基于单片机的热水器控制系统设计.docx

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基于单片机的热水器控制系统设计

济南大学泉城学院

毕业设计

题目基于单片机的热水器控制系统设计

学院工学院

专业电气工程及其自动化

班级1302班

学生李燕

学号2013011198

指导教师张兴达魏志轩

二〇一七年五月十六日

摘要

随着国民经济的迅猛发展，人们对生活质量的要求越来越高。

作为日常的家用电器，热水器成为了人们的关注对象之一。

传统的热水器只具有简单的加热、加水、亮灯指示等功能，难以满足人们的需求。

针对这一问题，本设计提出了一款基于单片机的热水器控制系统。

本次设计主要分为硬件系统设计和软件系统设计。

硬件系统设计主要包含了AT89S52单片机、电源电路、显示电路、指示灯电路、测温电路、水位检测电路、报警电路、遥控接收电路、注水继电器控制电路、复位电路、晶振电路、按键电路。

软件系统设计主要运用了C语言编写程序，KEIL软件和PROTEUS软件联合进行仿真。

旨在设计出一款可用遥控器自由设置温度范围和预约时间、LCD1602液晶显示温度和时间，且具备报警功能的智能热水器，热水器在工作时加热、加水、缺水等具有相应的指示灯，当热水器的水位达到水位上限时，蜂鸣器开始报警。

通过仿真与调试及实物制作，本次设计的热水器控制系统能够实现预设功能，本设计为进一步研究、应用提供了一定的数据参考。

关键词：

单片机；传感器；热水器

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofthenationaleconomy,people'squalityofliferequirementsaregettinghigherandhigher.Asadailyhouseholdappliances,waterheatershavebecomeoneofthepeopleconcernedabouttheobject.Thetraditionalwaterheateronlyhasasimpleheating,water,lightinstructionsandotherfunctions,itisdifficulttomeetpeople'sneeds.Aimingatthisproblem,thisdesignpresentsaintelligentcontrolsystemofwaterheaterbasedonsinglechipmicrocomputer.

Thisdesignisdividedintohardwaresystemdesignandsoftwaresystemdesign.HardwaresystemdesignmainlyincludestheAT89S52microcontroller,powercircuit,displaycircuit,indicatorcircuit,temperaturemeasurementcircuit,waterleveldetectioncircuit,alarmcircuit,remotecontrolreceivercircuit,waterinjectionrelaycontrolcircuit,resetcircuit,crystalcircuit,keycircuit.SoftwaresystemdesignmainlyusestheClanguageprogram,KEILsoftwareandPROTEUSsoftwarejointsimulation.Designedtodesignafreeremotecontrolcansetthetemperaturerangeandappointmenttime,LCD1602liquidcrystaldisplaytemperatureandtime,andhavethealarmfunctionofintelligentwaterheater,waterheaterintheworkofheating,water,waterandotherindicatorswiththecorresponding,whenWhenthewaterlevelofthewaterheaterreachestheupperlimitofthewaterlevel,thebuzzerstartstoalarm.Throughthesimulationanddebuggingandin-kindproduction,thisdesignofthewaterheatercontrolsystemcanachievethedefaultfunction,thedesignforfurtherresearch,applicationprovidesacertaindatareference.

Keywords:

Single-chip;sensor;waterheater

1前言

1.1选题背景及意义

当今社会，越来越多的科技成果被运用到热水器的制造中。

如今，热水器已经从一个简单的加热产品变成了科技含量高的现代化家电产品。

经过多年的发展和技术的积累，整个热水器行业不断涌现出新产品，热水器种类越来越多，从最初的燃气热水器，发展到了现在的燃气热水器、电热水器、太阳能热水器。

在热水器的使用效果上，更加人性化，功能也越来越丰富，甚至结合了最新的智能家居理念，智能化程度大大提高，给人们的生活带来了极大的方便。

随着国民生活水平的提高，人们的生活条件有了很大改善，智能化电器在人们日常生活中占有比重越来越大，与家庭生活密切相关的热水器品种层出不穷，花样翻新。

据统计我国热水器的销量在最近几年里一直以25%的增长率在增长，并且销售总额可能在未来的5年里达到500亿以上。

我国约有70%的城镇居民在使用热水器，26%的城市居民有购买热水器的计划，市场平均一年需要1000多万台热水器维持运行，中国热水器行业有一定规模的热水器生产企业大约就有200家[1]。

