畢業(yè)設計---熱水器水溫水位控制儀的設計

1、<p>　　熱水器水溫水位控制儀的設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　可編程控制器單片機、PLC等的出現(xiàn)大大提高了現(xiàn)代工業(yè)的自動化程度，改善了產品的工作性能。本次設計是對熱水器水溫水位控制系統(tǒng)的智能化改進，采用單片機對其水溫水位參數進行控制，提高了熱水器的工作穩(wěn)定性，同時引進了數字傳感器對水溫進行數據采集，這樣也就提高了系

2、統(tǒng)的控制精度，對水位的控制結構簡單，易于實現(xiàn)，具有很強的現(xiàn)實應用價值。雖然是對熱水器水溫水位控制的改進，但這種智能化的改進方法也可以應用到工業(yè)、生活的各個水溫和水位控制的環(huán)境中去，對于其他相關參數的控制的改進也具有一定的借鑒意義。</p><p>　　此次的基于單片機的水溫水位控制系統(tǒng)是一個改進性的智能化產品，以其自身的控制精度高、穩(wěn)定性好和成本低的獨特優(yōu)點在今后將會由廣泛的實用價值，其基于單片機的改進方法也具用

3、廣泛的應用意義。</p><p>　　關鍵詞：熱水器，加熱, 水位檢測，水溫檢測</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This academic is about a controller which is based on Single-chip Computer’s controlling the wa

4、ter heater’s water-temperature and water-level. It improved the water heaters intelligence greatly.</p><p>　　This system can automatically detect the water heaters and water temperatures and can show the act

5、ual water lever and water temperature on time. When the water lever and water temperature exceeds the limitation, this system can automatically pump water to appropriate water lever and can increase temperature to the ri

6、ght value. Water temperature and water level can be self-defined by keys. what’ s more, this system can define water temperature and water-level at random in certain areas which is c</p><p>　　Keywords: Water

7、 heaters, heating, Water level’s examination</p><p>　　Water temperature’s examination</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　第2章

8、系統(tǒng)設計方案討論與選擇2</p><p>　　2.1 系統(tǒng)設計方案的選擇2</p><p>　　2.1.1 總體系統(tǒng)設計方框圖2</p><p>　　2.2 溫度控制系統(tǒng)的設計方案討論3</p><p>　　2.3 水位控制系統(tǒng)的設計方案討論3</p><p>　　2.4 數據顯示系統(tǒng)的設計方案討論

9、3</p><p>　　2.5 報警系統(tǒng)的設計方案討論4</p><p>　　第3章 系統(tǒng)工作原理5</p><p>　　3.1水溫控制系統(tǒng)5</p><p>　　3.2水位控制系統(tǒng)5</p><p>　　3.3水溫水位顯示系統(tǒng)5</p><p>　　3.4熱水器報警系統(tǒng)5<

10、/p><p>　　第4章 系統(tǒng)單元電路設計6</p><p>　　4.1 單片機最小系統(tǒng)6</p><p>　　4.1.1時鐘電路6</p><p>　　4.1.2 復位電路6</p><p>　　4.1.3 下載口電路7</p><p>　　4.1.4 串行通信接口電路圖8</

11、p><p>　　4.2 顯示系統(tǒng)設計8</p><p>　　4.2.1 TC1602A簡介8</p><p>　　4.2.2 LCD1602與單片機的連接圖14</p><p>　　4．3 水位檢測系統(tǒng)設計14</p><p>　　4．4 水溫檢測系統(tǒng)設計15</p><p>　　4.4.

12、1 單線數字溫度計DSl820介紹15</p><p>　　4.4.2溫度計算16</p><p>　　4.4.3 DSl820工作過程及時序16</p><p>　　4.4.4 DS18B20與單片機的硬件連接圖18</p><p>　　4．5報警系統(tǒng)設計19</p><p>　　4．6繼電器驅動電路設計

13、20</p><p>　　4．7電源電路21</p><p>　　第5章 系統(tǒng)軟件設計22</p><p>　　5.1 系統(tǒng)硬件開機自檢程序設計22</p><p>　　5.2 系統(tǒng)自動上水程序設計23</p><p>　　5.3 水溫水位交替顯示流程圖設計23</p><p>　　

14、5.4 系統(tǒng)按鍵程序設計25</p><p>　　第6章 系統(tǒng)可靠性處理26</p><p>　　6.1 硬件調試26</p><p>　　6.1.1 接地處理26</p><p>　　6.1.2 隔離處理26</p><p>　　6.1.4 濾波處理27</p><p>　　6.2

15、 軟件調試27</p><p>　　第7章 熱水器水溫水位控制儀使用說明28</p><p><b>　　總 結29</b></p><p><b>　　致 謝30</b></p><p><b>　　參考文獻31</b></p><p>

16、　　附錄一 系統(tǒng)原理圖32</p><p>　　附錄二 部分源程序清單33</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　隨著電子技術的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產生，給人們的生活帶來了根本性的變化，如果說微型計算機的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學研究得到了質的飛躍，那么可編程控制器的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)控制測控領域帶來了一次

17、新的革命。在現(xiàn)代社會中，水位和溫度控制不僅應用在工廠生產方面，其作用也體現(xiàn)到了各個方面。</p><p>　　隨著人們生活質量的提高，酒店廠房及家庭生活中都會見到水位和溫度控制的影子，水位和溫度控制將更好的服務于社會目前，單片機控制器在從生活工具到工業(yè)應用的各個領域，例如生活工具的電梯、工業(yè)生產中的現(xiàn)場控制儀表、數控機床等。尤其是用單片機控制器改造落后的設備具有性價比高、提高設備的使用壽命、提高設備的自動化程度的

