基于单片机的电热水器毕业设计文档格式.docx
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该智能电热水器设计完善，实现方案简单易行。
采用软件设计来控制，可以实现检测水温及自动报警、加热，并且提高了整机的可靠性及准确性、安全性。
关键词：
单片机;
电热水器;
DesignofelectricwaterheaterbasedonMC
ABSTRACT：
ThisdesignasthecoretodesignintelligentelectricwaterheaterusingATEML'
sAT89C52microcontroller.Thedesignofsingle-chipmicrocomputertocontrolthepossibilityofrealizingintelligentelectricwaterheaterisanalyzed,theautomaticalarmtocompletethedesign,usingthetemperaturesensor.Thetwopartofthedesignisdividedinto,intheaspectofhardwaredesign,mainlyhascarriedonthedetailedintroductiontothesmallestsingle-chipsystemanditsextension,powersupplycircuit,interfacecircuit,keyboardandLEDdisplaycircuit,temperaturedetectioncircuit,heatingcircuit.Alsointroducedthepropertiesandcharacteristicsofthemainchiptodesignapplications,includingAT89C52,DS18B20etc..Insoftwaredesign,usingCprogramming,isduetoitseasyidentificationoftheMCU,speedofexecution.Theintelligentandperfectwaterheaterdesign,schemeissimpleandeasytorealize.Thesoftwaredesignedtocontrol,canrealizetheintelligenttemperaturedetectingandautomaticalarm,heating,andimprovesthereliabilityandaccuracyofthemachine.
Keywords:
single-chipmicrocomputer;
Electricwaterheater;
intelligence;
第一章绪论
1.1论文背景与意义
我国是热水器生产大国，由于消费水平的提高和人们对生活品质要求的提高，热水器已由一个高档的奢侈品成为一种必备的家庭用具，受到越来越多人的青睐。
然而热水器的种类很多，按能源分类热水器可分为电热水器、太阳能热水器和燃气热水器。
太阳能热水器就是以太阳能作为能源进行加热的热水器，它节能环保，但是安装复杂，并且受到安装场所的制约，只有有些家庭可以安装，而北方由于天气原因，使用此热水器的就更少了；
燃气热水器小巧，品种多，而且污染小，是目前最为常用的热水器产品之一，但如果家里之前没有安装过，重新安装比较麻烦，需要进行燃气和水的管道改造；
电热水器安装简单，不受气候、场所的限制，以其方便，安全无污染，保温时间长等优势受到越来越多人的认可。
电热水器看似简单，实际却是很难做好的一种家用电器，它的各个部分的设计如控制系统、水路、内胆制造、外壳、防烫伤装置等，都制约着电热水器的性能和发展。
根据最新统计，目前热水器（包括燃气、电、太阳能等）在中国城镇家庭中的普及率已达到75%，成为继彩电、洗衣机、冰箱、空调之后的第五大家用电器。
在产销量大幅增长的同时，整个热水器行业的技术含量也在同步提升。
而电热水器已经成为今后热水器市场的发展方向。
因为气价涨了，而电价却降了；
电热水器使用安全、卫生、又无污染。
今后几年我国电热水器市场将呈现强劲增长势头，其产品质量、技术水平、服务规范将不断提升，价格也会下降。
我国过去的热水器市场一直以燃气热水器为主，近年来电热水器逐渐占据了部分市场成为主导，并且代表了未来的发展趋势。
1.2研究现状和趋势
电热水器分为即热式和储水式两种，就是用电加热水的一种装置。
即热式电热水器，也叫快热式电热水器，指近几年一些生产厂家自行研制的专利产品或国外进口的技术含量较高的一些产品。
不但具有能够即开即热，省时省电，节能环保等诸多优点，更是因其具有比普通电热水器更为可观的经济效益，越来越受到广大家电生产厂家和经销商的青睐。
在热水器的发展过程中，安全技术成为带动整个行业向上提升的决定性力量。
除了对耐用性的要求不断追求，智能是今后技术发展的一个总体趋势，智能化技术的运用有两个好处。
一是更加方便，二是更加节能，按照用户的使用习惯提前预先加热，让使用者随心所欲享用热水，而在非用水时间则启动中温保温方程式，根据设定温度计算出最节能的保温温度，减少热水器内外温差，因而尽可能减少保温加热次数，真正做到更加省电。
