基于单片机的电热水器控制器设计概要.docx
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基于单片机的电热水器控制器设计概要
毕业论文
课程设计题目：
基于单片机的电热水器控制器设计
学院：
机械与电子工程学院
学生姓名：
***
班级：
080621
学号：
08062137
指导教师：
付志坚
2011年11月1日
摘要
本文设计的控制器采用AT89S51单片机作为控制核心来设计智能电热水器。
本设计也对单片机控制电热水器实现智能化的可能性进行了分析，利用温度传感器、水位检测装置、及模数转换器等来完成本设计。
在硬件设计方面，主要对单片机最小系统及其扩展、电源电路、键盘显示及接口电路、模数转换电路、水位及水温检测电路、报警电路进行了详细介绍。
还详细介绍了设计中应用到的主要芯片的性能和特点，包括AT89S51、74LS377、DS18B20、ADC0809等。
在软件设计方面，采用汇编语言编程，是由于其易于为单片机所识别，执行速度快。
最后对软件调试进行了误差分析。
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，可以实现智能检测水位及水温，智能加热，并且提高了整机的可靠性及准确性。
关键词：
单片机，控制，智能
ABSTRACT
Astechnologymakeagoodprogress,theapplicationsofsingle-chipmicrocomputerbecomematureallthetime.Thesingle-chipmicrocomputerintegratesthevariouscomponentsinachip,usestheinternalbusstructure,reducestheconnectionindifferentchips,enhancedgreatlythereliabilityandanti-jammingcapability.Inthedevelopmentofsingle-chipmicrocomputer,duetoitsexcellentcostperformance,highintegration,smallsize,highreliability,ithasbeenusedasacontrolcenterallthetime.
Sincethebirthofsingle-chipmicrocomputer,itbegantowalkintoahuman’slife,suchaswashingmachines,refrigerators,electronictoys,DMB,whichequippedwiththesingle-chipmicrocomputer,andimprovedtheirintelligence,ability.People,whousedthem,willlovethembetter.Thesingle-chipmicrocomputermakeshuman’slifemoreconvenient,comfortableandcolorful.Asaresult,Iusesingle-chipmicrocomputertodesignintelligentelectricwaterheaters.
Thispapermainlydiscussestheintelligentelectricwaterheaterhowtowork.Toachievesystemgoals,indeepanalysisoftheAT89S51,Imadeasetofsimpleandpracticalcontrolsystemdesign.Thesystemismainlytousesingle-chipmicrocomputertocontrolcenters,withspecifichardwarearchitectureandthecorrespondingsoftwaredesign,thustheintelligenceofthewaterheaterwouldbecometrue.
Keywords:
single-chipmicrocomputer,controller,intelligence
引言………………………………………………………………………………………1
第1章绪论……………………………………………………………………………2
1.1课题的背景………………………………………………………………………2
1.2课题研究的目的及意义…………………………………………………………2
1.3国内外的研究状况和成果………………………………………………………3