18、特點。</p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)設計、工程建設及日常生活中常常需要用到水位和溫度控制,早期水位和溫度控制主要應用于工廠中，例如工廠中的大型鍋爐，必須實時的掌握鍋爐的水位和溫度，確保系統(tǒng)的正常運行。</p><p>　　隨著社會的發(fā)展，熱水器在改善人們生活質量中起到了非常重要的作用?，F(xiàn)在市面上的熱水器種類繁多，電熱水器、太陽能熱時器、煤氣熱水器等，它們僅僅是提供能量的方式不同而已，但它們

19、都需要對其主要的水位和水溫參數加以控制，實現(xiàn)熱時器的自動化。</p><p>　　早期溫度和水位的參數控制時通過模擬電路實現(xiàn)的，這種方式不僅電路復雜，成本高，而且誤差大，系統(tǒng)地穩(wěn)定性不好，單片機及微型計算機技術的發(fā)展和應用有效地解決了這些缺點，特別是傳感器的發(fā)展，更好的提高了檢測參數的精度。</p><p>　　選擇熱水器水溫水位控制儀的設計課題，是因為熱水器不僅在人們生活中的重要性，更重

20、要的是熱水器系統(tǒng)地聚溫度和水位參數于一身，對于更好的掌握和認識單片機的應用和傳感器的應用，系統(tǒng)地深刻認識自動控制的實際應用，掌握復雜的多子系統(tǒng)地設計起到了很強的鍛煉作用。</p><p>　　我所采用的控制芯片為P89V51，此芯片功能強大，能夠滿足設計要求。通過對電路的設計，對芯片的外圍擴展，來達到對熱水器水溫和水位的控制和調節(jié)功能。</p><p>　　第2章 系統(tǒng)設計方案討論與選擇&

21、lt;/p><p>　　2.1 系統(tǒng)設計方案的選擇</p><p>　　方案1：采用傳統(tǒng)的數字模似電路,功能可以實現(xiàn),但電路復雜,溫度誤差大,成本高,可靠性差。</p><p>　　方案2：采用單片機控制，結構簡單，使用方便，成本低，性能穩(wěn)定，溫度誤差只有0.5攝式度。</p><p>　　方案2與方案1比較，有著明顯的優(yōu)勢，所以我采用方案2。

22、</p><p>　　2.1.1 總體系統(tǒng)設計方框圖</p><p>　　為實現(xiàn)系統(tǒng)的水溫水位控制，根據系統(tǒng)的設計功能要求，構造總體方框圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 總體系統(tǒng)方案圖</p><p>　　2.2 溫度控制系統(tǒng)的設計方案討論</p><p>　　如果采用熱電阻，電路需接A/D轉換電路，

23、由單片機換算出實際溫度，電路結構復雜，而且也精度不高，但采用Danas生產的單線數字溫度傳感器ds18B20，可直接與單片機的1位I/O相接，電路結構簡單,占用單片機的口線資源極少，精度高，而且價格便宜，DS18B20以其自身獨特的各方面優(yōu)點作為溫度傳感器進行溫度采樣應用于此熱水器水溫水位控制系統(tǒng)中實在是當仁不讓。</p><p>　　2.3 水位控制系統(tǒng)的設計方案討論</p><p>

24、　　此系統(tǒng)要進行水溫水位控制，馬上想到的是水溫水位的兩個參數的控制，在溫度傳感器采用DS18B20之后，對于水位的控制不假思索的想到要運用水位傳感器，經過幾天的資料搜集，發(fā)現(xiàn)水位的傳感器是通過壓力傳感器變換過來的，看到最多的是浮球式液位傳感器，而且此傳感器的適用溫度范圍和測試精度也適合該設計系統(tǒng)，但唯一的缺點了價格非常昂貴；后來又考慮采用應用于秤中的數字壓力傳感器，去測得整個容器中水的變化和容器中液位的換算關系，此想法是基于發(fā)現(xiàn)電子秤能

25、夠測得一張紙的重量，但是在實際應用中，考慮到容器的氧化，容器內部的水垢增多，而且容器的外置也會產生整個容器重量的變化，從而造成液位采集的不準確，此壓力傳感器的市場價格也比較昂貴，應用于此控制模型中也是一種浪費；從經濟、實用的角度出發(fā)，自制了八根線將容器中的液位分成了八個水位擋，通過和電源正極的結合，利用水導電的特性，通過9012三極管等元件構成的驅動電路的電平轉換，將液位數據輸入P2口，通過單片機換算轉換成液位數據存入一個存儲器單元，隨

26、時讀取。</p><p>　　2.4 數據顯示系統(tǒng)的設計方案討論</p><p>　　為了能構造一個適合的人機界面，在諸多的顯示器件中TC1602的液晶字符性顯示器非常適合運用于此控制系統(tǒng)當中的，它的功能特性也完全適用于此設計系統(tǒng)的功能要求，也不會造成資源的浪費，所以就確定TC1602作為本此設計系統(tǒng)的顯示器件。為了配合顯示器件，就需設置按鍵，根據系統(tǒng)的功能要求和單片機的口線資源，為系統(tǒng)

27、配制了四個獨立式鍵盤，K1鍵為確定鍵，K2和K3鍵作為光標的移動和數據的增減，K4鍵作為設置鍵。</p><p>　　2.5 報警系統(tǒng)的設計方案討論</p><p>　　作為一個完整的系統(tǒng)，免不了要設置報警裝置，處于系統(tǒng)模型化的考慮，采用蜂鳴器和二極管的結合，伴隨著系統(tǒng)故障的產生和動作的產生，給予人以視覺和聽覺的提示，使之能通過多種方式掌握系統(tǒng)的狀態(tài)，而且此報警裝置也比較經濟實惠。<

28、/p><p>　　第3章 系統(tǒng)工作原理</p><p>　　此系統(tǒng)是為多子系統(tǒng)的綜合性控制系統(tǒng)，設計過程中也是分塊實現(xiàn)設計調試，最后進行綜合實現(xiàn)，以下就從各子系統(tǒng)的工作原理進行分別進行說明。</p><p><b>　　3.1水溫控制系統(tǒng)</b></p><p>　　該子系統(tǒng)利用低功耗單線數字溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)溫

