智能热水器系统设计.docx
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智能热水器系统设计
xx工业应用技术学院
本科生毕业设计（论文）
题目：
智能热水器系统设计
起止日期：
2016年3月6日至3月10日
指导教师：
职称：
学生姓名：
学号：
专业：
院（系）：
教研室主任：
20年月日审查
院系负责人：
20年月日批准
摘要
在智能热水器系统控制设计中，采用采用STC89C51单片机作为核心单元，本文对智能热水器如何实现智能化控制做了有效性分析，利用各种原件，例如：
感器温度传感器、继电器来完成论文的设计。
通过硬件设计和软件设计两个方面对智能热水器执行控制。
在软件设计方面，采用C语言来进行编程,在硬件设计方面通过键盘显示、接口、温度控制报警电路、电源电路、水温检测电路来构成整个单片机的控制系统，这些功能的实现主要通过对单片机最小系统进行扩展来实现。
在设计方面，通过比较分析，采用最好的方案，力求设计简单易行，能够进行用软件来控制，完成水温的测试，能够进行智能加热，提高了系统设计的准确性和可靠性。
关键词：
STC89C51，DS18B20，智能，热水器，设计
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,indeepanalysisoftheSTC89C51,Imadeasetofsimpleandpracticalcontrolsystemdesign.Thesystemismainlytousesingle-chipmicrocomputertocontrolcenters,withspecifichardwarearchitectureandthecorrespondingsoftwaredesign,thustheintelligenceofthewaterheaterwouldbecometrue.
Keywords:
single-chipmicrocomputer,controller,intelligence,waterheater,design
目录
第1章绪论
1.1选题的背景、目的及意义
1.2国内外的研究状况和成果
1.3研究设想和实验设计
第2章硬件系统设计
2.1方案验证
2.2硬件系统设计
2.2.1电源电路
2.2.2键盘/显示接口电路
2.2.5报警电路
2.2.6模数转换电路
2.2.7温度检测电路
2.2.8水位检测电路
2.2.9STC89C51功能及特性介绍
第3章软件系统设计
3.1主程序流程框图
结论
参考文献
致谢
第1章绪论
1.1选题的背景、目的及意义
随着人们生活水平的提高，越来越多的智能热水器走进了每个家庭，这种热水器使用起来比较方便，逐渐代替了燃气热水器，能热水器的市场份额已经超过了80%，随着新能源的发展，太阳能智能热水器因为安装的局限性，还没有得到普及，对我国城镇居民中，人们在使用智能热水器的时候，非常注重产品的安全，环保，随着家电的普及，人们悠闲选择，电热水器和太阳能热水器，因为燃气热水器对环境会造成污染，随着国家对环保的重视，智能热水器在人们日常生活中所占的比例越来越大，在这种市场需求下，我们开发出了智能热水器，利用单片机来进行系统控制设计，使得人们在使用的时候非常方便安全。
核心部件采用STC89C51单片机。
1.2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。
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。
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。
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的，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。
1.3研究设想和实验设计
在设计中，采用STC89C51单片机作为核心控制单元，设计要求主要是来实现温度自动控制、水位自动控制、数字显示、键盘模块、编程接口、电源模块、报警模块等作为设计重点。
详细的实验设计方案：
STC89C51单片机供电电压为五伏，这样，就需要一个稳定的直流稳压电源来进行给它供电，因为我们家用电压为220伏，为了达到控制需求，我们对220伏电压进行了滤波、稳压方式使得输出电压为五伏，满足设计需求。
因为单片机对环境的使用需要处非常高，为了不受环境的干扰，我们对单片机的供电单元进行了独立设计，别到使单片机硬件具有通用性，在系统配置上以显示器、按键等器件来构成。
震荡电路选用12兆赫兹晶振和两个3030μF陶瓷平衡电容组成。
在硬件使用上，重点考虑了硬件的通用性，例如：
复位电路，通过按键复位和上电来进行结合设计，实现加减功能、确定功能的设置。
在智能系统控制中我们还采用了红外遥控的控制功能，可以远距离进行智能化热水器的控制，方便了人们的使用需求，提高了系统的安全性。
智能热水器系统工作的时候，系统具有自检功能，来完成温度范围的设置，按键的设置，还可以利用，红外遥控器上的按键操作，和手动控制面板一样，来完成系统的检测设置，然后进行后台程序运行，由传感器元件进行检测水温，当水温低于设计数值的时候，系统进行自动加热，当温度高于控制设置数值的时候，系统自动停止加热，为了方便使用需求，我们在设计中还考虑了预约加热模式，预约时间范围为0-999分，设置的时间到了的时候系统进行自动加热。
第2章硬件系统设计
2.1方案验证
本课题是基于STC89C51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LCD1602液晶显示水温、设置上下限和定时时间，
（2）水温检测显示范围为00～99℃，精度为±1℃。
