基于单片机的家电热水器控制系统设计毕业设计.docx

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基于单片机的家电热水器控制系统设计毕业设计

南京工程学院

康尼学院

本科毕业设计（论文）

题目：

家电热水器控制系统设计

专业：

自动化（数控技术）

班级：

数控XX学号：

XXXXXXXX

学生姓名：

XXX

指导教师：

XXX实验师

起迄日期：

XXXXXXXXXXXXX

设计地点：

实验楼_

GraduationDesign（Thesis）

DesignofMicrowaveOvenOperatingSystem

By

XXXXX

Supervisedby

ExperimentalistXXXX

SchoolofAutomation

NanjingInstituteofTechnology

June,2014

摘要

随着社会的发展，人类科技的进步，各行各业都在使自己的产品智能化、数字化，因老式的热水器使用煤气或天然气对水进行燃烧加热，用手动的方式调节温度，不仅不能够精确的确定使用者需要的水温，而且还存在一定的危险性。

电热水器是一种可供浴室、洗手间及厨房使用的家用电器，随着人们生活质量的提高，现代的家用电热水器已经摒弃了以前的做法，而采用一种更加精确、安全的实施方案。

C语言对单片机编程有诸多优点，例如：

便于移植、句法检查时错误少、坚固性好、头文件种类诸多，能够方便快捷使用各种函数等。

本文采用AT89S52单片机作为控制器，使用C语言编写程序,设计了一款智能家用电热水器。

使用按键键盘输入温度，温度可以精确到0.1摄氏度，并使用LED灯显示，能够提供用户所需温度的温水。

采用DS18B20采集温度，使用LED灯显示，显示出采集的水温。

当所需温度高于当前采集的水温时，触发加热，当水温达到设定温度时，则停止加热。

基本实现了智能控制功能。

关键词：

单片机；C语言；采集；家用电热水器

Abstract

Withthedevelopmentofsocialandprogramofhumantechnology,everytradealltransferownproductintointelligence,digitize,becausethewaterheaterofoldstyleusesgasornaturalgastoheatwaterandmanuallyadjustmodeconditioningtemperature,notonlyunabletosufficientlyaccuratelyrecognizetheuserneedofwatertemperature,butalsoexistsomecertainrisk.

Theelectricalwaterheaterisakindofhomeappliancesthatbathroom,looandkitchencanuse,withraisingofqualityofhumanlive,themodernistichouseholdelectricalwaterheaterhasabandonnedthepastway,butadoptsakindofimplementationschemeofmoreaccurate,safety.

Clanguagepossessmanymeritsforprogrammingofsinglechip,suchas:

Iseasytoransplant,havinglittlebugwhensentenceconstructionreview,fastnessgood,theheaddocumenttypeissomanythatexpedientlyquicklyusingvariousfunctionetc.

ThewriteradoptsanAT89S52singlechiptobethecontrollerandusingClanguagestowriteprogramming,designastyleofintelligencehouseholdelectricalwaterheater.Usearrayformkeyboardinputtemperature,thetemperaturecanbeaccuratlyrecognizedto0.1℃,anduseLEDlightdisplayit,canprovidetothewarmwateroftemperaturethatuserneeds.AdoptDS18B20tocollecttemperature,useLEDlightdisplay,theaccuratelydisplaystocollectwatertemperature.Whenthetemperatureneededhigherthantocollectwatertemperatureatpresent,leadtoheating,whenthetemperatureneededislowerthanthecollectwatertemperatureatpresent,stopheating.Thesimplycarryoutintelligencecontrolfunction.

KeyWords：

singlechip;Clanguage;collect;householdelectricwaterheater

摘要I

AbstractII

第一章绪论1

1.1引言1

1.2选题的背景及意义1

1.3国内外研究状况和成果2

1.4整体设计方案3

第二章系统硬件设计4

2.1单片机的最小系统4

2.1.1AT89S52单片机4

2.1.2AT89S52定时器/计数器7

2.1.3复位电路和晶振电路8

2.2温度检测电路9

2.2.1数字式温度传感器DS18B2010

2.2.2DS18B20的初始化与读写操作12

2.2.3DS18B20的指令14

2.3键盘接口电路设计15

2.4数码管16

2.4.1数码管简介16

2.4.2数码管的显示17

2.5继电器电路19

2.6电源电路19

第三章系统软件设计21

3.1PROTEUS（ISIS）和KEIL简介21

3.2程序设计21

3.2.1主程序的流程图23

3.2.2读温度子程序的流程图24

3.2.3电加热继电器控制子程序流程图25

3.2.4LED显示程序流程图26

3.2.5定时器中断流程图26

3.2.6仿真原理图27

3.3调试中遇到的问题及解决方法30

第四章分析与总结31

4.1论文总结31

4.2可改善提高的地方31

参考文献32

致谢33

附录34

程序清单34

第一章绪论

1.1引言

单片机是一种与我们生活息息相关的控制器，它存在于许多地方，例如：

电子手表、掌上游戏机、数码相机、录音笔、电视机遥控器等等。

单片机主要由中央处理器、内存、输入/输出设备组成，它就好像是一台小型电脑，它能够执行人们对它编写的程序，从而发出各种不同的控制命令，与外部电路结合后，便可以完成各种各样的功能。

