智能热水器控制系统的设计与应用.docx
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智能热水器控制系统的设计与应用
智能热水器控制系统的设计与应用
随着科技进步，近年来人们的生活水平不断地提高和改善，日常生活中也越来越离不开智能家电。
因此，我们要以更高的要求面对热水器的智能化。
根据《中国家用热水器行业技术路线图》，要将中国电热水器未来的研发的重点以下几个方面：
安全可靠，节能环保，舒适健康，结构升级，构建整合和智能化。
在这种背景下，这种设计选择是基于人们对现代家庭便捷舒适和多元化服务的需求。
单片机是一种体积小，功耗低的微控制器。
随着单片机技术的飞速发展，许多电器以单片机为控制核心，并通过相应的内部操作实现智能控制，设备操作因此更加人性智能。
本智能热水器控制系统具有成本低，实用性强，控温精度高的特点。
以单片机为控制核心，通过按键、显示屏、WIFI与使用者人机交互；可以连续稳定地完成热水供应，能定时加热和自动恒温；还具有报警设计，使人们在使用时放松，愉悦，对人们的身体健康有很大好处，并满足人们对现代生活节奏的需求。
定时预约及远程控制功能，使用效率高又能节约能源的同时又有很好的性能，具有很高的实际应用价值。
国内外研究状况和成果
如今的热水器行业难以取得实质性的突破。
而剩下可行的途径便只有抓住人性化需求。
国外对智能电热水器的主要研究成果
西门子能够保证出水温度均匀恒定，究其原因是采用了最新的温度控制技术；开发了安全专家，不仅有防漏电装置，安全电流还能自我检测，人与电源被双重保险完全隔离，以防止发生事故。
完善的节能系统完美融合了各种节能细节，还可以实时、定时和自动加热。
国内对智能热水器的主要研究成果：
一些热水器品牌已急于推出新技术，例如双管加热，3D快速加热，增加变频能力，防漏电器和提前预约。
主要提升方向是更加安全节能、提高出水量等。
海尔热水器在行业内遥遥领先，其拥有智能加热、预约技术，综合保温技术，防电壁挂炉等技术。
其配备了完善的安全预警系统，使用户的安全性真正得到了全面、系统的保护。
如今，学者们仍不满足于中国已有的研究成果，依旧在寻求技术突破。
海尔推出的SilverSeaElephantA6智能专家是中国首款具有双存储和计算功能的智能热水器。
本文研究的主要内容
主要实现的功能
（1）通过使用温度传感器完成温度测量过程，获得当前水温信息，
（2）根据水温控制继电器工作；
（3）使用液晶显示模块和时钟模块，可以显示和设置定时时间；
（4）通过WIFI物联网模块远程控制热水器。
主要研究内容
（1）根据设计的功能选择合适的器件。
（2）设计外围电路及接口电路。
（3）在硬件设计中，结构应简单实用，系统电路不能过于复杂，要能够实现。
（4）根据电路图完成硬件焊接。
（5）根据硬件电路，编写单片机程序。
（6）编程、编译和调试后，将程序烧入单片机运行，并实现功能。
（7）要设计便于用户操作的人机界面。
系统总体方案的设计与论证
系统总体方案设计
此设计中使用了许多设备和技术。
因此，系统的总体设计应充分考虑系统的环境，设计的结构应易于使用且易于实现。
器件的选择应着重于适当的参数，稳定的性能，低功耗和低成本。
根据系统设计要求，初步确定系统由电源模块，显示模块，按键模块，时钟电路，声光报警模块，温度测量模块，WIFI物联网模块和水位测量模块组成。
结构框图如图2.1.1：
单片机芯片设计与论证
方案1：
以STC89C51单片机为控制中心的智能电热水器
STC89C51单片机具有很多优点。
其结构简单，控制能力强，体积小，价格低，已在许多行业中得到广泛应用。
方案2：
使用凌阳系列单片机作为系统控制器
凌阳系列单片机可以实现各种复杂的逻辑功能，模块大，密度高。
它将所有器件集成在一个芯片上，从而减小了体积并提高了稳定性。
凌阳系列单片机提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。
由于51单片机的价格比凌阳系列的价格低很多，并且本设计不需要很高的处理速度，考虑到成本控制和软硬件实现的难度，本设计选择方案1。
按键模块设计与论证
方案1：
使用矩阵键盘，因为可以使用键直接输入值，但是系统要求CPU扫描其端口而不会中断。
方案2：
使用独立的按键，查询简单，易于程序处理，可以节省CPU资源。