29、度采樣，將采樣的溫度值通過單片機的P0.7口送入單片機處理，然后實現(xiàn)水溫的控制,利用按鍵對水溫的值進行設置，按確定鍵后，通過驅動電路驅動繼電器啟動電熱絲對水進行加溫，能自動補償溫度到自定義溫度，正常狀況下顯示水溫的同時檢測下限溫度，反饋溫度信息并及時調整，使之保持溫度在一定范圍內的穩(wěn)定。 </p><p><b>　　3.2水位控制系統(tǒng)</b></p><p>　　該

30、子系統(tǒng)能進行水位的控制，利用自制的八根導線對水位的信息進行采集，并通過單片機的P2口送入給單片機處理加工，通過顯示器顯示，共有8個水位擋，從600ml到1300ml，1000ml一個擋，可通過按鍵對水位進行設置，確定后通過驅動繼電器啟動小型水泵給予加水到熱水器自定義的水位同時檢測下限水位，反饋水位信息給單片機進行處理并及時調整，使系統(tǒng)的水位保持在一定的范圍內。</p><p>　　3.3水溫水位顯示系統(tǒng)</

31、p><p>　　該子系統(tǒng)采用TC1602液晶顯示起能實時的顯示熱水器的水溫水位信息，按鍵操作時，采用菜單提示性顯示，引導用戶進行操作，界面分辨率可調，字符清晰。</p><p>　　3.4熱水器報警系統(tǒng)</p><p>　　該系統(tǒng)利用蜂鳴器和同步工作的發(fā)光二極管實現(xiàn)能給予人視覺和聽覺上的系統(tǒng)故障報警和水溫水位信息報警，以便及時掌握熱水器系統(tǒng)的工作狀況，系統(tǒng)自己不能處理的

32、就可以人工輔助處理，這樣能讓系統(tǒng)更好的運行在穩(wěn)定狀況下。</p><p>　　第4章 系統(tǒng)單元電路設計 </p><p>　　4.1 單片機最小系統(tǒng)</p><p><b>　　4.1.1時鐘電路</b></p><p>　　時鐘電路用于產生單片機工作所需要的時鐘信號，單片機本身就是一個復雜的同步時序電路，為了保證同步

33、工作方式的實現(xiàn)，電路應在唯一的時鐘信號控制下嚴格地按時序進行工作。</p><p>　　在MCS-51芯片內部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳，輸出端為引腳，在芯片的外部跨接晶體振蕩器和微調電容，形成反饋電路，就構成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器。 此電路采用6MHz的石英晶體。時鐘電路如下圖4.1：</p><p>　　圖4.1 時鐘電路</p><p>　

34、　4.1.2 復位電路</p><p>　　復位是單片機的初始化操作，其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤是系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要按復位鍵以重新啟動。</p><p>　　RST引腳是單片機復位信號的輸入端，復位信號是高電平有效，其有效時間應持續(xù)24個振蕩周期（即2個機器周期）

35、以上，若使用頻率為12MHz的晶振，則復位信號持續(xù)時間應超過4s才能完成復位操作。復位操作有上電自動復位和按鍵手動復位兩種方式。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。按鍵電平復位是通過使復位端經電阻與Vcc電源接通而實現(xiàn)的。在本設計中采用了按鍵電平復位方式，其復位電路如下圖4.2：</p><p><b>　　圖4.2 復位電路</b></p><p>　

36、　4.1.3 下載口電路</p><p>　　為了將軟件程序下載到單片機中，必須為之設計一種串行接口電路，在此電路中采用MAX232芯片，MAX232片內含有一個電容性發(fā)生器以便在5V電源供電時提供EIA/TIA-232-E電平。每個接收器將EIA/TIA-232-E電平輸入轉為5V TTL/COMS輸入電平轉換為EIA/TIA-232-E電平。DW或N封裝及邏輯符號如下圖4.3：</p><

37、p>　　圖4.3 MAX232的DW或N封裝及邏輯符號</p><p>　　MAX232工作特點如下：</p><p>　　1、 單5V電源工作</p><p>　　2、 LinBiCMOS工藝</p><p>　　3、 兩個驅動器及兩個接收器</p><p>　　4、 正負30V輸入電平</p>

38、<p>　　5、 低電源電流：典型值是8mA</p><p>　　6、 符合甚至優(yōu)于ANSI標準EIA/TIA-232-E及ITU推薦標準V.28</p><p>　　7、 ESD保護大于MIL-STD-883（方法3015）標準的2000V</p><p>　　4.1.4 串行通信接口電路圖</p><p>　　在串行接口電路

39、設計中MAX232主要用于數據的串行通訊，對電子鐘程序的下載調試。應用結構圖如圖4.4所示：</p><p>　　圖4.4 串行通信接口電路圖</p><p>　　4.2 顯示系統(tǒng)設計</p><p>　　4.2.1 TC1602A簡介</p><p>　　該系統(tǒng)的顯示部分采用TC1602字符液晶顯示器，TC1602A是一種16字×

40、2行的字符型液晶顯示模塊，其顯示面積為64.5×13.8mm2 ， TC1602A的引腳排列如圖4.5所示，它</p><p>　　圖4.5 TC1602A的引腳排列</p><p>　　有16個引腳可與外界相連。</p><p>　　1腳VSS：接地； </p><p>　　2腳Vdd：接＋5V電源；</p>&l

41、t;p>　　3腳VO：對比度調整端，LCD驅動電壓范圍為Vdd～VO。當VO接地時，對比度最強；</p><p>　　4腳RS：寄存器選擇端，RS為0時，選擇命令寄存器IR；RS為1時，選擇數據寄存器DR； </p><p>　　5腳R/W：讀寫控制端，R/W為1時，選擇讀出；R/W為0時，則選擇寫入；</p><p>　　6腳E[Enable]：使能控制端，

