家用智能電熱水器控制器(完整)

1、編 號：審定成績：XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）設(shè)計（論文）題目：家用智能電熱水器控制器學(xué)院名稱：學(xué)生姓名：專業(yè)：班級：學(xué)號：指導(dǎo)教師：答辯組負責人：填表時間：年 月重慶郵電大學(xué)教務(wù)處制摘要隨著人們生活質(zhì)量的提高， 人們對電熱水器的要求越來越趨向于智能化和 數(shù)字化。 其中，電熱水器控制器性能的好壞不僅是電熱水器性能好壞的體現(xiàn)， 更關(guān)系到人身安全等重要內(nèi)容。因此， 電熱水器控制器的設(shè)計是智能電熱水器 的需要，同時也是電熱水器的重要組成部分。論文首先結(jié)合當前電熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢， 介紹了電熱水器控制 器研究的目的及意義。在確定控制參數(shù)的基礎(chǔ)上，詳細介紹了控制器的各功能 組成模塊及工作原理。 根據(jù)

2、電熱水器工作原理進行控制器的硬件電路設(shè)計和軟 件設(shè)計。最后深入介紹了控制器的調(diào)試方法和過程，以及對整個控制器的設(shè)計 與實現(xiàn)工作進行總結(jié)。硬件電路設(shè)計中充分利用 51 單片機的特點，主要對水 溫控制、水位控制和漏電檢測模塊進行了詳細地分析設(shè)計。其中，通過采用自 制分段式水位傳感器，實現(xiàn)了水位測量的低成本設(shè)計；對水溫控制進行了完整 的理論分析和算法設(shè)計，測量精度達到 c；通過分析漏電檢測原理，在理論 計算基礎(chǔ)上設(shè)計了漏電檢測電路。 軟件部分在硬件平臺的基礎(chǔ)上實現(xiàn)電熱水器 的控制工作，包括液晶顯示程序、按鍵掃描程序、水位控制程序、溫度控制程 序、漏電檢測程序以及聲音提示程序等。本系統(tǒng)在軟硬件設(shè)計的基

3、礎(chǔ)上， 使用了計算機仿真演示。 通過計算機仿真， 該控制器可以實現(xiàn)對水位控制、溫度控制等功能，并能動態(tài)監(jiān)測電熱水器工作 狀況，這也驗證了此設(shè)計的正確性。關(guān)鍵詞】 電熱水器 漏電檢測 溫度控制 水位控制AbstractWith the improveme nt of quality of peoples lives, people s dema nd for wateheaters tend to be more intelligent and digital. Among them, whether the electric water heater con troller performa

4、nee is good or not is not only the embodime nt of the water heater performa nee, but also related to pers onal safety and other importa nt content. Therefore, the electric water heater controller design is not only the need of intelligent water heater; but also is an important part of electric water

5、 heater.Firstly with the electric water heaters curre nt developme nt situati on and trend,the purpose and sig nifica nee of the electric water heater con troller was in troduced in this paper. Based on determining the control parameters, the functional component and the working principle of the con

6、troller were introduced in detail. The controller hardware and software were designed by knowing the working prin ciple of the water heaters. Fin ally, the paper described the debuggi ng process and method in detail, the desig n and impleme ntati on of the con trol system also was summarized. Full u

7、se of features 51MCU in hardware desig n, mainly an alysis the water temperature con trol, water con trol and leakage detect ion module in detail .Among them, the water temperature control for a complete theoretical analysis and algorithm design, measurement accuracy of 1 C , throughe use of home-ma

8、de sub-type level sen sors, level measureme nt and display to achieve a low-cost desig n. By an alyz ing the leakage detect ion prin ciple, we desig n the leakage detecti on circuit based on the theoretical calculati on. Software comp onents could con trol the electric water heaters based on the har

9、dware platform, which in cludes liquid crystal display program, key sca nner, water level con trol procedures, temperature con trol procedures, leakage test proceduresa nd procedures for voice prompts.The system use computer simulati on shows based on hardware and software design. Through computer s

10、imulation, the controller can realize the water level detectio n, temperature detecti on and other fun cti ons, and can dyn amically mon itor the work ing con diti ons of electric water heaters, which also verified the correct ness of this desig n.【Key words 】 Electric water heater leakage detection

11、temperature controlwater line control目錄前 言 -.0. -第一章 緒論 -.1. -第一節(jié) 電熱水器發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1- -一、電熱水器發(fā)展現(xiàn)狀 -.1 -二、電熱水器控制技術(shù)歷程及趨勢 -.1 -第二節(jié) 課題研究的目的及意義 2- -第三節(jié) 本文研究的主要內(nèi)容 3-第四節(jié) 本章小結(jié) 4-第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計 -.5 -第一節(jié) 系統(tǒng)概述 5-第二節(jié) 硬件總體選型 6-一、主要元器件選型原則 -.6 -二、主要元器件選型 -.6 -第三節(jié) 軟件總體設(shè)計 7-一、單片機系統(tǒng)資源分配 -.7 -二、系統(tǒng)軟件總體設(shè)計 -.8 -第四節(jié) 本章小結(jié) 9-第三章

12、系統(tǒng)實現(xiàn) -.1. 0 -第一節(jié) 硬件設(shè)計 1-0 -一、電源電路設(shè)計 -.10 -二、單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計 -.11 -三、人機交互電路設(shè)計 -.12 -四、水位控制電路設(shè)計 -.13 -五、溫度控制電路設(shè)計 -.15 -六、漏電檢測電路設(shè)計 -.16 -七、聲音提示模塊 -.18 -第二節(jié) 軟件設(shè)計 1-8 -一、液晶顯示程序設(shè)計 -.18 -二、按鍵掃描程序設(shè)計 -.21 -三、水位控制程序設(shè)計 -.22 -四、溫度控制程序設(shè)計 -.22 -五、漏電檢測及聲音提示程序設(shè)計 -.25 -六、控制策略程序設(shè)計 -.25 -第三節(jié) 本章小結(jié) 2-7 -第四章 系統(tǒng)測試與分析 -.28 -第一

