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自动恒温设计
谨以此论文献给我敬爱的指导老师以及我亲爱的家人、朋友和同事们！
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自动恒温加热器设计
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与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
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年月日
自动恒温加热器设计的研究
摘要
随着社会生活水平的提高、公众环保意识的增强，家用自动恒温热水器己走进了普通家庭。
可以说，自动恒温热水器产品己成为中国家庭可再生能源市场上需求量最大、发展最为迅速的产品。
然而，目前我国市场上的自动恒温热水器控制系统大多系统功能单一，操作复杂，控制不方便，抗干扰能力差，而且不能够对水温进行良好的控制，即便具有辅助加热的功能，也常常会出现加热不足或过热，这不仅会造成很大的安全隐患，还会浪费大量的电能。
基于上述原因，本文提出了一种新的自动恒温热水器的控制方案。
该方案并未考虑到辅助加热的情况，系统主要由单片机、温度传感器、加热器、显示设备及温度设定等部分构成。
系统简单有效、成本低廉，该系统具有对温度的范围精确控制、能显示当前热水器的实际温度以及控温范围并具有调温、恒温等多项自检功能。
关键词：
热水器；单片机；温度控制；液晶显示；
WaterTemperatureControlSystemforSolarHeaterBasedonMicroControlUnit
Abstract
Withtheimprovementoflivingstandardandpublicawarenessofenvironmentalprotection,domesticsolarwaterheatershavebeenintotheaveragefamily.ThesolarwaterheaterhasbeenthelargestandfastestgrowingproductsonthemarketdemandforrenewableenergyinChina.However,thesolarwaterheaterexistsomeproblemsontheChina'smarket,eg:
singlefunctionofcontrolsystem,complicatedoperation,inconvenientcontrol,pooranti-interferenceability,andpoortemperaturecontrol.Evenwiththeauxiliaryheatingfunction,therewillbeoftenheatedinadequateorexcessiveburning.Asaresult,itwillnotonlycausegreatsecurityrisk,butalsowastealotofenergy.
Forthesereasons,thispaperpresentsanewcontrolschemeofanewsolarwaterheater.Thecontrolsystemismainlycomposedbythemicrocontroller,temperaturesensor,hotandcoldwatersolenoidvalve,waterlevelswitchandtemperaturesettings,alarmsandotherparts,whichdoesn’ttakeintoaccounttheauxiliaryheating.Itisprovedthatthecontrolsystemissimpleeffectiveandinexpensive.Thecontrolsystemhasaccuratetemperaturecontrol,candisplaythecurrentwaterheater'stemperatureandautomaticallydetectstheactualtemperatureofwaterheaters,andhasthefunctionsoftheself-adjusttemperatureandtheconstanttemperature.
Keywords:
Waterheate;MicroControllerUnit;PWM;Temperaturecontrol.