第2章总体设计方案………………………………………………………………4
2.1设计要求…………………………………………………………………………4
2.2方案设计…………………………………………………………………………4
第3章硬件系统设计………………………………………………………………6
3.1方案验证…………………………………………………………………………6
3.2硬件系统设计……………………………………………………………………9
3.2.1电源电路…………………………………………………………………9
3.2.2键盘/显示接口电路……………………………………………………9
3.2.3报警电路…………………………………………………………………11
3.2.4模数转换电路……………………………………………………………12
3.2.5温度检测电路……………………………………………………………13
3.2.6水位检测电路……………………………………………………………15
3.2.7时钟电路…………………………………………………………………16
3.2.8显示模块…………………………………………………………………17
3.2.9AT89S51功能及特性介绍………………………………………………20
第4章软件系统设计………………………………………………………………24
4.1主程序流程框图……………………………………………………………24
4.2 键扫描子程序流程框图……………………………………………………26
4.3 显示子程序流程框…………………………………………………………26
4.4运行程序流程框图…………………………………………………………27
4.5软件仿真……………………………………………………………………27
结论与体会………………………………………………………………………………29
致谢………………………………………………………………………………………30
参考文献…………………………………………………………………………………30
附录1程序清单…………………………………………………………………………32
附录2单片机的电热水器控制器原理图…………………………………………40
引言
热水器是一种可供浴室，洗手间及厨房使用的家用电器。
目前市场上热水器主要品种有电热水器、太阳能热水器、燃气热水器。
就中国的具体情况而言，由于太阳能热水器的使用受天气原因的限制，使用范围狭窄；燃气热水器由于以石油、天然气为燃料，而燃料供应量又难以满足人们日益增长的需求，且不利于环境，因此电热水器越来越受到消费者的青睐。
电热水器的优点是能适应任何天气变化，普通家庭可直接安装使用，长时间通电可以大流量供热水。
使用时不产生废气，使用起来既安全又卫生，多数产品由于采取了过压、过热、漏电三重保护装置，在使用中更为安全。
随着广大消费者生活水平的提高，电热水器已成为普通家庭生活中不可缺少的家用电器。
随着科技的发展和人们生活质量的不断提高，人们对电热水器的控制要求也越来越高，从现在能到达设定温度后自动断电、自动补温等功能，到电热水器向更智能化、舒适化、人性化发展，如电热水器能快速、稳定的达到人们所需求的温度，以体现电热水器比一般热水器具有更大的优势。
单片机是家用电器常用的控制器件，本文介绍了基于AT89S51单片机控制的电热水器控制电路，包括温度测量单片机控制、水温设定与自动调节电路、键盘控制、液晶显示、报警电路五部分，在控制回路采用PID模糊控制方法，基于模糊控制的方法，在强时变、大时滞、非线性系统中的控制效果有着明显的优势，把二者结合起来，可使控制器的性能指标达到最优的目的。
基于模糊控制技术的单片机控制的电热水器，是对传统的电热水器开关控制的改造，具有达到设定温度的时间短、稳态温度波动小、反应灵敏、抗干扰能力强、节省电能等优点。
首先通过按下键盘按键设定所需的温度，并通过液晶显示，再通过温度传感器DS18B20测出电热水器的温度，送液晶显示并送单片机与设定水温加以比较，设定水温高于实测水温则通过继电器触头的通断来控制是否对电热丝进行加热，从而实现水温的测量以及控制，在水温高于设定温度时，蜂鸣器报警，其简洁、智能、精确的优点基本能满足人们的需求，并且将会得到广泛的应用。
第1章绪论
1.1课题的背景
中国已是热水器生产大国，伴随着住宅消费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居民乔迁新居、厨卫装修的必备产品。
近几年来，随着人们生活水平的不断提高，智能化的家用电器逐渐走进千家万户，此外，受瓶装气和区域管道燃气提价影响，而且城镇的电价普遍有所下调，许多居民转而选择相对省钱的电器产品。
