家用電熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設(shè)計)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　家用電熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動化 </p>

2、<p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文主要

3、介紹基于PSoC單片機實現(xiàn)家用電熱水器的控制系統(tǒng)，分別概述了家用電熱水器的功能，工作原理和結(jié)構(gòu)組成，并通過主控制模塊PSoC單片機來實現(xiàn)電熱水器的整個工作。該電熱水器的主要組成裝置有溫度傳感，水位傳感，液晶顯示，上水閥門，加熱開關(guān)，控制信號開關(guān)，PSoC單片機。</p><p>　　該系統(tǒng)硬件部分是以PSoC單片機為核心裝置，根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計合理的I/O接口，所需的Flash和SRAM空間大小等參數(shù)。對溫度控制和

4、水位控制的方法進行刷選，最終確定實現(xiàn)方案。</p><p>　　系統(tǒng)的軟件部分是用C語言編寫的，最后對該系統(tǒng)的性能進行測試和分析，完成電熱水器的溫度和水位控制，并且溫度和水位以數(shù)字的形式在顯示器上顯示。最終完成論文的編寫。</p><p>　　關(guān)鍵詞：PSoC單片機；控制模塊</p><p><b>　　Abstract</b></p&g

5、t;<p>　　This paper mainly introduces PSoC microcomputer based on the control system of household electric water heater, Summaries respectively the function ofthehousehold electric water heater, working principle a

6、nd structure, and through themain control module PSoC microcontroller to realize the whole work of electric water heater.Themain components of the water heater equipped with a temperature sensor, level sensor,LCD, water

7、valves, heat switch, control signal switching and PSoC microcontroller.</p><p>　　The system hardware is PSoC singlechip device,according to the system to design a reasonable I/O interfaces, Flash and SRAM sp

8、ace for the required size and other parameters. Have a choose about temperature control and level control method，eventually determine the scheme.</p><p>　　Some of the system software is written in C language

9、. Finally, have a testing and analysis on the system Performance. Completion of the water heater temperature and water level control, temperature and water level in digital form on a mo

10、nitor.Finally, Completed the preparation of papers.</p><p>　　Key words: PSoC Miccroprocessor; control module</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</

11、b></p><p>　　1.1研究背景和意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3 主要研究內(nèi)容2</p><p>　　1.4 論文內(nèi)容概述3</p><p>　　2 控制系統(tǒng)需求分析4</p><p>　　2.1 家用電熱水器的結(jié)構(gòu)4&

12、lt;/p><p>　　2.2 家用電熱水器的功能4</p><p>　　2.3常用設(shè)計方案介紹5</p><p>　　3 PSoC片上可編程系統(tǒng)概述6</p><p>　　3.1 PSoC簡介6</p><p>　　3.2 PSoC的特點7</p><p>　　3.3 PSoC的應(yīng)用7

13、</p><p>　　4 系統(tǒng)硬件設(shè)計9</p><p>　　4.1控制系統(tǒng)組成9</p><p>　　4.2 主控模塊設(shè)計9</p><p>　　4.3 溫度控制模塊設(shè)計10</p><p>　　4.3.1 溫度傳感器的選擇10</p><p>　　4.3.2 溫度檢測電路設(shè)計11

14、</p><p>　　4.4 水位控制模塊設(shè)計12</p><p>　　4.4.1 水位控制方法選擇12</p><p>　　4.4.2 水位檢測原理12</p><p>　　4.5 其它輸入輸出模塊設(shè)計13</p><p>　　4.5.1 鍵盤控制模塊13</p><p>　　4.5

15、.2 液晶顯示模塊13</p><p>　　4.5.3 蜂鳴器模塊14</p><p>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計15</p><p>　　5.1 PSoC單片機的開發(fā)環(huán)境15</p><p>　　5.2 溫度檢測功能軟件設(shè)計16</p><p>　　5.3 水位檢測功能軟件設(shè)計18</p><

16、;p>　　5.4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖20</p><p><b>　　6 總結(jié)22</b></p><p>　　致 謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　參考文獻23</b></p><p><b>　　1 引言</b></p>&

17、lt;p>　　1.1研究背景和意義</p><p>　　我國是個熱水器生產(chǎn)大國，伴隨著住宅消費和人們對生活品質(zhì)要求的提高，熱水器已由一個高檔的奢侈品成為居民喬遷新居、廚衛(wèi)裝修的必備家庭用具。</p><p>　　電熱水器是一種可供浴室及廚房使用的家用電器，就中國的具體情況而言，電熱水器因其具有無污染、安全、保溫時間長、使用方便等優(yōu)點，越來越受到消費者的青睞[1]。目前隨著我國人們生活

18、水平的提高，生活條件有了很大的改善，電熱水器的的使用率也比以前更普及了。</p><p>　　熱水器主要品種有：電熱水器，太陽能熱水器，燃氣熱水器。太陽能熱水器作為一種綠色環(huán)保可再生能源，其開發(fā)和利用，因順應(yīng)中國的能源與環(huán)保政策，日益受到重視，加上全球的能源危機，進一步家居了太陽能熱水器行業(yè)的發(fā)展。但也由于太陽能的能源利用率較低及它對建筑的諸多要求，受天氣狀況的限制，使用范圍狹小，因此在太陽能行業(yè)的發(fā)展前景上存在