通过单片机人们的生活将会变得更加方便、快捷。

1.2选题的背景及意义

据不完全统计，我市城镇居民家庭以电热水器为主，占总量的60％以上；从前风光无限的燃气热水器渐渐地黯然失色，市场份额仅剩不足20％；新兴的太阳能热水器虽然受到安装条件的限制，但其安全、环保的性能广受消费者青睐，发展态势迅猛，市场占有率已达到15％左右。

于安全方面的考虑是城镇居民更多选择电热水器和太阳能热水器的主要原因。

时下的商品房通风效果并不好，燃气产生的污染无法及时消除，而电热水器和太阳能热水器则基本没有这方面的忧虑。

三大热水器：

燃气热水器———廉颇老矣；电热水器———风头正劲；太阳能热水器———后劲十足。

电热水器的优点：

易安装，不受天气的影响，不受楼层和供水管道的限制，投入小。

随着技术进步和新品的开发，下置式、嵌入式等多种安装形式的电热水器先后上市，彻底摆脱了房间空间的限制。

中央供水和数码智能的电热水器也已进入市场。

电热水器的安全问题涉及到消费者的生命，又加上近些年的能源危机，人们生活节奏的加快，智能化电热水器越来越受到消费者的青睐。

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AT89S52单片机的家电热水器的设计研究。

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，基于AT89S52单片机设计具有智能特征的电热水器控制器。

选用AT89S52单片机作为控制芯片，就是为了实现电热水器的智能化，持续稳定的热水供应

，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，其务实性能快速满足人们对现代生活快节奏的需求。

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。

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。

市场上常见的类型有搪瓷内胆、不锈钢内胆、钛金内胆、金圭内胆等，搪瓷内胆抗疲劳性差，不锈钢内胆焊缝容易漏水，目前比较先进的内胆主要是钛金内胆。

除了对耐用性的不懈追求，智能化技术运用是今后技术发展的一个普遍趋势。

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。

配合特有超厚高密度聚氨脂发泡层，节能指标全面达到国家专业标准，当然倍受信赖。

完美的节能系统整合，把

IMES智能记忆作为系统节能的核心，将各种节能的细节整合到尽善尽美，智能记忆与自动加热技术的融合应用，自动加热、实时加热、定时加热三种工作模式任意选择。

就中国的具体情况而言,其研究成果虽稍逊于国外，但是学者们也在努力寻求技术的突破，比如海尔就走在了同行的前面。

近日，海尔推出了一款全新产品——银海象A6智能专家，成为国内第一款具备记忆和计算能力双重智能的热水器。

能记是A6的最大特色。

它独有的断电自动记忆功能，即使突然停电，系统也会将之前设置的参数自动保存，从而在来电开机时仍保持原有设计，无需重新设置，方便简单。

会算是A6的又一特色。

许多热水器也有预约功能，但预约的都是加热时间。

用户一般不知道该提前多长时间加热，因此不是早了就是晚了。

而A6产品只需设定好你的洗浴时间即可。

它会自动根据当前的室温及水温计算好所需的加热时间，并自动提前加热，从而可以最大限度的减少用电损耗。

除了能记会算， A6的外观也独具一格。

它使用LED超大显示屏，清晰明了；同时，A6引入无线智能遥控技术，不仅使热水器安装彻底摆脱了高度的限制，操作更自由方便。

另外，A6采用了下倾式控制面板，实现半隐藏式安装，使浴室装修更完美。

此外，A6的节能效果同样出色，智能预约、中温保温、分层加热等让您省钱到家。

实验证明，仅中温保温一项技术，就能在24小时内节能约0.33度。

如深圳市明佳实业发展有限公司获得了19项热水器发明专利的授权。

在热水器研发中模拟大自然中的负离子功效，利用热水器的电能、空气气压、水压形成的势能和动能，作用于空气或水中的水分子使其发生破裂，使空气中带负电荷的氧分子和微小的水分子结合，生成大量的负离子。

1.4整体设计方案

设计家电热水器控制系统，可以显示当前水温和设置水温，低于设定温度自动加热，可以进行水温设置和实时时间的设置，实现低功率和标准功率的加热模式选择功能，利用发光二极管对加热模式进行显示。

