基于单片机的家用热水器控制器设计毕业设计论文.docx
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基于单片机的家用热水器控制器设计毕业设计论文
摘要
我的毕业设计题目是：
基于单片机的家用热水器控制器的设计。
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、更方便、更安全、更节能的热水器是产品设计师和生产厂商不断追求的目标[1]。
家用热水器具有体积小、使用安全、安装方便等优点。
系统硬件电路设计包括加热控制、温度检测等电路的设计。
电热水器是一种可供洗手间、厨房、浴室使用的家用电器，具有无污染、安全、保温时间长、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。
本文给出了一种基于51单片机实现的热水器电加热器的设计方案。
本文运用以AT89S51为控制核心的方法，提出了利用DS18B20来实现温度检测，并设计一个由继电器控制的电路，利用继电器来改变小电流控制的电路功率，构建了一个加热控制电路，从而得出了可以实现加热以及保温的结论。
关键字：
热水器，单片机，DS18B20温度检测器，继电器
Micro-controllerofwaterheatercontrollerdesign
Abstract
Mygraduationprojecttopicis:
thedesignofmicrocontroller-basedhomewaterheatercontroller.Waterheatershavebecomeindispensableinthedailylifeofhouseholdappliances,thedesignandmanufactureofmorepractical,moreconvenient,safer,moreenergy-efficientwaterheateriscontinuingtopursuethegoalofproductdesignersandmanufacturers.Thehardwarecircuitdesignincludingheatingcontrol,temperaturedetectioncircuitdesign.Electricwaterheaterisanavailabletoilet,kitchen,bathroomandhouseholdappliances.Hastheadvantagesofclean,safe,longholdingtime,easytouse.Withthecontinuousimprovementofpeople'slivingstandardsandthecontinuousdevelopmentofChina'spowerindustry,electricwaterheatersarebecomingmoreprevalent.Inthispaper,basedon51single-chipdesignoftheauxiliaryheatingofthewaterheater.Inthispaper,AT89S51asthecontrolcore,DS18B20temperaturedetection,andtodesignarelaycontrolcircuit,usetherelaytochangethesmall-currentcontrolcircuitpowertobuildaheatingcontrolcircuit,inordertogetconclusionofwaterheatingcanbeachievedandthekeepingoftemperature..
Keywords：
Waterheater,micro-controller,DS18B20temperaturedetector,relay
1引言
当今社会大部分人在使用热水器时，基本上都是采用的快热式的。
这是因为它给人们带来了极大的方便，人们不再为热水器耗电量大而发愁，所以快热式电热水器走进千家万户应经成为必然的。
我国也在不断大力提倡家庭使用热水器，这样可以为国家节省很多电能。
使用电热水器的方便之处还在于我国的电力来源比较方便，电能是无污染、清洁的，很受人们欢迎。
目前市场燃气热水器、太阳能热水器、储水式电热水器遍地开花，然而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[2]；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更大市场份额；所以电热水器以其小巧时尚的外观、而且加热方便、比燃气热水器更安全的特点横空出世！
在欧洲、东南亚市场热水器发展历程充分证明了这一点。
普通电热水器有如下缺点：
1、热水器长期通电，长期保持在六十度以上高温，发热管易结垢，内胆易漏水，因而较易损坏；
2、管道热水热量损耗大；
3、等候用水时间太长；
4、在热水流出前都必须浪费一定量的冷水，根据管道的长短，一般家庭中冷水损耗量大，基本可达10-25升/次。
而电热水器克服了上述缺点。
它有很多优点，如：
安全，干净环保；体积小所占空间小，安装方便，款式多样，美观实用，也是职工福利和客户礼品的绝佳选择。
特别方便于洗涤，和洗漱，是为现代家居厨房洗涤、卫生间洗漱专业设计生产的快速电热水器，结合了燃气热水器和传统储水式电热水器优点[3]。
这里之所以设计家用电热水器正是看到了它的未来，即将来人们将越来越多的使用它。
系统主要要求：
1、控制器控制的热水器功率是2000W，采用两根加热棒。
2、可以显示热水器当前水温和设置水温。
