基于单片机的燃气热水器温度控制新版专业系统设计.doc

毕 业 论 文

题目 基于单片机燃气热水器温度控制系统设计

郑 重 声 明

本人学位论文是在导师指引下独立撰写并完毕，学位论文没有抄袭、抄袭、造假等违背学术道德、学术规范和侵权行为，否则，本人乐意承担由此而产生法律责任和法律后果，特此郑重声明。

学位论文作者（签名）：

年 月 日
摘 要
随着当代居民生活消费水平不断提高，人们对生活质量规定也越来越高。热水器作为家居生活中非常重要一某些，顾客对热水器功能需求也越来越智能化。燃气热水器作为热水器一种，以其加热速度快、体积小、安全、节能等长处，深受广大消费者爱慕。而当前大多数燃气热水器智能化限度还较低，处在手动调温阶段，且水温不能实时显示，用水量和用气量不能实时控制，这使消费者顾客体验水平大大减少。
依照现今燃气热水器中存在局限性，向着智能调温方向发展，本文设计了燃气热水器恒温控制系统，概括起来有如下几点：
(1)用8位单片机89S51和DS18B20温度传感器，提出了水温实时监测温度控制系统，该系统相比16位单片机、热敏电阻和A/D转换器构成温度数据采集系统具备更高性价比。
(2)依照温度传感器采集到温度数据，通过数据转换，与设定温度数值进行对比，再通过DAC0832数模转换为不同电流，从而控制燃气比例阀大小，调节加热力度，进一步实现温度自动控制。
(3)采用数字PID程序控制，提高了温度控制精度，并能实现温度持续可调。
(4)加入了LCD1602液晶显示屏，用于出水温度实时显示；并加入了看门狗和声光报警子电路，提高了热水器安全性。
(5)对设计程序进行了工程样板制作。

核心词：燃气热水器；单片机；温度控制；DS18B20

Abstract
With the improvement of the consumption level of modern residents，customer's requirements of life quality are getting higher and higher. As a very important part of home life，the water heater's 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 user's 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 录
摘 要 I
Abstract II
1 前言 1
2 燃气热水器系统设计 1
2.1 系统设计规定 2
2.2 系统设计方案 2
2.3 系统性能指标 3
2.4 本章小结 4
3 硬件控制系统设计 4
3.1燃气热水器硬件控制系统设计方案 4
3.1.1 信息解决模块 4
3.1.2 显示屏件 5
3.1.3 温度采集模块 6
3.1.4 数模转化模块 6
3.1.5 燃气开关阀 7
3.2 硬件电路设计 9
3.2.1 系统主控制电路设计 9
3.2.2 温度值输入电路设计 9
3.2.3 报警电路设计 10
3.2.4 温度检测电路设计 10
3.2.5 LCD液晶显示电路设计 11
3.2.6 电流控制电路设计 11
3.3 本章小结 12
4 软件控制系统设计 12
4.1主程序流程图 12
4.2测温程序流程图 13
4.3数字PID控制器实现 14
4.4 本章小节 15
5 总结与展望 15
参照文献 16
致 谢 17

1 前言
随着地球能源匮乏，近年来，天然气以其清洁、环保、高燃比优势逐渐走进各家各户。越来越多家用热水器也开始采用燃气作为加热能源，近来风靡欧美地区燃气采暖热水两用炉把燃气热水器功能发展到完美限度。燃气热水器具备加热速度快、经济效益高、使用方式简易安全等长处，使其受到广大消费者爱慕。
热水器是一种人们生活中不可缺少家用电气，随着科学技术发展，热水器技术水平日渐提高，其种类也越来越多，热水器重要品种涉及电热水器、太阳能加热式热水器，燃气热水器等。其中，太阳能热水器以取之不尽太阳能作为能源，节约能源同步不会对环境导致污染，是热水器发展趋势，但由于其会受天气因素限制，因而使用范畴有限；电热水器多运用电能进行加热，并采用过压、过热、漏电三重保护装置，使用安全性高，同步具备干净环保，调温以便，安装以便长处，但缺陷是价格偏高，加热漫，占空间，不适合人口多家庭使用，且加热慢，储水箱重复加热容易滋生细菌，不节能等；燃气热水器是一人们生活中惯用自来水加热装置，它普通以天然气、石油为燃料，它是通过燃气在燃烧室内充分燃烧产生高能，并散发出高温气体，高温气体通过换热器后，气体与换热气中冷水进行热互换，于是冷水就加热为所需安全热水。燃气热水器普通具备如下几种长处：加热快、效率高、寿命长、价格便宜。从上述论述中可以看出，太阳能等通过自然能源来加热热水器是将来趋势，电热水器是当前人们生活应用热水器主流，但由于燃气热水器具备极高性价比优势，仍被很诸多人群使用，燃气应用可以满足人们日益增长需求，对燃气热水器智能化控制成为其发展重点趋势。

