電路的設(shè)計(jì)113.3 本章小結(jié)124 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)124.1主程序流程圖124.2測(cè)溫程序流程圖134.3數(shù)字PID控制器的實(shí)現(xiàn)144.4 本章小節(jié)155 總結(jié)與展望15參考文獻(xiàn)16致 謝171 前言隨著地球能源的匱乏，近年來(lái)，天然氣以其清潔、環(huán)保、高燃比的優(yōu)勢(shì)逐漸走進(jìn)各家各戶。越來(lái)越多的家用熱水器也開(kāi)始采用燃?xì)庾鳛榧訜崮茉?，最近風(fēng)靡歐美地區(qū)的燃?xì)獠膳療崴畠捎脿t把燃?xì)鉄崴鞴δ馨l(fā)展到完美程度。燃?xì)鉄崴骶哂屑訜崴俣瓤?、?jīng)濟(jì)效益高、使用方式簡(jiǎn)易安全等優(yōu)點(diǎn)，使其受到廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)。熱水器是一種人們生活中不可缺少的家用電氣，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱水器的技術(shù)水平日漸提高，其種類也越來(lái)越多，熱水器的主要品種包括電熱水器、太陽(yáng)能加熱式熱水器，燃?xì)鉄崴鞯取Ｆ渲?，太?yáng)能熱水器以取之不盡的太陽(yáng)能作為能源，節(jié)約能源的同時(shí)不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，是熱水器的發(fā)展趨勢(shì)，但由于其會(huì)受天氣原因的限制，因此使用范圍有限；電熱水器多利用電能進(jìn)行加熱，并采取過(guò)壓、過(guò)熱、漏電三重保護(hù)裝置，使用安全性高，同時(shí)具有干凈環(huán)保，調(diào)溫方便，安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是價(jià)格偏高，加熱漫，占空間，不適合人口多的家庭使用，且加熱慢，儲(chǔ)水箱反復(fù)加熱容易滋生細(xì)菌，不節(jié)能等；燃?xì)鉄崴魇且蝗藗兩钪谐Ｓ玫淖詠?lái)水加熱裝置，它通常以天然氣、石油為燃料，它是通過(guò)燃?xì)庠谌紵覂?nèi)充分燃燒產(chǎn)生高能，并散發(fā)出高溫氣體，高溫氣體經(jīng)過(guò)換熱器后，氣體與換熱氣中的冷水進(jìn)行熱交換，于是冷水就加熱為所需的安全熱水。燃?xì)鉄崴魍ǔ＞哂幸韵聨讉€(gè)優(yōu)點(diǎn)：加熱快、效率高、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜。從上述敘述中可以看出，太陽(yáng)能等通過(guò)自然能源來(lái)加熱的熱水器是未來(lái)的趨勢(shì)，電熱水器是現(xiàn)在人們生活應(yīng)用熱水器的主流，但由于燃?xì)鉄崴骶哂袠O高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)，仍被很很多人群使用，燃?xì)獾膽?yīng)用可以滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求，對(duì)燃?xì)鉄崴鞯闹悄芑刂瞥蔀槠浒l(fā)展的重點(diǎn)趨勢(shì)。2 燃?xì)鉄崴飨到y(tǒng)設(shè)計(jì)本課題目的是設(shè)計(jì)一種自動(dòng)調(diào)節(jié)水溫的燃?xì)鉄崴?，其控制系統(tǒng)基于單片機(jī)控制。其中設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮其安全性、操作簡(jiǎn)潔性，以及開(kāi)發(fā)成本等因素。2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求燃?xì)鉄崴鞴┤藗內(nèi)粘Ｉ钕丛∈褂茫虼嗽谠O(shè)計(jì)過(guò)程中必須滿足用戶的使用需求，保證用戶的良好體驗(yàn)，因此本課題通過(guò)大量網(wǎng)上調(diào)研，收集并整理燃?xì)鉄崴鞯南嚓P(guān)資料。本課題所設(shè)計(jì)出的燃?xì)鉄崴鲉纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)，要求功能齊全、安全方便、經(jīng)濟(jì)使用。根據(jù)相關(guān)調(diào)研，控制器應(yīng)具有以下功能：水溫的自動(dòng)控制和顯示，完善的安全保護(hù)措施；水溫應(yīng)該控制在20攝氏度至90攝氏度并可隨時(shí)調(diào)整；熱水器電源應(yīng)該使用AC 220V或電池供電。