19、很多障礙[2]。燃氣熱水器由于石油、天然氣等燃料的限制，且國家對其使用年限由規(guī)定，適合低氣價地區(qū)使用。然而電熱水器的制約因數(shù)就比較少，隨著電網(wǎng)供電能力的增強，電價的大幅下降，這些有利的條件都為電熱水器的普及提供了便利的條件。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　中國電熱水器產(chǎn)業(yè)起源于上世紀(jì)80年代，主要靠國外引進和購買樣品來仿制。依靠最原始的電阻加熱技術(shù)，但在使

20、用過程中他的安全性并不是很好，常常會發(fā)生因漏電而造成人體傷害的安全事故。因早期的電熱水器存在諸多質(zhì)量問題，從而推動電熱水器安全技術(shù)的改革，從第一代的水電分離，第二代的漏電保護，第三代的出水?dāng)嚯娫俚降谒拇姆离妷?。?jīng)歷了多個階段的技術(shù)改革，在技術(shù)上逐步趨于成熟[3]。</p><p>　　電熱水器的內(nèi)膽是熱水器的核心部件，是決定了熱水器是否漏水的關(guān)鍵所在，內(nèi)膽從鍍鋅板向不銹鋼，再向搪瓷內(nèi)膽的演變加上內(nèi)膽加工設(shè)備的改

21、進和焊接工藝的改良，現(xiàn)在的搪瓷內(nèi)膽以其不生銹，防腐蝕，較強耐壓能力等優(yōu)點逐漸成為技術(shù)主流。</p><p>　　除了對熱水器的耐用要求之外智能化技術(shù)運用也是今后的發(fā)展趨勢，燃氣熱水器設(shè)有自動恒溫控制，停氣自動關(guān)機，超水溫泄壓等保護功能，及時是臨時的停氣，仍然有儲存的熱水使用。智能化技術(shù)的使用有兩個好處，第一方便，第二節(jié)能，可以按照用戶的使用習(xí)慣提前加熱，讓用戶可以隨心所欲的使用熱水，假如用戶不使用熱水，那么就可以

22、以保溫的方式儲存熱水，這樣就可以大大減少保溫加熱的次數(shù)，也可以大大節(jié)省電量。在傳統(tǒng)的電熱水器的基礎(chǔ)上，不斷地添加新功能，抓住人性化需要，出現(xiàn)一大批高端品牌電熱水器，如阿里斯頓、比利奇、史密斯、海爾、美的等，先后推出了超大液晶屏、電子線控、超標(biāo)、超薄時尚、雙管加熱、漏電保護、多水出口等新技術(shù)。</p><p>　　熱水器的控制系統(tǒng)設(shè)計主要可以分為機械控制，單片機程序控制和智能遠程控制；機械控制主要是以按鈕、旋鈕等來

23、實現(xiàn)加熱和上水的功能；單片機程序控制就是用輸入的程序來控制電熱水器的水位和加熱功能，將溫度和水位等數(shù)據(jù)在液晶屏上顯示并且可以更加安全的工作[4]；隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷強大，現(xiàn)在的大多用戶可以輕松地控制家用電器等設(shè)備，只需要通過手機等控制器來遠程操作電熱水器的一些功能。</p><p>　　1.3 主要研究內(nèi)容</p><p>　　1 研究家用電熱水的控制系統(tǒng)</p><p&

24、gt;　?。?）了解和研究家用電熱水器控制系統(tǒng)的組成；</p><p>　?。?）研究基于PSoC單片機實現(xiàn)電熱水器溫度和水位控制的解決方案。</p><p>　　2 硬件電路及軟件設(shè)計</p><p>　　（1）分析基于PSoC的溫度控制和液位控制的解決方案，確定系統(tǒng)設(shè)計中需要用到Cy8C29466的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、通用I/O數(shù)目、所需Flash及SRAM空間大小等參數(shù)

25、；</p><p>　　（2）系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(包括芯片規(guī)劃和外圍電路設(shè)計)；</p><p>　　（3）Cypress Designer5.0的學(xué)習(xí)和軟件的操作使用；</p><p>　　（4）選擇合適的溫度傳感器、液位傳感器，設(shè)計電熱水器控制系統(tǒng)；</p><p>　?。?）應(yīng)用C語言編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，進行系統(tǒng)功能的調(diào)試。</

26、p><p>　　1.4 論文內(nèi)容概述</p><p>　　本論文主要是研究家用電熱水器的控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，從微控制器的選擇，到傳感器、顯示器件等外圍元件的確定，作了充分的討論和論述。</p><p>　　論文的第一章闡述了電熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀及課題的研究背景；第二章主要對控制系統(tǒng)需求展開了分析，介紹了電熱水器的構(gòu)造、控制系統(tǒng)的基本組成，提出了自己的設(shè)計思路；第三章主要介

27、紹了PSoC可編程單片機的基本情況，以及開發(fā)工具等；第四章介紹了基于PSoC單片機的電熱水器控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計；第五章闡述了系統(tǒng)的軟件設(shè)計。</p><p>　　2 控制系統(tǒng)需求分析</p><p>　　2.1 家用電熱水器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　現(xiàn)在家用的電熱水器大多是封閉式的，這種電熱水器的的結(jié)構(gòu)主要包括蓄水水箱、近出水閥門、電加熱元件和控制電路板等。為

28、安全起見，電熱水器內(nèi)部還會有漏電保護，機內(nèi)過熱保護，防干燒保護，超溫保護，接地保護，水電分離，發(fā)熱組件等[5]。如圖2-1是家用電熱水器的基本結(jié)構(gòu)框圖。</p><p>　　圖2-1家用電熱水器的基本結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2.2 家用電熱水器的功能</p><p>　　現(xiàn)在的家用電熱水器都有著很多的功能，比如它可以方便的給用戶提供熱水，并實時監(jiān)測水箱內(nèi)的水溫