13、節(jié) 硬件調(diào)試 2-8 -一、靜態(tài)調(diào)試 -.2. 8 -二、動態(tài)調(diào)試 -.2. 9 -第二節(jié) 軟件調(diào)試 2-9 -一、先獨立后聯(lián)機 -.30 -二、先分塊后組合 -.30 -三、先單步后連續(xù) -.30 -第三節(jié) 仿真演示 3-1 -一、仿真軟件簡介 -.31 -二、系統(tǒng)仿真測試過程 -.32 -第四節(jié) 本章小結(jié) 3-4 -第五章 結(jié)論-.3. 5 -致 謝-.3. 6 -參考文獻 -.3. 7 -附 錄-.3. 9 -一、英文原文 3-9 -二、英文翻譯 4-5 -三、系統(tǒng)電路 5-0 -四、源程序5. 1- -五、其它6. 1- -隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展， 熱水器已經(jīng)成為人們生活中必不可少的家

14、用電 器之一。電熱水器具有無污染、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。有專家預(yù)計，借家電下鄉(xiāng)等國家政策扶持，農(nóng)村三、四級 市場的拓展，以及行業(yè)技術(shù)升級、企業(yè)管理升級， 2010 年至 2015年我國電熱 水器的需求量將呈現(xiàn)遞增趨勢，市場保有量將呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的增長態(tài)勢1。目前市場上有兩種電熱水器，連續(xù)水流式和貯水式。前者雖具有加熱速度 快和體積小等優(yōu)點，但功率太大，大多數(shù)家庭的供電線路難以承受。而市場上 貯水式電熱水器大多數(shù)采用機械式控制器，存在控溫精度低、加熱時間長、可 靠性差、功能單一、操作復(fù)雜、控制不方便等不足，很多控制器只具有水位和 溫度顯示功能，不具有控制功能。

15、另外，電熱水器安全也是大問題，普通電熱 水器多采用外配漏電保護器，有漏電發(fā)生時切斷電源。但一般漏電保護器質(zhì)量 參差不齊，漏電保護可靠性差，需要用戶人工定期測試保護可靠性，這樣用戶 無法實時知道漏電保護器的可靠性。針對上述情況，利用單片機作為控制器的 核心，可設(shè)計出一種多功能的電熱水器控制器。本文設(shè)計了一種智能電熱水器 微控制器，可以實現(xiàn)人機交互、水位控制、溫度控制和漏電實時檢測，若漏電 時可同時切斷加熱管及控制器電源，并發(fā)聲報警提示；熱水器干燒報警，控制 器故障指示等多種實用功能，方便用戶使用。第一章 緒論第一節(jié) 電熱水器發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢一、電熱水器發(fā)展現(xiàn)狀經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，整個熱水器

16、行業(yè)已經(jīng)從最初的小而少發(fā)展到現(xiàn)在的 大而多，產(chǎn)品類型也隨著技術(shù)不斷成熟，由最初的燃氣熱水器獨領(lǐng)風騷發(fā)展到 今天的燃氣式、電熱式、太陽能、空氣源熱泵等多種類型。隨著全球經(jīng)濟快速 發(fā)展，中國電器制造業(yè)的迅猛發(fā)展及城市建設(shè)步伐的不斷加快，為熱水科技產(chǎn) 業(yè)帶來了無限商機。目前，創(chuàng)新、安全、節(jié)能、高效已成為熱水器行業(yè)間競爭 的焦點及發(fā)展趨勢。據(jù)調(diào)查，中國熱水器的普及率只有 70左右。目前， 46.6的居民家庭表 示要在未來 5年中購買或更換熱水器。 未來 5年內(nèi)我國城市熱水器需求量將平 穩(wěn)增長，達到 4660 萬臺，熱水器行業(yè)即將迎來新一輪的消費高峰 2。據(jù)國務(wù) 院發(fā)展研究中心市場經(jīng)濟研究所推出的 “中

17、國城市熱水器市場研究咨詢報告 顯示，未來三年，我國熱水器市場將繼續(xù)保持平穩(wěn)發(fā)展的態(tài)勢，年增長保持在 6左右。就中國的具體情況而言， 太陽能熱水器由于安裝位置的局限性，只適用于 居住在頂樓的居民，且受天氣原因的限制，使用范圍狹窄；燃氣熱水器由于必 須分室安裝，且須由專業(yè)人員安裝，并且燃氣熱水器不易調(diào)溫，需定期除垢， 在使用中還易產(chǎn)生有害氣體， 特別是使用液化石油氣和人工煤氣型的直排式燃 氣熱水器，會產(chǎn)生輕度油煙，嚴重時甚至?xí)＜吧?。因此燃氣熱水器是一種 人命關(guān)天的特殊產(chǎn)品， 即使有百分之一的疏忽， 帶給用戶的危險將是百分之百。根據(jù)中國商業(yè)聯(lián)合會前不久的統(tǒng)計， 電熱水器的市場份額在銷售數(shù)量和銷

18、售收入兩個方面都已經(jīng)超過了長期以來占優(yōu)勢的燃氣熱水器。該中心預(yù)計，在 城市電網(wǎng)更大范圍改造和城市住房市場大規(guī)模啟動的帶動下， 今后幾年我國電 熱水器市場將呈現(xiàn)強勁增長勢頭。二、電熱水器控制技術(shù)歷程及趨勢目前市場上的電熱水器分連續(xù)水流式和貯水式， 前者雖具有加熱速度快和體積小的優(yōu)點，但需要的功率大，大多數(shù)家庭供電線路難以承受。而市場上傳 統(tǒng)的機械式電熱水器控制功能不完善，而且精度低、可靠性差，生活質(zhì)量的提 高使得消費者對電熱水器功能提出延伸至全新的概念層面。 熱水器技術(shù)未來將 繼續(xù)朝著以下幾個方面發(fā)展： 智能化：從最初的手動旋鈕調(diào)節(jié)發(fā)展到如今數(shù)字化調(diào)節(jié)方式； 節(jié)能技術(shù)：從最初機械結(jié)構(gòu)上的保溫節(jié)能