1.3论文研究内容和重点
硬件电路的设计主要包含温度测量、温度显示、复位、微控制器四个模块。
这是整个设计中最最关键的部分，只有在硬件的平台上，电热水器才能实现预期的功能。
温度测量主要是通过温度传感器获取水的温度，当正常工作时温度传感器将一直检测水的实时温度，当温度达到预设的温度时，蜂鸣器发出警报。
温度显示主要单片机通过接收温度传感器的信息来控制数码管的显示。
复位系统主要是对单片机的一个复位更新的作用。
而整个硬件部分的主核心就是微控制器（也就是AT89C52），对整个电路系统的一个控制与信息的转换。
使得电热水器能够更加智能，方便。
1.4论文组织结构
全文共分五章，具体安排如下。
第一章绪论。
介绍了电热水器的研究背景，研究意义和研究现状，最后介绍了本文的主要研究内容。
第二章总体方案。
系统硬件概述，系统原理图设计并介绍单片机的接口应用。
第三章系统硬件。
介绍温度测量、温度显示、水位监测、按键电路、加热电路、电源电路主要的五个部分。
第四章系统软件。
分析了温度监测流程，温度显示流程、温度设定及按键流程。
第五章调试。
对硬件以及软件结合后的一个总体的调试过程分析。
第二章总体设计
2.1总体设计方案
电热水器控制系统的整体设计方案主要包括硬件设计方案和软件设计方案。
硬件是指以AT89C52作为整个控制系统的核心，再外接温度信号采集电路、实时时钟电路、热水器加热控制开关、LED显示电路、键盘、复位与看门狗电路组成。
根据本设计所需要的电热水器功能的需求，在节约开发成本、增加系统安全及可靠性、减小体积等原则下进行电热水器控制系统的硬件设计。
其系统硬件框图如图2.1所示。
图2.1系统硬件框图
系统主要采用52单片机AT89C52作为整个控制系统的主控模块，利用AT89C52的引脚连接其他的外部电路。
对于温度的测量根据其环境的特殊性，温度信号的采集主要由DS18B20直接对温度进行检测并把信息反馈到单片机进行显示控制；
键盘主要是用来设定开机时间、设定热水温度、定时加热时间、校准时钟，因此需设定四个按键；
而为了调高系统的性能，系统采用了看门狗复位电路；
对于温度及实时时钟的显示选择以LED数码管作为LED显示电路。
2.2方案论证
对于电热水器来说，硬件系统是它的最基本的框架，是系统的所有功能的基础。
硬件的选择和所选硬件的性能对系统的功能实现以及系统的精度都有直接的影响，系统的设计成功与否很大程度上取决于硬件系统的设汁与制作。
而温度时整个热水器的一个核心，所以温度的采集至关重要，将影响温度的显示及自动报警灯模块，以下是就温度采集硬件部分的方案的比较。
方案一：
采用热电式传感器对温度进行采集；
热电式传感器是将温度变化转化为电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。
通常把被测温度的变化转换为敏感元件的电阻变化、电势的变化，再经过相应的测量电路输出电压或电流，然后由这些参数的变化来检测对象的温度变化。
热敏电阻具有灵敏度高、体积小、较稳定、制作简单、寿命长、易于维护、动态特性好等优点。
但有变化率非线性，不适合测量高温区等缺点。
方案二：
采用DS18B20进行温度的采集；
DS18B20，直接将温度转换为数字信号传送给单片机。
电路简单，采集数据精确，温度采集范围在－55℃～＋125℃，适合我们设计所需。
2.3主要元器件的介绍
本毕业设计主要用的的元器件包含微控制模块（AT89C52）、数字温度传感器（DS18B20）、LED数码管显示、固态继电器等，以下是对主要元器件的一个介绍：
2.3.1微控制器模块
本系统主要是使用AT89C52现有的引脚连接外部的其它硬件电路，而由于对实时性和微控制器的处理速度要求不高，因此选择了具有低电压、高性能的AT89C52单片机。
它是一个CMOS工艺的8位单片机，片内含有8KB的掩膜ROM和256个随机存取存储器（RAM）单元，8位的通用中央处理器（CPU）和闪速存储单元，并且与52系列的其它产品有很好的引脚兼容，因此是一种性价比较高的单片机。
AT89C52主要性能说明如下：
32个I/O口线；
片内有8KB闪速存储器，256B内部随机存取存储器RAM；
3个16位定时/计数器，用于实现定时或计数功能；
中断系统为一个6向量两级中断结构；
一个可编程全双工串行通信口；
片内振荡器及时钟电路，全静态工作方式。
具有全静态工作方式表明它不一定要求连续的时钟定时，在等待内部事件期间，时钟频率可降至0Hz的静态逻辑操作[1]。
AT89C52的功能引脚说明：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口；
P1、P2、P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，其输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，而P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能；
RST是复位输入；
ALE/PROG是一个复用引脚，ALE是地址锁存允许，PROG是输入编程脉冲；