2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案方案設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)介：設(shè)定一個(gè)理想的溫度值，溫度傳感器熱水器的水溫采集，并與這個(gè)理想的溫度對(duì)比，若設(shè)定的理想溫度大于采集溫度，熱水器比例閥的閥口將開(kāi)大，更多的煤氣進(jìn)入燃?xì)馐遥細(xì)獬浞秩紵a(chǎn)生巨大能量，水溫隨之升高；當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定的理想溫度時(shí)，比例閥閥口停止開(kāi)大，保持燃?xì)馐业拿簹夂浚O(shè)定的水溫和實(shí)際水溫通過(guò)LCD1602顯示器顯示出來(lái)。當(dāng)水溫達(dá)到其極限溫度時(shí)，燃?xì)鉄崴髦邪仓玫膱?bào)警器將開(kāi)始報(bào)警，同時(shí)熱水器不再運(yùn)行。因此該系統(tǒng)主要包括信息處理模塊、顯示器件、溫度采集模塊數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊，比例閥、風(fēng)機(jī)、水氣聯(lián)動(dòng)裝置、報(bào)警裝置和輸出電路模塊組成。在燃?xì)鉄崴鳒囟瓤刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，硬件部分包括，核心處理器、外圍電路和外部設(shè)備這三個(gè)部分。其中，核心處理器選用ATMEL公司生產(chǎn)的89S51系列單片機(jī)；外圍電路設(shè)計(jì)應(yīng)包括必需的電源電路，復(fù)位電路等。另外，外部設(shè)備又可分為以下幾個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)：鍵盤輸入電路、LCD顯示電路，燃?xì)獗壤y控制電路，溫度采樣電路、外部看門狗電路及蜂鳴器報(bào)警電路?？刂破饔布Y(jié)構(gòu)電路原理如圖1所示。圖1 控制器硬件結(jié)構(gòu)電路原理2.3 系統(tǒng)性能指標(biāo)(l) 溫度測(cè)量范圍：099 本課題研究的是燃?xì)鉄崴?，其加熱?duì)象為液體水，而液體水的溫度范圍為099，當(dāng)溫度低于0時(shí)，水將固化即結(jié)冰，當(dāng)溫度高于99時(shí)，水將氣化即稱為蒸汽，因此其液態(tài)溫度為099，熱水器控制器的水溫測(cè)量范圍也必須滿足在這一溫度范圍內(nèi)。另外，經(jīng)調(diào)研可知人們?nèi)粘Ｊ褂米钸m宜的溫度為40，所以要保證熱水器最佳工作狀態(tài)的溫度也是40。(2) 設(shè)定溫度 燃?xì)鉄崴鞯脑O(shè)定溫度必須能滿足用戶的使用需求，即用戶能通過(guò)自身需求任意設(shè)定一個(gè)099范圍的溫度，并且控制器能夠保證迅速將冷水加熱到用戶設(shè)定的溫度。(3) 過(guò)載保護(hù)和系統(tǒng)故障復(fù)位裝置 燃?xì)鉄崴鲗儆诩矣秒娖鞯囊环N，由于其工作運(yùn)行必須通電，因此若出現(xiàn)停電、突然斷電或者系統(tǒng)出現(xiàn)故障的問(wèn)題，系統(tǒng)中的重要數(shù)據(jù)會(huì)丟失，另外，當(dāng)電路中負(fù)載過(guò)大時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象導(dǎo)致火災(zāi)等安全問(wèn)題的出現(xiàn)，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須設(shè)有過(guò)載保護(hù)和系統(tǒng)故障復(fù)位裝置?？撮T狗的電路既有過(guò)載保護(hù)和系統(tǒng)故障復(fù)位功能。當(dāng)系統(tǒng)因?yàn)楦鞣N意外事件出現(xiàn)突然斷電的情況時(shí)，該電路中的EEPROM數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器能將控制系統(tǒng)中正在處理或運(yùn)算的程序、數(shù)值及結(jié)果臨時(shí)保存起來(lái)，當(dāng)熱水器恢復(fù)供電后，單片機(jī)能夠從該數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中讀取這些臨時(shí)數(shù)據(jù)，從而保證了系統(tǒng)的安全。