42、E為1時，使能；E為0，禁止；</p><p>　　7腳～14腳D0～D7：數據總線；</p><p>　　15腳LED＋：背景光源，接＋5V；</p><p>　　16腳LED－：背景光源，接地</p><p><b>　　其內部結構：</b></p><p>　　內部結構主要由DDRAM、CG

43、ROM、CGRAM、IR、DR、BF、AC等大規(guī)模集成電路組成。</p><p>　　DDRAM為數據顯示用的RAM（Data DisplayRAM，簡稱DDRAM），用以存放要LCD顯示的數據，只要將標準的ASCII碼放入DDRAM，內部控制線路就會自動將數據傳送到顯示器上，并顯示出該ASCII碼對應的字符；</p><p>　　CGROM為字符產生器ROM（Character Gene

44、ratorROM，簡稱CGORM），它存儲了192個5×7的點陣字型，但只能讀出不能寫入；</p><p>　　CGRAM為字型、字符產生器的RAM（CharacterGenerator RAM，簡稱CGRAM），可供使用者存儲特殊造型的造型碼，CGRAM最多可存8個造型；</p><p>　　IR為指令寄存器（Instruction Register，簡稱IR），負責存儲MCU

45、要寫給LCD的指令碼，當RS及R／W引腳信號為0且E[Enable]引腳信號由1變?yōu)?時，D0～D7引腳上的數據便會存入到IR寄存器中；</p><p>　　DR為數據寄存器（Data Register，簡稱DR），它們負責存儲微機要寫到CGRAM或DDRAM的數據，或者存儲MCU要從CGRAM或DDRAM讀出的數據。因此，可將DR視為一個數據緩沖區(qū)，當RS及R／W引腳信號為1且E[Enable]引腳信號由1變?yōu)?/p>

46、0時，讀取數據；當RS引腳信號為1，R／W引腳信號為0且E[Enable]引腳信號由1變?yōu)?時，存入數據；</p><p>　　BF為忙碌信號（Busy Flag，簡稱BF），當BF為1時，不接收微機送來的數據或指令；當BR為0時，接收外部數據或指令，所以，在寫數據或指令到LCD之前，必須查看BF是否為0；</p><p>　　AC為地址計數器（Address Counter，簡稱AC），

47、負責計數寫入／讀出CGRAM或DDRAM的數據地址，AC依照MCU對LCD的設置值而自動修改它本身的內容。</p><p>　　TC1602A可分2行共顯示32個字符，每行顯示16個字符。</p><p><b>　　其指令系統(tǒng)：</b></p><p>　　TC1602A內有2個寄存器：一個是命令寄存器，另一個是數據寄存器。所有對TC160

48、2A的操作必須先寫命令字，再寫數據。指令系統(tǒng)如表4.1。</p><p>　　表4.1 指令系統(tǒng)</p><p><b>　　各指令功能：</b></p><p>　　1、清屏指令[00000001(001H)]</p><p>　　清屏指令DD RAM的內容全部被清除，光標回到左上角的原點，地址計數器AC=0。<

49、;/p><p>　　2、軟復位指令[00000011(003H)或00000010(002H)]</p><p>　　本指令使光標和光標所在的字符回原點，但DD RAM單元的內容不變。</p><p>　　3、設置輸入模式指令[輸入方式設置]</p><p>　　其中：I/D位是控制當數據寫入DD RAM（CG RAM）或從DD RAM（CG R

50、AM）中讀出數據時，AC自動加1或自動減1。當I/D=1時，自動加1；I/D=0時，自動減1。S位則控制顯示內容左移或右移。當S=1且數據寫入DD RAM時，顯示將全部左移（I/D=1）或右移（I/D=0），此時光標看上去未動，僅僅顯示內容移動，但讀出時顯示內容不移動：當S=0時，顯示不移動，光標左移或右移。</p><p>　　4、顯示開關控制指令</p><p>　　其中：D位是顯示控

51、制位。當D=1時，開顯示：而D=0時則關顯示，此時DDRAM的內容保持不變。C位為光標控制位。當C=1時，開光標顯示：C=0時則關光標顯示。B位是閃爍控制位。當B=1時，光標和光標所指的字符共同以1.25Hz的速率閃爍；B=0時不閃爍。</p><p><b>　　5、位移控制指令</b></p><p>　　表4.2 移動真值表</p><p&g

52、t;　　注：*為0和1任意一個</p><p>　　該指令使光標或顯示畫面在沒有對DD RAM進行讀、寫操作時被左移或右移。在兩行顯示方式下，光標為閃爍的位置從第一行移到第二行。移動真值表4.2所列。</p><p><b>　　6、系統(tǒng)初始化設置</b></p><p>　　注：*為0和1任意一個</p><p>　　

53、這條指令設置數據接口位數等，即是采用4位總線還是采用8位總線，顯示行數及點陣是5*7還是5*10.當DL=1則選擇數據總線為8位的，數據位為DB7_DB0:當DL=0則選擇4位數據總線，這時只有到了DB7~DB4，而DB3~DB0不用，在此方式下數據操作需要2次完成.當N=1時，兩行顯示:N =0時為一行顯示.當F=0時，5*7點陣:F=1時為5*10點陣.</p><p>　　7、CG RAM地址設置指令<

54、;/p><p>　　[0100 0000(040H)為用戶字模寫入LCD起始地址]</p><p>　　這條指令設置CG RAM地址指針，地址碼D5-D0被送入AC，在此后，就可以將用戶自定義的顯示字符數據寫入CG RAM或從CG RAM中讀出.</p><p>　　8、 DD RAM地址指針設置</p><p>　　[1000 0000(080

55、H)為第一行顯示起始地址，即為第一行第1列，081H~08FH為第2列到第15列] </p><p>　　[1100 0000(0C0H)為第二行顯示起始地址，即為第二行第1列，0C1H~0CFH為第2列到第15列]</p><p>　　此指令設置DD RAM地址指針的值，此后就可以將要顯示的數據寫入到DD RAM中.在HD44780控制器中由于內嵌有大量的常用字符，這些字符都集成在CG