3、可以进行水温设置。
4、可以进行速热整桶水和低功率加热等加热模式的选择。
5、加热、保温、低功率三种加热模式进行显示。
2家用电热水器控制器的硬件设计
对于家用电热水器来说，硬件系统是它的最基本的框架，是系统的所有功能的丛础。
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。
本系统硬件方案论证包括单片机、温度检测传感器、加热控制驱动电路、电源电路、及键盘和显示等电路的选择。
2.1系统总体设计方案
设计家用电热水器控制器，使控制器控制的热水器功率为2000W，采用两个加热棒。
可以显示热水器当前水温和设置水温；可以进行水温设置；设计也要实现可以进行速热整桶水、低功率等加热模式的选择等功能。
利用发光二级管对加热、保温和低功率三种模式进行显示。
系统硬件电路包括加热控制、温度检测、报警、复位等电路的组成。
利用LCD1602来显示实时设定温度和实际温度[4]。
2.1.1主要技术参数
1温度检测范围是0℃-80℃
2测量精度：
+1℃
3键盘是采用拨动开关，实现温度设定范围为：
0℃～80℃
4参数调整：
手动控制/程序控制
5增加预警系统，当加热到设定的温度时，则发出报警信号
2.2电热水器控制器系统组成框图
电热水器控制电路由时钟电路，复位电路，单片机，按键，LCD1602，传感器，继电器等部分组成。
当单片机的P22、P21口输出低电平“0”时，两根加热棒都工作。
当P23输出“0”时，报警电路工作。
当P24、P25、P26、P27口为“1”时，发光二级管亮，模式选择显示工作。
按键电路中，若有键按下，则对应的单片机管脚为“1”信号。
热水器控制器系统组成框图如图2-1：
图2-1热水器控制器系统组成框图
2.3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：
AT89S51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]。
2.3.1单片机的选择
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[6]。
热水器控制电路数控部分采用AT89S51单片机作为控制核心。
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89S51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，AT89S51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8k字节为在系统可编程Flash[7]。
STC89C51单片机的管脚图如图2-2：
图2-2AT89C51单片机的管脚图
各引脚介绍如下：
1．电源和晶振
VCC——运行和程序校验时加+5V
GND——接地
XTAL1——输入到振荡器的反向放大器
XTAL2——反向放大器的输出，输入到内部时钟发生器
（当使用外部振荡器时，XTAL1接地，XTAL2接收振荡器信号）
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的[8]。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
2．I/O（4个口，32根）
P0口——8位、漏极开路的双向I/O口。
当使用片外存储器（ROM、RAM）时，作地址和数据分时复用。
在程序校验期间，输出指令字节（需加外部上拉电路）。
P0口（作为总线时）能驱动8个LSTTL负载。
P1口——8位、准双向I/O口。
在编程/校验期间，用于输入低位字节地址。
P1口可驱动4个LSTTL负载。
对于80C51，P1.0——T2，是定时器的计数端且位输入；P1.1——T2EX，是定时器的外部输入端。
这时，读两个特殊输入引脚的输出锁存器应由程序置1。
P2口——8位、准双向I/O口。
当使用片外存储器（ROM及RAM）时，输出高8位地址。
在编程/校验期间，接收高位字节地址。
P2口可以驱动4个LSTTL负载。
P3口——8位、准双向I/O口，具有内部上拉电路。
P3口提供各种替代功能。
在提供这些功能时，其输出锁存器应由程序置1。
P3口可以输入/输出4个LSTTL负载。
3．串行口
P3.0——RXD（串行输入口），输入。
P3.1——TXD（串行输出口），输出。
4．中断
P3.2——INT0外部中断0，输入。
P3.3——INT1外部中断1，输入。
5．定时器/计数器
P3.4——T0定时器/计数器0的外部输入，输入。
P3.5——T1定时器/计数器1的外部输入，输入。
6．数据存储器选通
P3.6——WR低电平有效，输出，片外存储器写选通。
P3.7——RD低电平有效，输出，片外存储器读选通。
7．控制线（共4根）
输入：
RST——复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
EA/Vpp——片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。
在编程时，其上施加21V的编程电压。
注意：
在加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
输入、输出
ALE/PROG——地址锁存允许信号，输出。
ALE以1/6的振荡频率稳定速率输出，可用作对外输出的时钟或用于定时。
在EPROM编程期间，作输入，输入编程脉冲（PROG）。
ALE可以驱动8个LSTTL负载。