（3）温度预设范围为0～99℃，当检测温度低于预设温度时，开始加热；检测温度高于预设温度时，停止加热。
（4）设置4个程序按键。
分别问设置按键、加键、减键、确定。
（5）可以红外遥控，通过红外一体接收探头接收遥控器信号，执行与主板按键同等功能。
方案一：
以STC89C51单片机为控制中心的智能电热水器
STC89C51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STC89C51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
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。
2.2硬件系统设计
系统的硬件系统以STC89C51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。
2.2.1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：
各部分简介：
（1）电源变压器
电源变压器作用是将电网220V的交流电压V1变换成整流滤波电路所需的交流电压V2。
变压器副边与原边的功率比P2/P1=η，式中η为变压器的效率。
（2）整流滤波电路
接上负载时的桥式整流电容滤波电路的输出电压介于上述两者之间，其大小与放电时间常数RLC有关，RLC越大，U0越大。
（3）稳压电路
稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。
由于三端式稳压器只有三个引出端子，具有应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而广泛应用。
三端式稳压器有两种，一种称为固定输出三端稳压器，另一种称为可调输出三端稳压器。
它们的基本组成及工作原理都相同，均采用串联型稳压电路。
（6）电路目的：
给单片机及其他控制电路提供电源。
电源设计是电路设计很重要关节。
它的稳定与否涉及到电路是否能稳定工作。
按要求需要一个+5V电压，一个+12V左右可调电压。
于是采用可调压芯片LM317，它是稳压芯片。
LM317是三端稳压集成电路，最大输出电流为2.2A，输出电压范围为1.25V～37V。
它具有输出电压可变、内藏保护功能、体积小、性价比高、工作稳定可靠等特点。
用它制作输出电压可变稳压电源，调节可变电阻R2，便可从LM317输出端获得UO（可变输出电压）。
既然ID和IRl对调节输出电压UO都起到了一定作用，并且IR1是由R1提供，IRI大小也没有任何限制，LM317输出电压服从1.25+IDR2=UO关系。
可调稳压电路原理图如图2.4所示。
图2.2.1.2可调稳压电路原理图
+5V电压也是利用三端稳压集成电路得到的，采用7805芯片。
其用法和LM317差别不大，如下图所示。
LM7805的1端是电源的输入端，3端是输出端，2端是接地端。
图2.2.1.37805三端稳压电源电路
本设计电源电路原理图见附录3。
2.2.2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：
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。
2.2.3报警电路
当温度超过上限是电路会报警，提示水温过高，注意安全。
图下面位报警电路：
图2..2.3.1报警电路
2.2.5温度检测电路
本文采用温度传感器DS18B20采集电热水器的实时温度,提供给STC89C51的P2.2口作为数据输入。
在本次设计中我们所控的对象为水温。
其电路原理框图如下：
图2.2.5.1温度检测电路
当传感器工作时，如果水温超过60℃，将温度传给单片机，蜂鸣器报警，并断电；如果水温低于30℃，热水器开始工作，加热指示灯亮。
2.2.7红外一体接收模块
红外传感器接收到人体红外信号经BISS0001处理后输出输给单片机P1.0口，TEL0表示接STC89C52是的P1.0口，通过对P1.0电平的判断，实现对单片机外围电路的控制，如电磁阀控制水阀电路，液晶显示淋浴时间等。
红外采集电路[7]如图3-5：
3.3显示电路设计
在本系统中，用LCD液晶屏来构成显示部分，主要在人来时对淋浴计时时间和定时时间的显示。
LCD液晶显示器具有功耗低、寿命长、无辐射、不易引起视疲劳等优点，正在被广泛应用于仪表、家用电器、计算机、医疗仪器及交通和通信领域[8]。
本系统中，选择JHD162A作为液晶屏的显示驱动控制器。
3.3.11602液晶模块JHD162A简介
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD目前常用16*116*220*2和40*2行等的模块。
是一种很常用的小型液晶显示模块在单片机系统、嵌入式系统等的人机界面中得到了广泛的应用。
1、1602LCD主要技术参数如下：
（1）显示容量：
16×2个字符
（2）芯片工作电压：
4.5-5.5V
（3）工作电流：
2.0mA（5.0V）
（4）模块最佳工作电压：
5.0V
（5）字符尺寸：
2.95×4.35（W×H）mm
2、引脚功能说明：
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表3.3所示：
表3.3引脚接口说明表
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
3、1602LCD的指令说明及时序
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表3.4所示：
表3.4指令说明
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
