智能恒溫電熱水器

1、智能恒溫電熱水器電子與信息工程學(xué)院 電子信息工程專業(yè)118552016033 林俊洪 指導(dǎo)老師：劉應(yīng)紅 【摘要】當(dāng)今熱水器作為人們生活中不可或缺的家用電器之一，而它的節(jié)能、安全、實(shí)用對(duì)我們的生活水平有著重要的影響。本設(shè)計(jì)基于更智能化的目的。無論水位過高或過低都可以實(shí)時(shí)監(jiān)控到，避免水資源的浪費(fèi)。同時(shí)恒溫控制使熱水器在一定的溫度下不工作，達(dá)到節(jié)約用電的效果。另外，智能熱水器整體防漏電，起到人身安全作用。本設(shè)計(jì)智能電熱水器主要用STC89C51單片機(jī)。主要有溫度傳感器、漏電傳感器、繼電器、水位傳感器等模塊。在軟件設(shè)計(jì)方面，采用C語言編程。本設(shè)計(jì)完善，基本操作簡(jiǎn)單易行。采用軟件設(shè)計(jì)來控制，不但能夠智能

2、檢測(cè)水溫，加熱，還可以提升整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性?！娟P(guān)鍵詞】溫度穿器、水位傳感器、繼電器、漏電傳感器、紅外遙控171. 引言隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，智能家居已經(jīng)進(jìn)入到了的日常生活中。人們對(duì)熱水器的要求也越來越高。安全可靠性、實(shí)用性、操作便捷、節(jié)能、智能化等等都已進(jìn)入人們的視野里。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，之前我國(guó)大部分以燃?xì)鉄崴鳛橹鳎細(xì)赓Y源有限并且會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，故漸漸地黯然失色?，F(xiàn)如今我國(guó)主要以電熱水器和太陽能熱水器為居多。雖說太陽能熱水器后勁十足但電熱水器風(fēng)頭正茂。相比之下，電熱水器更容易易調(diào)試裝，也不會(huì)限于天氣變化的影響，不受地方的不方便而限制，而且投入小。本文介紹一種智能熱水器的設(shè)計(jì)方案，該熱

3、水器系統(tǒng)應(yīng)用了三種傳感器，溫度穿器、水位傳感器、漏電傳感器，可以檢測(cè)缸里的水位、水溫以及整個(gè)系統(tǒng)是否存在漏電安全隱患。采用紅外遙控不僅使熱水器的控制更加簡(jiǎn)便，而且節(jié)約電能、保護(hù)環(huán)境、提高工作效率、持續(xù)穩(wěn)定的工作讓人們洗浴時(shí)隨心所暢，放松心情對(duì)人們的身體健康有利，而且符合當(dāng)今現(xiàn)代生活的快節(jié)奏需求。 2. 系統(tǒng)概述 本設(shè)計(jì)由多個(gè)模塊組成，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。主要通過單片機(jī)控制繼電器切斷電源讓其電熱棒和和水泵工作。2.1設(shè)計(jì)框圖智能熱水器基本分為七個(gè)部分，分別為溫度檢測(cè)、加熱電路、按鍵電路、遙控電路、顯示電路、漏電檢測(cè)電路如圖2-1所示：漏電監(jiān)測(cè)電路按鍵電路遙控電路單片機(jī)STC89C51顯示電路加熱電路溫

4、度檢測(cè)圖2-1 硬件流程圖2.2系統(tǒng)功能智能熱水器主要有以下的功能：采用LCD1602液晶顯示、液晶可以顯示設(shè)置溫度的上下限數(shù)值、工作的時(shí)間、還有實(shí)時(shí)的溫度；溫度上下限值設(shè)置有兩種方法：一種是手動(dòng)按鍵設(shè)置另外一種是通過紅外遙控設(shè)置當(dāng)溫度低于下限的時(shí)候，繼電器就會(huì)得電就會(huì)吸合，當(dāng)溫度高于上限的時(shí)候，繼電器就會(huì)失電斷開，加熱管停止加熱。兩個(gè)上下限水位傳感器：當(dāng)下限檢測(cè)到?jīng)]水時(shí)，水泵開始抽水。熱水棒也開始加熱當(dāng)上限水位檢測(cè)到水位時(shí)，水泵停止抽水?？梢詸z測(cè)整個(gè)系統(tǒng)是否存在漏電3總體方案的選擇與論證目前市場(chǎng)上的熱水器有電熱水器、太陽能等節(jié)能的一系列。3.1主控芯片方案一：本設(shè)計(jì)選用STC89C51單片機(jī)