56、ROM中，當要顯示這此點陣字符時，只需把該字符所對應的字符代碼送給指定的DD RAM中即可.內含HD44780控制器的點陣字符型LCD顯示器的字符碼表如表4.3所列。</p><p>　　表4.3 點陣字符型LCD的字符代碼表</p><p>　　4.2.2 LCD1602與單片機的連接圖</p><p>　　圖4.6 LCD1602與單片機的連接圖</p&g

57、t;<p>　　4.3 水位檢測系統(tǒng)設計</p><p>　　水位檢測是充分運用了水的導電性，八根導線等份依次排列在容器中，作為檢測水位用，從最底下的一根開始，即換成水位為600ml開始，1000ml一個水位擋，至到最上面的一根導線，即1300ml為止，在容器的最底部放了一根5V電源的正極導線，當電源通電后，隨著水位的變化，水將淹沒一些導線，這時這些導線將會和電源正極連通，如果通過一驅動電路將其電平

58、進行轉換，進入單片機的將會是對應于水位的數據信號。其水位于數據信號的對應關系如表4.4所示。</p><p>　　表4.4 水位于數據信號的對應關系</p><p>　　為使電平進行轉換，必須設計八個并行的電平轉換電路，由于是由高電平轉換成低電平，所以選擇NPN的三極管，在此我選擇是的8050NPN的三極管，為了減小干擾，濾除干擾信號，在水位端加了一個1μF的電解電容，經測試效果很好，水位

59、數據信號原本選擇的是P0口輸入，在調試過程中發(fā)現(xiàn)沒有P2口理想，所以就選擇了P2口。水位數據的單根電平轉換電路如圖4.7所示，檢測水位部分模型如圖4.8所示。</p><p>　　圖4.7 檢測水位模型 圖4.8 水位數據的單根電平轉換電路</p><p>　　4.4 水溫檢測系統(tǒng)設計</p><p>　　4.4.1 單線數字

60、溫度計DSl820介紹</p><p>　　DSl820數字溫度計提供9位(二進制)溫度讀數，指示器件的溫度。信息經過單線接口送入DSl820或從DSl820送出，因此從主機CPU到DSl820僅需一條線(和地線)。DSl820的電源可以由數據線本身提供而不需要外部電源。因為每一個DSl820在出廠時已經給定了唯一的序號，因此任意多個DSl820可以存放在同一條單線總線上。這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件。

61、DSl820的測量范圍從-55攝式度到+125攝式度，增量值為0.5攝式度，可在l s(典型值)內把溫度變換成數字。</p><p>　　每一個DSl820包括一個唯一的64位長的序號，該序號值存放在DSl820內部的ROM(只讀存貯器)中。開始8位是產品類型編碼(DSl820編碼均為10H)。接著的48位是每個器件唯一的序號。最后8位是前面56位的CRC(循環(huán)冗余校驗)碼。DSl820中還有用于存儲測得的溫度值

62、的兩個8位存貯器RAM，編號為0號和1號。1號存貯器存放溫度值的符號，如果溫度為負(攝式度)，則1號存貯器8位全為1，否則全為0。0號存貯器用于存放溫度值的補碼，LSB(最低位)的1表示0.5攝式度。將存貯器中的二進制數求補再轉換成十進制數并除以2就得到被測溫度值(-55攝式度-125攝式度)。DSl820的引腳如圖4.9所示。每只D51820都可以設置成兩種供電方式，即數據總線供電方式和外部供電方式。采取數據總線供電方式可以節(jié)省一根導

63、線，但完成溫度測量的時間較長：采取外部供電方式則多用一根導線，但測量速度較快 。</p><p>　　4.4.2溫度計算 </p><p>　　1 、Ds1820用9位存貯溫值度，最高位為符號位，如表4.5為18b20的溫度存儲方式，負溫度S=1，正溫度S=0。如： 00AAH為+85攝式度,0032H為25攝式度，F(xiàn)F92H為55攝式度</p><p>　　表4.

64、5 18B20用9位的溫度存儲方式</p><p>　　2、Ds18b20用12位存貯溫值度，最高位為符號位，如表4.6為18b20的溫度存儲方式，負溫度S=1，正溫度S=0。如 ：0550H為+85攝式度，0191H為25.0625攝式度,FC90H為-55攝式度。</p><p>　　表4.6 18B20用12位的溫度存儲方式</p><p>　　4.4.3 D

65、Sl820工作過程及時序 </p><p>　　DSl820工作過程中的協(xié)議如下： </p><p>　　初始化：ROM操作命令;存儲器操作命令;處理數據。 </p><p><b>　　1、初始化 </b></p><p>　　單總線上的所有處理均從初始化開始。 </p><p>　　2、ROM

66、操作命令 </p><p>　　總線主機檢測到DSl820的存在，便可以發(fā)出ROM操作命令之一，這些命令如： </p><p>　　指令 代碼 </p><p>　　Read ROM(讀ROM) [33H] </p><p>　　Match ROM(匹配ROM)[55H] </p><p>　　S

67、kip ROM(跳過ROM)[CCH] </p><p>　　Search ROM(搜索ROM)[F0H] </p><p>　　Alarm search(告警搜索) [ECH] </p><p>　　3、存儲器操作命令 </p><p>　　指令 代碼 </p>

68、;<p>　　Write Scratchpad(寫暫存存儲器) [4EH] </p><p>　　Read Scratchpad(讀暫存存儲器) [BEH] </p><p>　　Copy Scratchpad(復制暫存存儲器) [48H] </p><p>　　Convert Temperature(溫度變換) [44H] </p

