基于单片机的热水器温度控制系统设计(3)

长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计（论文） u(t)?Kpe(t)?Ki?e(t)dt?Kdde(t)dt （1）

其中Kp---为调节器的比例放大系数

Ki---为积分时间常数 Kd---为微分时间常数

PID调节器的离散化表达式为

u(k)?Kpe(k)?KiTe(k)??u(k)?u(k)?u(k?1)

其增量表达形式为：

?Kp[e(k)?e(k?1)]?KiTe(k)?Kd[e(k)?e(k?1)]T

其中T为采样周期。

Kd[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)]T

可见温度PID调节器有三个可设定参数，即比例放大系数Kp、积分时间常数Ki、微分时间常数Kd。比例调节的作用是使调节过程趋于

稳定，但会产生稳态误差;积分作用可消除被调量的稳态误差，但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定；微分作用能有效的减小动态偏差。

在实际使用中,在满足生产过程需要的前提下,应尽量选择简单的调节器,这样,既节省投资,又便于维护。常规PID控制调节器是一种应用广泛技术成熟的控制方法，它能满足一般工业控制的要求，其优点是原理简单、使用方便、适应性广。采用PID控制，控制效果的好坏很大程度上取决于PID三个控制参数的确定。 方案二：采用自动控制

由单片机从DS18B20读取出所测量出的温度数值，然后通过软件程序进行判断，控制固态继电器SSR的通断，再控制加热棒是否加热，从而实现实时检测并精准控制温度的目的。而且，固态继电器具有可靠性高、灵敏度高、转换速度快、成本低等特点。

综上所述，PID控制虽然简单实用、应用广泛，但其参数一旦出现变化，其控制精度和质量便无法保证。因此，本系统选择方案二。

2.4温度设置模块电路方案的选择与论证

方案一：采用矩阵键盘

矩阵式键盘又叫行列式键盘。用I/O口线组成行列结构，按键设置在行列的交叉点上。一个4x4的行、列可以构成一个含有16个按键的键盘，在按键较多时，矩阵式键盘可以节省I/O口。其结构如下图所示。

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计（论文） 方案二：采用独立式按键

每个按键的电路都是独立的，占用一条数据线，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。当其中任意一键按下时，它所对应的数据线的电平就变成低电平，若无键按下，则所有数据线就是高电平。这种键盘电路配置灵活，占用I/O口多，适合少量按键的情况。其结构如下图所示。

综上所述，本系统只需要三个按键，故选择方案二。

2.5温度显示模块电路方案的选择与论证

方案一：采用LCD液晶显示

液晶显示器是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，而达到白底黑字或黑底白字显示的目的。LCD液晶的像素单元是整合在同一块液晶版当中分隔出来的小方格。通过数码控制这些极小的方格进行显像。显示非常细腻，但相对来说，成本也较高。

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计（论文） 方案二：采用LED数码管

LED数码显示中每一个像素单元就是一个发光二极管，单色数码管一般是红色发光二级管。彩色数码管，一般是三个三原色小二极管组成的一个大二级管。这些二级管组成的矩阵由数码控制实时显示文字或者图像，造价相对低廉，组成的显像面积大。

综上所述，考虑到本系统只需要对温度进行显示，故选择方案二。

2.6加热器方案的选择与论证

方案一：采用热得快

采用现在市场上常见的加热器（俗称热得快），功率大约在1000~2000Ｗ左右，这种加热器功率大，加热速度比较快，但是也正是因为如此，使得其温度难以控制。 方案二：采用加热棒

另一种方案是采用加热棒，功率在250W左右，这种加热棒的功率不大，加热速度虽然相比大功率的加热器要慢一些，但是其温度更容易控制，适合简易实用的热水器温度控制系统。

综上所述，本系统考虑到希望能对水温尽可能的实现更为精准的控制，故选择方案二。

第3章 系统总体框图设计

3.1系统硬件框图设计

此次设计旨在开发一种简单实用、性能稳定可靠的热水器温度控制系统，控制对象为250W左右的加热棒。其基本工作原理是系统通过DS18B20实时检测电热棒所加热的水温温度，由单片机AT89S52从DS18B20读取出所测量出的温度数值，然后通过软件程序进行判断，控制固态继电器SSR的通断，再控制加热棒是否加热，从而实现实时检测并精准控制水温的目的。利用软件编程和外围电路，结合智能温度传感器DS18B20，通过按键能够任意设置温度上下限报警，当温度低于所设置的下限温度值时，LED发光、蜂鸣器发声报警；当温度高于所设置的上限温度值时，LED发光、蜂鸣器发声报警。同时，显示电路采用四位LED共阴数码管来显示检测的水温数值。

本系统主要分七大模块：微处理器模块、温度检测模块、温度控制模块、显示模块、按键模块、电源模块、报警模块，电路整体框图如图3.1.1所示。

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计（论文）

时钟电路 复位电路 按键输入 报警电路 电源电路 CPU AT89S52 DS18B20温度传感器 SSR 固态继电器 250W加热棒 LED数码管 图3.1.1 系统硬件框图

第4章 系统硬件模块电路设计

4.1系统电源模块电路设计

系统的各个模块电路都需要外部电源，经过分析，单片机系统模块、温度控制模块、温度检测模块、温度设置模块、温度显示模块、蜂鸣报警模块，都需要用DC+5V电源方能正常工作。故电源模块需设计一个能够满足整个系统需要的稳定的DC+5V电源。整个电源模块电路的工作原理是：AC220V通过6V变压器变压之后从IN端输入，经过D1、D2、D3、D4组成的桥式整流，把交流电变成脉动直流电，再经C5滤波，得到比较平缓的9V直流电，再经过直流稳压模块LM7805后，得到一个比较稳定的DC+5V电压，给整个系统的各模块电路供电。其电路原理图如图4.1.1所示。

图2.7 电源模块

4.2单片机最小系统模块电路设计

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计（论文） 系统可编程Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。单片机最小系统由AT89S52、时钟电路和复位电路组成。其电路原理图如图4.2.1所示。

图4.2.1单片机最小系统模块电路

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