5、芯片為核心的系統(tǒng) STC89C51芯片的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、體積小、效率高、而且價(jià)格實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)，在許多高科技領(lǐng)域都會(huì)有它的影子。用STC89C51單片機(jī)芯片為核心，和一些基本的電路如時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、顯示器件、按鍵等組成就可以應(yīng)用很廣。方案二：本設(shè)計(jì)選用PIC16C72單片機(jī)芯片為核心的系統(tǒng)PIC16C73微控制器主要的優(yōu)越性是它的精簡(jiǎn)指令集和所采用的哈佛結(jié)構(gòu)，雖然功能很強(qiáng)大，但是存在一些很需要改進(jìn)的地方它，中斷部分需要一段程序來實(shí)現(xiàn)，不過用直流控制電機(jī)是，就會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速太快，容易震蕩。 通過方案的對(duì)比，從實(shí)際成本角度和軟硬件實(shí)施的可行性來看，采用方案一系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行性更高，因?yàn)榉桨敢坏臒崴髦?/p>

6、能化更高，不僅可以保證使用的時(shí)候更安全，操作更方便而且可以滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰?.2 1602液晶 1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用 堯敏 基于單片機(jī)智能定時(shí)插座D大學(xué)生論文聯(lián)合比對(duì)庫20153.3 DS18b20防水探頭DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，具有體積小，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的優(yōu)點(diǎn)。DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后一般適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控

7、制領(lǐng)域。3.3 水位傳感器水位傳感器的作用是感知水深，分別由三極管跟幾條梳狀的PCB走線構(gòu)成的放大電路，并且會(huì)隨水的深度變化而變化的電阻，所以水的深度信號(hào)便轉(zhuǎn)換成電信號(hào)了，最后通過我們ADC功能就可以知道水的深度的變化了。3.4 繼電器繼電器一般由鐵芯、觸點(diǎn)簧片、線圈、銜鐵等組成的。通常有常閉或常開兩種狀態(tài)。其原理是線圈兩端加上一定的電壓，線圈中便會(huì)有電流流過，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)被電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯。 郭曉航 基于STC51單片機(jī)的家用智能電熱水器D大學(xué)生論文聯(lián)合比對(duì)庫2017便會(huì)帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。

8、3.5 無線紅外器紅外遙控器是利用波長(zhǎng)來傳送控制信號(hào)的遙控設(shè)備。常用的紅外遙控系統(tǒng)一般由發(fā)射和接收兩個(gè)部分組成。（1）發(fā)射部分的主要元件是紅外發(fā)光二極管。它的組成部分是一只發(fā)光二極管，因?yàn)閮?nèi)部材料不是普通發(fā)光二極管，所以在其兩端施加一定電壓時(shí)，射出的是紅外線 電子元器件培訓(xùn)-百度文庫 A.互聯(lián)網(wǎng)文檔資源.2012是不可見光。（2）接收部分是紅外接收二極管。讓其紅外接收二極管反向偏壓，就開始工作，同時(shí)紅外接收二極管實(shí)際工作是反向運(yùn)用，工作效率才會(huì)高。3.6 電源STC12C5A60S2允許輸入的工作電壓范圍為3.3-5.5V，要求穩(wěn)定的輸入電壓，故直接采用移動(dòng)充電寶電源外接USB可為本設(shè)計(jì)供電，

9、方便實(shí)用。4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1單片機(jī) 單片機(jī)顧名思義是最核心的，其又稱為單片微型計(jì)算機(jī)。主要有包括CPU、外部存儲(chǔ)單元 、內(nèi)部存儲(chǔ)單元、I/O接口集在同一芯片上。因?yàn)樾酒δ軓?qiáng)大、體積較小、工作穩(wěn)定和價(jià)格實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)。得到人們的認(rèn)可，因而得到了廣泛的使用和推廣。 圖 4-1單片機(jī)4.2復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)程序跑飛等異?，F(xiàn)象，這時(shí)就需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行上電復(fù)位，讓單片機(jī)重新初始化，同時(shí)為了調(diào)試的需要和系統(tǒng)的正常運(yùn)行，也要有手動(dòng)復(fù)位電路，單片機(jī)用的復(fù)位電路一般是輕觸開關(guān)來進(jìn)行按鍵復(fù)位，電路圖如4-2 圖4-2復(fù)位電路復(fù)位電路使用是5V電源，當(dāng)按鍵輕觸開關(guān)時(shí)，電容C1