全国城镇热水器拥有率为72.3%，45%的城市居民家庭表示要在今后几年购买热水器，市场平均每年的最低需求维持在1000万台左右。
除太阳能热水器外，中国热水器行业有一定规模的生产企业大约有200家。
由此可见电热水器在中国有广阔的市场，但由此也衍生了很多问题，如漏电，环保等一系列问题，近年来电热水器多次出现漏电伤人甚至致死事件，因此其安全性一直为消费者所关注。
所以对热水器的改良和智能化设计是大势所趋。
在当今社会，科技日新月异，热水器技术飞速发展，越来越多的科技成果被运用到热水器的制造中。
如今的热水器产品已经绝对不是一个简单的加热器，而是科技含量高的现代化家电产品。
随着我国人民生活水平的逐渐提高，其生活条件有了很大的改善，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。
正是在这样的背景下，本设计选择基于AT89S51单片机的智能电热水器的设计研究。
1.2课题研究的目的及意义
本选题目的是基于人们对现代家庭舒适、便利、安全以及多元化信息服务的需要设计出一款经济可靠，精确实现控制的电热水器控制电路
①利用单片机控制，即达到较好的效果，又降低了价格，使热水器更加的经济可靠。
②利用按键精确地设定温度，精确调温使温度达到使用者要求的温度，从而实现人性化控制。
③能进行高温保护，防止热水器干烧而导致事故。
④能实现自动断电的安全功能，使人们洗浴时能放心享受，利于人们的身体健康
1.3国内外研究状况和成果
据了解，热水器内胆最关键，如果内胆损坏就意味着整台机器报废。
与其他家用产品不同的是，电热水器没有必要频繁升级换代，出于安全性和经济性的考虑，热水器的耐用性才是厂商需要绞尽脑汁的。
空调的核心是压缩机，电扇的核心是电机。
对于热水器来说内胆是最关键的，从一定意义来说，内胆的品质就代表热水器的品质。
目前的内胆技术纷繁复杂，但究其本质目标都是一样的：
保温、耐压、不生锈、无水垢、不渗水是内胆的基本要求。
燃气热水器设有自动恒温控制，停气自动关机，超水温泄压等安全保护功能，即使临时停气，仍有储存的热水使用。
智能化技术的运用有两个好处，一是更方便，二是更节能，按照用户的使用习惯提前预先加热，让使用者随心享用热水。
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，减小热水器内外温差，因而大大减少保温加热次数，真正做到不拔插头更省电。
在节能上冰箱等家电产品已经走在了前面，热水器这种用电量很大的产品更加应该推进节能技术的普及。
对于传统的电热水器行业而言，要想出现本质性的突破几乎是不可能的，而在功能上不断提升，抓住人性化需求，却是一条可行之路。
而事实正是如此。
阿里斯顿、比利奇、史密斯、海尔、美的争先恐后推出了超大液晶屏、电子线控、超薄时尚、双管加热、漏电保护器、防电墙、多口出水等新技术，尤其是海尔，甚至在电热水器上增加了按摩功能，专门的喷雾按摩喷嘴，让消费者可以足不出户就感受按摩的快乐。
国外对智能电热水器的主要研究成果有：
西门子智能电热水器，采用德国新电脑温控技术，确保出水温度均匀恒定，使沐浴成为真正的享受。
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，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，杜绝意外发生。
樱花IMES智能记忆节能系统，突破了传统单时段节能模式，提供了独一无二的三时段定时预热和七种供水模式，其工作过程“聪明伶俐”，它不断自动存储、分析主人近一个月用水的具体数据，以最经济的模式提前为主人准备热水，真正实现全天候节能供水。
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，根据设定水温、环境、季节的不同，自动选择最节能的保温状态，避免固定中温技术大幅度温差造成不必要的浪费，缩短加热时间，切实做到省电节能
第2章总体方案设计
设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。
硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。
并且把这些元器件焊接在一块电路板上。
它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。
软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。
2.1设计要求