19、到控制技術(shù)上的定時加熱或 分步加熱技術(shù)轉(zhuǎn)變，由于在水溫很高時熱量流失較快，所以未采用該類技術(shù)的 產(chǎn)品需要長時間在高溫區(qū)反復(fù)加熱，不僅啟動頻繁，而且耗電量很大，如果用 戶可根據(jù)自己的實際需要設(shè)定好規(guī)定時段以進行定時倒計時加熱， 則能將保溫 耗電降至最低； 安全穩(wěn)定性： 由于電熱水器不同于一般的家電產(chǎn)品， 涉及到人身安全， 所以安全問題一直是各大廠家考慮的重點。 隨著現(xiàn)在各種安全技術(shù)在電熱水器 設(shè)計中的普遍應(yīng)用， 用電環(huán)境的日益規(guī)范， 以及國家對電熱水器實行強制認證， 安全技術(shù)已經(jīng)成為衡量電熱水器的重要標準。 其中安全技術(shù)主要體現(xiàn)在能自動 檢測熱水器是否處于正常工作狀態(tài)，并具有調(diào)溫、恒溫、防干燒、

20、防超高溫、 防漏電等多項自檢功能，使用戶在使用過程中安全更有保障。此外，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展， 無線遠程控制也將是新一代電熱水器的 發(fā)展方向，用戶可以通過任何一部雙音頻固定電話或手機遙控熱水器的開 /關(guān)、 溫度設(shè)定等，并可查詢熱水器的工作狀態(tài)。 現(xiàn)在市場上較為先進的儲水式電熱 水器能實現(xiàn)上述等功能，但仍難以滿足人們對現(xiàn)代化家電的使用要求。在現(xiàn)如 今眾多的控制手段中，要滿足低價格、高性能、尤其是智能化的要求，采用典 型的嵌入式控制系統(tǒng)單片機為核心的控制器應(yīng)為首選。第二節(jié) 課題研究的目的及意義傳統(tǒng)家用電器較為典型的有空調(diào)機、電冰箱、吸塵器、電飯煲、洗衣機、 消毒碗柜等。新型家用電器有電磁爐、微波

21、爐、電烤箱等。無論是新型家用電 器還是傳統(tǒng)家用電器，其整體技術(shù)都在不斷地提高，其中外觀、材料、工藝、 結(jié)構(gòu)、器件、原理、功能及微電子技術(shù)的應(yīng)用都有很大的變化。因此，家用電 器的總體水平和品質(zhì)呈不斷上升趨勢。家用電器的進步，關(guān)鍵在于采用了計算 機控制技術(shù)，從而使家用電器從一種機械式的用具變成了一種具有智能的設(shè) 備。智能家用電器體現(xiàn)了家用電器目前最新的面貌和水平。嵌入式家用電器由于單片機有體積小、功能強、可靠性高的明顯特點，因 而可以構(gòu)成一個體積很小的控制器并嵌入到家用電器內(nèi)部。以單片機為核心所構(gòu)成的控制器可以看作是家用電器的一個零件，這種結(jié)構(gòu)方式就產(chǎn)生了嵌入式 家用電器。嵌入式家用電器有兩種不同

22、的類型，一種是非智能式的家用電器， 一種是智能式的家用電器。嵌入式非智能家用電器也稱電腦型家用電器。在這 種家用電器中，單片機只對家用電器進行功能性的控制，也就是說，其控制作 用只是實現(xiàn)家用電器的基本功能。過去的電腦型電熱水器，就是很典型的非智 能家用電器。在這種電熱水器中，單片機是不考慮熱水器貯水量的多少，它只 是控制電阻絲加熱，當貯水罐的水溫達到一定溫度時，則馬上停止全功率加熱， 進入低功率保溫。單片機的存在，只是設(shè)置了延時開關(guān)、紅綠燈狀態(tài)顯示等一 些輔助性的功能，并沒有實質(zhì)性的改進。 這類家用電器雖然有單片機這樣的嵌 入式器件存在，但其控制功能未能反映人類的任何智能性活動，所以，一般稱

23、為非智能家用電器。嵌入式智能家用電器也簡稱為智能家用電器。在這種家用 電器中，單片機不單對家用電器的基本功能進行控制，而且還模擬人智能活動 的過程對熱水器進行溫度、水量和穩(wěn)定性進行控制。基于以上電熱水器特性的分析，可以從電熱水器的智能化、節(jié)能技術(shù)以及 安全穩(wěn)定性等這些方面對電熱水器控制器進行設(shè)計。本課題研究有如下的重要意義： 有助于提高電熱水器整體性能； 可以提高電熱水器使用的安全性； 現(xiàn)了電熱水器智能化的發(fā)展方向； 有助于改善人們生活質(zhì)量。第三節(jié) 本文研究的主要內(nèi)容本設(shè)計首先介紹了電熱水器控制器的系統(tǒng)組成和工作原理；在確定工作原理的基礎(chǔ)上引出了電熱水器控制裝置的硬件設(shè)計，主要有直流穩(wěn)壓電源設(shè)