29、。當(dāng)水溫低于某一設(shè)定值時，電熱水器就開始進行加熱工作；電熱水器還能檢測水箱內(nèi)的水位，當(dāng)水位低于設(shè)定值時，會自動實施上水工作；為方便用戶，溫度和水位可以在電熱水器的外部顯示器上顯示，用戶還可對水溫進行系統(tǒng)性的設(shè)定，范圍可以在0~100℃之間；現(xiàn)在的電熱水器的安全性能也變的越來越高，除了防電漏電的技術(shù)愈見成熟之外，還配備了報警器等保護裝置，當(dāng)水位或溫度超標(biāo)時，系統(tǒng)就報警，開啟保護裝置。</p><p>　　隨著智能技

30、術(shù)在人們生活中的不斷發(fā)展，因此智能技術(shù)在電熱水器的應(yīng)用上給其帶來了更多的便利和安全，用戶可以進行遠程遙控和定時預(yù)約，用戶可以根據(jù)機子的生活習(xí)慣設(shè)定時間和水溫等參數(shù)，既方便又節(jié)能。</p><p>　　2.3常用設(shè)計方案介紹</p><p>　　家用電熱水器根據(jù)不同功能需求，其控制系統(tǒng)的組成也就不同?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計主要是看其采用的主控芯片，下面介紹幾種基于微處理器的控制系統(tǒng)。</p&g

31、t;<p>　　（1）用MCS-51單片機系列就可以完成一個電熱水器的控制系統(tǒng)，用AT89C52作為整個系統(tǒng)的核心，利用AT89C52現(xiàn)有的接口組織外圍硬件模塊。溫度測量可以用Pt100的鉑電阻溫度傳感器，再和信號調(diào)理電路和基于CS5513的A/D轉(zhuǎn)換電路組成溫度測量模塊。用PCF8563芯片實現(xiàn)實時時鐘，在LED顯示器上顯示，顯示器用CH451驅(qū)動芯片，這樣就可以方便用戶直接從顯示器上得到確切的時間和溫度。更先進一點的話

32、，還可以給電熱水器加個報警裝置，使用戶可以更放心的使用電熱水器。</p><p>　?。?）結(jié)合模糊控制技術(shù)，選用PIC單片機作為控制系統(tǒng)的核心，設(shè)計更完善的電熱水器控制系統(tǒng)，更大的特點是具有較強的智能性和漏電保護功能。加熱裝置用Cu100為溫度傳感器，用兩根PTC系列的MZ41型陶瓷波紋式電熱絲為加熱器，水溫控制原理應(yīng)用模糊控制[6]。</p><p>　　（3）采用FPGA來作為控制器

33、，F(xiàn)PGA是超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?，邏輯資源很多，靈活性和通用性很大，使用方便，硬件測試和實現(xiàn)快捷開發(fā)較快，產(chǎn)品上市時間短，也便于技術(shù)維護和系統(tǒng)功能擴展，也可以節(jié)約系統(tǒng)面積。但由于其價格昂貴，在市場上的競爭力還是不大。</p><p>　?。?）近年來，PSoC可編程系統(tǒng)以其極端靈活和無需任何匯編語言或C語言編程的特點，在各個領(lǐng)域都很受歡迎。以PSoC單片機來實現(xiàn)電熱水器的溫度和水位的控制，如用Cy8C29466

34、芯片作為核心控制，由于設(shè)計靈活、開發(fā)周期較短，可以提高新產(chǎn)品上市的速度，再加上制作的費用也不是很高，相信在以后的市場發(fā)展戰(zhàn)略上，肯定是會占著重要的地位[7]。</p><p>　?。?）隨著科技的不斷更新，互聯(lián)網(wǎng)的不斷強大，現(xiàn)在也有基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程控制，因此我們用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)智能家用電熱水器的遠程控制，電熱水器內(nèi)部的接收器可以接收我們通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)出的短息，這樣，即使我們不在家也可以方便的控制電熱水器的加熱

35、和上水問題。</p><p>　　3 PSoC片上可編程系統(tǒng)概述</p><p>　　3.1 PSoC簡介</p><p>　　PSoC（Programmable System On Chip）即片上可編程系統(tǒng)是在一個專有的MCU（Microprogrammed Control Unit）內(nèi)核周圍集成了可配置的模擬和數(shù)字外圍器件，利用芯片內(nèi)部的可編程互聯(lián)陣列，有效地

36、配置芯片上的模擬和數(shù)字塊資源，達到可編程片上系統(tǒng)的目的[8]。這是一種全新的器件，是一種對標(biāo)準(zhǔn)的“全數(shù)字式”微控制器設(shè)計和純粹的模擬設(shè)計和介乎兩者之間的所有具有同等的高適應(yīng)性器件。其集成了微控制器以及嵌入式系統(tǒng)中通常圍繞微控制器周圍的模擬和數(shù)字組件，模擬功能的器件包括PGA、開關(guān)式電容器、濾波器及比較器等；數(shù)字功能的器件包括定時器、計數(shù)器、PWM、SPI和UART等；另外系統(tǒng)還集成了模擬信號和數(shù)字信號的接口模塊ADC和DAC。圖3-1是