由此可见热水器在中国有广阔的市场，但热水器也衍生出了漏电，环保等一系列问题，近年来电热水器更是多次出现漏电伤人甚至致死事件，因此热水器的安全性一直为消费者所关注。

所以对热水器的改良是迫在眉睫。

由于单片机技术的迅速发展，越来越多的家用电器采用各种型号的单片机为控制核心，来完成和人类的交互，并通过相应的程序和内部运算，实现智能化的控制，使家用电器的操作更加人性化，控制更加智能化。

单片机是一种微控制器，体积小、功耗低、通过编程和外围电路设计，可以完成多种智能控制任务。

因此，在热水器中，广泛采用单片机作为控制核心，通过相应的温度传感器，在热水器的温度控制上达到更高的精度，完成了从最初的旋钮调节逐渐向数字化调节方向转变。

正是在这样的背景下，本设计选择基于AT89S52单片机的热水器控制系统进行设计研究。

本设计通过温度传感器，让热水器在对温度的控制方面有了更大的精度。

通过水位传感器，让热水器在对水位的检测方面有了进一步的发展。

在本设计中单片机控制并指示热水器的各种工作状态，当发生缺水、水温过高或过低等情况时能够及时给人们进行提示，从而防止了意外的发生，保障了用户的安全。

1.2国内外研究现状

相比较国外来说，热水器在中国的成长路程不长。

但如今中国已经成长为了生产热水器最大的国家，热水器年产量约为全世界的总和。

据了解，中国生产成功的首台热水器是在20世纪70年代位于江苏省南京市的玉环厂。

这台热水器的发明成功标志了中国人民用火烧水洗澡的年代结束了。

热水器产品种类大致分为燃气热水器、电热水器、太阳能热水器、空气能热水器4类热水器。

在这四类热水器中，燃气热水器是发展得最早的，它主要的优点是体积小，可以随开随用，且价格低廉，因为这些优点，它霸占了热水器销售市场很长一段时间。

但是由于它不能够装在浴室里，并且对安装的环境有很大的要求且安全系数不高，有可能会引发调节水温不便等缺点，如今的销售量已经大不如前了。

相比较而言，电热水器的使用时间较长，并且节能环保，安全。

由于我国现在极度地重视在科技的发展，并且不断地在挖掘技术方面的顶尖人才。

所以在热水器方面的研究成果也在不断创新，热水器在经过研究后不断完善，历经了好几次更新换代，且每次更新的产品性能都有很大的提升，给人们的生活提供了很大便利。

国内也相继出现了很多热水器品牌，如美的，海尔，万和等等。

其中，最出名的莫过于海尔最近研发出的国内第一款具有双重功能的智能热水器——A6银海象热水器，它身上的超强记忆能力是其最为突出的优点。

它能够在断电的时候自动记忆，就算是突然断电，系统也能够自动保存设置的参数，并且在下一次开机后可以恢复到以前的样子，不用重新输入数值，简单方便[2]。

除此之外，它还能自动保存和分析使用者最近一个月用水的数据参数，然后用最节约的方法提前为使用者准备热水，体现出了真正的节能。

据了解，国外对热水器的研发开展得比较早。

可以追溯到19世纪70年代，经过了100多年的发展，涌现出了很多性能优良的产品。

国外对智能热水器的主要研究成果有：

西门子智能电热水器，西门子家电集团采用西门子在电站技术上的强大防漏电安全技术为基础，开发出了独有的ELCB德国安全专家模式功能。

除具有正常的防漏电装置外，还具备安全电流自我检测功能，可随时检测防漏电系统是否正常工作，双重保险将个体与电源完全分开，杜绝了意外发生。

特别是还具备体贴的停电数据保留功能，就算停电48小时，也能自动记忆所有参数，让主人毫无后顾之忧。

全新的智能中温保温功能，彻底弥补了传统中温保温的缺陷，可根据设定水温、环境、季节的不同，自动地选择最节能的保温状态，缩短了加热时间，切实做到了省电节能。

2主要研究内容

2.1主要设计内容

本设计主要的控制芯片采用了AT89S52单片机，主要内容是研究设计热水器的控制系统，目的是使系统能够实现以下功能。

（1）用户可自己设置预约时间和温度上下限值，LCD1602能对当前水温和预约时间及温度上下限值进行显示。

（2）具备水位检测功能。

当发现系统当前水位低于热水器水位下限时，加水继电器吸合，开始加水；当发现系统当前水位高于热水器水位上限时，加水继电器断开，蜂鸣器开始报警。