课题是制作一款基于单片机控制的电热水器控制系统，使电热水器按人们的需求能快速、稳定的达到人们所需求的温度，以体现电热水器比一般热水器所具有的优势。
要求温度传感器及转换电路，水温设定与自动调节电路，单片机输入输出接口电路以及显示模块的设计。
其中的难点是实现PID控制温度。
2.2方案设计
方案设计的总体思路如下：
首先通过键盘设定一个温度值，然后通过温度传感器采集温度，与设定的温度进行比较，如果温度小于设定值电热水器开始加热，当水温达到设定值时，则停止加热，设定的温度和水温通过LED数码管显示出来。
当水温高于某临界温度（如70°）时，报警器发出报警，同时中断加热。
所以可以得出电路以单片机为核心，包括温度设定按键模块，LED显示模块，报警和输出电路等模块组成，其系统模块框图见图2.1
图2.1系统模块框图
1温度设定电路。
通过一个按键产生脉冲输入单片机来调节水温的设定值。
2温度测定电路，采用温度传感器来测量温度。
3单片机，是整个电路的控制核心，实现PID模糊控制。
4数码管显示，单片机通过动态扫描方式输出并利用数码管显示温度的设定值和实际测温值。
5报警电路，当实际温度高于设定温度时，报警电路报警。
基于以上模块设计出了电路的基本结构图，如图2.2
图2.2系统结构图
结构图中以单片机为核心进行系统设计。
通过单片机对偏差进行PID运算，输出占空比可变的PWM波形，从而控制固态继电器的导通时间，即通过调节加热功率即可达到控制温度恒定的目的。
第3章硬件系统设计
3.1方案验证
目前市场上的电热水器有连续水流式，虽具有加热速度快和体积小的优点，但需要的功率大，大多数家庭供电线路难以承受。
而且市场上传统的机械式电热水器控制功能不完善，而且精度低、可靠性差，因此电热水器的智能化成为必然趋势。
采用单片机来实现电热水器的智能化，主要是因为其采用面向控制的指令系统，实时控制功能特别强。
CPU可以直接对I/O口进行输入、输出操作及逻辑运算，并且具有很强的位处理能力，能有针对性的解决由简单到复杂各类控制任务。
单片机做为嵌入式应用的微型计算机，由于其出色的性价比，极强的实用性，它取得了巨大的发展。
本课题是基于AT89S51单片机的智能电热水器的控制器的设计，要达到的控制要求有：
（1）用两位数码管显示水温，两位数码管显示预设温度。
（2）水温检测显示范围为00～99℃，精度为±1℃。
（3）温度预设范围为30～60℃，当检测温度低于预设温度1℃时，开始加热；检测温度高于预设温度1℃时，停止加热。
（4）设置3个程序按键。
电源开关键：
电源关闭时，4个数码管熄灭，加热元件断电，但单片机系统正常工作，热水器面板上的电源指示灯点亮。
电源开启后，根据上次设定的温度（220V总电源不能关闭）自动进入工作状态。
如220V总电源关闭后再开机，预设温度自动定为40℃。
温度+键：
每按一次该键，预设温度加1℃，长按该键（时间超过1秒以上），预设温度快速增加，当预设温度加到60℃时，按该键不起作用。
温度－键：
每按一次该键，预设温度减1℃，长按该键（时间超过1秒以上），预设温度快速减小，当预设温度减到30℃时，按该键不起作用。
（5）设置3个面板指示灯。
电源指示灯（红）：
接通220V电源，该指示灯点亮。
加热指示灯（绿）：
加热元件工作时，该指示灯被点亮。
报警指示灯（黄）：
当热水器出现异常情况时，该指示灯被点亮。
（6）报警设置。
高温报警：
当检测温度高于65℃时，自动报警。
低温报警：
当检测温度低于0℃时，自动报警。
缺水报警：
当储水箱内缺水时，自动报警。
漏电报警：
当热水器发生漏电情况时，自动报警。
（7）设置一个蜂鸣器，当热水器出现异常情况而报警时，由蜂鸣器发出报警声，并自动切断加热元件的供电。
方案一：
以AT89S51单片机为控制中心的智能电热水器
AT89S51单片机具有结构简单、控制能力强、可靠性高、体积小、价格低等优点，在许多行业都得到了广泛的应用。
以AT89S51单片机为核心，配以外围电路如时钟电路、复位电路、按键、显示器件即可构成交通灯系统，结构框图如图2.1.1：
方案二：
PIC16C72单片机为控制器件的智能电热水器
PIC16C72是美国微芯（Microchip）公司推出的8/11位单片机，采用宽字节单周期指令，哈佛双总线和RISC结构，其数据吞吐量最高可达6MIPS，这几乎是其它大多数8位微控制器速度的4倍128脚封装的PIC16C72单片机内集成了以下主要功能：
2KB片内ROM程序存储器，128KB数据存储器；22位I/O线；5路8位A/D转换器，2个8位，1个16位多功能计数器/定时器，1个捕捉/比较/脉宽调制（CCP）部件。
以PIC16C72为控制芯片的电热水器，虽然功能很强大，但是存在一些很需要改进的地方：