若系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，該電路能夠向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出復(fù)位信號(hào)，使控制系統(tǒng)重新開(kāi)始運(yùn)行。另外，當(dāng)系統(tǒng)電路出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)斷電，避免燃?xì)鉄崴鞒霈F(xiàn)安全隱患。(4) 報(bào)警裝置 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)意外故障或者溫度測(cè)量的數(shù)值與設(shè)計(jì)的溫度數(shù)值不同時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒用戶系統(tǒng)出現(xiàn)故障，應(yīng)及時(shí)查明原因并。另外，當(dāng)實(shí)際水溫達(dá)到了設(shè)定溫度后，報(bào)警裝置也會(huì)報(bào)警提示用戶熱水加熱完成，可供使用。2.4 本章小結(jié)基于燃?xì)鉄崴鞯墓ぷ髟砗陀脩粜枨?，?duì)燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)方案，同時(shí)簡(jiǎn)述了系統(tǒng)性能指標(biāo)，為下面熱水器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。3 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1燃?xì)鉄崴饔布刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)方案方案設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)介：設(shè)定一個(gè)理想的溫度值，溫度傳感器熱水器的水溫采集，并與這個(gè)理想的溫度對(duì)比，若設(shè)定的理想溫度大于采集溫度，熱水器比例閥的閥口將開(kāi)大，更多的煤氣進(jìn)入燃?xì)馐遥細(xì)獬浞秩紵a(chǎn)生巨大能量，水溫隨之升高；當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定的理想溫度時(shí)，比例閥閥口停止開(kāi)大，保持燃?xì)馐业拿簹夂浚O(shè)定的水溫和實(shí)際水溫通過(guò)LCD1602顯示器顯示出來(lái)。當(dāng)水溫達(dá)到其極限溫度時(shí)，燃?xì)鉄崴髦邪仓玫膱?bào)警器將開(kāi)始報(bào)警，同時(shí)熱水器不再運(yùn)行。因此該系統(tǒng)主要包括信息處理模塊、顯示器件、溫度采集模塊數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊，比例閥、風(fēng)機(jī)、水氣聯(lián)動(dòng)裝置、報(bào)警裝置和輸出電路模塊組成。另外，課題設(shè)計(jì)需要滿足燃?xì)鉄崴鳒囟瓤刂葡到y(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定的工作，溫度超調(diào)在5以內(nèi)，課題的難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)控制水溫。因此，本課題將針對(duì)這些要求對(duì)燃?xì)鉄崴骺刂葡到y(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本章主要介紹熱水器硬件設(shè)計(jì)部分。3.1.1 信息處理模塊燃?xì)鉄崴餍畔⑻幚砟K核心硬件是單片機(jī)，本課題選用一種AT89S51型單片機(jī)，該單片機(jī)具有低功耗，高性能的特點(diǎn)，并且它的資源十分豐富，運(yùn)算速度極快，能夠滿足對(duì)燃?xì)鉄崴魉疁氐目刂?。它是一種CMOS 8位的單片機(jī)，片體內(nèi)部含有8k Bytes ISP (In-system programmable)的可以反復(fù)擦寫并讀取1000次的Flash存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器具有只讀功能，器件采用ATMEL公司所研發(fā)的高密度存儲(chǔ)制造技術(shù)，兼容行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令系統(tǒng)以及80C51的引腳式結(jié)構(gòu)，另外，芯片內(nèi)部還集成了通用的8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89S51型單片機(jī)具有強(qiáng)大的功能，它可以為很多類型的嵌入式控制系統(tǒng)服務(wù)，并提供高效率的解決方案。