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号[9]，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
注意：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
输出：
PSEN——片外程序存储器选通信号，低电平有效。
在从片外程序存储器取址期间，在每个机器周期中，当PSEN有效时，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）。
PSEN可以驱动8个LSTTL负载。
2.3.2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，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动[10]。
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。
并且在外围设计晶振电路使51单片机正常工作。
晶振电路：
AT89S51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。
本系统的复位和晶振电路采用图2-3所示的复位方式。
图2-3晶振和复位电路
2.4温度传感器DS18B20的选择确定
DS1820通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS1820之间仅需一条连接线（加上地线）。
用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。
因为每个DS1820都有一个独特的片序列号，所以多只DS1820可以同时连在一根单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。
这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用[11]。
2.4.1DS18B20的特性
1、独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯
2、简单的多点分布应用
3、无需外部器件
4、可通过数据线供电
5、零待机功耗
6、测温范围-55~+125℃，以0.5℃递增。
华氏器件-67F—+2570F，以0.90F递增
温度以9位数字量读出
7、温度数字量转换时间200ms（典型值）
8、用户可定义的非易失性温度报警设置
9、报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件
10、应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统
DS18B20的管脚图如图2-4
图2-4芯片DS18B20
2.4.2DS18B20的测温原理
DS1820是这样测温的：
用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。
计数器被预置到对应于-55℃的一个值。
如果计数器在门周期结束前到达0，则温度寄存器（同样被预置到-55℃）的值增加，表明所测温度大于-55℃。
同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。
然后计数器又开始计数直到0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程[12]。
表格2-1给出了温度和数据之间的关系。
表2-1温度和数据的关系
温度
数据输出（二进制）
数据输出（十六进制）
+125
0000000011111010
00FA
+25
0000000000110010
0032
+1/2
0000000000000001
0001
0
0000000000000000
0000
-1/2
1111111111111111
FFFF
-25
1111111111001110
FFCE
-55
1111111110010010
FF92
斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期在测温时获得比较高的分辨力。
这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的的值来实现的[13]。
DS1820内部对此计算的结果可提供0.5℃的分辨力。
温度以16bit带符号位扩展的二进制补码形式读出，表2-2给出了温度值和输出数据的关系。
数据通过单线接口以串行方式传输。
DS1820测温范围-55℃~+125℃，以0.5℃递增。
如用于华氏温度，必须要用一个转换因子查找表。
最高有效（符号）位被复制充满存储器中两字节温度寄存器的高MSB位，由这种“符号位扩展”产生出了16bit温度读数。
图2-5DS18B20方框图
图2-5的方框图示出了DS1820的主要部件。
DS1820有三个主要数字部件：
1）64位激光ROM，2）温度传感器，3）非易失性温度报警触发器TH和TL。
器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量：
在信号线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。
DS1820也可用外部5V电源供电[14]。
DS1820依靠一个单线端口通讯。
在单线端口条件下，必须先建立ROM操作协议，才能进行存储器和控制操作。
因此，控制器必须首先提供下面5个ROM操作命令之一：