24、計、 單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計、人機交互電路設(shè)計、水位控制電路設(shè)計、水溫控制 電路設(shè)計和漏電檢測電路設(shè)計，其中詳細分析了電源電路中各個器件的作用， 功率器件的驅(qū)動電路設(shè)計過程和漏電檢測電路的理論計算；根據(jù)電熱水器功能實現(xiàn)的需要進行控制器的控制策略與軟件設(shè)計， 主要包括主程序設(shè)計和中斷程 序設(shè)計，其中主程序設(shè)計有水位控制程序設(shè)計、水溫控制程序設(shè)計、人機交互的程序設(shè)計和漏電檢測及聲音提示程序設(shè)計；最后介紹了控制器的調(diào)試方法和 調(diào)試過程，結(jié)尾論述了主要結(jié)論。通過對各方面資料整理、分析、總結(jié)，結(jié)合電熱水器控制原理，本論文提 出了一種電熱水器控制器系統(tǒng)的設(shè)計方案。其內(nèi)容分為以下幾個方面：第一章，結(jié)合當前電

25、熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢， 介紹了電熱水器控制 器研究的目的及意義。第二章，總體介紹了智能電熱水器控制器硬件和軟件知識，包括系統(tǒng)模塊 框圖、主要元器件選型以及主程序流程圖等。第三章，分別從硬件和軟件兩個方面詳細介紹了智能電熱水器控制器的實 現(xiàn)。第四章，通過焊接的電路，按照提出的測試方法對控制器功能進行測試和 分析，并運用仿真軟件進行仿真演示。第五章，總結(jié)了本次畢業(yè)設(shè)計所做的主要工作和系統(tǒng)設(shè)計中的不足。第四節(jié)本章小結(jié)本章首先介紹了熱水器發(fā)展現(xiàn)狀，尤其是中國電熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀，接著 又介紹了未來電熱水器的發(fā)展趨勢，引出了研究電熱水器控制器設(shè)計的目的和 意義，最后總體介紹了本論文研究的主要內(nèi)容。第

26、二章系統(tǒng)總體設(shè)計第一節(jié)系統(tǒng)概述智能電熱水器控制器（以下簡稱控制器）用于控制熱水器在安全狀態(tài)下工 作，控制熱水器水位、水溫度，并且將檢測到的信號測量值通過液晶顯示屏顯 示，實現(xiàn)電熱水器的控制功能。根據(jù)控制器所需完成的控制功能，控制系統(tǒng)模塊框圖如圖2.1所示。包括電源模塊、51單片機最小系統(tǒng)模塊、人機交互模塊、水位控制模塊、溫度控制 模塊、漏電檢測以及聲音提示模塊等七個模塊。其中，電源模塊為系統(tǒng)提供 +12V和+5V電源；51單片機最小系統(tǒng)模塊是整個系統(tǒng)的核心控制部分，用于 完成系統(tǒng)的控制功能；人機交互模塊實現(xiàn)單片機和外部的信息傳遞，包括液晶 顯示模塊和按鍵模塊，通過這兩個模塊進行系統(tǒng)控制策略的選

27、擇；水位控制模 塊實現(xiàn)水位的檢測和控制，包括水位檢測電路和電磁閥控制電路；溫度控制模 塊實現(xiàn)溫度的檢測和控制，包括溫度檢測電路和加熱電路；漏電檢測模塊用于 檢測是否漏電，使熱水器在安全的狀態(tài)下使用；聲音提示用于發(fā)音提示熱水器 當前狀態(tài)。圖2.1系統(tǒng)模塊框圖本系統(tǒng)采用 51 單片機為核心控制器對整個系統(tǒng)進行控制，其控制過程如 下：首先通過人機交互模塊設(shè)定系統(tǒng)的控制策略，接著通過水位控制模塊對電 磁閥進行進水控制，同時通過水位檢測模塊檢測水箱中水位，然后通過溫度控 制模塊對加熱電阻進行控制，同時通過溫度檢測模塊檢測水箱中溫度，并實時 通過顯示模塊將水位、溫度信號測量值發(fā)送給液晶顯示屏顯示，實現(xiàn)對熱

28、水器 的控制。第二節(jié) 硬件總體選型一、主要元器件選型原則元器件選擇必須要緊密結(jié)合功能需求和應(yīng)用對象。 主要元器件的選擇在考 慮滿足功能需求的同時，還必須要保證在特定環(huán)境下的穩(wěn)定性能，同時還必須 盡量降低成本。CPU的選擇具備以下特點：存儲器空間至少大于 4K;具有至少一個外部 中斷源；具有至少一個定時計數(shù)器；可編程 I/O 口。液晶顯示屏要求編程簡單，能顯示溫度和水位等信息，價格低廉。水位監(jiān) 測裝置要求安裝簡單，價格低廉。溫度傳感器要求低電壓供電、測溫范圍寬、安裝簡單、還要求數(shù)據(jù)為串行 方式以節(jié)約單片機端口資源。漏電檢測模塊中需要漏電電流互感器。由于泄漏電流通常為毫安級，且必 須用一匝穿芯的結(jié)

29、構(gòu)，用常規(guī)互感器在如此小的安匝數(shù)下很難進行測量。二、主要元器件選型 STC89C52RC:該芯片是ST公司生產(chǎn)的基于51內(nèi)核的8位微處理器， 片內(nèi)有8K的Flash, 3個定時器/計數(shù)器；2個外部中斷，32個可編程I/O線， 8個中斷源，一個串口通信模塊等資源 3，可以滿足本系統(tǒng) CPU 的要求; LCD1602:顯示2行，每行16個字符。每個字符由5X 7點陣構(gòu)成4。 DS18B20:溫度測量范圍為-55C+125C，可編程為9位12位轉(zhuǎn)換 精度，測溫分辨率可達0.0625C，分辨率設(shè)定參數(shù)以及用戶設(shè)定的報警溫度存 儲在 EEPROM 中，掉電后依然保存 5。由于使用單總線通信方式，節(jié)省 I