由于系统中按键数量不多，为了释放更多的CPU占用时间，操作方便，因此采用方案2。
时钟模块设计与论证
方案1：
直接使用单片机定时器计数器提供信号，并使用该程序对年、月、日、星期、小时、分钟和秒进行计数。
尽管使用这种方案减少了芯片的使用并节省了成本，但是实现时间误差相对较大。
方案2：
使用DS1302作为时钟芯片
该芯片是一个串行电路，与单片机的接口很简单，但是需要电池和32.768kHz的晶体振荡器。
由于焊接工艺和晶体质量，精度会降低。
方案3：
使用DS12C887作为时钟芯片
该芯片与单片机采用8位并行口通讯，信息传输速度快。
借助其自己的锂电池和晶体振荡器，可以在关闭外部电源后将内部时间信息保持10年。
由于电路被封装在一起，因此可以确保高精度和抗干扰能力。
由于DS1302时钟芯片具有较高的计数时间精度，并且具有闰年补偿和价格优惠的优势，因此采用方案二。
显示模块设计与论证
方案1：
采用静态显示方法。
静态显示模块的硬件制作更加复杂并且功耗很大。
使用了多个移位寄存器，但端口未被占用，并且仅需要两条串行端口线即可输出。
方案2：
采用动态显示方法，动态显示模块的硬件制造简单。
段扫描和位扫描各自占用一个端口，总共需要14个端口。
间断扫描方式功耗低，硬件成本少，整个硬件系统体积会相对减小。
方案3：
采用LCD方式，其硬件制作简单，与单片机能直接接口，显示内容多，功耗低，成本低。
LCM1602可以显示32个字符。
使用LCD的缺点是亮度不足。
比较上述三种方案：
方案一硬件复杂，功耗大；方案二硬件简单，功耗低。
方案三硬件简单，显示内容多，功耗低，成本低。
该系统的设计要求是要满足低功耗，小尺寸，低成本和许多显示信息，因此采用方案2。
温度测量模块设计与论证
方案1：
使用热敏电阻，输出为模拟量。
方案2：
使用数字温度传感器DS18B20，它具有较宽的温度测量范围，并以单线串行方式与单片机通信。
比较这两种方案，热敏电阻的可靠性较差，需要在相应的A/D转换后再输入，比较麻烦。
相反，数字温度传感器节省单片机的I/O端口资源并直接输出数字量，外围电路简单，因此选择方案2。
WIFI模块设计与论证
方案1：
使用华为HG255D无线路由器，将其刷机，然后将其转换为openwrt系统，然后使用它来接收手机的指令。
方案2：
选择串行WIFI模块ESP8266模块
ESP8266模块是嵌入式串口WIFI模块产品。
WIFI是基于串口通信无线网络的模块，可以将用户串口数据转换为无线网络。
方案1刷机的过程比较繁琐，与单片机的接口驱动程序不易移植。
另外它将导致主机体积变大。
第二种方案更加方便，可以直接利用单片机的串口通讯获取指令。
因此，选择方案2。
系统硬件各模块设计
单片机应用系统的硬件电路设计包括两部分：
一是系统扩展，即单片机的内部功能单元，如ROM，RAM，I/O，定时器/计数器、中断系统等不能满足要求时，扩展芯片外部，选择合适的芯片，并设计相应的电路。
第二个是系统的配置，即根据系统功能要求配置外围设备，如键盘，显示器，A/D，D/A转换器等，并设计适当的接口电路。
在本设计中，仅需使用最小系统以及键盘、显示器和ISP接口电路。
单片机的资源可以满足设计要求，因此无需扩展单片机。
STC89C51功能特点介绍
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）
串行编程接口：
用于多处理器通信或全双工UART通信，也可以与一些特殊功能的芯片相连，进行输入/输出扩展。
并行编程接口：
每根管脚线可灵活地选做输入或输出，并且可以作为系统总线使用，以扩展片外存储器和输入/输出接口芯片
单片机最小系统硬件电路设计
单片机最小系统包括单片机以及使单片机始终处于正常工作状态所需的必要电源、时钟、复位和其他组件。
电源、时钟电路是单片机运行的必要条件。
最小系统可以用作应用程序系统的核心部分，通过存储器扩展和A/D扩展，单片机可以完成更复杂的功能。
STC89C51是带ROM/EPROM的单片机。
因此，由该芯片构成的最小系统简单可靠。
当使用STC89C51单片机构成最小系统时，只要将单片机连接到时钟电路和复位电路，其结构如图3.2所示。
图3.2单片机最小系统原理框图
时钟电路
STC89C51单片机的时钟信号通常以两种方式生成：
一种是内部时钟，另一种是外部时钟。
内部时钟模式如图3.2.1所示。