1）读ROM，2）匹配ROM，3）搜索ROM，4）跳过ROM，5）报警搜索。
这些命令对每个器件的激光ROM部分进行操作，在单线总线上挂有多个器件时，可以区分出单个器件，同时可以向总线控制器指明有多少器件或是什么型号的器件。
成功执行完一条ROM操作序列后，即可进行存储器和控制操作，控制器可以提供6条存储器和控制操作指令中的任一条[15]。
一条控制操作命令指示DS1820完成一次温度测量。
测量结果放在DS1820的暂存器里，用一条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中数据读出。
温度报警触发器TH和TL各由一个EEPROM字节构成。
如果没有对DS1820使用报警搜索命令，这些寄存器可以做为一般用途的用户存储器使用。
可以用一条存储器操作命令对TH和TL进行写入，对这些寄存器的读出需要通过暂存器。
所有数据都是以最低有效位在前的方式进行读写。
寄生电源
寄生电源的方框图见图1。
这个电路会在I/O或VDD引脚处于高电平时“偷”能量。
当有特定的时间和电压需求时（见节标题“单线总线系统”），I/O要提供足够的能量。
寄生电源有两个好处：
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ROM。
要想使DS1820能够进行精确的温度转换，I/O线必须在转换期间保证供电。
由于DS1820的工作电流达到1mA，所以仅靠5K上拉电阻提供电源是不行的，当几只DS1820挂在同一根I/O线上并同时想进行温度转换时，这个问题变得更加尖锐。
2.5键盘与显示
2.5.1键盘部分
方案一：
采用矩阵式键盘，其优点是可以按键多，适合于要求使用多按键的场合，如计算器，电子密码锁等。
缺点是占用较多的I/O口，软件编程复杂，键盘扫描时间较长。
方案二：
采用独立式按键，其优点是响应速度快，接口简单，易于编程，使用方便。
本设计需要按键不多，故通过上述两个方案的比较，本设计采用方案二，使用独立式按键。
共设置四个按键，第一个按键为复位键，第二个按键为设置键，第三个按键为加一键。
第四个按键为减一键。
当P13口为低电平时，则键K1按下，为高电平时，表示无键按下。
同理，当P14口为低电平时，则键K2按下，为高电平时，表示无键按下。
当P15口为低电平时，则键K3按下，为高电平时，表示无键按下。
当P16口为低电平时，则键K4按下，为高电平时，表示无键按下。
键盘连接如图2-6：
图2-6键盘连接
2.5.2显示电路
方案一：
LCD1602液晶显示，具有字符发生器ROM可显示192种字符，具有64个字节的自定义字符RAM，但是不能显示汉字，只能显示ASCII码且只能显示显示两行。
方案二：
12864是128*64点阵液晶模块的点阵数简称，其是一种具有内部含国际一级、二级简体中文字库的显示模块，分辨率为128*64，内置8192个16*16点汉字和128个16*8点ASCII字符集。
利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可显示8*4行16*16点阵的汉字，也可显示图形。
低电压低功耗是其又一显著特点。
方案三：
数码管显示，数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，其驱动方式分别为静态驱动和动态驱动。
静态驱动编程简单，显示亮度高，但占用的I/O端口多，在实际应用时必须增加译码器，是硬件电路更复杂。
针对数码管，其显示单调且不具备数据的直观性。
比较上面三种方案，本系统采用LCD1602进行显示。
表2-2LCD1602主要技术参数
显示容量
16*2个字符
芯片工作电压
4.5—5.5V
工作电流
2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压
5.0V
字符尺寸
2.95*4.35（WXH）mm
表2-3LCD160接口信号说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DataI/O
2
VDD
电源正级
10
D3
DataI/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
DataI/O
4
RS
数据/命令选择端
12
D5
DataI/O
5
R/W
读/写选择端
13
D6
DataI/O
6
E
使能信号
14
D7
DataI/O
7
D0
DataI/O
15
BLA
背光级正极
8
D1
DataI/O
16
BLK
背光级负极
LCD1602结构如图2-7所示，由图可知，LCD1602的8个输入端DB0-DB7口与单片机的8个P0口相连。
P10口接R/S（数据/命令选择端），P11口接R/W（读/写选择端），P12口接E（使能信号）。
图2-7LCD1602液晶显示
2.6温度检测电路的设计
由于DS18B20只有一个串行接口，与单片机与单片机的连接电路和很简单，只需与单片机的一个I/O端口连接即可。
其连接图如图7所示，DS18B20的I/O属于漏极开路输出，外接上拉电阻后常态下成高电平。
该器件内含有寄生电源，其供电方式可以选择寄生电源方式，也可以选择外部电源。
为方便起见，采用寄生电源供电。
且最大特点就是不需要A/D转换电路，使硬件电路变得简单。
温度检测电路如下图2-8：
图2-8温度检测电路
2.7报警电路设计
在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有
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