69、><p>　　Recall EPROM(重新調出) [B8H] </p><p>　　Read Power supply(讀電源) [B4H] </p><p><b>　　4、時序 </b></p><p>　　主機使用時間隙(time slots)來讀寫DSl820的數據位和寫命令字的位。 </

70、p><p><b>　　a、初始化 </b></p><p>　　時序見圖4.12。主機總線to時刻發(fā)送一復位脈沖(最短為480us的低電平信號)，接著在t1時刻釋放總線并進入接收狀態(tài)，DSl820在檢測到總線的上升沿之后，等待15-60μs，接著DS1820在t2時刻發(fā)出存在脈沖(低電平，持續(xù)60-240 us)，如圖中虛線所示。 </p><p&g

71、t;　　圖12 初始化時序圖</p><p><b>　　b、寫時間隙 </b></p><p>　　當主機總線t0時刻從高拉至低電平時，就產生寫時間隙，見圖4.13、圖4.14，從t0時刻開始15μs之內應將所需寫的位送到總線上，DSl820在t0后15-60μs間對總線采樣。若低電平，寫入的位是0，見圖4.13；若高電平，寫入的位是1，見圖4.14。連續(xù)寫2位間

72、的間隙應大于1μs。 </p><p>　　圖4.13　寫0時序 圖4.14　寫1時序</p><p><b>　　c、讀時間隙 </b></p><p>　　見圖4.15，主機總線to時刻從高拉至低電平時，總線只須保持低電平l 7μs。之后在t1時刻將總線拉高，產生

73、讀時間隙，讀時間隙在t1時刻后t2時刻前有效。t2距t0為15μs。也就是說，t2時刻前主機必須完成讀位，并在t0后的60μs一120 μs內釋放總線。 </p><p><b>　　圖4.15　讀時序</b></p><p>　　4.4.4 DS18B20與單片機的硬件連接圖</p><p>　　用P0.7讀入溫度數據，如圖4.16所示<

74、;/p><p>　　圖4.16 DS18B20與單片機的硬件連接圖</p><p><b>　　4.5報警系統(tǒng)設計</b></p><p>　　該報警系統(tǒng)主要是由蜂鳴器和發(fā)光二極管構成，其設計的硬件電路如圖4.17所示。</p><p>　　圖4.17 報警系統(tǒng)電路</p><p>　　4.6繼電器驅

75、動電路設計</p><p>　　為了給容器中水補償溫度和水位，就須通過繼電器啟動220V 交流電的電熱絲和小型水泵，這樣就須考慮設計一個繼電器的驅動電路。其硬件電路圖如圖4.18。</p><p>　　圖4.18 繼電器驅動電路</p><p><b>　　4.7電源電路</b></p><p>　　電源電路為整個電路

76、提供電源，是電路設計不可缺少的一部分。電源電路的穩(wěn)定性決定著整個電路的可靠程度。在本設計中，整個電路需要+5V電源。</p><p>　　電源電路是把市電交流220V經過變壓器降壓為交流12V，再通過二極管整流、電容濾波、三端集成穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓后輸出正5V直流電源。電源電路圖如下圖4.19所示：</p><p>　　圖4.19 電源電路</p><p>　　第5

77、章 系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　5.1 系統(tǒng)硬件開機自檢程序設計</p><p>　　為了保證系統(tǒng)的正常運行，當系統(tǒng)開機后，即單片機上電復位開始運行后，需要對硬件各部分進行自動檢查，如果正常，系統(tǒng)就可以繼續(xù)往下執(zhí)行，如果不正常就必須出錯報警，以便人工修正，為系統(tǒng)的正常運行作好準備。</p><p>　　由于該熱水器系統(tǒng)主要是由水位檢測、水溫檢測、顯示部分組成

78、，對于水位硬件電路的檢測，由于此硬件電路的故障變化性太大，不便于在自檢程序中表現(xiàn)，只能在后面的水位顯示中表現(xiàn)出來，所以省掉；對于其他部分硬件電路只需要通過讀出18B20檢測到的溫度即可表明，通常情況下DS18B20如果燒壞后，讀出的溫度一般為85度，如果線路的損壞，則程序不能往下執(zhí)行，同時顯示部分報錯，報警系統(tǒng)響應。</p><p>　　根據以上設計思想，自檢程序設計框圖如圖5.1所示。</p>&

79、lt;p>　　圖5.1 自檢程序流程框圖</p><p>　　5.2 系統(tǒng)自動上水程序設計</p><p>　　當系統(tǒng)開機時須檢查容器中的水位是否底于最低水位600ml,若低于600ml則自動上水到默認的1000ml，自動上水程序框圖如圖5.2所示。</p><p>　　圖5.2 自動上水程序框圖</p><p>　　5.3 水溫水

80、位交替顯示流程圖設計</p><p>　　系統(tǒng)在正常狀況下，交替顯示水溫水位的狀況，同時還要不斷檢測水溫是否低于下限溫度和水位是否底于下限水位以及滿足溫控上水的條件。其程序流程框圖如圖5.3所示。</p><p>　　圖5.3 水溫水位交替顯示流程框圖</p><p>　　5.4 系統(tǒng)按鍵程序設計</p><p>　　對系統(tǒng)的操作是通過四個

81、按鍵進行的，K1為確定鍵，既當確認加熱水溫數值或加水水位數值后在按下此鍵就可進行相應的操作；K2、K3為操作方式和數值增減鍵；K4為設置鍵。其程序流程框圖如5.4所示。</p><p>　　圖5.4 按鍵程序流程框圖</p><p>　　第6章 系統(tǒng)可靠性處理</p><p><b>　　6.1 硬件調試</b></p><

82、;p>　　6.1.1 接地處理</p><p>　　在熱水器系統(tǒng)中，小信號回路、控制回路、以及它們的直流電源構成了第一類弱信號地，系統(tǒng)中的繼電器以及它們的驅動電源等連在一起構成第二類功率地，系統(tǒng)中的外部機殼構成了第三類機殼地，如果將系統(tǒng)中的第一類和第二類接在一起就會使它們之間存在的阻抗產生噪聲干擾，影響弱電回路。為了減少噪聲干擾，系統(tǒng)接地處理如圖6.1所示。</p><p>　　圖6