2 燃气热水器系统设计
本课题目是设计一种自动调节水温燃气热水器，其控制系统基于单片机控制。其中设计需要重点考虑其安全性、操作简洁性，以及开发成本等因素。
2.1 系统设计规定
燃气热水器供人们寻常生活洗浴使用，因而在设计过程中必要满足顾客使用需求，保证顾客良好体验，因而本课题通过大量网上调研，收集并整顿燃气热水器有关资料。本课题所设计出燃气热水器单片机控制系统，规定功能齐全、安全以便、经济使用。
依照有关调研，控制器应具备如下功能：水温自动控制和显示，完善安全保护办法；水温应当控制在20摄氏度至90摄氏度并可随时调节；热水器电源应当使用AC 220V或电池供电。
2.2 系统设计方案
方案设计思路简介：设定一种抱负温度值，温度传感器热水器水温采集，并与这个抱负温度对比，若设定抱负温度不不大于采集温度，热水器比例阀阀口将开大，更多煤气进入燃气室，燃气充分燃烧产生巨大能量，水温随之升高；当水温达到设定抱负温度时，比例阀阀口停止开大，保持燃气室煤气含量，设定水温和实际水温通过LCD1602显示屏显示出来。当水温达到其极限温度时，燃气热水器中安顿报警器将开始报警，同步热水器不再运营。因而该系统重要涉及信息解决模块、显示屏件、温度采集模块．数模转化模块，比例阀、风机、水气联动装置、报警装置和输出电路模块构成。
在燃气热水器温度控制系统设计过程，硬件某些涉及，核心解决器、外围电路和外部设备这三个某些。其中，核心解决器选用ATMEL公司生产89S51系列单片机；外围电路设计应涉及必须电源电路，复位电路等。此外，外部设备又可分为如下几种某些进行设计：键盘输入电路、LCD显示电路，燃气比例阀控制电路，温度采样电路、外部看门狗电路及蜂鸣器报警电路。控制器硬件构造电路原理如图1所示。

图1 控制器硬件构造电路原理
2.3 系统性能指标
(l) 温度测量范畴：0℃~99℃ 本课题研究是燃气热水器，其加热对象为液体水，而液体水温度范畴为0℃~99℃，当温度低于0℃时，水将固化即结冰，当温度高于99℃时，水将气化即称为蒸汽，因而其液态温度为0℃~99℃，热水器控制器水温测量范畴也必要满足在这一温度范畴内。此外，经调研可知人们寻常使用最适当温度为40℃，因此要保证热水器最佳工作状态温度也是40℃。
(2) 设定温度 燃气热水器设定温度必要能满足顾客使用需求，即顾客能通过自身需求任意设定一种0℃~99℃范畴温度，并且控制器可以保证迅速将冷水加热到顾客设定温度。
(3) 过载保护和系统故障复位装置 燃气热水器属于家用电器一种，由于其工作运营必要通电，因而若浮现停电、突然断电或者系统浮现故障问题，系统中重要数据会丢失，此外，当电路中负载过大时，也许会发生过载现象导致火灾等安全问题浮现，因而在设计过程中必要设有过载保护和系统故障复位装置。看门狗电路既有过载保护和系统故障复位功能。当系统由于各种意外事件浮现突然断电状况时，该电路中EEPROM数据储存器能将控制系统中正在解决或运算程序、数值及成果暂时保存起来，当热水器恢复供电后，单片机可以从该数据储存器中读取这些暂时数据，从而保证了系统安全。若系统浮现故障时，该电路可以向单片机系统发出复位信号，使控制系统重新开始运营。此外，当系统电路浮现过载现象时，系统将自动断电，避免燃气热水器浮现安全隐患。
(4) 报警装置 当系统浮现意外故障或者温度测量数值与设计温度数值不同步，系统将会自动报警，提示顾客系统浮现故障，应及时查明因素并。此外，当实际水温达到了设定温度后，报警装置也会报警提示顾客热水加热完毕，可供使用。
2.4 本章小结
基于燃气热水器工作原理和顾客需求，对燃气热水器进行了简朴简介，设计了系统方案，同步简述了系统性能指标，为下面热水器温度控制系统设计奠定了基本。
3 硬件控制系统设计
3.1燃气热水器硬件控制系统设计方案
方案设计思路简介：设定一种抱负温度值，温度传感器热水器水温采集，并与这个抱负温度对比，若设定抱负温度不不大于采集温度，热水器比例阀阀口将开大，更多煤气进入燃气室，燃气充分燃烧产生巨大能量，水温随之升高；当水温达到设定抱负温度时，比例阀阀口停止开大，保持燃气室煤气含量，设定水温和实际水温通过LCD1602显示屏显示出来。当水温达到其极限温度时，燃气热水器中安顿报警器将开始报警，同步热水器不再运营。因而该系统重要涉及信息解决模块、显示屏件、温度采集模块．数模转化模块，比例阀、风机、水气联动装置、报警装置和输出电路模块构成。此外，课题设计需要满足燃气热水器温度控制系统可以持续稳定工作，温度超调在5°以内，课题难点是如何实现PID调节控制水温。因而，本课题将针对这些规定对燃气热水器控制系统进行设计，本章重要简介热水器硬件设计某些。
3.1.1 信息解决模块
燃气热水器信息解决模块核心硬件是单片机，本课题选用一种AT89S51型单片机，该单片机具备低功耗，高性能特点，并且它资源十分丰富，运算速度极快，可以满足对燃气热水器水温控制。它是一种CMOS 8位单片机，片体内部具有8k Bytes ISP (In-system programmable)可以重复擦写并读取1000次Flash存储器，该存储器具备只读功能，器件采用ATMEL公司所研发高密度存储制造技术，兼容行业原则MCS-51指令系统以及80C51引脚式构造，此外，芯片内部还集成了通用8位中央解决器和ISP Flash存储单元，功能强大AT89S51型单片机具备强大功能，它可觉得诸多类型嵌入式控制系统服务，并提供高效率解决方案。该单片机模块如图2所示。