目录
1引言1
1.1选题的背景与意义1
1.2自动恒温热水器国内外发展现状1
1.3课题来源及主要研究内容2
1.4本设计实现的具体功能3
2方案论证与选择4
2.1总体设计方案4
2.2系统工作过程流程6
3硬件电路芯片的选型7
3.1STC12C5A60S2单片机简介7
3.2水温显示电路7
3.3DS18B20简介8
3.4键盘模块的选择9
4硬件系统设计11
4.1单片机最小系统11
4.1.1时钟电路11
4.1.2复位电路设计12
4.2电源电路13
4.3LED指示电路13
4.4按键电路13
4.5混水区水温检测电路14
4.6水温显示电路15
4.7电磁阀的控制16
4.8电动调节阀控制电路17
5系统的软件部分详细设计19
5.1KeilC51简介19
5.1主程序设计20
5.2水箱注水工作流程图21
5.3温度按键设置流程23
6总结25
参考文献26
附录一：
电路原理图27
附录二：
系统程序28
致谢46
个人简历47
1引言
1.1选题的背景与意义
随着全球人口和经济规模的不断增长，能源使用带来的环境问题逐渐为人们所认识，“低碳经济”这一概念开始进入人们的视野。
世界上越来越多的国家认识到：
一个社会持续发展,既应满足于社会的需要，又不危及后人前途。
因此，节约自然能源、提高能源的利用效率，尽可能多地利用新能源，是我国经济建设的重要基本国策。
目前市场上存在三种样式的热水器：
燃气式、电热式和自动恒温三大类。
近年来，在一氧化碳中毒事故中，由燃气热水器造成的约占1/3；电热水器的大规模用电，并不能给人们的正常生活带来便利。
作为后来者的自动恒温以其清洁、源源不断、安全等显著优势，成为关注的重点。
在自动恒温产业的发展中，自动恒温热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的，并已形成产业，正在以优良的性能不断地冲击电热水器和燃气热水器市场。
然而，目前市场上自动恒温热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题，很多控制器具有温度和水位显示功能，却不具有温度控制功能，致使热水器阴天的时候不能方便使用。
即使热水器具有辅助加热功能，也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费电能。
选择这个课题，可以让我更好的认知可持续发展问题，看清目前的能源现状以及各国在节能问题上的措施。
1.2自动恒温热水器国内外发展现状
1.国内发展现状
中国的自动恒温热水器市场发展很快，总的保有量和年生产力位居世界第一。
科学技术发展在不断进步，自动恒温热水器也随着技术的进步不断完善，由集热、贮热合为一体的结构逐步改进为集热和贮热分开的形式，并采用技术先进的自动恒温集热器、保温材料、冬季防冻技术以及他辅助装置等。
现如今技术先进的自动恒温热水器已经达到了四季都可运行的要求，大大提高了自动恒温热水器的热效率以及利用效率。
目前，自动恒温热水器是应用最普遍的技术之一，在再生能源技术领域中，也是商业化程度最高的。
自动恒温热水器技术发展：
2.国外发展现状
3.自动恒温热水器是一种清洁，环保，节能的产品。
世界各国对太阳热水器的开发十分重视。
各国纷纷制定太阳热水器技术产业的发展规划，这样就显著的推动了此行业的技术进步。
欧洲共同体提出的自动恒温相关的热水系统使热能供给的体制得到保证，并且用合同形式承诺对所用自动恒温的用户实行热水供应。
先后在法国、西班牙和德国加以实施，已取得了良好的效果。
美国实施进行的百万自动恒温屋顶计划推进并带动了大批工业发展进步。
此热水器在国外应用广泛：
（1）面向城市住宅的需求，在安装过程中，可以有每家都有热水表、全天都能可使用的、分户用的、有自我控制的、集体组装的自动恒温出热水的系统。
（2）适用于不同用户的需要、能满足各种建筑物结构不同的需求、外观要求。
（3）满足各种行业的应用。
商业和服务业的洗车、洗染、餐饮、美容、洗浴、宾馆和饭店、农业生产中的温室加热以及畜禽养殖等都需要大量的热水；太阳热水系统与沼气池结合起来，可以提高发酵温度，大大地提高其产气率；被动太阳房与太阳热水器相结合进行采暖，是一种值得推广的科学技术。
另外，主动太阳房利用太阳热水器和其它能源相结合，进行地板采暖的经济效益也很好。
1.3课题来源及主要研究内容