83、.1 相互獨立的電源接地</p><p>　　6.1.2 隔離處理</p><p>　　本熱水器系統(tǒng)設計中，為了更好的隔離功率電路和小信號控制電路之間的影響，采取了光電隔離技術。</p><p>　　光電隔離的目的是割斷兩個電路的電聯(lián)系，使之相互獨立，從而也就割斷了噪聲從一個電路進入另一個電路的通路。此次設計運用的光電耦合器實現(xiàn)的，其電路連接圖如圖6.2所示。<

84、;/p><p>　　圖6.2 光電隔離控制電路圖</p><p>　　6.1.4 濾波處理</p><p>　　濾波是為了抑制噪聲干擾。在直流電源回路中，負載的變化會引起電源噪聲，如在數字電路中，當電路從一個狀態(tài)轉換為另一個狀態(tài)時，就會在電源線上產生一個很大的尖鋒電流，形成瞬變的噪聲電壓。利用電容、電感等儲能元件可以抑制因負載變化而產生的噪聲。通常也把這種作用稱之為濾波

85、或去耦。</p><p>　　在該熱水器系統(tǒng)中，為了進行濾波或去耦，在單片機電源線的輸入端、直流電源輸出端、繼電器的輸入端并連兩個電容。</p><p><b>　　6.2 軟件調試</b></p><p>　　在軟件的調試過程中，是通過逐個功能調試成功，再到整體綜合功能調試成功。軟件編譯過程中出現(xiàn)的常見問題，比如超出目標范圍，則說明當條指令J

86、NB、CJNE的轉移指令的跳轉超出了范圍，有時會出現(xiàn)無定義的符號，則說明是標號的輸入錯誤，如果指令的數量超出了一定范圍，編譯時就會報錯而不能生成目標文件，編譯可以通過，但功能不能實現(xiàn)的情況下，則可以采用在程序中夾雜點亮指示燈的方法去查看程序的執(zhí)行情況。</p><p>　　第7章 熱水器水溫水位控制儀使用說明</p><p>　　單片機的控制電路接正五伏的直流電壓源，繼電器的功率電路接另一

87、個正五伏的直流電壓源，當電源接好后，就可以按下系統(tǒng)得總電源開關，系統(tǒng)就開始運行。首先系統(tǒng)進行硬件電路的開機自檢，主要是檢查DS18B20工作是否正常，顯示器是否正常工作，報警系統(tǒng)是否正常，在此同時1602顯示器同步顯示系統(tǒng)狀態(tài)，在此過程中用戶可以預置水位和水溫，接下來開始檢測容器中的水位，是否低于下限水位，如果低于下限水位則開始自動上水至默認水位1000ml，然后進入水溫水位交替顯示的正常狀態(tài)，此時用戶可通過四個獨立式按鍵進行水溫水位的

88、設置，按下K4鍵系統(tǒng)進入菜單式選擇狀態(tài)，顯示器上光標閃爍引導用戶進行選擇操作，K2、K3鍵用來選擇設置項目，選擇按下K1確認鍵后，開始進入自定義的水溫或水位的設置，設置完成后系統(tǒng)開始自動補償水溫或水位，完成任務后又進入水溫水位交替顯示的正常狀態(tài)，系統(tǒng)這是會自動檢測容器中的水溫水位，同時比較水溫水位的下限，進行及時的水溫水位補償，如果容器中處于水位底而溫度高的狀態(tài)，系統(tǒng)則會進行加水來降低水溫的溫控上水的動作，完成后自動進入水溫水位的交替顯

89、示狀態(tài)。每一次系統(tǒng)的動作都配合聽覺和視覺感受，使整個系統(tǒng)實現(xiàn)</p><p><b>　　總 結</b></p><p>　　此次熱水器水溫水位控制系統(tǒng)耗時兩個月，先后經歷了硬件制作和軟件設計，具體是通過每個板塊的設計調試再到整體的組合通過，在此過程中給我最大的感受就是理論上和實際應用是有很大的差距的，只有在實踐中檢驗理論的時候，自己才會認識到很多的問題，才能更深刻

90、的認識到理論中的一些基本問題，也才能發(fā)現(xiàn)自己未知的新問題，比如說對于系統(tǒng)的穩(wěn)定問題，以前是從未涉及到的，在這次的系統(tǒng)中由于添加了繼電器和大功率的電器，就給系統(tǒng)帶來了很多的不穩(wěn)定的問題，在解決這些不穩(wěn)定問題的過程中就提高了自己對完整系統(tǒng)的認識。</p><p>　　在這次的畢業(yè)設計中更重要的是學習到的工程設計方法。以前對于硬件的調試，由于方法的不科學，既耗精力又耗時間，效率非常不高，現(xiàn)在軟、硬件結合大大提高效率。在

91、軟件的排錯和設計方面也提高了自己的能力，以前在程序編譯出現(xiàn)的錯誤中，由于程序的量較少，出現(xiàn)的錯誤也就較少，這次設計過程中程序量達到一千多條，對于排錯和設計帶來很大的挑戰(zhàn)，經過老師的指導，我掌握了科學的程序排錯和規(guī)范的程序設計，大大提高了程序的可讀性，也讓自己能在以后的大型工程程序的設計中便于團體設計的接軌。同時，在這次設計中也掌握和認識了很多的新器件。</p><p>　　在這漫長的設計過程中，通過自己不斷的解決

92、工程中遇到的一個一個的問題，磨練了自己的意志，提高了對工程設計實踐的認識，我想這些都是自己今后職業(yè)生涯中難得的寶貴經驗。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在此次畢業(yè)設計過程中，非常感謝以前各科任老師對我基礎科目打下的堅實基礎，才有了我現(xiàn)在面對工程中困難無所畏懼的心理，同時感謝宋老師的精心指導和對我們畢業(yè)后階段工作的妥善安排，宋老師以其