10、開始放電，同時(shí)單片機(jī)RST管腳被置1，單片機(jī)被復(fù)位；當(dāng)松開輕觸開關(guān)時(shí)，電容C1便會(huì)開始充電，直至電容C1充滿電，單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。4.3晶體震蕩電路本設(shè)計(jì)采用的晶振是石英晶體振蕩器，其具有非常好的抗外界干擾的能力和頻率穩(wěn)定性，因此石英晶體振蕩器可以產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率的。單片機(jī)的震蕩頻率和時(shí)間是由基準(zhǔn)頻率精準(zhǔn)的控制。電路如圖4-3 圖4-3晶體震蕩電路4.4 按鍵電路本設(shè)計(jì)的按鍵采用獨(dú)立式按鍵，通過I/O口構(gòu)成組成按鍵電路，它的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)按鍵都占用一根I/O口線，在工作的時(shí)候不會(huì)影響其它按鍵的使用。這就是獨(dú)立式按鍵如圖4-4圖 4-4 鍵盤接口電路圖 4.5水溫檢測(cè)電路本文采用溫度傳感器DS18B2

11、0采集電熱水器的實(shí)時(shí)溫度, 提供給STC89C51的P2.2口作為數(shù)據(jù)輸入。水溫主要是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集。 羅廣照 基于單片機(jī)的家用電熱水器控制系統(tǒng)D大學(xué)生論文聯(lián)合比對(duì)庫2016其電路原理圖如圖4-5圖 4-5 水溫檢測(cè)電路4.6紅外接收電路由于紅外傳感器接收到紅外信號(hào)經(jīng)BISS0001處理后輸出輸給單片機(jī)P1.0口，TEL0表示接STC89C51是的P1.0口，所以通過對(duì)P1.0電平的判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)外圍電路的控制。紅外采集 孫俊 基于51單片機(jī)的智能足浴器D大學(xué)生論文聯(lián)合比對(duì)庫2015電路如圖4-6圖 4-6 紅外接收電路5軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)主要有主程序、定時(shí)程序、紅外遙控、漏電等模塊

12、子程序。期間主程序不斷的循環(huán)著調(diào)用子程序。定時(shí)程序、紅外遙控、漏電等不斷的檢測(cè)使能并反饋到芯片。芯片便做出相應(yīng)的電信號(hào)。5.1主程序流程圖 本設(shè)計(jì)主要是通過溫度的變化，讓其DS18b20防水探頭檢測(cè)到信號(hào)的變化，并將該信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。單片機(jī)收到信號(hào)后進(jìn)行處理，并做出反應(yīng)，水泵和熱水棒開始工作。如圖5-15.2 溫度檢測(cè)流程圖 當(dāng)水位傳感器和DS18b20防水探頭檢測(cè)到變化時(shí)將使能信號(hào)傳送到ADC0809芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)，再傳送到單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行處理并做出反應(yīng)。如圖5-2 圖 5-2 溫度檢測(cè)模塊流程圖5.3 溫度控制方面本設(shè)計(jì)上電后，便可以設(shè)定溫度的上下線溫度。當(dāng)DS18b20檢測(cè)到

13、溫度低于設(shè)定的下限溫度時(shí)電水棒得電開始加熱，當(dāng)溫度高于設(shè)定的上限溫度時(shí)，電熱棒失電停止加熱。如圖5-3 圖 5-3 溫度控制流程圖6系統(tǒng)調(diào)試一個(gè)系統(tǒng)能否投入使用還依賴于它的硬件和軟件調(diào)試過程是否成功，經(jīng)過調(diào)試以后系統(tǒng)的穩(wěn)定性才能確定，潛在問題才能被發(fā)現(xiàn)。6.1硬件調(diào)試 采取分塊調(diào)試，是初期階段調(diào)試系統(tǒng)的基石，也是查出問題的方法之一。6.1.1器件模塊檢測(cè)在設(shè)計(jì)完成之后，各個(gè)模塊進(jìn)行連接組裝完成時(shí)必須先檢查電路連線是否有誤。同時(shí)也要檢查電路設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)電路圖進(jìn)行檢測(cè)，從頭到尾順序的逐一檢查，特別是注意電源是否接錯(cuò)，電源與地是否有短接，集成電路的引腳是否接錯(cuò) 堯敏 基于單片機(jī)智能定時(shí)插座D大學(xué)