（3）具有温度检测功能。

当发现系统当前水温低于设置的水温下限时，加热继电器吸合，开始加热；当发现系统当前水温高于设置的温度上限时，加热继电器断开，加热截止。

（4）具备声光报警功能。

黄灯亮表示系统需加水，红灯亮起表示系统缺水，绿灯亮起表示系统在加热，当检测到当前水位高于热水器水位上限时，蜂鸣器开始报警。

（5）具备红外遥控功能。

可在遥控器可控的范围内，利用遥控器设置温度上下限值及预约时间，执行与主板按键同样的功能。

2.2总体设计方案

本次研究设计的热水器控制系统总体设计方案主要分为硬件设计方案和软件设计方案，具体设计内容如下。

2.2.1硬件设计方案

在本次硬件设计中以AT89S52单片机为核心控制芯片。

在热水器工作时，温度上下限值及预约时间可利用遥控器或按键进行设置，设置完成后，LCD1602液晶显示屏能够将设置的数值进行显示。

采用防水型温度传感器DS18B20采集热水器的实时水温。

当采集到的温度小于设置的温度下限时，加热继电器吸合，开始加热。

当采集到的水温高于所设立的温度上限时，加热继电器便自动断开，加热自动截止。

利用水位传感器和LM393电压比较器检测上下水位，当检测到当前水位低于水位下限的时候，热水器加热停止，加水继电器吸合，开始给热水器加水，当检测到当前水位高于水位上限的时候，加水继电器断开，停止加水，蜂鸣器开始报警，实现报警功能[3]。

在本次设计中热水器加热、加水、缺水都有相对应的指示灯，红灯代表缺水，黄灯代表加水，绿灯代表加热。

本次设计的具体硬件设计框图如下图2.1所示。

图2.1系统硬件设计框图

2.2.2软件设计方案

软件设计是电路必不可少的一部分，同时也是整个系统的灵魂。

只有软硬件完美的配合才是一个完整的电路设计，在设计的时候，自己需要有一个明确的思路，知道自己需要做好那些工作，实现那些功能。

下面将着重介绍系统软件部分的设计方案，本次软件设计方案里的程序主要是通过C语言来进行编写。

以下是本次软件设计的具体思路。

（1）设计并确定本次设计需要实现的功能。

（2）根据功能绘制好程序流程图。

（3）依照需要实现的功能和程序流程图用C语言编写好程序。

（4）检查编写的程序是否有错误，有，则进行修改，无，则可开始运行程序。

（5）采用Keil软件对系统进行调试，Proteus软件进行仿真。

3硬件系统设计

本次设计的单片机硬件系统主要包括了两部分内容：

一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、定时器/计数器、报警系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，来设计相应的电路。

二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器件等，并且要设计合适的接口电路[4]。

由于本设计中AT89S52单片机自身满足本次设计的要求，所以不必对单片机进行额外的扩展。

本次设计的硬件系统主要包含了AT89S52单片机、测温电路、水位检测电路、遥控接收电路、显示电路、按键电路、报警电路、电源电路、指示灯电路、复位电路、晶振电路、注水继电器控制电路。

以上所有模块的功能作用如下：

AT89S52单片机的作用是协调模块工作；测温电路顾名思义是用来测量水温；水位检测电路是对系统水位进行检测；遥控接收电路执行的功能和按键一样，接收到信号后，可对温度和时间进行设置；显示电路主要是用来显示热水器的预约时间和当前水温及水温上下限值；按键电路是用来对水温和预约时间的数值进行设置；报警电路是当水位超过上限时，进行报警的；电源电路是为系统供电；指示灯电路主要负责对热水器的各种状态进行指示；复位电路的作用是让系统回到初始状态；晶振电路的作用是为系统提供时钟信号；注水继电器控制电路的作用是控制热水器是否加水；本次设计的主要硬件包括AT89S52单片机、液晶显示屏、加热和加水继电器、蜂鸣器、水位传感器，DS18B20温度传感器等。