93、嚴謹求實的治學態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風和大膽創(chuàng)新的進取精神對我產生了重要的影響。他淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。同時，在此次畢業(yè)論文修改過程中我也學到了許多知識，對專業(yè)知識有了更深的理解。 </p><p>　　另外，我還要特別感謝師兄們對我論文寫作的指導，他們?yōu)槲彝瓿蛇@篇論文提供了巨大的幫助。還要感謝龍彪、朱鳳英同學對我硬件和環(huán)境上的支持，使我得以順利完成論文。&

94、lt;/p><p>　　最后，再次對關心、幫助我的老師和同學表示衷心地感謝！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]何立民.單片機應用系統(tǒng)設計.北京：北京航空航天大學出版社，1990 [2]李珍,付植桐.單片機原理與應用技術.清華大學出版社，2004</p><

95、p>　　[3]李光弟,朱月秀.王秀山.單片機基礎.北京航空航天大學出版社，2001</p><p>　　[4]童詩白,華成英.模擬電子技術基礎.高等教育出版社，2000</p><p>　　[5]李廣弟.朱月秀.王秀山.單片機基礎.北京航空航天大學出版社.1994</p><p>　　[6]清源計算機工作室.Protel 99 se 原理圖與PCB及仿真[M]

96、.北京：機械出版社2004.</p><p><b>　　附錄一 系統(tǒng)原理圖</b></p><p>　　附錄二 部分源程序清單</p><p>　　RS EQU P3.7</p><p>　　RW EQU P3.6</p><p>　

97、　E EQU P3.5</p><p>　　TEMH EQU 56H</p><p>　　TEMSHI EQU 57H</p><p>　　TEMGE EQU 58H</p><p>　　SHUIWENH EQU 54H</

98、p><p>　　SHUIWENL EQU 55H</p><p>　　SHUIWEI EQU 50H</p><p>　　QIANBAI EQU 53H</p><p>　　TH EQU 38 ;高溫報警點：38℃</p><p>　　

99、TL EQU 10 ;低溫報警點：10℃ </p><p>　　TEMPH EQU 40H ;讀出寄存器5個單元的內容： 0，存溫度高8位值</p><p>　　TEMPL EQU 41H ; 1，存溫度低8位值</p><p>　　REG2 EQU

100、42H ; 2，存TH值</p><p>　　REG3 EQU 43H ; 3，存TL值</p><p>　　REG4 EQU 44H ; 4，存CONFIG數據</p><p>　　CONFIG9 EQU 1FH ; 9 位精度的CONFIG數據</p><p>

101、;　　CONFIG10 EQU 3FH ; 10位精度的CONFIG數據</p><p>　　CONFIG11 EQU 5FH ; 11位精度的CONFIG數據</p><p>　　CONFIG12 EQU 7FH ; 12位精度的CONFIG數據</p><p>　　DAT EQU

102、 P0.7 ; 模擬1-WIRE的數據線</p><p>　　TempH1 DATA 49H ;保存溫度十進制的十位</p><p>　　TempL1 DATA 4AH ;保存溫度十進制的個位</p><p>　　Fhaod DATA 4BH ;保存溫度的符號位[-,+]</p&g

103、t;<p>　　TempBCD DATA 4CH ;保存溫度的BCD碼值</p><p>　　DEY_1 DATA 4DH ;用于延時子程序</p><p>　　DEY_2 DATA 4EH</p><p>　　DEY_3 DATA 4FH</p>

104、<p>　　ORG 0000H</p><p>　　AJMP MAIN</p><p>　　ORG 0100H </p><p>　　MAIN: MOV SP, #060H </p><p>　　ACALL INIT_18B20</p><p>　　MOV

105、 TMOD, #01H</p><p>　　MOV TH0, #4CH</p><p>　　MOV TL0, #00H </p><p>　　MOV R5, #00H</p><p>　　MOV R7, #00H &

106、lt;/p><p>　　MOV R6, #14H </p><p>　　MOV 20H, #00H</p><p>　　MOV 56H, #00H</p><p>　　CLR EA </p><p><b>　　XSXZJ:</b>

107、;</p><p>　　MOV A, #01H ;顯示系統(tǒng)自檢請等待</p><p>　　ACALL WCOM</p><p>　　ACALL INIT_1602 </p><p>　　ACALL TAAB0 </p><p>　　ACALL

108、 TAAB1</p><p>　　ACALL YHES01S</p><p>　　INC R7</p><p>　　CJNE R7, #03, XSXZJ</p><p>　　MOV R7, #00H</p><p>　　;---------------

109、-------------------------</p><p>　　CHECK18B20: ;檢1820 1602 水位線</p><p>　　ACALL RDTEMP</p><p>　　MOV A, TempBCD </p><p

110、>　　MOV SHUIWENL, A</p><p>　　CJNE A, #10000101B, XSOK</p><p>　　AJMP XSERROR</p><p>　　XSOK: ;SYSTEM IS OK

111、</p><p>　　MOV A, #01H</p><p>　　ACALL WCOM</p><p>　　ACALL INIT_1602 </p><p>　　ACALL TAAB3</p><p>　　MOV R7,

112、 #00H </p><p><b>　　XSOK11:</b></p><p>　　ACALL YHES01S</p><p>　　CPL P3.4</p><p>　　;CPL P0.6</p><p>　　INC R7</p>

113、;<p>　　CJNE R7, #04H, XSOK11 </p><p>　　MOV R7, #00H</p><p>　　AJMP JIASHUI </p><p><b>　　XSERROR:</b></p>

114、;<p>　　CLR P3.4</p><p>　　CLR P0.6 ;SYSTEM IS ERROR</p><p>　　MOV A, #01H</p><p>　　ACALL WCOM</p><p>