14、生論文聯(lián)合比對(duì)庫2015。對(duì)制作完成的電路板進(jìn)行檢測(cè)，用手輕微搖晃元器件，檢查焊點(diǎn)是否牢固，是否存在虛焊的現(xiàn)象等。用萬用表檢測(cè)是不是有短路和斷路現(xiàn)象。 6.1.2電源調(diào)試為了保證系統(tǒng)能正常穩(wěn)定的工作系統(tǒng)，供電的電源輸出電壓范圍在4V到5.5V之間內(nèi)才能確保對(duì)單片機(jī)正常供電。在電源通電之前，一定要檢查電路是否接錯(cuò)，檢查電路上焊接的元器件是否焊接正確，尤其是極性電容是否有接反，是否存在虛焊、短路等問題。檢查完成之后，接通電源，并用萬用表測(cè)量電源的輸出電壓以及負(fù)載時(shí)的電壓，得到其電壓值分別為5.1V、4.8V，符合系統(tǒng)的正常工作電壓要求。 堯敏 基于單片機(jī)智能定時(shí)插座D大學(xué)生論文聯(lián)合比對(duì)庫20156

15、.1.3水位傳感器的調(diào)試 將水位傳感器的下限放在杯子的底部，上限放在杯子的中間部位。使上下限有一定的高度差。當(dāng)下限水位檢測(cè)沒水時(shí)，水泵進(jìn)行抽水。當(dāng)上限水位傳感器檢測(cè)到水位時(shí)，水泵停止抽水。如圖6-1和圖6-2 圖6-1下限水位沒水時(shí) 圖6-2 上限水位檢測(cè)到有水6.1.4蜂鳴器電路的調(diào)試 當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)水位時(shí)，如果上限有水，下限沒水的錯(cuò)誤狀態(tài)時(shí)就會(huì)報(bào)警，系統(tǒng)就會(huì)判斷出來并做出反應(yīng)。蜂鳴器報(bào)警電路如圖6-3和6-4 圖6-3蜂鳴器電路 圖6-4蜂鳴器模塊6.1.5紅外遙控的調(diào)試紅外遙控接收器的主要作用是將遙控發(fā)射器發(fā)來的紅外光信好轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸出至遙控微處理器。由于紅外傳感器接收到紅外信號(hào)經(jīng)BIS

16、S0001處理后輸出輸給單片機(jī)P1.0口，TEL0表示接STC89C51是的P1.0口，所以通過對(duì)P1.0電平的判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)外圍電路的控制。 孫俊 基于51單片機(jī)的智能足浴器D大學(xué)生論文聯(lián)合比對(duì)庫2015紅外采集電路如下圖：圖6-5 圖6-5紅外器6.1.6防漏電測(cè)試當(dāng)熱水器在蜂鳴器鳴叫，紅燈使用過程中，漏電便是一件很危險(xiǎn)的事，本設(shè)計(jì)是采用一個(gè)繼電器進(jìn)行模擬是否漏電，當(dāng)按下按鈕表示漏電，蜂鳴器鳴叫，紅燈亮，按下復(fù)位鍵，重新工作圖6-6 圖6-6防漏電模塊6.1.6熱水棒的測(cè)試由于不同功率的熱水棒加熱的時(shí)間不一樣，下面是在相同的水量進(jìn)行檢測(cè)用的時(shí)間如下圖6-7 圖6-7熱水棒記錄 對(duì)于硬件

17、調(diào)試，有時(shí)候一個(gè)小小很明顯的東西，只是沒注意到。你就得花好長(zhǎng)的一段時(shí)間苦苦追尋原因。本設(shè)計(jì)在調(diào)試的時(shí)候，水位傳感器就被短路點(diǎn)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行不起來?？上攵?，硬件調(diào)試有多重要。6.2軟件調(diào)試 一個(gè)系統(tǒng)的特性和功能能否按期望的方式運(yùn)行，要求進(jìn)行軟件調(diào)試。6.2.1主程序調(diào)試軟件調(diào)試主要是對(duì)源程序語法和設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)的調(diào)試。程序用Keile C軟件寫好后，用該軟件的編譯功能檢測(cè)代碼是否有語法錯(cuò)誤或其他的錯(cuò)誤。當(dāng)程序中出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)編譯結(jié)果就會(huì)出錯(cuò)同時(shí)會(huì)提示錯(cuò)誤的地方及錯(cuò)誤的原因，根據(jù)錯(cuò)誤提示修改完善程序。在編譯軟件上完成對(duì)程序的調(diào)試后，在根據(jù)作品的功能要求按照流程圖分別測(cè)試各個(gè)功能。首先，測(cè)試紅外遙控