30、O 口 資源。 水位監(jiān)測裝置：用8根不銹鋼針分別置于水箱內(nèi)的8種不同高度的位 置，當某個鋼針不接觸水面時，其輸出為高電平；當其與水面接觸時則輸出低 電平。它們的輸出接至CPU的引腳，CPU對這些引腳進行判斷后，送去顯示 相應(yīng)的水位值，這種方法省去了傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器。顯示共分8檔，每檔為滿 水位的12.5%。 漏電互感器簡介：漏電保護器主要由檢測元件、中間環(huán)節(jié)、執(zhí)行機構(gòu) 及自檢裝置等部分組成。漏電保護器的檢測元件就是漏電電流互感器檢測出的 漏電電流信號，經(jīng)中間機構(gòu)放大，推動執(zhí)行機構(gòu)動作，切掉電源，達到安全保 護的目的7。第二節(jié)軟件總體設(shè)計從圖2.1可以看出本應(yīng)用涉及的輸入輸出通道較多，因此在設(shè)

31、計中考慮到 了單片機的I/O通道的充分利用。對于只需要基本輸入/輸出功能的模塊盡量不 使用單片機特殊功能模塊的專用引腳。本系統(tǒng)軟件部分實現(xiàn)對熱水器的控制工 作，包括人機交互、水位的控制、溫度的選擇和安全檢測等功能。一、單片機系統(tǒng)資源分配單片機系統(tǒng)資源分配如表2.1所示，列出了本系統(tǒng)使用52單片機的所有的 I/O資源。包括人機交互模塊、水位控制模塊、溫度控制模塊、漏電檢測模塊 以及聲音提示模塊等五個模塊。表2.1單片機系統(tǒng)資源分配編號模塊名稱系統(tǒng)I/O資源占用表接口功能定義52單片機接口1人機交互模塊液晶顯示模塊P0.0-P0.7、P3.4、P3.5按鍵掃描P2.4-P2.72水位控制模塊水位檢

32、測P1.0-P1.7電磁閥P2.23溫度控制模塊溫度傳感器P2.0加熱電路P2.14漏電檢測模塊夕卜部中斷0P3.25聲音提示模塊蜂鳴器控制線P2.3在系統(tǒng)主要元器件選型確定之后，對單片機端口資源進行了定義，本系統(tǒng) 中單片機端口主要用于五個模塊，其中人機交互定義了液晶和按鍵掃描線，液 晶顯示定義了 LCD1602控制線和數(shù)據(jù)線，需要十個端口，按鍵掃描需要四個 按鍵，采用獨立按鍵方法設(shè)計電路，因此需要四個端口；水位控制模塊中定義 了水位檢測數(shù)據(jù)線和電磁閥控制線；溫度控制模塊定義了DS18B20控制線和加熱電路的控制線；漏電檢測線接到單片機內(nèi)部自帶的外部中斷接口；聲音提 示模塊也定義蜂鳴器的控制線

33、。在完成以上端口資源定義之后就確定了核心控 制器和外圍設(shè)備的連接方式，下一步的工作就是進行外圍電路的設(shè)計。、系統(tǒng)軟件總體設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計時采用模塊化程序設(shè)計的方法，按照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與各部分的 功能，將整個程序也劃分為多個功能模塊部分，分別進行編程，然后裝配在一 起。系統(tǒng)軟件部分主程序流程圖如圖2.2所示。圖2.2系統(tǒng)軟件部分主程序流程圖系統(tǒng)軟件部分主要實現(xiàn)對熱水器的控制工作，由液晶顯示程序、按鍵掃描 程序、水位控制程序、溫度控制程序、漏電檢測及聲音提示程序和控制策略程 序等七個部分組成。其中，液晶顯示程序顯示熱水器當前溫度和水位；按鍵程 序用于設(shè)置熱水器狀態(tài)；水位控制程序控制水箱的水位；溫度控制

34、程序控制熱 水器中水的溫度；漏電檢測及聲音提示程序用于實時監(jiān)測熱水器安全狀態(tài)，用 于當熱水器工作異常時聲音報警提示作用。第四節(jié)本章小結(jié)本章首先總體對熱水器控制器系統(tǒng)進行了描述，在確定控制參數(shù)的基礎(chǔ) 上，詳細介紹了控制器的各功能組成模塊及工作原理。根據(jù)實現(xiàn)功能提出了系 統(tǒng)硬件主要元器件選型原則，總體描述了選取的主要元器件，并對主控芯片的 引腳進行定義。最后對系統(tǒng)軟件部分進行了總體說明，根據(jù)控制策略設(shè)計軟件 主程序流程圖，主要包括水位控制程序設(shè)計、水溫控制程序設(shè)計、人機交互程 序設(shè)計和漏電檢測以及聲音報警提示程序設(shè)計等。第三章系統(tǒng)實現(xiàn)第一節(jié)硬件設(shè)計本系統(tǒng)硬件部分包括電源電路、STC89C52單片機

35、最小系統(tǒng)電路、人機交 互電路、水位控制電路、溫度控制電路、漏電檢測電路以及聲音提示電路等七 部分。電源電路為系統(tǒng)提供+12V和+5V電源；人機交互電路負責單片機和外 界信息的交流；水位控制電路實現(xiàn)控制水的液位；溫度控制電路實現(xiàn)控制水溫 度；漏電檢測電路負責檢測熱水器是否在安全的狀態(tài)下運行；聲音提示電路負 責熱水器在非安全狀態(tài)下時發(fā)出聲響提示用戶。硬件設(shè)計部分主要完成以上電路的設(shè)計， 包括各個電路的理論分析以及各 個電路與單片機的連接等等。、電源電路設(shè)計本系統(tǒng)需要兩種電源，分別是+5V和+12V。+5V用于52單片機、人機交 互電路、溫度檢測電路、水位檢測電路、漏電檢測電路等；+12V用于溫度控