图2 单片机模块
3.1.2 显示屏件
液晶显示屏是生活中常用电子设备。例如电子计算器、电子表、掌上游戏机、手机等都可以看到液晶显示屏身影，显示屏重要显示是数字、符号和专用图形。
液晶模块、数码管等都属于常用显示屏件，其中，液晶模块可以分为三类：数显液品模块、点阵字符液晶模块、图形液晶模块。
数码管价格相对于液晶模块比较便宜，其内部发光二极管大多属于电流敏感器件，其正向压降具备分散性大，与温度等其她因素有关特点。普通，为了使数码管亮度均匀分布，需要对其施加恒定工作电流，且不受温度等环境因素影响。此外，当温度发生变化时，驱动芯片还要可以自动调节输出电流大小以实现色差平衡温度补偿，虽然是短时间电流过载也也许对发光管导致永久性损坏。
显示数据涉及抱负设定温度以及实测水温，普通生活中规定显示4位，若使用数码管则会导致过多单片机端口被使用，这样必要对端口进行扩展，进而导致成本提高，且数码管极易受到环境干扰，燃气热水器温度显示测式必要具备高精度性，而数码管大量使用必将导致温度测量不准，误差加大，因此决定选用功能强大不易受到干扰液晶LCD1602显示。
3.1.3 温度采集模块
温度采集模块核心部件是温度传感器，本课题采用AD 590型温度传感器。该传感器由美国模仿器件公司生产，且将两端感温电流源单片集成，流过元器件电流与其所在环境热力学温度(开尔文)相等。该温度传感器温度测试范畴为-55摄氏度到155摄氏度，电源电压范畴为4 V-30 V。AD 59型温度传感器可以承受高达44 V正向电压和20 V反向电压，因而虽然将器件反向连接也不会导致系统元件损坏。该温度传感器共有I、J、K、L和M五个档位，其中M档具备最高精准度。此外，该集成温度传感器本质上是一种半导体集成电路，如图3-2所示。它基本原理是运用晶体管结压降不饱和值与热力学温度和通过发射极电流下述关系实现对温度检测。

图3 温度传感器构造框图
3.1.4 数模转化模块
数模转换D/A转换芯片采用DAC0832型号转换芯片，该芯片采样频率为八位，集成电路中设有两级输入寄存器，使该芯片具备单缓冲、双缓冲、单缓冲以及直通三种输入方式，可以满足各种类型电路需求（如规定多路D/A异步输入、同步转换等）。
一种8位D/A数模转换器具备8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数一位），此外，该转换器还设有一种模仿输出端。输入共有28=256个不同二进制组态，即输出电压范畴不是在指点范畴内任意数值，而是这256各电压内某一值。图4是DAC0832逻辑框图和引脚排列。