37、PSoC片上系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖3-1 PSoC片上系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　新近推出的PSoC Express是第一款有助于系統(tǒng)工程師進行基于微控制器設(shè)計的開發(fā)工具，而且不需要任何匯編語言或C語言編程的知識，在比以往技術(shù)更高的抽象水平上，不再需要開發(fā)有關(guān)固件，因此很快就可以完成一個設(shè)計。直接就可以用PSoC器件進行模擬和編程。確定設(shè)計是否可行就可以直接借

38、助PSoC Express來仿真，還可以生成并下載器件編程文件。</p><p>　　3.2 PSoC的特點</p><p>　　賽普拉斯的PSoC混合信號陣列是可編程的片上系統(tǒng)，它通常采用一個微控制器，一個PSoC器件最多可以集成100多種外設(shè)功能，從而大大節(jié)省了設(shè)計的時間和材料，這樣成本自然也就大大降低了。具體特點如下：</p><p>　?。?）CPU內(nèi)核，8

39、位Harvard結(jié)構(gòu)，速度可達24MHZ；且含有一個乘加器MAC，能執(zhí)行帶符號的8x8乘法和32位加法運算；</p><p>　?。?）4～16KB片內(nèi)FLASH閃存及256B SRAM，可通過串口在系統(tǒng)編程FLASH閃存，F(xiàn)LASH具有可加密保護功能，還具有獨立的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器總線；</p><p>　?。?）12個PSoC模擬模塊可靈活配置成6～13位A／D轉(zhuǎn)換器，可編程放大器

40、，采樣保持功能、差分比較器等；</p><p>　?。?）專用的中斷控制器，2級中斷優(yōu)先級，中斷源；通用I／O、Sleep定時器、電源監(jiān)控單元、8個PSoC數(shù)字模塊和4個模擬列；</p><p>　?。?）8個數(shù)字模塊可靈活配置成定時／計數(shù)器、脈寬調(diào)制器(PWM)、循環(huán)冗余校驗塊(CRC)、串行通信塊(UARTS或SPI)及復(fù)雜的時鐘源等；</p><p>　?。?

41、）全靜態(tài)CMOS工藝，3～5．5V DC工作電壓，專用的開關(guān)式電壓泵，可使工作電壓降到1V，具有真正的高速低壓性能；</p><p>　?。?）配套的低廉開發(fā)工具：在線仿真器、評估板和集成開發(fā)環(huán)境PSoC Designer，其PSoC Designer內(nèi)嵌匯編器、C編譯器、器件資源配置器和調(diào)試器。</p><p>　　總的一句話， PSoC將傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)集成在一顆芯片里，用戶模擬和數(shù)字

42、陣列的可配置性，集成度高，使用靈活是其最大特點，可供開發(fā)者隨需配置。</p><p>　　3.3 PSoC的應(yīng)用</p><p>　　PSoC單片機的應(yīng)用非常廣泛，在很多領(lǐng)域都有它的足跡，導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，民用豪華轎 車的安全保障系統(tǒng)，全自動洗衣機的控制，以及程控玩具等等。然后在儀器儀表、家用電氣、醫(yī)用設(shè)備

43、、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域也有著重要作用。</p><p>　　1. 在智能儀器儀表上的應(yīng)用</p><p>　　由于其具有非常豐富的資源，功耗低，控制功能強，可以更快的完成設(shè)計，所以在儀器儀表中有很多應(yīng)用，結(jié)合不同的傳感器，可以實現(xiàn)象電流、頻率、溫度、速度、硬度、壓力等物理量的測量。應(yīng)用PSoC單片機控制可以使儀器儀表數(shù)字化，智能化，微型化，且功能更加強大。<

44、/p><p>　　2. 在工業(yè)控制中的應(yīng)用</p><p>　　在工業(yè)中PSoC可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如各種報警系統(tǒng)，無刷直流電機控制系統(tǒng)，步進電機的控制。</p><p>　　3. 在家用電器中的應(yīng)用</p><p>　　現(xiàn)在的很多電器也用到了PSoC單片機，如家用電熱水器，洗衣機，空調(diào)機等等。</p>&l

45、t;p>　　4. 在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用</p><p>　　現(xiàn)代的單片機普遍具有通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，而現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機，電話機，小型程控交換機，列車無線通信，無線對講機等。</p><p>　　5. 在各種大型電器中的模塊化應(yīng)用</p><p>　　在大型電路中，這種模塊化應(yīng)用極大地縮小了體積

46、，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換。比如音樂信號以數(shù)字的形式存于存儲器中，由微控制器讀出，轉(zhuǎn)為模擬音樂電信號。</p><p>　　此外，PSoC單片機在工商，金融，科研，教育，國防航空等領(lǐng)域都有著很廣泛的用途。</p><p><b>　　4 系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p><b>　　4.1控制系統(tǒng)組成</

47、b></p><p>　　根據(jù)常用電熱水器控制的基本方法，確定控制系統(tǒng)設(shè)計由自動和手動控制兩種方式，自動控制主要實現(xiàn)熱水器的加熱和上水根據(jù)水溫和水位情況來自動調(diào)節(jié)，手動功能是提供給用戶一個操作鍵盤，通過按鈕鍵直接控制加熱和上水操作。</p><p>　　控制系統(tǒng)選擇PSoC單片機來作為微處理器，選擇CY8C29466作為主芯片，該單片機內(nèi)部集成了8位的CPU，另外還內(nèi)嵌ADC模塊、D