36、制部分繼電器線圈和水位控制部分電磁閥。 本系統(tǒng)+12V電源直接通過外接12V 的電源得到；+5V電源通過LM7805穩(wěn)壓芯片將+12V電壓變成+5V。圖3.1是 電源的原理圖。11WVINVOUT1 N40 07+ C1GNDD1+ 12U178L0 5+5L+C30.1 uF丨 5.1 k3vccC2P1T1 000uF2PWIN3 -2J1 日CON2圖3.1 12V轉(zhuǎn)5V電源電路圖、D3VeLED圖中D1是防止電源正負極反接接入電路時損壞元件。D2的作用是當輸入 端對地短路時，其電位迅速接近零電位，而輸出端由于有大電容，儲存很多電 荷而來不及釋放，其電位仍接近輸出電壓值Vo，這時電容將通

37、過穩(wěn)壓器的輸出調(diào)整管釋放電荷，其PN結(jié)在高于7V的反向偏置電壓下會被擊穿。如果有 了保護二極管，就能及時將電容的電荷釋放，從而保護了穩(wěn)壓器。發(fā)光二極管D3起到指示燈的作用。在安裝時，要盡量使濾波電容C1和O.luF電容C3靠近穩(wěn)壓芯片，這樣可以有效地防止瞬態(tài)過電壓。C2用于濾除穩(wěn)壓芯片輸出處的紋波oD二、單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計STC89C52RC單片機最小系統(tǒng)包括52單片機芯片、時鐘電路和復(fù)位電路。 本系統(tǒng)52單片機芯片采用STC89C52RC,該芯片內(nèi)部有2個16位向上計數(shù)定 時/計數(shù)器，有四種工作方式；5個中斷源；一個串口通信接口； 32個I/O 口； 內(nèi)部RAM有256字節(jié)；內(nèi)部ROM有

38、8K字節(jié)9。時鐘電路通過內(nèi)部時鐘源提 供時鐘，外部只需要接一個振蕩電路，振蕩電路中的晶振頻率是12MHz。復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位方式，當單片機復(fù)位引腳檢測到至少24個時鐘周期的高電平時會自動復(fù)位系統(tǒng)，系統(tǒng)會重新啟動10 o STC89C52單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 原理圖如圖3.2所示。P101P112P123P134P145P156P167P178P3313七P321 212 口復(fù)位電路VCCC63 0pC530P_CY11 2MHZP371 7aP361 6nRES9U4P10P00P11P01P12P02P13P03P14P04P15P05P16P06P17P07INT1P20INT0P21P2

39、2T1P23T0P24P25EA/VPP26P27X1X2RESETRXDTXD 1RDALE/PWRPSEN31STC8 9 C52 RC1 918P3515P341438 P0137 P0236 P0335 P0434 P0533 P0632 P0721 P2022 P2123 P2224 P2325 P2426 P2527 P2628 P2710 P301 1 P31300 2939 P00+5R1 81CoP002P013P024P035P046P057P06 8P07 910k圖3.2 STC89C52單片機最小系統(tǒng)電路圖三、人機交互電路設(shè)計鍵盤與顯示部分是用戶和熱水器之間進行信息傳

40、遞的界面，用戶主要通過鍵盤實現(xiàn)對熱水器的控制操作，并通過顯示界面了解熱水器的工作參數(shù)與狀 態(tài)。用戶通過鍵盤進行的操作主要有設(shè)定水位和水溫度。顯示部分顯示設(shè)定水 位和水溫度，和當前熱水器工作狀態(tài)。另外在用戶查看或進行操作設(shè)定時提示 用戶當前顯示的是什么數(shù)值項。1、液晶顯示電路液晶顯示屏采用LCD1602。由于不需要從LCD1602讀取數(shù)據(jù)，直接將液 晶屏的讀/寫選擇端（RW）接地，表示始終選擇寫數(shù)據(jù)狀態(tài)。所以該電路中需 要引出10根線控制LCD1602，這10根線分別是數(shù)據(jù)/命令選擇端（RS）、使能 端（EN）以及8根數(shù)據(jù)線。圖3.3是LCD1602的控制電路。接口說明如下： 液晶1, 2端為電

41、源；15，16為背光電源； 液晶3端為液晶對比度調(diào)節(jié)端，通過一個10k電阻接地來調(diào)節(jié)液晶顯示 對比度。 液晶4端為向液晶控制器寫數(shù)據(jù)/寫命令選擇端，接單片機的P3.5口。 液晶5端為讀/寫選擇端，因為不從液晶讀取任何數(shù)據(jù)，只向其寫入命 令和顯示數(shù)據(jù)，因此此端始終選擇為寫狀態(tài)，即低電平接地。 液晶6端為使能信號，是操作時必需的信號，接單片機的P3.4口。3 其余714為數(shù)據(jù)口，接單片機P0口11。圖3.3LCD1602的控制電路2、按鍵電路本設(shè)計中的鍵盤采用獨立式鍵盤，每個按鍵占用單片機一個I/O 口。本系統(tǒng)有4個獨立的按鍵，用于用戶向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。這四個按鍵的功能分別是 功能選擇按鍵、加1按

42、鍵、減1按鍵和確認按鍵。按鍵電路原理圖如圖3.4所示12。VCC LED1尸產(chǎn)功能選擇鍵R4 P245.1 kLED2加1鍵R5P25一5.1 kR6 LED3戸/減1鍵R6 一 P265.1 kLED4戸產(chǎn)確認鍵R7P27_ 一75.1 k圖3.4按鍵電路圖四、水位控制電路設(shè)計根據(jù)電熱水器功能需要，將水位控制電路分為水位檢測電路和電磁閥進水 電路兩部分進行獨立設(shè)計。其中水位檢測電路采用自制傳感器，實現(xiàn)低成本水 位檢測；由于電磁閥的工作電壓為12V（功率為3W），單片機的工作電壓為5V， 電源不兼容且單片機端口輸出電流無法直接驅(qū)動電磁閥，所以需要一個驅(qū)動電路來連接單片機和電磁閥。1、水位檢測電

