基于单片机的电热式热器控制系统.docx

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基于单片机的电热式热器控制系统

编号

淮安信息职业技术学院

毕业论文

题目

基于单片机的电热式热器控制系统

学生姓名

学号

院系

电气工程系

专业

机电一体化

班级

429111

指导教师

顾问老师

二〇一三年十月

摘要

近十余年来，单片机技术的发展极为迅速，广泛应用于生产、生活的各个领域。

尤其是热水器的发展，单片机热水器的出现人们使用热水更加方便。

单片机电热水器控制器主要由水温水位检测电路、键盘、显示电路、单片机、漏电检测及报警电路等构成。

它基于热水器内的水温、水位变化而把水加到指定位置并加热到指定温度，从而实现方便用户洗浴的目的。

温度传感器将采集到的温度信号转换成电压信号，通过单片机控制整个电路工作，利用A/D转换器，基于水温水位的变化对采样到的信号数据进行A/D转换，通过单片机系统处理后把实时水温水位显示出来，利用模糊控制理论实现热水器内的恒温加热。

键盘可以输入指定水温值（20~80℃）并实时显示，还可通过设置完成预约加热功能。

关键词：

AT89C52单片机；温度测量；LED显示；A/D转换电路

Abstract

Morethan10years,single-chiptechnologydevelopedveryrapidly,widelyusedinallareasofproductionandlife.Especiallyinthedevelopmentofthewaterheater,monolithicappearanceofawaterheaterusinghotwatermoreconvenient.

Single-chipelectricalwaterheatercontrollerprimarilybywaterleveldetectioncircuit,keyboard,displaycircuits,microcontrollers,leakagedetectionandalarmcircuitcomposition.Itisbasedonthewaterheatertemperature,waterlevelandaddwatertoaspecifiedlocationandheatedtoaspecifictemperature,thusachievinguser-friendlybathingpurposes.Temperaturesensortemperaturesignalintoavoltagesignaltobecollected,controlledbysingle-chipcircuitasawhole,usingthea/dconverter,basedonwatertemperaturechangeinthewaterlevelofthesamplingofthesignala/dconversiondata,viathemicrocontrollersystemwaterleveldisplayrealtimetemperatureafterprocessing,usingfuzzycontroltheorytoachieveconstantheatingofthewaterheater.Keyboardtoentertemperaturevalue（20~80℃）anddisplayedinrealtime,canbedonebysettingtheappointmentheatingfunction.

Keywords:

AT89C52singlechipcomputer;temperaturemeasurement;theLEDdisplay;A/Dcircuit

目录

摘要.......................................................................Ⅰ

Abstract…………………………………………………………………………………………Ⅱ

第一章绪论………………………………………………………………………………………..1

1.1单片机热水器的优势1

1.2热水器的发展前景1

第二章单片机的组成应用及传感器的选用……………………………………………………..2

2.1单片机的组成应用2

2.2传感器的选用2

第三章电热水器控制系统整体设计方案…………………………………………………3

3.1电热水器控制系统功能说明3

3.2系统整体设计方案3

第四章硬件设计……………………………………………………………………………5

4.1微控制器模块5

4.2温度测量6

4.2.1Pt1000铂电阻温度传感器7

4.2.2温度信号放大电路7

4.2.3模数转换电路8

4.3实时时钟10

4.4温度、时钟显示电路10

4.5看门狗复位电路13

第五章软件设计………………………………………………………………………………15

5.1整体软件设计15

5.2模数转换软件设计15

第六章总结与展望…………………………………………………………………………18

6.1总结18

6.2展望18

致谢…………………………………………………………………………………………19

参考文献………………………………………………………………………………………….20

第一章绪论

1.1单片机热水器的优势

随着科技时代的来临，单片机为核心的产品在市场中占据了越来越多的份额。

以单片机为控制器的产品使用方便，价格低廉，越来越受到人们的喜爱。

总所周知，燃气热水器因其安全隐患及越来越高的使用成本正逐渐淡出热水器市场；而太阳能热水器也因其严格受天气，气候及安装条件影响而很难占有很多市场份额；而储水式电热水器因其体积大，预热时间长，热水出水量有限，已不适合现代生活节奏。

快热电热水器的诞生代表着热水器的行业的发展方向。

1.2热水器的发展前景

目前热水器已成为日常生活中不可缺少的家用电器，设计制造更实用方便和安全节能的热水器是产品设计师和生产厂商不断追求的目标。

电热水器是一种可以供洗手间，厨房，浴室使用的家用电器。

拥有无污染，安全和使用方便等优点。

随着人民生活水平的不断提高和我国电力工业的不断发展，电热水器得到不断普及。

电热式电热水器是将直接浸在水中的电热元件或将管内通水，管外通电的新型电热元件快速加热，使流经电热元件的冷水瞬间加热至适当温度，以供人们沐浴或厨用，称之为电热式电热水器。