該單片機(jī)的模塊如圖2所示。圖2 單片機(jī)的模塊3.1.2 顯示器件液晶顯示器是生活中常見(jiàn)的電子設(shè)備。例如電子計(jì)算器、電子表、掌上游戲機(jī)、手機(jī)等都可以看到液晶顯示器的身影，顯示器主要顯示的是數(shù)字、符號(hào)和專用的圖形。液晶模塊、數(shù)碼管等都屬于常見(jiàn)的顯示器件，其中，液晶模塊可以分為三類：數(shù)顯液品模塊、點(diǎn)陣字符液晶模塊、圖形液晶模塊。數(shù)碼管價(jià)格相對(duì)于液晶模塊比較便宜，其內(nèi)部發(fā)光二極管大多屬于電流敏感器件，其正向壓降的具有分散性大，與溫度等其他因素相關(guān)的特點(diǎn)。通常，為了使數(shù)碼管亮度均勻分布，需要對(duì)其施加恒定工作電流，且不受溫度等環(huán)境因素的影響。另外，當(dāng)溫度發(fā)生改變時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片還要能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電流的大小以實(shí)現(xiàn)色差平衡溫度補(bǔ)償，即使是短時(shí)間的電流過(guò)載也可能對(duì)發(fā)光管造成永久性的損壞。顯示數(shù)據(jù)包括理想設(shè)定溫度以及實(shí)測(cè)水溫，通常生活中要求顯示4位，若使用數(shù)碼管則會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的單片機(jī)端口被使用，這樣必須對(duì)端口進(jìn)行擴(kuò)展，進(jìn)而造成成本的提高，且數(shù)碼管極易受到環(huán)境的干擾，燃?xì)鉄崴鞯臏囟蕊@示測(cè)式必須具有高精度性，而數(shù)碼管的大量使用必將導(dǎo)致溫度測(cè)量不準(zhǔn)，誤差加大，所以決定選用功能強(qiáng)大不易受到干擾的液晶LCD1602顯示。3.1.3 溫度采集模塊溫度采集模塊的核心部件是溫度傳感器，本課題采用AD 590型溫度傳感器。該傳感器由美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)，且將兩端感溫電流源單片集成，流過(guò)元器件的電流與其所在的環(huán)境熱力學(xué)溫度(開(kāi)爾文)相等。該溫度傳感器的溫度測(cè)試范圍為-55攝氏度到155攝氏度，電源電壓范圍為4 V-30 V。AD 59型溫度傳感器可以承受高達(dá)44 V的正向電壓和20 V的反向電壓，因此即使將器件反向連接也不會(huì)造成系統(tǒng)元件損壞。該溫度傳感器共有I、J、K、L和M五個(gè)檔位，其中M檔具有最高的精確度。另外，該集成溫度傳感器本質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，如圖3-2所示。它的基本原理是利用晶體管的結(jié)壓降的不飽和值與熱力學(xué)溫度和通過(guò)發(fā)射極電流的下述關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)。圖3 溫度傳感器結(jié)構(gòu)框圖3.1.4 數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊數(shù)模轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換芯片采用DAC0832型號(hào)轉(zhuǎn)換芯片，該芯片采樣頻率為八位，集成電路中設(shè)有兩級(jí)輸入寄存器，使該芯片具備單緩沖、雙緩沖、單緩沖以及直通三種輸入方式，可以滿足各種類型電路的需求（如要求多路D/A異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等）。一個(gè)8位D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器具有8個(gè)輸入端（其中每個(gè)輸入端是8位二進(jìn)制數(shù)的一位），另外，該轉(zhuǎn)換器還設(shè)有一個(gè)模擬輸出端。輸入共有28=256個(gè)不同的二進(jìn)制組態(tài)，即輸出的電壓范圍不是在指點(diǎn)范圍內(nèi)的任意數(shù)值，而是這256各電壓內(nèi)的某一值。圖4是DAC0832的邏輯框圖和引腳排列。圖4 DAC0832的邏輯框圖和引腳排列 D/A數(shù)模轉(zhuǎn)化的輸出形式為電流形式。