（说明：
1为高电平、0为低电平）。
指令1：
清显示指令码01H，光标复位到地址00H位置。
指令2：
光标复位光标返回到地址00H。
指令3：
光标和显示模式设置I/D：
光标移动方向高电平右移低电平左移S：
屏幕上所有文字是否左移或者右移。
高电平表示有效低电平则无效。
指令4：
显示开关控制。
D：
控制整体显示的开与关高电平表示开显示低电平表示关显示C：
控制光标的开与关高电平表示有光标低电平表示无光标B：
控制光标是否闪烁高电平闪烁低电平不闪烁。
指令5：
光标或显示移位S/C：
高电平时移动显示的文字低电平时移动光标。
指令6：
功能设置命令DL：
高电平时为4位总线低电平时为8位总线N：
低电平时为单行显示高电平时双行显示F：
低电平时显示5×7的点阵字符高电平时显示5×10的点阵字符。
指令7：
字符发生器RAM地址设置。
指令8：
DDRAM地址设置。
指令9：
读忙信号和光标地址BF：
为忙标志位高电平表示忙此时模块不能接收命令或者数据如果为低电平表示不忙。
指令10：
写数据。
指令11：
读数据。
读操作时序如图3-6所示：
图3-6读操作时序图
写操作时序如图3-7所示：
图3-7写操作时序图
3.3.2单片机与1062LCD接口电路设计
根据1062LCD的工作原理，我们可以设计单片机与1062LCD的接口电路图如3-8所示：
图3-8单片机与LCD1602的应用电路
2.2.7STC89C51功能特点介绍
（1）主要性能参数：
与MCS-51产品指令系统完全兼容
4k字节在线系统编程（ISP）Flash闪速存储器
1000次擦写周期
3.3－5.5V的工作电压范围
全静态工作模式：
0Hz－33MHz
三级程序加密锁
128×8字节内部RAM
32个可编程I/O口线
2个16位定时/计数器
6个中断源
全双工串行UART通道
低功耗空闲和掉电模式
看门狗（WDT）及双数据指针
掉电标识和快速编程特性
灵活的在线系统编程（ISP字节或页写模式）
（2）串行编程指令设置：
串行编程指令设置为一个4字节协议。
（3）并行编程接口：
采用控制信号的正确组合可对Flash闪速存储阵列中的每一代码字节进行写入和存储器的整片擦除，写操作周期是自身定时的，初始化后，它将自动定时到操作完成。
（4）功能特性概述：
STC89C51提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，STC89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
（5）芯片擦除：
在并行编程模式，利用控制信号的正确组合并保持ALE/PROG引脚200ns－500ns的低电平脉冲宽度即可完成擦除操作。
在串行编程模式，芯片擦除操作是利用擦除指令进行。
在这种方式，擦除周期是自身定时的，大约为500ms。
擦除期间，用串行方式读任何地址数据，返回值均为00H。
（6）Flash闪速存储器的串行编程：
将RST接至Vcc，程序代码存储阵列可通过串行ISP接口进行编程，串行接口包含SCK线、MOSI（输入）和MISO（输出）线。
将RST拉高后，在其它操作前必须发出编程使能指令，编程前需将芯片擦除。
芯片擦除则将存储代码阵列全写为FFH。
外部系统时钟信号需接至XTAL1端或在XTALl和XTAL2接上晶体振荡器。
最高的串行时钟（SCK）不超过l/16晶体时钟，当晶体为33MHz时，最大SCK频率为2MHz。
Flash闪速存储器的串行编程方法：
（7）数据校验：
数据校验也可在串行模式下进行，在这个模式下，在一个写周期中，通过输出引脚MISO串行回读一个字节数据的最高位将作为最后写入字节的反码。
（8）STC89C51单片机最小系统
STC89C51单片机最小系统由STC89C51单片机及其外围电路组成，外围电路包括时钟电路和复位电路两部分。
时钟电路：
时钟电路为单片机产生时序脉冲，单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的驱动下的进行的，时钟电路就好比人的心脏。
同样，如果单片机的时钟电路停止工作（晶振停振），那么单片机也就停止运行了。
当采用内部时钟时，连接方法如下图所示，在晶振引脚XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）引脚之间接入一个晶振，两个引脚对地分别再接入一个电容即可产生所需的时钟信号，电容的容量一般在几十皮法，如30PF。
复位电路：
单片机的复位电路分上电复位和按键手动复位。
它是利用外部复位电路来实现的。
当Vcc上升时间不超过1ms（RC=τ），振荡器启动时间不超过10ms。
在加电情况下，这个电路可以使单片机复位。
在加电开机时，RST上的电压从Vcc逐渐下降，RST引脚的电位是Vcc与电容电压的差，RST上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间，以满足复位操作的要求。
在设计过程中，注重系统电路的简化和方便使用，在元件的选用上优先使用具有按键电平复位相和电复位互相结合的方式，复位后，单片机中的指令从000H单元最先开始运行程序，在这个过程中，一部分专用寄存器是复位状态数值，一些受到影响的专用寄存器统计如下：
表2.2.7.1专用寄存器状态表
寄存器
状态
寄存器
状态
TCON
00H
PC
0000H
TL0
00H
ACC
00H
TH0
00H
PSW
00H
TL1
00H
SP
07H
TH1
00H
DPTR
0000H
SCON
00H
P0--P3
FFH
SBUF
不确定
IP
xxx00000H
PCON
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