48、AC模塊、放大器模塊和LCD驅(qū)動模塊等。系統(tǒng)除了PSoC單片機之外，在硬件方面還需要加幾個輸入、輸出設(shè)備，主要有溫度檢測的傳感器、水位檢測的傳感器、電加熱元件、控制上下水的電磁閥以及顯示和報警用的器件。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖圖4-1。</p><p>　　圖4-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　4.2 主控模塊設(shè)計</p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計的需求，考慮到控制系

49、統(tǒng)中需要放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，因此選擇Cypress公司的PSoC1器件CY8C29466作為主控模塊的核心器件。</p><p>　　PSoC1是基于8位哈佛結(jié)構(gòu)微控制器的可編程片上系統(tǒng)，芯片集成了可編程的數(shù)字陣列和可編程的模擬陣列，還有位數(shù)可編程設(shè)置的ADC和DAC模塊，是一種非常適應(yīng)于模數(shù)混合信號處理的嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)提供了豐富的時鐘資源，最高時鐘頻率可達48MHz。能滿足絕大多數(shù)嵌入式應(yīng)用的設(shè)計

50、需求。</p><p>　　如圖4-2，CY8C29466是PSoC1系列芯片中內(nèi)部資源最為豐富的一款芯片，其內(nèi)部有16個數(shù)字單元，可以配置成8~32位的定時器、計數(shù)器、PWM等，可以連接到所有GPIO引腳；12個模擬單元，可以配置成14位的ADC、8位的DAC、PGA、LPF和CMPLP等，32KB的Flash程序存儲器，可以擦寫50000次，2KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲器，在系統(tǒng)串行編程(ISSP)，可將Flas

51、h模擬成E2PROM使用，M8C處理器的時鐘頻率范圍是93.7KHz ~24MHz，運行速度最高可達4MIPS，3~5.25 V的工作電壓，具有高速低功耗特性。</p><p>　　圖4-2 CY8C29466芯片引腳圖</p><p>　　4.3 溫度控制模塊設(shè)計</p><p>　　4.3.1 溫度傳感器的選擇</p><p>　　依據(jù)

52、目前市面上各種溫度傳感器性能的比較，選擇LM35溫度傳感器作為電熱水器水箱水溫檢測元件。LM35傳感器是NS公司生產(chǎn)的集成電路溫度傳感器，它的特點就是具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，而且該器件的輸出電壓與溫度線性成正比的關(guān)系，轉(zhuǎn)換公式為：</p><p>　　VoutLM35（T）=（10mV/℃）×T℃ （4-1）</p><p

53、>　　0℃時輸出為0V，每升高1℃，輸出電壓升高10mV，LM35無需外部校準(zhǔn)或微調(diào)，LM35的主要特性如下[9]：</p><p>　?。?）工作電壓：直流4到30V；</p><p>　?。?）工作電流：小于133uA；</p><p>　?。?）輸出電壓：+6V到10V；</p><p>　　（4）輸出阻抗：1mA負載時阻值為0.

54、1歐姆；漏泄電流：小于60μA；</p><p>　?。?）比例因數(shù)：線性+10.0mV/℃；</p><p>　?。?）非線性值：±1/4℃；</p><p>　?。?）校準(zhǔn)方式：直接用攝氏溫度校準(zhǔn)；</p><p>　　（8）使用溫度范圍：-55～+150℃額定范圍。</p><p>　　引腳介紹：正電源

55、Vcc，輸出端口Vout，電源接地GND。LM35有不同的封裝形式，外觀如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 LM35封裝以及引腳排列</p><p>　　4.3.2 溫度檢測電路設(shè)計</p><p>　　LM35是一個輸出電壓與攝氏溫度呈線性關(guān)系的集成溫度傳感器，它與單片機的接口只需要一個I/O口，如圖4-4，LM35與Cy8C29466單片機連接的電路

56、原理圖，多數(shù)PSoC單片機的I/O口具有模擬信號輸入和輸出的能力，因此溫度傳感器的輸出端可以直接與單片機的I/O口連接。LM35輸出的電壓參數(shù)，經(jīng)過PSoC單片機內(nèi)部的模擬模塊電路（PGA、ADC）處理后，既可以得到水箱水溫控制信號送給CPU進行處理。</p><p>　　圖4-4 LM35與單片機的連接原理圖</p><p>　　4.4 水位控制模塊設(shè)計</p><p

57、>　　4.4.1 水位控制方法選擇</p><p>　　水箱水位的控制實現(xiàn)的方法很多，常用的方法有兩種，一種是簡單的機械式控制，另一種是應(yīng)用復(fù)雜式控制器方式。兩種方法的特點如下：</p><p>　?。?）機械控制裝置其主要的形式有浮標(biāo)式、電極式等，這種控制方式的優(yōu)點是制作比較簡單，而且成本也比較低，但它的不足之處是精確度不高，不能進行數(shù)值顯示，有時候還會引起誤動作，只能單獨控制；&

58、lt;/p><p>　?。?）復(fù)雜式控制器控制方式是通過安裝在水汞出口管道上的壓力傳感器，把出口壓力變成工業(yè)電信號的模擬信號，經(jīng)過放大器和A/D變換成數(shù)字信號傳送到微處理器，再有微處理器經(jīng)過D/A變換給調(diào)壓裝置，再輸入給執(zhí)行電路，最后達到控制水位的目的。</p><p>　　由于電熱水器對水位控制的精度要求不是很高，通過上面兩種方法的比較，這里選擇第一種簡單的電極探頭方式來實現(xiàn)水箱水位檢測。在