如果需要得到相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，可以設(shè)計(jì)并安置具有線性運(yùn)算能力的放大器實(shí)現(xiàn)，該放大器阻抗輸入相對(duì)較大，另外，運(yùn)放的反饋電阻可通過(guò)RFB端引用片內(nèi)固有電阻，也可外接電阻。DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器邏輯輸入滿足TTL電平，可直接與TTL電路或微機(jī)電路連接。3.1.5 燃?xì)忾_(kāi)關(guān)閥燃?xì)鉄崴髦?，比例閥起到一個(gè)開(kāi)關(guān)的作用，通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)閥口開(kāi)度的調(diào)節(jié)來(lái)控制煤氣進(jìn)入燃?xì)馐?。燃?xì)獗壤y是電磁比例閥系統(tǒng)，具有可動(dòng)永磁特性，它的閥口開(kāi)度大小與電腦控制器出書大小成正比，并且具有無(wú)極調(diào)節(jié)的功能，能夠?qū)崟r(shí)控制，使熱水器的溫度能按照人們的意愿無(wú)極調(diào)節(jié)；另外，若比例閥的電流保持恒定不變，比例閥的開(kāi)度會(huì)隨著壓力的比變化而變化，因此，只需保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，就可使燃?xì)鉄崴髟O(shè)定的水溫保持恒定。燃?xì)獗壤y具有體積小，調(diào)節(jié)精確，功重比高，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。圖5為該燃?xì)獗壤y的結(jié)構(gòu)圖。圖5 燃?xì)獗壤y結(jié)構(gòu)圖結(jié)燃?xì)獗壤y由開(kāi)關(guān)閥、比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)三部分組成：(1) 開(kāi)關(guān)閥：如圖5所示，與液壓系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)閥類似，它是一個(gè)通斷型電磁閥，閥口的啟閉由控制器的電信號(hào)決定。(2) 比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)：主要由電磁系統(tǒng)、永磁體、球閥組件構(gòu)成。當(dāng)線圈通電時(shí)，磁芯的下端面將產(chǎn)生極性極強(qiáng)的電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)與永磁體下端面極性相同，這使得兩者之間相互排斥，永磁體在排斥力的作用下推動(dòng)球閥下移。這樣會(huì)與橡膠閥口間形成一個(gè)較大的開(kāi)度，使進(jìn)氣量增大。另外，若電流越大，則磁性產(chǎn)生的磁場(chǎng)越大，二者之間的排斥力越大，于是閥口開(kāi)度增大，因此進(jìn)氣量及閥口開(kāi)度與電流正相關(guān)。反之，當(dāng)電流減小時(shí)，則磁性產(chǎn)生的磁場(chǎng)越小，二者之間的排斥力越小，于是閥口開(kāi)度減小，燃?xì)膺M(jìn)氣量降低。因此，控制器能夠依據(jù)溫度反饋信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)燃?xì)獾牧髁?，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)水溫的效果。當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，電磁力消失，自然存在的永磁力迫使永磁體吸向磁芯，球閥隨之上移并將閥口關(guān)閉，保證了燃?xì)獾拿芊?，不發(fā)生泄漏造成環(huán)境污染及安全問(wèn)題。(3) 穩(wěn)壓系統(tǒng)：當(dāng)電流按設(shè)定溫度值確定后，磁場(chǎng)力可視為一個(gè)恒定作用力。若系統(tǒng)輸入壓力升高，閥門所受的力將增大，閥口開(kāi)度減??；若系統(tǒng)輸入壓力下降，閥口所受的力將減小，閥口開(kāi)度增大。這樣就可以保證輸出壓力的恒定，并使燃?xì)膺M(jìn)氣量保持恒定，水溫保持不變。綜上可以看出，溫度傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)控制面板，再由單片機(jī)發(fā)出指令，自動(dòng)調(diào)節(jié)燃?xì)忾_(kāi)關(guān)閥的開(kāi)口度，進(jìn)而調(diào)節(jié)燃?xì)膺M(jìn)氣量，保證了水溫的自動(dòng)調(diào)控。