虽然近二十多年来，我国的自动恒温相关热水器行业取得了迅速的发展，并且已经成长为全球最大、产量最多的自动恒温相关热水器的生产国之一，但是客观上讲，我国的自动恒温相关热水器的配套应用控制器，仍然处在初始研究、初始开发的阶段，至今还未在中国相关文献检索到自动恒温热水相关系统相匹配的应用控制器。
最近几年，市面上先后出现了一系列的自动恒温相关热水器的控制器，可是多数的控制器还存在着一些缺点：
如性能不够稳定、操作容易错误；数码显示器出现乱码；温度、水位检测以及控制误差比较大；与电辅助加热装置不能很好配合；自动恒温利用率较低等诸多问题，影响了用户的正常使用。
更有甚者，有些控制器质量较差，经常发生故障，严重影响了用户的使用，从而影响太阳热水器的销售。
自动恒温热水器及其控制器有着广阔的开发前景，但目前的技术科研、开发利用投入较少。
自动恒温热水器的测量及其控制方面，应引起重视，加大投入一定力量，开发出质量高、性能好的测量控制产品。
本设计的单片机控制自动恒温热水器出水恒温控制系统在软件程序的控制下完成温度实时显示功能，并能完成温度设定等功能。
主要研究内容如下：
（1）在（STC12C5A60S2）单片机上进行处理器系统的设计
（2）进行芯片的选型及接口设计
（3）进行其他硬件电路及软件的设计。
1.4本设计实现的具体功能
1.用户可以通过按键设定使用的温度范围，设定后进行存储。
2.使用过程中，LCD1602可以显示当前设定的温度范围，也可以显示当前水的温度值。
3.加热过程中LED同步显示继电器的工作状态，以及加热器的工作状态。
2方案论证与选择
自动恒温热水器作为能源利用的一种方式，具有是用方便、安全经济、节能环保的优点，因而得到广泛应用。
本设计主要是研究自动恒温控制系统，现有的较为常用的方案如下：
方案一：
平时我们需要一定温度的水时，都需要手动调剂冷热水混合比例，温度合适后再使用，但在使用过程中，常会放一段时间的冷、热水，混合后又会出现忽冷忽热的现象，造成资源浪费，还有压力的变化，均需要再次手动调节，这样操作既复杂又不方便。
鉴于上述方案的优缺点，本文提出了一种新的方案。
自动恒温热水器一般能将热水加热至用户所需的温度以上，就算在阴天的情况下，自动恒温热水器内部的发热管也会将水温加热至用户所需温度，因此，在本设计方案中，并没有考虑到辅助加热的情况。
还有另外一个原因就是，用户在使用热水时，不可能再等加热元件加热好水后再使用，这样比较浪费时间。
如家用电热水器就必须预热一段时间。
2.1总体设计方案
本文设计了一种自动恒温热水器出水恒温控制系统,系统主要由单片机、温度传感器、温度设定等部分构成。
系统简单有效、成本低廉。
基于上述原理该系统具有对温度的精确控制、能显示当前热水器的实际温度以及自动检测热水器的温度，并具有调温、恒温等多项自检功能。
使用户在使用过程中更加舒适。
结构示意图如图2-1所示。
图2-1结构示意图
2.2系统工作过程流程
在初始化时，单片机和加热器均处于关闭状态，用户按下启动键，系统将按照设定的模式进行工作。
若是记忆模式，按下确定键#号时，加热器将执行上次的温度范围，当达到设定温度值时，单片机自动进入恒温模式。
若是输入模式，按下0~9数字键，对温度范围进行选择加热当达到设定温度值时，单片机自动进入恒温模式。
用户按下*号键时，系统将进行清零状态，不在有温度范围，加热器也不会进行加热。
3硬件电路芯片的选型
3.1STC51单片机简介
当前大多数应用系统的控制芯片是由MCU（单片机系统），DSP（数字信号处理器），或者FPGA（FieldProgrammableGateArray）即现场可编程逻辑器件构成的。
本文所采用的是单片机系统。
STC12系列单片机是MCS-51系列单片机的派生产品。
而我们采用的STC12C5A08S2是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机。
它们在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8051单片机完全兼容，DIP40封装系列与8051为pin-to-pin兼容。
STC12系列单片机高速（最高时钟频率80MHz）、低功耗，支持ISP。
片内8KBFASHROM，1280字节片内RAM；SPI（串行外围接口）和增强型UART；PCA（可编程计数器阵列），具有PWM的捕获/比较功能；
4个8位I/O口，含3个高电流P1口，可直接驱动LED；可编程看门狗定时器（WDT）；内部有集成的专用复位电路MAX810，而其中STC单片机最大的优势在于ISP技术。