3.1AT89S52单片机

本次设计的控制系统以AT89S52单片机为核心控制芯片。

AT89S52是一个带有可擦除存储器的低电压、高性能的微处理器，俗称单片机。

AT89S52具有以下标准功能：

4k字节Flash，256字节RAM，32位I／0口，看门狗定时器，2个数据指针，2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[5]。

AT89S52单片机如下图3.1所示。

图3.1AT89S52单片机

3.2测温电路

测温电路采用的主要元器件是DS18B20，DS18B20是一家名为DALLAS的公司发明生产的。

它是一款体积很小的数字温度传感器，测量温度范围在－55℃～＋125℃，其测量温度的精确度达到了0.0625℃，DS18B20的2脚DQ为数字信号输入/输出端；1脚GND为电源地；3脚VCC为外接供电电源输入端[6]。

在本次设计中，采用温度传感器DS18B20采集热水器的实时水温。

温度传感器在工作的时候，如果检测到温度大于设置的上限温度值，就会将检测到的温度传给单片机，此时加热的继电器断开，系统自动停止加热；如果检测到温度小于设置的下限温度值，则加热指示灯亮，加热的继电器吸合，系统自动开始加热，热水器开始工作。

测温电路图如图3.2所示。

图3.2测温电路

3.3水位检测电路

水位检测电路主要用了2个水位传感器和LM393电压比较器一起组成，主要用来检测热水器的上下水位。

LM393电压比较器只要有电源就可以工作，工作时的电源电压范围非常广，它是一种双电压比较器集成电路[7]。

在本次设计中，当检测到水位低于下限水位时，会将检测的水位信息传递给单片机，系统会停止加热并且会自动开启加水继电器，让加水继电器吸合加水，若检测到的水位高于上限水位的时候，加水继电器自动断开，不再加水，蜂鸣器响应，开始报警。

本次设计的水位检测电路图如图3.3所示。

图3.3水位检测电路图

3.4遥控接收电路

BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，本设计中红外传感器接收到人体红外信号后，经过BISS0001处理，将其输出给单片机P3.3口，通过对P3.3电平的判断，实现对单片机外围电路的控制，可对预约时间和温度上下限值进行设置，与按键功能相同。

本次设计的遥控接收电路图如图3.4所示。

图3.4遥控接收电路图

3.5显示电路

显示电路采用了LCD1602液晶显示来对热水器当前温度和温度上下限值以及预约时间进行显示。

LCD1602液晶是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x2即32个字符。

其主要的特点是功能消耗低、体积小、轻薄、模块化。

并且因为其自带字符库，所以在显示方面的实现上只需要按照要求对其进行初始化、设定相关的显示位置和显示内容就可以了，操作简单[8]。

作为输出器件，LCD1602液晶显示屏在单片机系统的应用中具有以下几个优点。

（1）显示质量高。

液晶显示器的每一个点在收到信号后就一直保持一样的色彩和亮度，恒定发光，不需要像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新亮点。

因此，液晶显示器的画质高且不会闪烁。

（2）数字式接口。

液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口相接更加简单可靠，操作更加方便。

（3）体积小、重量轻。

液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻。

（4）功耗低。

相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。

在本设计中，LCD1602液晶显示的原理是利用了液晶的物理特性，通过电压对显示区域进行控制，只要有电就可以显示图形。

LCD1602液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。

具体的显示电路图如图3.5所示。

图3.5显示电路图

3.6按键电路

本次设计的按键电路采用了4个独立式按键，独立式按键的主要优点是任何一个按钮在工作的时候都不可能对别的I/O口线产生影响，并且所有的按钮都独自占据了一根I/O口线[9]。

独立按键的触发方式为低电平有效，在系统开启状态下，单片机相应端口保持高电平状态，当按键被按下，独立按键两端连通，然后接地，单片机相应的连接端口的电平被地线拉低，从而能够被单片机捕捉到按键动作。

4个独立按键分别是设定键、键值增加、键值减小、确认4个功能定义，通过这4个按键，能够为用户提供完整的参数设置功能。

按键主要用来设置水温的上下限值和预约时间，按键电路图如图3.6所示。

图3.6按键电路图

3.7报警电路

报警电路关系到使用者的生命安全，本次设计主要是通过控制蜂鸣器来进行报警，当检测到当前水位超过水位上限的时候，单片机便会利用驱动口将驱动电平输出，并利用三极管9012把驱动电流放大，从而驱动电流驱使蜂鸣器发出报警的声响[10]。