系统硬件电路主要包括温度检测、复位电路、加热电路等电路组成。

利用数码管来显示设定温度和当前温度。

第二章系统硬件设计

系统设计硬件原理结构见图2.1所示。

系统以高性价比的AT89S52单片机为核心，由复位电路、晶振电路、键盘输入、DS18B20温度采集、数码管显示电路、继电器加热电路组成。

图2.1系统设计硬件原理结构

其中AT89S52为核心控制器件，DS18B20为水温的信号采集器件，数码管为显示器件，继电器为加热器件。

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，要设计适合的接口电路。

本设计中只用最小系统加上键盘、显示、温度测量电路，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。

2.1单片机的最小系统

所谓最小系统就是指由单片机和一些基本的外围电路所组成的一个可以工作的单片机系统。

一般来说，它包括单片机、晶振电路和复位电路。

①晶振电路：

AT89S52片内有一个由高增益反相放大器构成的振荡电路。

XTALl和XTAL2分别为振荡电路的输入输出端。

其振荡电路有2种组成方式：

片内振荡器和片外振荡器。

②复位电路：

在RST输入端出现高电平时实现复位和初始化[5]。

2.1.1AT89S52单片机

单片机的全称是微型计算机（SingleChipMicrocomputer）。

我们知道8031芯片内部无ROM，需要外扩程序存储器，由此造成电路焊接的困难，况且使用8031还需要另外购买其他的芯片，如

A/D转换及定时/计数器（PWM）等芯片，从而造成成本较高，不实用。

热水器控制电路数控部分采用AT89S52单片机作为控制核心。

AT89S52是一种带4k可擦除存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，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。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，单片机停止工作，允许RAM、定时器／计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止。

直到下一个中断或硬件复位为止。

8位微控制器8 k字节为在系统可编程Flash[7]。

AT89S52单片机的管脚图如图2.2所示：

图2.2AT89S52单片机的管脚图

各引脚介绍如下：

P0口：

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。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

与AT89S51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

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。

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

PSEN：

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存

EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这

必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

XTAL1：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

2.1.2AT89S52定时器/计数器

AT89S52单片机内部有三个16位可编程的定时器/计数器，即定时器T0、定时器T1和定时器T2。

它们既可用作定时器方式，又可用作计数器方式，且都有4种工作方式可供选择。

图2.3是定时器/计数器的结构框图。

由图可知，定时器/计数器由定时器0、定时器1、定时器方式寄存器TMOD和定时器控制寄存器TCON组成。

定时器0，定时器1是16位加法计数器，分别由两个8位专用寄存器组成：

定时器0由TH0和TL0组成，定时器1由TH1和TL1组成。

图2.3定时器/计数器结构框图

TL0、TL1、TH0、TH1的访问地址依次为8AH8DH，每个寄存器均可单独访问。

定时器0或定时器1用作计数器时，对芯片引脚T0（P3.4）或T1（P3.5）上输入的脉冲计数，每输入一个脉冲，加法计数器加1；其用作定时器时，对内部机器周期脉冲计数，由于机器周期是定值，故计数值确定时，时间也随之确定。

TMOD、TCON与定时器0、定时器1间通过内部总线及逻辑电路连接，TMOD用于设置定时器的工作方式，TCON用于控制定时器的启动与停止。

计数方式时，T的功能是计来自T0（P3.4）T1（P3.5）的外部脉冲信号的个数。

 输入脉冲由1变0的下降沿时，计数器的值增加1直到回零产生溢出中断，表示计数已达预期个数。

外部输入信号的下降沿将触发计数，识别一个从―1‖到―0‖的跳变需2个机器周期，所以，对外部输入信号最高的计数速率是晶振频率的1/24。

若晶振频率为6MHz，则计数脉冲频率应低于1/4MHz。

当计数器满后，再来一个计数脉冲，计数器全部回0，这就是溢出。

脉冲的计数长度与计数器预先装入的初值有关。

初值越大，计数长度越小；初值越小，计数长度越大。

最大计数长度为65536（216）个脉冲（初值为0）。

定时方式时，T记录单片机内部振荡器输出的脉冲（机器周期信号）个数。

每一个机器周期使T0或T1的计数器增加1，直至计满回零自动产生溢出中断请求。

定时器的定时时间不仅与定时器的初值有关，而且还与系统的时钟频率有关。

在机器周期一定的情况下，初值越大，定时时间越短；初值越小，定时时间越长。

最长的定时时间为65536（216）个机器周期（初值为0）。

2.1.3复位电路和晶振电路

复位是单片机的初始化操作。

其主要功能是把PC初始化为0000H，