中断的现场保护是中断应用中一个很重要的部分由PIC16C72的指令系统中没有专门的PUSH（入栈）和POP（出栈）指令，所以要用一段程序来实现该功能。
对可能用到的W寄存器和STATUS寄存器内容进行现场保护1然后在中断服务程序中对马达，继电器进行控制1漏电检测报警在中断里给出，而每50ms进入一次中断，所以发生漏电时最多50ms即可切断电源1入口→中断保护→控制马达→控制继电器如果用直流对电机进行控制，其转速太快，过调量太大，容易引起震荡。
通过以上两种设计方法的比较来看，实现电热水器的智能控制可以有很多种方法。
可以采用可编程序控制器PLC，各种单片机来实现。
但考虑到成本控制和软硬件实现难度，采用方案一的控制系统设计，可以进一步提高电热水器的智能作用，能够保证持续的热水供应，并能够在异常情况下自动断电，可以满足人们日常生活的需要，提高了人们生活的质量。
智能电热水器将由AT89S51单片机作为控制芯片，经分析设计要求，初步确定其由8个模块组成，如下图所示：
时钟电路用来产生时钟信号供单片机工作，晶振采用12MHz，平衡电容采用33pF。
复位电路在系统上电或运行过程中对单片机进行初始化操作。
按键采用独立式热键，用来扩展系统功能，分别可以实现电源开关、温度增加和温度减少三个功能。
数码管用来显示水温和水位两组数据，所有数码管采用共阳接法，段控端接在单片机同一I/O口，位控端分别接在不同位的I/O口。
发光二极管用来指示系统运行状态，电源指示灯（红）：
接通220V电源，该指示灯点亮。
加热指示灯（绿）：
加热元件工作时，该指示灯被点亮。
报警指示灯（黄）：
当热水器出现异常情况时，该指示灯被点亮。
ISP接口通过并口与PC机连接，实现单片机与PC机通讯，用编译器对源程序进行调试及编译，通过ISP接口将形成的二进制目标程序下载到AT89S51单片机上。
依据设计要求，系统上电复位后按默认值开始运行，然后开始检测温度按键，若无按键，则按设定温度进行工作；若温度键已按下，则开始设定温度范围，并按新的设定值开始加热。
接着继续检测温度按键，若无按键，则接着上一步的执行（以新的设定值开始工作）。
若有按键，则重新设定温度范围，如此循环。
另外，在运行主程序的时候，首先要检测水位，若达不到预设值，则断电，蜂鸣器报警；若达到预设值,则开始检测水温。
3.2硬件系统设计
单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：
一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断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，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、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。
本设计中只用最小系统加上键盘、显示、ISP接口电路，单片机本身资源可以满足设计要求，所以不必对单片机进行扩展。
系统的硬件系统以AT89S51单片机为核心，主要分两部分：
直流稳压电源和智能电热水器控制电路，其原理图见附录二。
直流稳压电源由变压器、整流桥、滤波电路、稳压电路组成。
智能电热水器系统由时钟电路、复位电路、报警电路、ISP在线编程接口电路键盘、模数转换电路和显示接口电路组成。
3.2.1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、集成稳压电路等。
根据调整元件与连接方法，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。
本设计中采用了线性工作状态的线性集成稳压电源。
直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，设计框图：
3.2.2键盘接口电路
本毕业设计的按键采用独立式按键，是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。
独立式按键的典型应用如图：
图3.5七段数码管
按键输入均采用低电平有效，此外，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。
当I/O口线内部有上拉电阻时，外电路不可接上拉电阻。
独立式按键的软件常采用查询式结构。
先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序，具体编程见程序清单。
3.2.3报警电路
热水器工作环境潮湿，为了保证使用者
升级会员 