3.2水温显示电路
本设计中选的显示器是LCD1602液晶显示，而常用的显示器件有：
（1）显示和记录仪表；
（2）CRT显示终端；；（3）大屏幕显示器。
显示和记录仪表能连续进行显示和记录，价钱比较贵，并且是模拟显示有误差，不利于读数，它一般适用于企业的技术改造，在本设计中不宜采用。
CRT显示终端直观且灵活，既可显示数字，又可显示出画面、报表，但系统比较复杂，价格也比较贵。
大屏幕显示视觉范围宽广、清晰，但主要是用于车站、码头、体育场馆、大型生产装置等大型场合的显示。
液晶显示模块以其显示信息量大、
微功耗、超薄轻巧的诸多优点，在小型、便携、数字、智能化仪表中得到了广泛的应用
所以在这里我决定使用LCD1602液晶显示。
3.3DS18B20简介
测温电路采用温度芯片防水DS18B2，DALLAS公司生产的DS18B20是单总线式的数字温度温度传感器，温度操作是使用16位，也就是说分辨率为0.0625℃，它的工作电源能够由寄生电源的方式产生，还能够从电路的远端引来。
采用单总线的数据传输方式，多个温度传感器可挂接在单条总线上，实现多点的温度测量。
DS18B20支持单条总线接口，测量温度范围为-55~+125℃，在-10~+85℃范围内,精度为±0.5℃，温度采集具有准确性和及时性。
这个温度范围完全满足我们的热水要求，现场采集温度直接以单总线的数字方式传输，从而提高了系统的抗干扰性。
其适用场合主要冷冻库、粮仓、储罐、电讯机房、电力机房、空调环境控制、感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。
DS18B20有4个主要的数据部件：
①64位激光ROM。
64位激光ROM从高位到低位依次为8位CRC、48位序列号和8位家族代码（28H）组成。
②对温度的灵敏度较高的元件。
③不易丢失温度报警触发器TL及TH。
能够通过软件写入用户需报警时的上下限值。
④配置寄存器。
它位于为高速暂存器中的第六位。
它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。
TM是测试模式标志位，用于设置DS18B20是在工作模式还是在测试模式，该位在出厂时被设置为0，用户不要改动；由R1和R0来决定温度转换时的精度位数，是用来设置分辨率的，如果设置的分辨率越高，则温度数据转换的时间就会越长。
所以，在应用中要对分辨率和转换时间权衡考虑。
表3-1DS18B20配置寄存器结构图
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
MSB
DS18B20配置寄存器结构图
LSB
表3-2配置寄存器与分辨率关系表：
R0
R1
温度计分辨率/bit
最大转换时间/us
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
（2）高速暂存存储器
DS18B20的存储器内部有高速暂存器RAM，由9个字节组成；第一、二字节是温度的显示位。
第三、四字节是复制TH和TL，第三、四个字节的数字还可以更新；第五个字节是复制配置寄存器，其数字也可以更新；六、七、八三个字节是计算机自身使用。
用读寄存器的命令能读出第九个字节，这个字节是对前面的八个字节进行校验。
发布温度转换命令后，温度值转换成二字节的补码形式，并存放在高速暂存器的第一和第二个字节。
单片机通过单线接口读到温度数据，读数高位在后，低位在前。
相关温度的计算：
若符号位为0时，直接将二进制位转换为十进制；若符号位为1时，需将补码变为原码，再计算十进制值。
DS18B20最大的特点是单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线来完成。
3.4键盘模块的选择
键盘是标准的输入设备，实现键盘有两种方案：
一是采用现有的一些芯片实现键盘扫描，如8279，CH451，LMC9768等，还有就是用软件实现键盘扫描。
使用现成的芯片可以节省CPU的开销，但增加了成本，而用软件实现具有较强的灵活性，也只需要很少的CPU开销，可以节省开发成本。
本文便使用软件实现键盘的扫描。
常见的键盘可分为独立按键式键盘和行列扫描式键盘。
系统使用少量按键时选择独立按键式键盘比较合适，而按键需求较多时选择行列扫描式键盘较合适。