由于冷水瞬间加热所需功率较大，安全性能要求高，故本电热水器电路的设计需考虑漏电保护，超温控制，停水断电等有关人身安全和设备保护方面的诸多因素。

第二章单片机的组成应用及传感器的选用

2.1单片机的组成应用

单片微型计算机简称单片机。

它是将处理器CPU、程序贮存器（ROM）、数据贮存器（RAM）、输入/输出（I/O）接口、定时/计数器、串行口、系统总线等集成在一个超大规模集成电路芯片上。

单片机以其体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

2.2传感器的选用

本设计就是采用单片机和传感器对温度的控制，传感器的选用也是有要求的在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。

只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。

传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。

精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。

传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。

这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

第三章电热水器控制系统整体设计方案

3.1电热水器控制系统功能说明

本课题采用单片机为主控芯片设计电热水器控制系统，其主要任务是对电热水器进行温度采集与显示、时钟的显示、热水器的开机方式的控制等。

主要功能如下：

（1）测量热水器内的温度，并通过显示器实时显示水温，显示范围为0℃~70℃

（2）正常状态下实时显示时钟

（3）可以立即开机或在24小时内任意设定开机时间

3.2系统整体设计方案

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3-1所示系统硬件框图。

图3-1系统硬件框图

系统主要采用51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Pt1000铂电阻温度传感器、信号放大电路和A/D转换电路组成；对于实时时钟的实现则是采用现有的PCF8563时钟芯片，主要是取得时钟的小时和分钟；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CH451作为驱动芯片的LED显示电路。

第四章硬件设计

4.1微控制器模块

根据图4-1可以看出，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。

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。

系统设计的电路原理图如图4-1所示，D0为电源指示灯；P0口连接键盘和指示灯，四个指示灯的功能分别为校准时钟、设定开机时间、设定热水温度和设定定时加热时间，K1~K4分别为公共功能键、加键、减键、开关按键；P1.0~P1.2引脚与模数转换芯片CS5513相连；P1.5~p1.7引脚与LED驱动芯片CH451相连；P1.3和P1.4控制实时时钟的读写；P2.0通过光耦控制电磁阀开关，用于启动和加热设备；P2.2~P2.7控制LED八段数码的片选。

图4-1系统原理图

4.2温度测量

温度测量是电热水器控制系统中一个至关重要的部分，其测量过程是比较复杂的。

测量温度的标尺是温度计，按照其测量方式可以分为接触式和非接触式两种。

接触式测量仪表比较简单、可靠，测量精度高，但是因为测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温延迟现象，同时受耐高温和耐低温材料的限制，不能应用于这些极端的温度测量。

非接触式仪表测温仪是通过热辐射的原理来测量温度的，测温元件不需要与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快，比较适合此控制系统的要求。

在这里温度测量主要由Pt1000铂电阻温度传感器、信号放大电路和模数转换电路组成。

4.2.1Pt1000铂电阻温度传感器

温度传感器就是利用各种物理性质随温度变化的规律把温度信号转换为电量的仪器。

Pt1000电阻温度传感器则是热电阻式温度传感器的一种。

铂电阻是一种对温度比较敏感的器件，它的电阻温度系数大而且稳定，电阻值与温度成一定函数关系。

并且具有电阻率高、热容量小、反应速度快、材料的示值复现性高和耐氧化等特点，因此被用来作为0~926℃温度群内的国际标准温度计。

但是铂电阻的特性曲线是非线性的，在-190℃≤t≤0℃时Rt=R0[1+At+Bt2+C（t-100）t3]，在0℃≤t≤630.74℃时Rt=R0[1+At+Bt2]，在设计时必须进行线性化校正。

式中R0、Rt为温度0℃和t热电阻的电阻值，t为任意温度。

A、B、C为温度系数，由实验确定，它们的数值分别为A=3.90802×10-3，B=-5.802×10-7，C=-4.22×10-7。

由公式可以看出，R0值不同时，在同样温度下Rt的值也不同。

本系统采用的是R0=1000欧姆的铂电阻温度传感器，温度要求范围为0~70℃，所以适合式Rt=R0[1+At+Bt2]。

此外，引线电阻会影响到测温精度，而由于系统对温度测量精度要求不高，因此采用二线制接法，这种接法需要的材料少价格低，简单实用，只要直接将传感器的两根引线接到放大器的反馈电阻即可。

4.2.2温度信号放大电路

由温度传感器采集到的信号比较弱，难以直接进行A/D转换，所以必须一个合适的放大电路来将这个信号放大。

放大电路的本质是能量的控制和转换，是在输入信号作用下，通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所获得的能量，使负载从电源所获得的能量大于信号源所提供的能量，因此电子电路放大的基本特征是功率放大。