3.2 硬件電路設(shè)計(jì)3.2.1 系統(tǒng)主控制電路的設(shè)計(jì)燃?xì)鉄崴飨到y(tǒng)主控制電路主要由看門狗復(fù)位電路、LED燈光顯示器件電路、晶振電路、單片機(jī)芯片等電路構(gòu)成。其核心部件單片機(jī)能夠調(diào)用程序使外圍各電路相互配合，顯示出實(shí)際水溫，并可對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制等操作，主控制電路如圖6所示。圖6 主控制電路3.2.2 溫度值輸入電路的設(shè)計(jì)根據(jù)本課題系統(tǒng)的輸入要求，用戶僅僅需要預(yù)先設(shè)定兩位數(shù)的溫度值，因此值需要叫少的鍵位，因此，可僅用3各單鍵位即可，例如一個(gè)十位按鍵、一個(gè)個(gè)位按鍵以及一個(gè)介紹按鍵。由于單片機(jī)具有有限個(gè)數(shù)的引腳，因此在設(shè)計(jì)初期無(wú)法判斷能否有額外的資源可供使用，因此還學(xué)考慮鍵盤響應(yīng)的時(shí)效性以及單片機(jī)的運(yùn)行效率，故本系統(tǒng)擬采用中斷擴(kuò)展的控制方式，即將四個(gè)單鍵位分別與四個(gè)I/O口相連接。溫度值輸入電路圖如圖7所示。圖7 溫度值輸入電路3.2.3 報(bào)警電路設(shè)計(jì)報(bào)警電路如圖8所示，其中，蜂鳴器起主要的報(bào)警作用，若出現(xiàn)一些電器故障，如熱水器干燒，實(shí)際水溫與設(shè)定水溫不符合時(shí)，蜂鳴器報(bào)警器將會(huì)響起。圖8 報(bào)警電路3.2.4 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)電路通過(guò)溫度傳感器采集到的溫度傳輸給單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的功能。報(bào)警電路如圖9所示，其中，蜂鳴器起主要的報(bào)警作用，若出現(xiàn)一些電器故障，如熱水器干燒，實(shí)際水溫與設(shè)定水溫不符合時(shí)，蜂鳴器報(bào)警器將會(huì)響起。圖9 溫度檢測(cè)電路3.2.5 LCD液晶顯示電路的設(shè)計(jì)LCD液晶顯示器可以將溫度傳感器采集到的溫度顯示出來(lái)，并且還能將設(shè)計(jì)溫度展示在屏幕上，其電路設(shè)計(jì)如圖10所示。圖10 LCD液晶顯示電路3.2.6 電流控制電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)能夠通過(guò)P0口輸出數(shù)據(jù)，將數(shù)字型號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬量，由于模擬信號(hào)數(shù)值通常很小，以電流形式輸出，其值通常最大只有330 uf左右，因此需要先將電流通過(guò)運(yùn)算放大器放大并轉(zhuǎn)化為電壓，這樣出來(lái)的電壓為負(fù)值，這也使得發(fā)光二級(jí)管必須倒置安裝。依據(jù)發(fā)光二極管所得到的數(shù)值大小來(lái)顯示輸出電流的大小，采用外接電阻的方法，把電壓轉(zhuǎn)換成電流， 使得電路簡(jiǎn)單化，達(dá)到控制電流的效果，其電流控制電路如圖11所示。圖11 電流控制電路3.3 本章小結(jié)本章中，主要是關(guān)于元件的參數(shù)計(jì)算及如何選擇液壓元件，并給出了元件的型號(hào)及生產(chǎn)廠家和重量。在完成元件選型后，就可以進(jìn)行集成塊和泵站的設(shè)計(jì)?？梢哉f(shuō)本章是后續(xù)工作的基礎(chǔ)，但并非只有元件選型完畢后才能進(jìn)行集成塊和泵站的設(shè)計(jì)，這幾項(xiàng)工作是相互呼應(yīng)的，應(yīng)該綜合考慮。最后，對(duì)各硬件系統(tǒng)主要的控制電路進(jìn)行了研究分析，以完成燃?xì)鉄崴饔布刂葡到y(tǒng)的主要設(shè)計(jì)。4 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1主程序流程圖本文研究的燃?xì)鉄崴鳒囟瓤刂葡到y(tǒng)要實(shí)現(xiàn)水溫的實(shí)時(shí)數(shù)字顯示和溫度控制。首先對(duì)DS18B20溫度傳感器進(jìn)行初始化，進(jìn)行測(cè)溫，然后對(duì)設(shè)定溫度和溫度傳感器測(cè)來(lái)的水溫進(jìn)行比較，當(dāng)設(shè)定溫度大于實(shí)測(cè)水溫時(shí)，將燃?xì)獗壤y開(kāi)度增大，當(dāng)設(shè)定溫度小于實(shí)測(cè)水溫時(shí)，比例閥開(kāi)度減小，若兩數(shù)值相同，則保持當(dāng)前數(shù)據(jù)，比例閥保持當(dāng)前開(kāi)度，直到停止運(yùn)行熱水器。