针对本文设计功能的需要，故可选择矩阵按键式键盘。
按键开关一般都采用触点式的，当按键按下去或是弹起来时，理论上分析可产生相应的低、高电平，但应用中并非如此。
当按键在闭合或断开时，触点的弹性会产生抖动现象。
抖动会产生一次按键的的多次处理问题，一般采用硬件电路或软件程序来消除。
按键较少时，可以采用去抖电路，按键较多时，宜采用软件延时方法。
按键过程一般包含以下几个阶段：
（1）等待阶段：
按键还没有操作人员按下，为空闲的阶段；
（2）按下抖动阶段：
此时键刚刚按下，但信号处于抖动状态，系统在检测时应消抖延时，约5ms-20ms；
（3）有效闭合阶段：
此时抖动己经结束，一个有效按键动作己经产生，系统应该在此时执行按键功能，或将按键编码记录下来，待键弹起时再执行其功能；
（4）释放抖动阶段：
许多时候编程人员并不在此时消抖延时，但最好也执行一次消抖延时，以防止误操作；
（5）有效释放阶段：
若设计要求在按键抬起时才执行功能，则应当在此时进行按键功能的处理。
按键击键方式不同，效果也不同：
（1）短击，操作人员快速按下单个按键，然后立即释放；
（2）长击，操作人员长时间按下一个按键。
防止用户误操作，可长时间按下某些重要的功能键、复位键等。
（3）连击，实现连续操作效果，如连续加1或减1；
（4）复合按键，同时按下两个或者多个按键，实现某些特殊的功能；
（5）无键按下，在一定时间内操作者未按任何按键，用于执行某些特殊的操作，如自动进入待机态或节能态。
4硬件系统设计
自动恒温控制系统硬件电路主要包括几个方面：
主机电路、控制电路、指示电路、水温检测电路、液晶显示电路等。
4.1单片机最小系统
4.1.1时钟电路
单片机最小系统，是指能使单片机正常工作的最少硬件电路。
对STC系列单片机来说，一个最小的应用系统应包括供电电源、晶振电路、复位电路。
单片机及外围电路如图4-1所示。
图4-1单片机及外围电路
晶振电路主要用于产生时钟信号，通常有内部时钟方式和外部时钟方式，外部时钟方式是已有的时钟信号引入到单片机内，此方式多用于要求单片机同步运行的场合。
STC12C5A08S2内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。
内部方式的时钟电路在XTAL1和XTAL2引脚上外接晶振和电容组成的并联谐振回路，内部振荡器就产生自激振荡。
晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。
外部方式的时钟电路XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用，在本设计中，采用的是内部时钟方式，
4.1.2复位电路设计
（1）复位操作
复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态，单片机的工作就是从复位开始的。
其主要功能是把程序计数器PC初始化为0000H，使程序从0000H地址单元开始执行。
除了进入系统的正常初始化之外，有时程序运行会出错、操作不当的情况，使系统处于死锁状态，可按复位键重启系统。
（2）复位电路及其产生
RST引脚为复位输入端。
当引脚加高电平复位信号（保持两个以上机器周期）时，单片机内部就会执行复位操作，复位信号变为低电平时，单片机开始执行程序。
若所选晶振频率为6MHz，则复位信号持续的时间高于4us才能够完成复位。
复位操作有上电与按键复位和上电复位两种方式。
上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位，主要是通过单片机外部复位电路中的C充电得以实现，如果电源Vcc上升的时间t<=1ms，则可以实现上电之后自动复位的功能。
接通电源之后，单片机将进入初始化状态。
上电与按键复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中，按键电平式的复位主要是使复位引脚处通过电阻R和工作电源接通来完成的，而按键脉式的复位方式是利用电阻与电容构成微分电路，产生正脉冲来实现复位的。
上述电路图中的R、C参数可以用频率为6MHz的晶振，使RST引脚所加高电平复位信号保持2个机器周期以上。
本控制电路的复位电路采用按键复位方式。
4.2电源电路
任何系
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