PSEN是外部程序存储器的读选通信号；
EA/VPP是外部访问允许；
XTAL1是振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端；
XTAL1是振荡器反相放大器的输出端。
2.3.2数字温度传感器DS18B20介绍
DS18B20的主要特性：
1、适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
2、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
3、DS18B20由多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
5、温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±
0.5℃。
6、可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。
7、在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。
8、测量结果直接输出数字温度信号，以”一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
9、负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
DS18B20工作原理：
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。
如图2.2，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
增加
停止
图2.2DS18B20测温原理框图
DS18B20的应用电路：
DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。
下面就是DS18B20几个不同应用方式下的测温电路图：
DS18B20寄生电源供电方式电路图如下面所示，在寄生电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量：
在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。
独特的寄生电源方式有三个好处：
（1）进行远距离测温时，无需本地电源；
（2）可以在没有常规电源的条件下读取ROM；
（3）电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温。
1、要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。
因此，图2.3电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。
并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。
图2.3寄生电源供电方式
2、DS18B20寄生电源强上拉供电方式电路图改进的寄生电源供电方式如下面图5所示，为了使DS18B20在动态转换周期中获得足够的电流供应，当进行温度转换或拷贝到E2存储器操作时，用MOSFET把I/O线直接拉到VCC就可提供足够的电流，在发出任何涉及到拷贝到E2存储器或启动温度转换的指令后，必须在最多10μS内把I/O线转换到强上拉状态。
在强上拉方式下可以解决电流供应不走的问题，因此也适合于多点测温应用，缺点就是要多占用一根I/O口线进行强上拉切换。
3、DS18B20的外部电源供电方式在外部电源供电方式下，工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。
注意：
在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。
外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。
站长推荐大家在开发中使用外部电源供电方式，毕竟比寄生电源方式只多接一根VCC引线。
在外接电源方式下，可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3V时，依然能够保证温度量精度。
2.3.3LED数码管显示
在单片机应用系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。
LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。
LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。
图2.4为0.5inLED数码管的外形和引脚图，其中七只发光二极管分别对应a~g笔段构成“
”字形另一只发光二极管Dp作为小数点。
因此这种LED显示器称为七段数码管或八段数码管。
图2.4LED数码管
LED数码管按电路中的连接方式可以分为共阴型和共阳型两大类，如图2.4示b、c所示。