如图3.2.1所示,单片机的两个引脚X1、X2分别接到石英振荡器的两端,与电容C2和C3构成并联诸振电路。
对外接电容C2和C3的大小虽然没有严格的要求,但电容的大小会影响振荡器频率、振荡器的稳定、起振的快速性。
通常选择30pF左右,也可以在5~60pF之间选择。
电容的大小对振荡频率有微小的影响,可起频率微调作用。
石英振荡器可以在1.2~12MHz之间任选,工程上常用的是11.0592MHz的石英振荡器。
在实际的应用中,这个频率的石英振荡器效果是比较好的。
复位电路
复位电路的基本功能是:
系统上电时提供复位信号,直至系统电源稳定后,撤销复位信号。
为可靠起见,电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。
为了保证单片机可靠地复位,在设计时通常使REST引脚保持10ms以上的复位信号。
只要REST保持复位信号,单片机将循环复位。
复位后,单片机从0000H地址开始执行程序。
复位电路分为高电平有效和低电平有效两种。
它们都是利用RC的输入输出特性的原理。
在工程项目中,单片机的复位信号是高电平有效,因此采用了第一种方式。
当STC89C51单片机的RST引脚引入高电平并维持2个机器周期时，复位操作将在单片机内部执行。
在最简单的上电自动复位电路中，通过对外部复位电路的电容进行充电和放电来实现上电自动复位。
除了上电复位外，有时还需要手动复位。
手动复位有两种类型：
电平模式和脉冲方式。
其中，通过将RST（9）端子与电源VCC连接来实现电平复位。
为了方便使用并简化设计电路，我们结合使用了上电复位和按键电平复位。
复位后，单片机从0000H单元启动程序，并将一些专用寄存器初始化为复位状态值。
受影响的专用寄存器如下表所示：
显示模块硬件电路设计
1602液晶模块简介
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母，数字，符号和其他点阵LCD的模块。
它是一种常用的小型液晶显示模块，已广泛应用于单片机系统和嵌入式系统的人机界面。
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
引脚功能说明：
1602LCD采用标准的或16脚接口，各引脚接口说明如表3.3.2所示：
表3.3.2引脚接口说明表
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3.3.3所示：
表3.3.3指令说明表
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。
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的接口电路图如图3.3.4所示：
图3.3.4单片机与LCD1602的应用电路
温度采集模块
在本文中，温度传感器DS18B20用于收集热水器的实时温度，该温度作为数据输入提供给STC89C51的P2.2端口。
在此设计中，我们控制的对象是水温。
电路框图如下：
图3.4温度检测电路
DS18B20是DALLAS公司生产的单线数字温度传感器。
它的温度测量范围为-55°C至+125°C，并且可以设置为9至12位A/D转换精度，温度分辨率可以达到0.0625℃，支持3V至5.5V的电压范围，使系统设计更加灵活方便。
它的工作电源可以引入远端，也可以由寄生电源产生。
CPU只需一根端口线即可与许多DS18B20进行通信，占用微处理器的端口少，可以节省大量的导线。
以上特性使DS18B20非常适合远程多点温度检测系统。
DS18B20使更多的电压和特性可以被选择，因此我们可以构建一个经济的适合自己的温度测量系统。
水位控制模块
LM393主要特点
（1）工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：
2～36V，双电源:
±1～±18V；
（2）消耗电流小，ICC=0.8mA；
（3）输入失调电压小，VIO=±2mV；
（4）共模输入电压范围宽，Vic=0～Vcc-1.5V；
（5）输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；
（6）输出可以用开路集电极连接“或”门；
LM393引脚图及内部框图如图3.5.1所示：