43、路水位檢測電路如圖3.5所示。水位傳感器可以自制，用8根不銹鋼針分別置 于水箱容積的8平分位置，在電極間加電流，電路簡單，直流電壓通過 470K電 阻和鋼針（無水開路，有水側(cè)有十幾 K電阻）分壓，鋼針上的壓降不大，當某 個鋼針不接觸水面時，其輸出為高電平；當鋼針與水面接觸時則輸出為低電平。 分別接入CPU的P1.0-P1.7引腳，CPU對這些引腳進行判斷后，送去顯示相應(yīng)的 水位值，這種方法省去了傳統(tǒng)的 A/D轉(zhuǎn)換器。顯示共分8檔，每檔為滿水位的 12.5%。2、電磁閥進水電路電磁閥進水電路如圖3.6所示。驅(qū)動電路采用達林頓管驅(qū)動繼電器，實現(xiàn) 單片機端口控制電磁閥電路。其中繼電器選用JQC-16

44、F,線圈電壓為12V，觸點部分可以承受14V20A的直流電13。圖中的 Q1是達林頓管，型號是TIP12214，進行強弱電的隔離實現(xiàn)繼電器的控制，其中D5是二極管起續(xù)流保護作用。R19起到提高單片機端口驅(qū)動能力。該電路的工作過程如下，當P22端口為高電平時，NPN達林頓三極管導(dǎo)通，驅(qū)動繼電器線圈產(chǎn)生電磁場，此時 繼電器的銜鐵被吸下，使得電磁閥接入 12V電源，電磁閥電路處于導(dǎo)通狀態(tài)， 電磁閥工作打開進水口。反之，P22為低電平時，電磁閥電路處于斷開狀態(tài)， 進水口關(guān)閉15。電磁閥通電時，處于導(dǎo)通狀態(tài)；電磁閥斷電時，處于關(guān)斷狀態(tài)。圖3.6電磁閥進水電路五、溫度控制電路設(shè)計在傳統(tǒng)的溫度測量系統(tǒng)中，一

45、般采用熱電偶或鉑電阻進行溫度測量。在這 些電路中，有這樣一些問題必須解決：為了進行準確的溫度測量，必須給鉑電 阻提供一個良好的恒流源；由于熱電偶出來的信號是模擬信號，所以此信號在 送給CPU之前必須先進行A/D轉(zhuǎn)換，然后再送給CPU進行處理;并且熱電偶 的信號很微弱，只有十幾毫安，因此在A/D轉(zhuǎn)換之前通常還需要進行增益放大， 因此，采用熱電偶和鉑電阻進行溫度測量，需要考慮很多問題，構(gòu)成的系統(tǒng)也 比較復(fù)雜。DALLAS公司推出的數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20很好地解決了這樣一些 問題，DS18B20采用單總線接口，只需占用單片機的一個I/O 口，其外圍電路 也非常簡單。并且DS18B20將測得

46、的溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，可以與單 片機直接相連，而不需進行信號放大和 A/D轉(zhuǎn)換，大大簡化了電路的設(shè)計，因 此系統(tǒng)采用了 DS18B20作為溫度傳感器進行溫度采集。1、溫度檢測電路使用DS18B20溫度傳感器采集溫度，DS18B20最大的特點是單總線數(shù)據(jù) 傳輸方式，DS18B20的數(shù)據(jù)I/O均由同一條線來完成。DS18B20的電源供電方 式有2種：外部供電方式和寄生電源方式。外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，而且電路也比較簡單，可以開 發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)。在外接電源方式下，可以充分發(fā)揮 DS18B20寬電源電壓范圍的優(yōu)點，即使電源電壓V

47、CC降到3V時，依然能夠保證溫度量精度。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/O 口線要接10K Q左右的上拉電16。在這里采用外部供電方式供電。DS18B20與芯片連接電路如圖3.7所示：SensoriDS18B2 0 三3 R8Mi 0kVCC圖3.7DS18B20溫度檢測電路圖2、加熱電路由于單片機端口驅(qū)動能力很弱，加熱電路采用繼電器控制方式，操作方便。 其中加熱器件參數(shù)是12V/45W （實際加熱棒為220V/1.5kW），由外部12V電 源直接給加熱器件提供電壓。加熱電路如圖3.8所示，原理同電磁閥控制電路。+12 VP2嚴21 kU6REL -12 V1 0kR2 3力n熱電阻AGN

48、D圖3.8加熱器件控制電路圖B六、漏電檢測電路設(shè)計1、漏電檢測原理熱水器工作環(huán)境潮濕，為了保證使用者安全，控制器應(yīng)具備漏電檢測功能 檢測原理如圖3.9所示，將火線和中線同時穿過一個環(huán)形磁芯，作為漏電互感 器的初級線圈，次級線圈數(shù)百匝輸出漏電信號。當系統(tǒng)沒有漏電時，電源輸入 線中的火線電流與中線電流完全平衡，次級漏電信號為零。當系統(tǒng)發(fā)生漏電現(xiàn) 象時，火線電流與中線電流將失去平衡，其合成電流就是漏電電流，次級漏電 信號的大小和漏電程度成正比24 o丈線電流TitleSizeA4Date:File:Nu mberRev isio nS枠毓Drawn By:3-Jun -2 0 1 0桌面全部原理圖設(shè)