放大器的种类很多，但在模拟输入通道中使用的是一种具有高放大倍数并带有深度负反馈的直接耦合放大器，，增益大，可靠性高，价格低和使用方便等特点。

因此选用噪声小，抗干扰能力较强的TLC2201功率放大器。

Pt1000与TLC2201的接口电路如图4-2所示。

图4-2温度信号放大电路

由图4-2可知，运算放大器U1的连接方式是电压跟随器的方式，这种连接方式不仅能够使可以驱动的负载电阻较小，而且电压跟随器还可以缓冲因前一级输入阻抗较小而损耗在前级输出电阻中的信号。

运放U2采用同相比例放大器的连接方式，同相比例放大器有高的输入阻抗，但其输出阻抗很低，因此可以对前后级电路起到隔离作用。

图4-2中R1是一个限流电阻，防止电流太大而损坏稳压二极管Z2；C1、C2分别是陶瓷电容和电解电容，主要是用于滤除电源的高频干扰和低频干扰；R2与R3并联后再串联R4形成一个电压可调的电路，并同时输入到U1的同相输入端；Rpt是铂电阻传感器的应变电阻值，在温度发生变化的时候，电阻相应改变。

U2的同相输入端输入的是U1输出的固定信号，其反相输入端是由R8与Rpt连接成一个负反馈的放大电路，放大后的模拟信号由CS5513-AIN+标识的引脚输出，最后将接入模数转换电路。

4.2.3模数转换电路

由于铂电阻传感器采集到的温度信号是模拟信号，不能直观的观测到，因此需要一个模数转换电路将这种模拟信号转换成数字信号后进行分析。

对于A/D转换器的选择，一般是从转换器的位数、转换器的转换速率、与主CPU接口以及数据输出是否方便、稳定性及抗干扰能力等几个方面来分析决定的。

本系统中采集对象是温度。

它的变化速率但是精度要求比较高，因此在保证精度位数的同时不需要很快的转换速率。

综合比较后，选用CS5513芯片作为模数转换电路的核心部分。

CS5513是20位的串行输出模数转换芯片，它可以进行直流测量。

CS5513引脚的功能：

（1）模拟部分的引脚（如图4-3）

①V+、V-：

为正负电源引脚，CS5513可工作于单电源或双电压源模式

②AIN+、AIN-：

差分模拟输入

③VREF：

参考电压输入，转换器的参考电压为VREF和V-之间的电压，此电压最低为2.5V，最高为{（V+）-（V-）}V

（2）数字部分引脚及功能（如图4-3）

①SDO：

串行数据输出，SDO输出的逻辑低电平是以

的逻辑低电平为基准的，所以CS5513没有专用的接地管脚

②SCLK：

串行时钟输入，用于控制CS5513中的SDO引脚的输出。

当SCLK为高电平并持续2ms后，CS5513进入休眠状态，要终止这种状态只需将SCLK置为低电平即可

：

片选端，当

为高电平时，SDO串口数据输出端输出为高阻态；当

为低电平时，SDO输出数据

CS5513与模拟输入的接口电路如图4-3所示，经由信号放大电路放大后的模拟信号输入到CS5513的AIN+端

图4-3模数转换电路

4.3实时时钟

实时时钟的缩写是RTC（Real-TimeClock）。

RTC是集成电路，通常称为时钟芯片。

本设计采用PCF8563时钟芯片实现，它是一款工业级低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片。