18、器部分功能，確認(rèn)程序能否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求。然后，對(duì)水位傳感器檢測(cè)到的水位單片機(jī)做出反應(yīng)，水泵抽水或不抽水。并對(duì)溫度進(jìn)行控制。6.2.水位上下限調(diào)試本次設(shè)計(jì)的水位傳感器通過一個(gè)LM393雙電壓比較器連接到單片機(jī)的P3.7口。6.3.漏電報(bào)警調(diào)試 由繼電器和按鍵組成，連接在單片機(jī)的P2.1軟件調(diào)試是基于發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，是開發(fā)整個(gè)系統(tǒng)的前者。7.本設(shè)計(jì)思路 資料:先在網(wǎng)上查找資料，篩選有用的信息。起初查找的時(shí)候很吃力，因?yàn)閯傞_始，范圍很大，閱讀信息量也很大。就有點(diǎn)不知所措。好在去圖書館借了專業(yè)相關(guān)的資料書才有了眉緒。 程序:編程其實(shí)對(duì)于我來說很難，因?yàn)槲冶旧砭筒辉趺磿?huì)，剛開始的時(shí)候我都有點(diǎn)打退堂鼓。編到第1

19、37行代碼時(shí)，就碰到問題比如確實(shí)定義了, 但是引用的時(shí)候拼寫錯(cuò)了, 或者大小寫錯(cuò)了。 沒有聲明的標(biāo)識(shí)符，卻給用了。所以有時(shí)候找了一天的bug，也找不出所以然來。 畫原理圖:先得下載仿真圖軟件，再根據(jù)本設(shè)計(jì)所需的的器件，一一對(duì)應(yīng)畫出來，雖然有些不懂的畫，嘗試了很多次沒能畫出來。但請(qǐng)教了一些學(xué)長(zhǎng)。最終還是畫出來。期間也碰到了不少難題。有時(shí)放置元件時(shí)，光標(biāo)在圖紙中心，元件卻在圖紙外、柵格選項(xiàng)設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)導(dǎo)致繪制導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線端點(diǎn)與管腳間留下難以察覺的間隙。元器件的標(biāo)注過多，導(dǎo)致混亂等 焊接電路板:先得把所需的元器件和工具準(zhǔn)備好，再仔細(xì)根據(jù)電路圖一一對(duì)應(yīng)焊接。剛開始焊的時(shí)候

20、，由于不熟練。焊的比較慢，導(dǎo)致一些元器件燒壞掉。在此期間也碰到了不少問題。比如說假焊、虛焊等得拿萬用表測(cè)，要不然發(fā)現(xiàn)不了，還有時(shí)候?qū)@原理圖焊，結(jié)果焊錯(cuò)了8.結(jié)論本次畢業(yè)設(shè)計(jì)智能熱水器，基本實(shí)現(xiàn)最終的功能和要求。在選材方面向著最實(shí)用為目的。同時(shí)在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)最終形成包括下面幾個(gè)過程:（1）明確畢業(yè)設(shè)計(jì)題目及意義。（2）在畢業(yè)設(shè)計(jì)開始階段查找有關(guān)的資料，大量閱讀為設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。（3）查找畢業(yè)實(shí)物要用的相關(guān)各個(gè)模塊元器件，并與其功能相同的進(jìn)行比較，最終選出最優(yōu)的。（4）根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)要輸寫出相應(yīng)的代碼，并進(jìn)行調(diào)試。（5）根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)相應(yīng)的畫出原理圖，燒入程序進(jìn)行模擬調(diào)試修改，最終導(dǎo)出PCB圖。（6）對(duì)元器件進(jìn)行焊接，然后對(duì)各模塊功能進(jìn)行調(diào)試修改。（7）最終完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的效果和要求。同時(shí)在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)也碰到了不少的疑問和困難。如下:（1）安裝相關(guān)軟件一直出問題，不能使用。（2）程序在軟件上模擬可以，燒到單片機(jī)上的時(shí)候就不行