59、電熱水器水箱的內(nèi)壁安裝一組電極，利用水的弱導(dǎo)電性，可以監(jiān)測到水箱的大致水位，以供用戶判斷是否要向水箱內(nèi)注水。</p><p>　　4.4.2 水位檢測原理</p><p>　　圖4-5 水箱水位監(jiān)測示意圖</p><p>　　水箱水位檢測示意圖如圖4-5。利用自來水本身具有弱導(dǎo)電性的特點，用5個不銹鋼探針分別置于水箱內(nèi)不同高度的位置，當(dāng)某個鋼針不接觸水面時，其輸出為

60、低電平；當(dāng)其與水面接觸時則輸出高電平。它們的輸出接至PSoC單片機的I/O口。電平信號經(jīng)過單片機內(nèi)部的放大器放大后，再有ADC模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機的CPU根據(jù)檢測到水位點進行處理，然后在顯示器上顯示出水箱中水位的高度，并通過可以根據(jù)需要驅(qū)動上水閥門控制上水動作[10]。</p><p>　　4.5 其它輸入輸出模塊設(shè)計</p><p>　　4.5.1 鍵盤控制模塊</p>

61、<p>　　為滿足用戶手動對熱水器進行加熱、上水等控制的需求，本系統(tǒng)設(shè)置了五個按鍵Key1~Key5，分別實現(xiàn)開啟/關(guān)閉電加熱、開啟/關(guān)閉上水、功能選擇（自動加熱溫度設(shè)置和自動上水水位設(shè)置）、數(shù)值加、數(shù)值減等功能。通過編程分別實現(xiàn)各按鍵的具體操作功能，硬件電路如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 鍵盤與單片機外部引腳圖</p><p>　　4.5.2 液晶顯示模塊

62、</p><p>　　正品家用的電熱水器都安裝有專門的彩色液晶顯示屏，分別具有溫度顯示、時鐘顯示、水位百分比顯示和上水動作、加熱動作等功能的動態(tài)顯示效果。本設(shè)計選用普通的單色字符型LCD顯示器1602液晶顯示屏作為系統(tǒng)調(diào)試的對象。</p><p>　　如圖4-7LCD1602外部引腳圖，LCD1602液晶顯示器能顯示兩行各16個字符，與單片機可以進行并行數(shù)據(jù)傳輸，也可以進行串行操作，其外部

63、有16個引腳，可以直接連接到單片機的I/O端口，使用非常方便。</p><p>　　圖4-7 LCD1602外部引腳與接口電路圖</p><p>　　4.5.3 蜂鳴器模塊</p><p>　　蜂鳴器主要實現(xiàn)當(dāng)熱水器上水已滿或到用戶設(shè)定水位時發(fā)出報警提示音的功能，當(dāng)用戶手動開啟了電加熱功能時，水溫達到設(shè)定溫度值時，也通過蜂鳴器發(fā)出提示音，以提醒用戶水箱水加熱已完成

64、[11]。</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計中蜂鳴器選擇普通的壓電陶瓷蜂鳴器，通過單片機P0[3]引腳輸出電壓信號來驅(qū)動蜂鳴器的發(fā)聲，具體電路如圖4-8。</p><p>　　圖4-8 蜂鳴器驅(qū)動電路原理圖</p><p><b>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計</b></p><p>　　5.1 PSoC單片機的開發(fā)環(huán)境<

65、/p><p>　　賽普拉斯公司為其PSoC系列產(chǎn)品開發(fā)了兩種不同風(fēng)格的集成開發(fā)環(huán)境PSoC Designer和PSoC Express，PSoC Designer是PSoC的傳統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，它是一種功能全面的基于圖形用戶接口的設(shè)計工具套件，可采用C語言或匯編語言編程，具有如下特點：</p><p>　　1.采用模塊化設(shè)計思想，提供豐富的模擬和數(shù)字用戶模塊如PGA、A/D、D/A、濾波器、比較器、

66、定時器、計數(shù)器、PWM、SPI和UART等。設(shè)計時選擇用戶模塊后，放置到可編程模擬和數(shù)字模塊陳列中，進行配置和連線后，即可完成系統(tǒng)設(shè)計；</p><p>　　2.提供各種用戶模塊的C語言和匯編語言的應(yīng)用程序接口（API）函數(shù)，用戶只需調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù)即可完成對用戶模塊的編程；</p><p>　　3.可采用C語言或匯編語言編程，也可以采用C語言結(jié)合匯編語言編程；</p>

67、<p>　　4.提供在線源代碼調(diào)試功能，用戶可利用單步進、事件觸發(fā)器和多斷點對設(shè)計進行調(diào)試[12]。</p><p>　　另一個集成開發(fā)環(huán)境PSoC Express是無需編碼的可視化設(shè)計工具軟件，采用模塊化設(shè)計，可以快速完成從構(gòu)思到嵌入式系統(tǒng)的實現(xiàn)，具有如下特點：</p><p>　　1.將常用的傳感器和輸入設(shè)備接口抽象成輸入設(shè)備（如溫度傳感器、開關(guān)、電位計），將常用的執(zhí)行器接口