它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过IC总线接口串行传递。

最大总线速度为400Kb/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。

PCF8563是一款性价比极高的时钟芯片，它已被广泛应用于电表、水表、气表、电话传真、机便携式仪器等产品上。

PCF8563芯片引脚排列如图4-4所示。

图4-4PCF863的引脚排列

其引脚功能如下：

1　OSCI：

振荡器输入

2　OSCO：

振荡器输出

：

中断输出，开漏输出模式（获得更大的驱动），低电平有效

Vss：

接地

1　SDA：

串行数据I/O接口

2　SCL：

串行时钟输入

3　CLKOUT：

时钟输出，开漏模式

Vdd：

正电源

4.4温度、时钟显示电路

LED是LightEmitingDiode（发光二极管）的缩写，它是能将电信号转换为光信号的电子发光器件，也称数码管。

数码管有7段和8段之分，8段数码管是在7段基础上再加了一个圆点形的发光二极管，用于显示小数点。

数码管的特点如下：

发光响应快，亮度强，高频特性好；而且随着材料的不同，数码管还能发出红、黄、绿、蓝等多种颜色的光。

②机械性能好，体积小，重量轻，价格低廉；能与CMOS和TTL电路配合使用；使用寿命长。

③工作电压低，驱动电流适中。

每段工作电流为5~10mA，一只数码管的7段LED全亮需要电流为35~70mA。

这样大的电流需要由驱动电路提供，本系统使用CH451作为8段数码管的驱动。

在使用中，为了给发光二极管加驱动电压，它们应有一个公共引脚，公共引脚有如下两种接法：

①共阴极接法。

把发光二极管的阴极连在一起构成阴极公共引脚，使用时阴极公共引脚接地，这样阳极引脚上加高电平的发光二极管就导通点亮，而加低电平的则不亮。

②共阳极接法。

把发光二极管的阳极连在一起作为阳极公共引脚，使用时阳极公共引脚接+5V。

这样阴极引脚上加低电平的发光二极管即可导通点亮，而加高电平的则不点亮。

本系统需要显示温度和时钟两个部分，温度显示需要2个数码管，时钟显示需要4个（小时、分钟）数码管。

因此需要可以驱动6个数码管的驱动电路。

本系统采用CH451芯片作为LED显示的驱动电路的核心。

CH451是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制的多功能外围芯片。

CH451内置RC振荡电路，可以直接动态驱动8位数码管或者64位数码管，具有BCD译码或不译码功能，可实现数据的左移、右移、左循环、右循环、各数字独立闪烁等控制功能；在外部接口方面，CH451可选择简洁的1线串行接口或高速4线串行接口，且内置上电复位，可提供高电平有效复位和低电平有效复位两种输出，同时内置看门狗电路。

其引脚引脚排列如图4-5所示。

引脚功能如下：

1　Seg0~Seg7数码管的段驱动高电平有效，键盘扫描输入，高电平有效，带下拉。

Dig0~Dig7：

数码管的字驱动，低电平有效，键盘扫描输入，高电平有效，带下拉。

2　VCC：

正电源，持续电流不小于200mA。

3　GND：

接地，持续电流不小于200mA。

DOUT:

串行接口的数据输出。

4　LOAD：

4线串行接口的数据输入控制，带上拉。

5　DIN：

4线串行接口的数据输入控制，带上拉。

6　DCLK：

串行接口数据时钟，带上拉。

图4-5CH451引脚图

图4-6CH451与外部电路连接图

如图4-6所示，电路中主要元件是数码管显示驱动芯片CH451，驱动6个带小数点的8段数码管。

在CH451的段输出端即Seg0~Seg7加200欧姆的限流电阻调节数码管的工作电流，CH451的位选择输出端Dig0~Dig7的输出为低电平有效，因此选用共阴极型数码管。

数码管的公共端分别接至Dig0~Dig5，由CH451控制刷新相应的位显示。

4.5看门狗复位电路

对单片机应用系统来说，可靠性有着至关重要的作用。

这是因为单片机应用的现场环境比较恶劣，极易受到干扰而出现故障；而一旦出现故障，就有可能导致系统失控，甚至造成极严重的后果。

为了提高系统的可靠性，除采取足够的硬件措施外，还应对程序进行监视，因为系统可靠与否最终体现在程序上。

最常见的程序运行故障是“跑飞”和死循环。

为了避免出现这些使系统不能正常运行的故障，在及时发现的同时，能够使系统自动恢复，本设计采用了看门狗电路。

看门狗是一种软硬件结合的监视方法，把其中用来感知程序失控的硬件比作“狗”。

在程序执行过程中通过指令不断地给该电路发送脉冲信号（喂狗），以维持其在一个固定的状态（狗处于安静状态）。

当程序失控时不能在规定时间“喂狗”，硬件电路的预定状态就不能维持（狗叫）了。

本系统采用了IMP813芯片用于看门狗复位电路，IMP813主要是作为Watchdog计数器重定用的。

当程序跑飞时，如果在1.6秒内没有触发该电路（WDI无脉冲输入），则WDO输出由高电平变为低电平，并保持在140ms以上，IMP813就产生复位信号，自动复位，同时看门狗定时器清0。

若将WDO端与MR连接，则可组成上电复位及看门狗复位电路。

实际应用时，将第RST接CPU的复位脚，MR脚与WDO脚相连，WDI脚与CPU的P2.1相连。

在软件设计中，P2.1不断输出脉冲信号。

如系统死机导致P2.1无脉冲信号输出，则1.6秒后在IMP813的WDO脚输出低电平。

该低电平加到MR脚，IMP813产生复位输出，使CPU有效复位，摆脱死循环的困境。

另外，当电源电压低于门限值4.65V时，IMP813也产生复位输出，使CPU不执行任何动作直至电源电压恢复正常。

其与单片机连接方式如图4-7所示。

4-7看门狗复位电路

第五章软件设计

5.1整体软件设计

电热水器上电后，首先进行系统初始化，