报警电路利用声音和灯光让人们注意到系统出现了问题，本次设计采用了声光报警。

报警电路图如图3.7所示。

图3.7报警电路图

3.8电源电路

电源电路按元件类型可分为电子管稳压电路、三极管稳压电路、可控硅稳压电路、集成稳压电路。

根据调整元件与链接方法，可分为并联型和串联型；根据调整元件工作状态不同，可分为线性和开关稳压电路。

电源电路主要的功能是为本系统的热水器供电，使系统能够正常工作，实现本次设计的功能。

本次设计的电源电路图如图3.8所示。

图3.8电源电路图

3.9指示灯电路

本次设计的系统采用了LED指示灯对系统出现的各种状态进行指示。

LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，LED指示灯是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件，它可以直接把电转化为光，发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。

它的基本结构是一块电致发光的半导体材料芯片，如果用银胶或白胶把它固化到支架上，然后用银线或金线连接芯片和电路板，四周用环氧树脂密封起来，可以起到保护内部芯线的作用，所以LED灯的抗震性能好[11]。

LED的运用领域涉及到手机、台灯、家电等日常家电和机械生产方面。

LED灯是一种新型的照明光源，以节能、健康、环保及寿命长的显著特点，受到了广大人民的青睐以及国家的大力扶持。

LED灯的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端连接电源负极，另一端连接电源正极，整个晶片被环氧树脂封装。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在P型半导体里空穴占主导地位，另一部分是N型半导体，在N型半导体里电子占主导地位。

当这两种半导体连接起来的时候，它们之间会形成一个P-N结。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后会以光子的形式发出能量，以上是LED灯发光的原理。

本次设计的指示灯电路图如图3.9所示。

图3.9指示灯电路图

3.10复位电路

本次设计的复位电路主要是利用了手动的方法完成。

当按下按键时RST直接与VCC相连，为高电平形成复位，同时电解电容C1被短路放大，按键松开时，VCC对电容充电，充电电流在电阻R7上，RST依然为高电平，仍然复位，充电完成后，电容相当于开路，RST为低电平，正常工作。

单片机复位电路的作用就跟我们使用的计算器里的归零按键相同。

主要是把系统的电路进行初始化，使系统电路回到初始状态。

除此之外，当单片机处于运行状态时，复位电路能够根据系统的需求自动地开始电路运行，若在电路运行的时候出现少许的干扰信号，导致程序发出的指令错误或使系统开始无序的运行时，展开复位操作，就可让单片机回到初始状态[12]。

本次设计的具体复位电路图如图3.10所示：

图3.10复位电路

3.11晶振电路

本设计采用了12MHz的晶振为系统产生所需的时钟信号，单片机所需要的时钟频率是由晶振和单片机内部的电路结合在一起产生出来的，所产生的时钟频率越高，单片机运行的速度越快。

任何一个单片机系统里都有晶振，通常来说晶振电路都接在反相放大器的两端[13]。

一般情况下，一个系统为了让各部分都保持一致，整个系统共用一个晶振。

本次设计的晶振电路图如图3.11所示。

图3.11晶振电路图

3.12注水继电器控制电路

继电器是一种经常应用在通讯设备、控制设备、机电一体化设备和电力电子设备中的电控制器件，它的被控制系统和控制系统两者之间可以进行互动。

继电器里大电流的工作主要是通过小电流来进行控制的，在电路中主要作用是保护、调节和转换电路，它是非常重要的控制元件[14]。

本次设计采用了5V的继电器，用来控制水位，主要由继电器、三极管和发光二极管组成。

当检测当前水位低于水位下限时，JDQ2输出高电平，三极管Q4导通，加水继电器吸合，指示灯亮，开始加热或加水。

当水位达到水位上限时，JDQ2输出低电平，三极管截止，继电器断开，停止加水和关闭指示灯。

注水继电器控制电路原理图如图3.12所示。

图3.12注水继电器控制电路图

4软件系统设计

4.1编程软件介绍

软件系统的设计对整个系统来说是不可或缺的，系统有了软件设计的程序，才能够执行指令，设计的硬件系统才能得到实现，完整的完成本次设计需要实现的功能，