當(dāng)水溫大于臨界溫度值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并且停止運(yùn)行。圖12顯示了本系統(tǒng)的主程序流程圖。圖12 燃?xì)鉄崴髦鞒绦蛄鞒虉D4.2測(cè)溫程序流程圖圖13為測(cè)溫程序的流程圖。在測(cè)溫前，先對(duì)DS18B20溫度傳感器進(jìn)行初始化，初始化后，隨后啟動(dòng)DS1820開(kāi)始測(cè)溫，DS1820輸出的溫度數(shù)據(jù)是12位的二進(jìn)制數(shù)，需將該12位數(shù)進(jìn)行雙8位分離，經(jīng)單片機(jī)及其溫度數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表進(jìn)行二進(jìn)制到IO進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，最后實(shí)時(shí)輸出，并顯示出十進(jìn)制溫度值。圖13 測(cè)溫子程序流程圖4.3數(shù)字PID控制器的實(shí)現(xiàn)本課題上節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的PID算法進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)而得到了位置式PID算法，針對(duì)DAC0843以及V/I轉(zhuǎn)換電路的特性，控制了系統(tǒng)的輸出電流大小，但是電壓的大小受限，輸出的電壓必須在一定范圍內(nèi)，為避免程序錯(cuò)誤，對(duì)燃?xì)鉄崴鞯乃疁乜刂圃斐烧`差。具體流程圖如圖14所示。圖14 數(shù)字PID程序流程圖4.4 本章小節(jié)本章主要對(duì)燃?xì)鉄崴鞯能浖刂葡到y(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的程序設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了介紹，解釋了測(cè)溫流程以及數(shù)字PID控制如何實(shí)現(xiàn)。5 總結(jié)與展望本文設(shè)計(jì)的燃?xì)鉄崴鳒囟瓤刂葡到y(tǒng)是由AT89S51型號(hào)單片機(jī)、DS18B20溫度傳感器、人機(jī)交互液晶顯示屏幕以及鍵盤組成，其中，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括主系統(tǒng)程序、LCD顯示子程序、鍵盤中斷服務(wù)子程序和PID調(diào)節(jié)子程序。本文設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)智能化程度較高，用戶可以根據(jù)自己想要的溫度進(jìn)行設(shè)定，系統(tǒng)接收到設(shè)定溫度后自動(dòng)控制溫度，并具有出水溫度恒溫和防漏電保護(hù)程序，同時(shí)設(shè)置有防止干燒、漏氣等保護(hù)功能。因此本文進(jìn)行的燃?xì)鉄崴鳒囟瓤刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：不需預(yù)熱、無(wú)需等待、出水速度快，同時(shí)節(jié)能省電、安全環(huán)保，體積小巧、節(jié)約空間和水溫恒定，既智能又安全。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)本人本科期間所學(xué)知識(shí)的一次綜合性運(yùn)用。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我重溫了模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)和單片機(jī)等知識(shí)，并將這些知識(shí)點(diǎn)合理運(yùn)用，從而完成了本次畢設(shè)。但由于僅僅對(duì)產(chǎn)品樣板進(jìn)行了調(diào)試，由于時(shí)間緊迫和各種條件的限制，沒(méi)有在實(shí)際的燃?xì)鉄崴魃隙M(jìn)行調(diào)試，因而該設(shè)計(jì)還有許多需要修改完善的地方。參考文獻(xiàn)1 殷斌. 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的研究J. 機(jī)電程2015, (0