49、計：1 2.3 ）. d db火錢 .電濟漏電信號圖3.9漏電檢測原理2、漏電檢測電路漏電檢測電路如圖3.10所示，設(shè)計使用一片LM358 （雙運放）。第一個運 放作放大器，第二個運放作比較器。為了在 5V電源下正常工作，將比較器的 參考電平（D點）選定為2.5V左右，運放的參考電平（B點）選定為3V左右， 這可以通過R19=3.9K，R15=1K, R2=5.1K來實現(xiàn)。漏電互感器輸出的信號加 在A和B兩點。當沒有漏電時，A、B、C三點電位相同（3V左右），比較器 輸出高電平。當有漏電現(xiàn)象時，C點出現(xiàn)放大的漏電信號，信號的負半波將C點的電位從3V向下拉低，只要漏電到達一定的程度，就可以使C點

50、的電位在某時刻低于D點的電位，使比較器輸出低電平，其下降沿就可以作為單片機的 外部中斷信號，使系統(tǒng)及時做出反映，切斷電源，避免出現(xiàn)嚴重后果。定量分析：設(shè)允許最大漏電流為Il（通常為數(shù)毫安，具體數(shù)據(jù)可查閱相關(guān)）， 規(guī)定漏電互感器次級的匝數(shù)為N，則次級電流為Il/N，產(chǎn)生的信號電壓為RiiIl/N，放大器的放大倍數(shù)為 K= VcVb = Rl5+Rl6，貝U C點最大下拉幅度為Va-VbR152KRiiIl，產(chǎn)生漏電中斷的條件是26:N2KRhIlR15、，=VccNR19+R15+R12（不必o R11可選實驗調(diào)試用一根導(dǎo)線穿過漏電互感器，從中通過數(shù)毫安的交流電流 用220V高壓，只需用幾伏特的

51、低壓交流電源串聯(lián)一個電阻就可以） 擇1K。左右調(diào)節(jié)可調(diào)電位器 R18，可調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)或 R15，直到出現(xiàn) 中斷信號七、聲音提示模塊蜂鳴器發(fā)聲驅(qū)動電路原理圖如圖 3.11所示。因為單片機的I/O 口驅(qū)動能力 弱，所以采用PNP三極管擴流電路驅(qū)動蜂鳴器，當P23口輸出低電平時，Q3導(dǎo) 通，蜂鳴器發(fā)出聲音。反之，蜂鳴器不發(fā)聲。第二節(jié)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計時采用模塊化程序設(shè)計的方法，按照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與各部分的1功能，將整個程序也劃分為多個功能模塊部分，分別進行編程，然后裝配在一 起。系統(tǒng)軟件部分主要實現(xiàn)對熱水器的控制工作，由液晶顯示程序、按鍵掃描 程序、水位控制程序、溫度控制程序、漏電檢測及聲音提

52、示程序和控制策略程 序等七個部分組成。一、液晶顯示程序設(shè)計本設(shè)計使用的1602液晶為5V電壓驅(qū)動，帶背光，可顯示兩行，每行 16 個字符，不能顯示漢字，內(nèi)置128個字符的ASCII字符集字庫，只有并行接口， 無串行接口。液晶屏LCD1602的顯示模式一般設(shè)置為16X 2顯示，5X 7點陣， 8位數(shù)據(jù)接口顯示狀態(tài)；光標顯示可按實際需要和個人偏好設(shè)定。1、寫操作時序圖圖3.13是LCD1602寫操作時序圖，分析可知操作LCD1602液晶的流程如下： 通過RS確定是寫數(shù)據(jù)還是寫命令。寫命令包括使液晶的光標顯示/不顯示、光標閃爍/不閃爍、需/不需要移屏、在液晶的什么位置顯示等等。寫數(shù)據(jù)是指要顯示的內(nèi)容

53、。 讀/寫控制端設(shè)置為寫模式，即低電平。 將數(shù)據(jù)或命令傳送數(shù)據(jù)線上。 給E一個高脈沖將數(shù)據(jù)送入液晶控制器，完成操作。關(guān)于時序中的延時基本都為納秒級，單片機操作最小單位為微秒級，因此 在寫程序時可以不做延時。“曲* tF ilwi圖3.13LCD1602寫操作時序圖2、初始化過程LCD1602初始化包括初始化以下寄存器：顯示模式寄存器、光標設(shè)置寄存 器和移屏寄存器。顯示模式寄存器通常設(shè)置 16X 2顯示，5X 7點陣，8位數(shù)據(jù) 口；光標設(shè)置可以設(shè)置是光標顯示或者是光標不顯示方式；整屏移動可以設(shè)置 整屏移動或者不移動。LCD1602初始化程序流程圖如圖3.14所示。初始化1602入口廠-V清屏設(shè)置

54、顯示模式1顯示位置設(shè)置設(shè)置光標奇存器1 T子程序結(jié)束:移屏寄存器丿T圖3.14 LCD1602初始化程序流程圖初始化LCD1602程序源代碼如下：初始化LCDvoid LCD_I nitial()LcdE n=0;LCD_Write(LCD_COMMAND,Ox38); 8 位數(shù)據(jù)端口，2 行顯示，5*7 點陣LCD_Write(LCD_COMMAND,Ox38);LCD_SetDisplay(LCD_SHOW|LCD_NO_CURSOR); / 開啟顯示，無光標LCD_Write(LCD_COMMAND, LCD_CLEAR_SCREEN);/ 清屏LCD_SetInput(LCD_AC_UP|LCD_NO_MOVE);/AC 遞增，畫面不動3、向LCD1602發(fā)送數(shù)據(jù)程序設(shè)計該子程序用于將8位數(shù)據(jù)發(fā)送至LCD1602控制器，圖3.15是該程序流程 圖。該程序的執(zhí)行過程如下：首先選中數(shù)據(jù)顯示的地址，然后輸入要顯示的數(shù) 據(jù)，當調(diào)用完以下兩個子函數(shù)，就會在對應(yīng)的位置顯示，實現(xiàn)對LCD1602的操作。圖3.15向LCD1602發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程圖向LCD1602發(fā)送數(shù)據(jù)程序源代碼如下:/液晶字符輸入的位置 void GotoX Y