68、抽象成輸出設(shè)備（如繼電器、風(fēng)扇、數(shù)碼管）。設(shè)計人員只須根據(jù)系統(tǒng)需求選擇輸入輸出設(shè)備，添加并定義系統(tǒng)的接口等，PSoC Express便可完整、正確地生成程序文件；</p><p>　　2.可自動生成設(shè)計說明書、原理圖以及物料清單；</p><p>　　3.PSoC Express的設(shè)計可以在PSoC Express和PSoC Designer環(huán)境中打開并查看詳細設(shè)計編程；</p>

69、;<p>　　4.具備軟件仿真功能，可以對系統(tǒng)設(shè)計進行軟件仿真，仿真正確后再將程序文件下載到目標(biāo)系統(tǒng)中。</p><p>　　PSoC Designer是芯片級的設(shè)計平臺，而PSoC Express是系統(tǒng)級的設(shè)計環(huán)境，設(shè)計工程師可以根據(jù)項目不同選擇不同的開發(fā)平臺，本課題選擇PSoC Designer來完成系統(tǒng)的開發(fā)。PSoC Designer芯片級設(shè)計工作的開發(fā)流程大致需要七個步驟，具體流程如圖5-

70、1。</p><p>　　圖5-1 PSoC Designer開發(fā)設(shè)計流程</p><p>　　5.2 溫度檢測功能軟件設(shè)計</p><p>　　1.選擇模塊電路。溫度檢測功能實現(xiàn)需要調(diào)用PSoC芯片內(nèi)部的放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和LCD驅(qū)動等用戶模塊，元件選擇如圖5-2。</p><p>　　圖5-2 PSoC用戶模塊選擇截圖</p>

71、<p>　　2.模塊電路連接。選擇好用戶模塊之后，需要對模塊進行內(nèi)部連接，PGA的時鐘信號選擇系統(tǒng)時鐘VC1，而ADC模塊的輸入連接到PGA的輸出端，PGA的輸入通過芯片的內(nèi)部總線連接到芯片的外部I/O端口。根據(jù)硬件電路設(shè)計LM35溫度傳感器的輸出連接至Cy8C29466芯片的P0[3]引腳，具體配置如圖5-3。</p><p>　　圖5-3 溫度測量功能模塊內(nèi)部連接配置截圖</p>

72、<p>　　3.參數(shù)設(shè)置。連接好各模塊電路之后，需要對模塊電路的參數(shù)進行設(shè)置。首先要對單片機的系統(tǒng)資源參數(shù)進行設(shè)置，參數(shù)設(shè)置結(jié)果如圖5-4。系統(tǒng)參數(shù)主要是內(nèi)部時鐘的配置，以滿足各模塊電路工作對時鐘的需求。CPU的時鐘設(shè)定為12MHz，VC1時鐘設(shè)置為系統(tǒng)時鐘的1/6，即2MHz，VC2時鐘設(shè)置為VC1的1/4，即500KHz。</p><p>　　圖5-4 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置截圖</p><

73、;p>　　其它各應(yīng)用模塊的參數(shù)設(shè)置如圖5-5。</p><p>　　圖5-5 PGA、ADC和LCD模塊參數(shù)設(shè)置截圖</p><p>　　4.編寫C代碼。完成上述設(shè)計工作之后，最后要在設(shè)計項目工程中編寫C代碼。PSoC Designer支持C語言和匯編語言的程序開發(fā)，并提供了豐富的API接口函數(shù)，可以提供給設(shè)計者直接調(diào)用[13]。編寫完C代碼之后，需要對項目工程進行編譯和Build工

74、程項目，一切無誤之后即可以下載到目標(biāo)芯片中調(diào)試。完成水溫測量功能的C語言程序如下：</p><p>　　void LM35_ temperature ()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　M8C_EnableGInt;</p><p>　　LCD_Start(); &l

75、t;/p><p>　　ADCINC12_Start(ADCINC12_HIGHPOWER); </p><p>　　ADCINC12_GetSamples(0); </p><p>　　PGA_Start(3); </p><p><b>　　for(;;)</b></p><p

76、><b>　　{</b></p><p>　　while(ADCINC12_fIsDataAvailable() == 0);</p><p>　　ADCINC12_ClearFlag(); </p><p>　　digital=2048+ADCINC12_iGetData(); </p><p>　　di

77、gital=digital*6.35; </p><p>　　LCD_Position(0,4);</p><p>　　LCD_PrCString("Water temperature"); </p><p>　　LCD_Position(1,5); </p><p>　　LCD

78、_WriteData(A[digital/1000]);</p><p>　　LCD_Position(1,6); </p><p>　　LCD_WriteData(A[(digital%1000)/100]);</p><p>　　LCD_Position(1,7); </p><p>　

79、　LCD_PrCString(".");</p><p>　　LCD_Position(1,8); </p><p>　　LCD_WriteData(A[(digital%100)/10]);</p><p>　　LCD_Position(1,9); </p><p>　

80、　LCD_WriteData(0xdf);</p><p>　　LCD_Position(1,10); </p><p>　　LCD_PrCString("C");</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p

81、><p>　　5.3 水位檢測功能軟件設(shè)計</p><p>　　水箱水位檢測是通過對水箱內(nèi)壁高度按0%、25%、50%、75%、100%這樣5個分段放置測試點的方法進行檢測，由電極傳感器來判斷水箱中水位。具體功能是：液晶顯示屏能實時顯示當(dāng)前水箱中水位的高度，當(dāng)水位為0%時，能自動發(fā)出報警，當(dāng)水位達到100%時能自動關(guān)閉上水閥門，并能提供給用戶自己設(shè)定當(dāng)水位低于某一值時，系統(tǒng)能自動開啟上水閥門，