此设计使用393电压比较器进行电压比较。
水位传感器和电位器设置电压比较，当水位传感器检测到水位时，393比较器输出一个低电平，单片机检测到该低电平以确定水位。
声光报警模块
当温度超过上限时电路会报警，提示水温过高，注意安全。
图为报警电路：
灯光报警和提示选用高亮度高寿命的LED灯，共阳极接法，单片机给出低电平点亮。
图为指示灯电路：
按键模块
本设计的按键采用独立按键，是直接由I/O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线的状态。
独立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。
WIFI物联网模块
ESP8266模块是基于UART接口的WIFI无线网络模块，可以将用户串口数据交换到无线网络。
通过串口WIFI模块，传统的串口设备可以访问无线网络。
该模块与手机之间的通信使用ASCII码，手机将编码改为ASCII代码进行传输。
UART-WIFI将接收ASCII码并向单片机产生中断。
该WIFI模块可以像普通路由器一样通过终端设置和修改密码，也可以通过配置软件进行修改和设置，具有比较好的安全性能。
系统软件各模块设计
智能热水控制系统的功能是在程序控制下实现的。
根据总体功能，它分为多个不同的程序模块，用于设计，编程和调试，最后这些程序模块通过主程序连接。
这有利于程序的修改和调试，并增强了程序的可移植性。
整个软件系统主要包括水位和水温A/D转换子程序，键盘显示子程序，加热控制子程序等，然后在主程序中循环执行相关模块的功能调用，以完成系统预期的运行功能。
系统调试
软件调试
本设计系统的控制程序是采用C语言编程，所采用的是KeiluVision4MCS-51编程软件。
在语句中出现的语法错误，该软件会提示出来，以便于更正。
因此，软件调试主要的工作是检查头文件是否正确，是否与单片机的端口地址相匹配。
其次，就是检查初始化程序的正确性，根据设计的要求定义正确的初始化程序，为后面程序的执行做好铺垫作用。
然后就是根据软件实现步骤逐个检查程序的可行性，以及程序的嵌套性是否都能达到设计的要求。
在本次调试中出现的问题有：
在程序中有的函数名未定义；程序中少录入了一些字符，如：
“；”、“{”、“-”等符号；个别函数名拼写出错而出现错误；芯片引脚定义不正确而导致没有实验现象。
在软件调试过程中，对出现的错误进行了认真的分析和修改，多次调试成功后，能够很好的达到既定的设计效果。
硬件调试
制作硬件后，我对其进行了调试。
首先要仔细核对硬件系统设计原理的正确性,包括参数选用及原理是否正确。
然后进行断点调试和通电调试。
断电调试
为安全起见,首先必须进行断电调试。
断电调试的内容有检测电路是否短路和原理是否存在问题。
1）短路检测
系统电路焊接完成后,必须进行短路检测。
检测方法很简单,选用合适的万用表欧姆挡,用红黑表笔接电路板的+5V电源的+、-极,如果存在充放电现象（即电阻指示从大到小再到大或从小到大）,最后电阻稳定在一个适当的位置（一般为几千欧姆）,则基本可排除系统短路现象。
如果无充放电现象或电阻值稳定在很小的位置例如几欧姆）,则说明系统中可能存在短路故障,不能通电试验,必须对系统进行彻底排查,直至解决。
2）原理正确性确认
不同的电路有不同的工作原理,因此,必须针对具体电路进行具体分析。
第二步:
通电调试
1）系统时钟是否起振
凡是微处理器系统,正常运行的必要条件是系统时钟稳定正常。
在实际工作中,经常出现因为各种原因导致系统时钟不正常而出现系统无法正常运行的情况,因此系统时钟是否起振应是通电检查的十分重要的一步。
检查方法：
用数值万用表的直流电压挡（20V）,分别测量时钟引脚的电压。
2）复位是否正常
复位不正常也会导致系统不工作,例如,复位脚如果始终为高,则系统始终处于复位状态:
如果始终为低电平（不能产生复位所需的高电平脉冲）,则系统也可能无法正常工作。
检查的重点是相关电路是否正确。
3）关键点电压参数是否正常
另外,系统电源电压正常应为5V,这也是基本测试参数之一。
整机调试
整机的调试主要是将程序烧录进单片机，查看电路是否正确、程序运行是否正常。
通过各个模块、功能的测试并改进，最终使得设计的系统达到了预期的目的。
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