共阳型是将各段发光二极管的正极连在一起，作为公共端COM，公共端COM接高电平，a~g、Dp各笔段通过限流电阻接控制端。
某笔段控制端低电平时，该笔段发光，高电平时不发光。
控制这几段笔段发光，就能显示出某个数码或字符。
共阴型是将各数码发光二极管的负极连在一起，作为公共端COM接地，某笔段通过限流电阻接高电平时发光。
LED数码管按其外形尺寸有多种形式，使用较多的是0.5in和0.8in；
按显示颜色也有多种形式，主要有红色和绿色；
按亮度强弱可分为高亮和普亮，指通过同样的电流显示亮度不一样，这是因发光二极管的材料不一样而引起的。
LED数码管的使用与发光二极管相同，根据其材料不同正向压降一般为1.5~2V额定电流为10mA，最大电流为40mA。
静态显示时取10mA为宜，动态扫描显示可加大，加大脉冲电流，但一般不超过40mA。
LED数码管显示电路在单片机应用系统中可分为静态显示方式和动态显示方式。
1.静态显示方式
在静态显示方式下，每一位显示器的字段需要一个8位I/O口控制，而且该I/O口须有锁存功能，N位显示器就需要N个8位I/O口，公共端可直接接+5V（共阳）或接地（共阴）。
显示时，每一位字段码分别从I/O控制口输出，保持不变直至CPU刷新显示为止。
也就是各字段的亮灭状态不变。
静态显示方式编程较简单，但占用I/O口线多，即软件简单、硬件成本高，一般适用显示位数较少的场合。
2.动态扫描显示方式
当要求显示位数较多时，为简化电路、降低硬件成本，常采用动态扫描显示电路。
所谓动态扫描显示电路是将显示各位的所有相同字段线连在一起，每一位的a段连在一起，b段连在一起…g段连在一起，共8段，由一个8位I/O口控制，而每一位的公共端（共阳或共阴COM）由另一个I/O口控制，由于将多位字段线连在一起，当输出字段码时，由于多门同时选通，每一位将显示相同的内容。
因此要显示不同的内容，必须采取轮流显示的方式。
即在某一瞬间时，只让某一位的字位线处于选通状态（共阴极LED数码管为低电平，共阳极为高电平），其他各位的字位线处于开断状态，同时字段线上输出这一位相应要显示字符的字段码。
在这一瞬时，只有这一位在显示，其他几位暗。
同样在下一瞬时，单独显示下一位，这样依次轮流显示，循环扫描。
由于人的视觉滞留效应，人们看到的是多位同时稳定显示。
表2.5共阳极LED数码管显示数字“0”时各管段编码
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
字段码
显示数
Dp
g
f
e
d
c
b
a
1
C0H
C0H称为共阳极LED数码管显示“0”的字段码，不计小数点的字段码称为七段码，包括小数点的字段称为八段码。
当LED数码管与单片机相连时，一般将LED数码管的各笔段引脚a、b、…、g、Dp按某一顺序接到MCS－52型单片机某一个并行I/O口D0、D1、…、D7，当该I/O口输出某一特定数据时，就能使LED数码管显示出某个字符。
例如要使共阳极LED数码管显示“0”，则a、b、c、d、e、f各笔段引脚为低电平，g和Dp为高电平。
LED数码管编码方式有多种，按小数点计否可分为七段码和八段码；
按共阴共阳可分为共阴字段码和共阳字段码，不计小数点的共阴字段码与共阳字段码互为反码；
按a、b、…、g、Dp编码顺序是高位在前，还是低位在前，又可分为顺序字段码和逆序字段码。
甚至在某些特殊情况下将a、b、…、g、Dp顺序打乱编码。
表2.6为共阴和共阳LED数码管几种八段编码表。
表2.6共阴和共阳LED数码管几种八段编码
共阴顺序小数点暗
共阴逆序小数点暗
共阳顺序
小数点亮
小数点暗
Dpgfedcba
16进制
abcdefgdp
00111111
3FH
11111100
FCH
40H
C0H
00000110
06H
01100000
60H
79H
F9H
2
01011011
5BH
11011010
DAH
24H
A4H
3
01001111
4FH
11110010
F2H
30H
B0H
4
01100110
66H
19H
99H
5
01101101
6DH
10110110
B6H
12H
92H
6
01111101
7DH
10111110
BEH
02H
82H
7
00000111
07H
11100000
E0H
78H
F8H
8
01111111
7FH
11111110
FEH
00H
80H
9
01101111
6FH
11110110
F6H
10H
90H
2.3.4固态继电器
固态继电器是一种有继电特性的无触点式电子开关。
具有寿命长、可靠性高、开关速度快、电磁干扰小、无噪声、无火花等特点。
图2.5固态继电器原理图
固态继电器由三部分组成：
输入电路、隔离（耦合）和输出电路，在输入电路控制端加入信号后，IC1光电耦合器内光敏三极管呈导通状态，R1串接电阻对输入信号进行限流，以保证光耦合器不致损坏。
发光二极管LED指示输入端控制信号，二级管VD1可防止输入信号正负极性接反时对光耦IC1造成的损坏。
v1在线路中起到交流电压检测作用，使固态继电器在电压过零时开启、负载电流过零时关断。
当IC1光敏三极管截止时（控制端无信号输入时），
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