82、進行對水箱注水[14]。</p><p>　　本設(shè)計應(yīng)用PSoC Designer5.0軟件對水位的檢測與顯示功能進行開發(fā)，因水箱水位檢測應(yīng)用安裝在水箱內(nèi)部的不銹鋼探針通過水導(dǎo)電后產(chǎn)生的電信號來判斷水位高度，所以在電路結(jié)構(gòu)上需要用到5個放大器、比較器和CPU內(nèi)核等模塊電路。具體設(shè)計步驟如下：</p><p>　　1.選擇電路模塊。針對每一路探針在PSoC芯片內(nèi)部配置一個放大器（PGA）和一

83、個比較器（CMPPRG），通過比較器輸出高低電平信號，CPU內(nèi)核根據(jù)來源于不同比較器的電平信號來判斷當(dāng)前水位值，并顯示在液晶顯示屏上。如圖5-6是通過PSoC Designer軟件的User Modules選擇了相應(yīng)的模塊電路。</p><p>　　圖5-6 水位檢測功能模塊電路選擇截圖</p><p>　　2. 模塊連接。如圖5-7對PGA模塊和CMP模塊進行電路連接，有單片機外部引腳P

84、0[3]輸出的電壓信號經(jīng)過PGA放大后，傳送給比較器CMP，比較器將獲得的信號與零電位進行比較，假如輸入信號大于零，即檢測點被水導(dǎo)通，則比較器輸出高電平，高電平信號經(jīng)過芯片內(nèi)部的模擬總線告知CPU進行相應(yīng)的處理。</p><p>　　圖5-7 PGA模塊和CMP模塊連線圖</p><p>　　3.模塊參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)中調(diào)用PSoC芯片內(nèi)部的兩個模擬模塊電路，實現(xiàn)對探針信號的調(diào)理和比較輸出高低

85、電平信號，模塊的具體參數(shù)設(shè)置如圖5-8。</p><p>　　圖5-8 PGA模塊和CMP模塊參數(shù)設(shè)置圖</p><p>　　4.編寫C代碼。完成上述設(shè)計工作之后，對水位檢測功能電路編寫C代碼，實現(xiàn)水位在LCD上顯示的功能。具體C代碼如下：</p><p>　　void shuiwei_jiance ()</p><p><b>　

86、　{</b></p><p>　　M8C_EnableGInt;</p><p>　　LCD_Start(); </p><p>　　PGA_1_Start(3); </p><p>　　CMPPRG_1_start(0); </p><p><b>　　for(;;)</b><

87、;/p><p><b>　　{</b></p><p>　　while(CMPPRG_fIsDataAvailable() == 1);</p><p>　　LCD_Position(1,1);</p><p>　　LCD_PrCString("shuiwei"); </p><p

88、>　　LCD_Position(1,8); </p><p>　　LCD_WriteData(B[digital/100]);</p><p>　　LCD_Position(1,9); </p><p>　　LCD_WriteData(B[(digital%100)/10]);</p><

89、p>　　LCD_Position(1,10); </p><p>　　LCD_PrCString("%");</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　5.4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖<

90、/p><p>　　為滿足用戶的需求，本控制系統(tǒng)具有手動控制和自動控制的功能，其功能的切換通過控制面板上的按鈕來實現(xiàn)。當(dāng)功能鍵Key1按下一次時，用戶可以通過Key2開啟電加熱，也可以通過Key3開啟上水；當(dāng)功能鍵連續(xù)按下兩次時，系統(tǒng)進入自動模式。應(yīng)用程序設(shè)計的流程圖如圖5-9。</p><p>　　圖5-9 系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖</p><p><b>　　6

91、總結(jié)</b></p><p>　　通過本次論文的設(shè)計與制作不但能把傳感器的內(nèi)容、PSoC單片機的特點以及應(yīng)用等知識結(jié)合起來，而且還能和以前學(xué)過的知識有效的聯(lián)系起來。從論文題目選定開始起，在老師的指導(dǎo)下，我經(jīng)過一段時間的資料查詢，掌握了很多課堂上學(xué)不到的知識，也增強了自己實踐動手能力，培養(yǎng)了查閱資料能力；通過查閱手冊和文獻資料，進一步熟悉常用設(shè)備的類型和特性，并掌握合理選用的原則，培養(yǎng)了獨立分析與解決問

92、題的能力，也增進了師生之間的感情交流，讓我更加了解有關(guān)PSoC開發(fā)設(shè)計的過程，加深了我對PSoC的理解和運用。</p><p>　　電熱水器的控制系統(tǒng)可以有其他的單片機來控制，但由于PSoC單片機以其具有集成度高，設(shè)計靈活和強大的模擬功能等特點，而且在系統(tǒng)級設(shè)計時無需C語言或匯編語言，這使得在軟件上的編譯更加的簡單和快速，大大縮短了制作周期，因此本論文采用了以PSoC單片機來作為家用電熱水的控制系統(tǒng)。</p

93、><p>　　從完成初稿，再到一遍又一遍的改論文和補充論文，最后，終于完成了這篇以PSoC單片機作為控制系統(tǒng)的家用電熱水器，且實現(xiàn)了電熱水器的水位和溫度控制的軟件模塊。</p><p>　　總的說來，制作的論文的過程是曲折的，中間碰到不同的困難，在一次次的困難中，我吸取了很多以前沒有學(xué)到過的知識，讓我受益匪淺。</p><p><b>　　參考文獻</b

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