图4 DAC0832逻辑框图和引脚排列
D/A数模转化输出形式为电流形式。如果需要得到相应模仿电压信号，可以设计并安顿具备线性运算能力放大器实现，该放大器阻抗输入相对较大，此外，运放反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，也可外接电阻。DAC0832 数模转换器逻辑输入满足TTL电平，可直接与TTL电路或微机电路连接。
3.1.5 燃气开关阀
燃气热水器中，比例阀起到一种开关作用，通过控制系统对阀口开度调节来控制煤气进入燃气室。燃气比例阀是电磁比例阀系统，具备可动永磁特性，它阀口开度大小与电脑控制器出书大小成正比，并且具备无极调节功能，可以实时控制，使热水器温度能按照人们意愿无极调节；此外，若比例阀电流保持恒定不变，比例阀开度会随着压力比变化而变化，因而，只需保证系统压力稳定，就可使燃气热水器设定水温保持恒定。燃气比例阀具备体积小，调节精准，功重比高，可靠性高等长处。图5为该燃气比例阀构造图。

图5 燃气比例阀构造图
结燃气比例阀由开关阀、比例调节系统、稳压系统三某些构成：
(1) 开关阀：如图5所示，与液压系统中开关阀类似，它是一种通断型电磁阀，阀口启闭由控制器电信号决定。
(2) 比例调节系统：重要由电磁系统、永磁体、球阀组件构成。当线圈通电时，磁芯下端面将产生极性极强电磁场，该电磁场与永磁体下端面极性相似，这使得两者之间互相排斥，永磁体在排斥力作用下推动球阀下移。这样会与橡胶阀口间形成一种较大开度，使进气量增大。此外，若电流越大，则磁性产生磁场越大，两者之间排斥力越大，于是阀口开度增大，因而进气量及阀口开度与电流正有关。反之，当电流减小时，则磁性产生磁场越小，两者之间排斥力越小，于是阀口开度减小，燃气进气量减少。因而，控制器可以根据温度反馈信号自动调节燃气流量，达到自动调节水温效果。当系统断电时，电磁力消失，自然存在永磁力迫使永磁体吸向磁芯，球阀随之上移并将阀口关闭，保证了燃气密封，不发生泄漏导致环境污染及安全问题。
(3) 稳压系统：当电流按设定温度值拟定后，磁场力可视为一种恒定作用力。若系统输入压力升高，阀门所受力将增大，阀口开度减小；若系统输入压力下降，阀口所受力将减小，阀口开度增大。这样就可以保证输出压力恒定，并使燃气进气量保持恒定，水温保持不变。
综上可以看出，温度传感器将采集到数据传到数据控制面板，再由单片机发出指令，自动调节燃气开关阀开口度，进而调节燃气进气量，保证了水温自动调控。
3.2 硬件电路设计
3.2.1 系统主控制电路设计
燃气热水器系统主控制电路重要由看门狗复位电路、LED灯光显示屏件电路、晶振电路、单片机芯片等电路构成。其核心部件单片机可以调用程序使外围各电路互相配合，显示出实际水温，并可对其进行调节、控制等操作，主控制电路如图6所示。

图6 主控制电路
3.2.2 温度值输入电路设计
依照本课题系统输入规定，顾客仅仅需要预先设定两位数温度值，因而值需要叫少键位，因而，可仅用3各单键位即可，例如一种十位按键、一种个位按键以及一种简介按键。由于单片机具备有限个数引脚，因而在设计初期无法判断能否有额外资源可供使用，因而还学考虑键盘响应时效性以及单片机运营效率，故本系统拟采用中断扩展控制方式，即将四个单键位分别与四个I/O口相连接。温度值输入电路图如图7所示。

图7 温度值输入电路
3.2.3 报警电路设计
报警电路如图8所示，其中，蜂鸣器起重要报警作用，若浮现某些电器故障，如热水器干烧，实际水温与设定水温不符合时，蜂鸣器报警器将会响起。

图8 报警电路
3.2.4 温度检测电路设计
温度检测电路通过温度传感器采集到温度传播给单片机，通过单片机进行运算，实现温度检测并实时调节功能。
报警电路如图9所示，其中，蜂鸣器起重要报警作用，若浮现某些电器故障，如热水器干烧，实际水温与设定水温不符合时，蜂鸣器报警器将会响起。

图9 温度检测电路
3.2.5 LCD液晶显示电路设计
LCD液晶显示屏可以将温度传感器采集到温度显示出来，并且还能将设计温度展示在屏幕上，其电路设计如图10所示。

图10 LCD液晶显示电路
3.2.6 电流控制电路设计
单片机可以通过P0口输出数据，将数字型号转化为模仿量，由于模仿信号数值普通很小，以电流形式输出，其值普通最大只有330 uf左右，因而需要先将电流通过运算放大器放大并转化为电压，这样出来电压为负值，这也使得发光二级管必要倒置安装。根据发光二极管所得到数值大小来显示输出电流大小，采用外接电阻办法，把电压转换成电流， 使得电路简朴化，达到控制电流效果，其电流控制电路如图11所示。

图11 电流控制电路
3.3 本章小结
本章中，重要是关于元件参数计算及如何选取液压元件，并给出了元件型号及生产厂家和重量。在完毕元件选型后，就可以进行集成块和泵站设计。可以说本章是后续工作基本，但并非只有元件选型完毕后才干进行集成块和泵站设计，这几项工作是互相呼应，应当综合考虑。最后，对各硬件系统重要控制电路进行了研究分析，以完毕燃气热水器硬件控制系统重要设计。
4 软件控制系统设计
4.1主程序流程图
本文研究燃气热水器温度控制系统要实现水温实时数字显示和温度控制。一方面对DS18B20温度传感器进行初始化，进行测温，然后对设定温度和温度传感器测来水温进行比较，当设定温度不不大于实测水温时，将燃气比例阀开度增大，当设定温度不大于实测水温时，比例阀开度减小，若两数值相似，则保持当前数据，比例阀保持当前开度，直到停止运营热水器。当水温不不大于临界温度值时，蜂鸣器报警并且停止运营。图12显示了本系统主程序流程图。

图12 燃气热水器主程序流程图
4.2测温程序流程图
图13为测温程序流程图。在测温前，先对DS18B20温度传感器进行初始化，初始化后，随后启动DS1820开始测温，DS1820输出温度数据是12位二进制数，需将该12位数进行双8位分离，经单片机及其温度数据相应表进行二进制到IO进制转换，最后实时输出，并显示出十进制温度值。

图13 测温子程序流程图
4.3数字PID控制器实现
本课题上节对控制系统PID算法进行了优化，进而得到了位置式PID算法，针对DAC0843以及V/I转换电路特性，控制了系统输出电流大小，但是电压大小受限，输出电压必要在一定范畴内，为避免程序错误，对燃气热水器水温控制导致误差。详细流程图如图14所示。

图14 数字PID程序流程图
4.4 本章小节
本章重要对燃气热水器软件控制系统进行了设计，控制系统软件设计程序设计流程进行了简介，解释了测温流程以及数字PID控制如何实现。

5 总结与展望
本文设计燃气热水器温度控制系统是由AT89S51型号单片机、DS18B20温度传感器、人机交互液晶显示屏幕以及键盘构成，其中，系统软件设计是采用模块化构造，重要涉及主系统程序、LCD显示子程序、键盘中断服务子程序和PID调节子程序。本文设计温度控制系统智能化限度较高，顾客可以依照自己想要温度进行设定，系统接受到设定温度后自动控制温度，并具备出水温度恒温和防漏电保护程序，同步设立有防止干烧、漏气等保护功能。因而本文进行燃气热水器温度控制系统设计具备如下长处：不需预热、无需等待、出水速度快，同步节能省电、安全环保，体积小巧、节约空间和水温恒定，既智能又安全。
本次毕业设计是对本人本科期间所学知识一次综合性运用。在本次毕业设计中，我重温了模仿电子技术基本、数字电子技术基本和单片机等知识，并将这些知识点合理运用，从而完毕了本次毕设。但由于仅仅对产品样板进行了调试，由于时间急迫和各种条件限制，没有在实际燃气热水器上而进行调试，因而该设计尚有许多需要修改完善地方。
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致 谢
毕业设计即将结束，在这短暂三个月学习生活中一方面我要感谢我指引教师：XXX教师。XXX平日工作繁忙，但还是坚持每周让咱们做工作报告，并针对咱们浮现各种问题，虽然是报告格式等都进行耐心解说与解答。我设计包括仿真某些，开始我并不理解仿真意义，是XXX教师每次都不厌其烦地为我解释分析，并针对我遗忘控制工程课程知识耐心解答。在这里，我要对权教师由衷地说一声，谢谢您！是您教会我要在治学和研究道路上永远严谨，并从小事中积累经验，磨练意志。
通过这次毕业设计，我同步对自己大学四年以来所学知识有了更深刻理解。毕业设计，协助咱们总结大学四年收获，认清自我，同步，还协助咱们纠正某些错误。从开始收集资料，整顿资料，到方案比对，拟定方案，再到着手开始进行设计，每一步都是环环相扣，衔接紧密，其中任何一种环节产生漏掉或错误，都会对后来设计带来诸多不便。
在这一过程中，我还要感谢课题室其她教师和师兄、师姐们对我协助，谢谢人们细心指引！

5月于武汉大学