基于单片机的热水器控制板的设计本科毕业设计论文.docx

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基于单片机的热水器控制板的设计本科毕业设计论文

本科毕业设计（论文）

题目:

基于单片机的热水器

控制板的设计

学院：

机械工程学院

专业：

机械设计制造及其自动化

姓名：

学号：

121401402039

指导教师：

教师职称：

副教授

填写日期：

2016年5月22日

基于单片机的热水器控制板的设计

摘要

本文系统地介绍了基于AT89S52的家用电热水器温度检测控制系统的组成、设计方案、电路原理、程序设计以及系统仿真过程。

该系统使用DS18B20进行温度检测，利用AT89S52单片机作为控制核心，运用C语言编程实现系统对温度的控制。

该系统由单片机最小系统、传感器电路、LCD显示电路、控制电路、温度设置输入电路六大部分组成。

借助PROTEUS软件，实现系统的电路设计和仿真。

该智能电热水器温度控制系统设计完善，实现方案简单易行。

采用C语言编程进行控制，可以实现智能水温检测及显示，智能加热，并具有极高的整机稳定性及准确性。

关键词：

单片机，温度控制，C语言编程，DS18B20

Designofelectricwaterheatercontrolpanelbasedonsinglechipmicrocomputer

Abstract

Thecomposition,designscheme,circuitprinciple,programdesignandsystemsimulationprocessofthetemperaturemeasurementandcontrolsystemofdomesticelectricwaterheaterbasedonDS18B20areintroducedinthispaper.ThissystemusesDS18B20tocarryonthetemperaturedetection,usestheAT89S52monolithiccomputerasthecontrolcore,usestheClanguageprogrammingtorealizethesystemtothetemperaturecontrol.Thesystemconsistsofsixparts:

thesmallestsingle-chipsystem,sensorcircuit,alarmcircuit,LCDdisplaycircuit,controlcircuit,temperaturesettinginputcircuit.WiththeaidofPROTEUSsoftware,thecircuitdesignandSimulationofthesystemarerealized.

Theintelligentelectricwaterheatertemperaturecontrolsystemisperfect,therealizationoftheprogramissimpleandeasytoimplement.Usingthesoftwaredesigntocontrol,itcanrealizetheintelligentdetectionofwatertemperatureandwaterpressure,intelligentheating,andhasahighstabilityandaccuracyofthewholemachine.

KeyWords:

SingleChipMicrocomputer,TemperatureControl,CLanguageProgramming,DS18B20

第1章绪论

1.1课题研究背景

热水器是一种常用家用电器，广泛应用于洗手间、厨房、浴室使用，为人们的生活提供了很大的便捷。

常用家用热水器的设计需要考虑使用是否方便、有无污染、是否安全、保温节能的效果如何等特点。

随着人民生活水平的不断提升和电力技术的不断发展和普及，其中电热水器以其优秀的使用体验，得到了广大人群的青睐。

设计制造更实用、更节能、更安全、更方便的智能家用电热水器是设计工程师和生产企业不断追求的目标。

随着家用热水器的不断普及，市面上出现了各具特色的热水器，目前市场上流行的家用热水器主要有储水式家用电热水器、即热式家用电热水器、太阳能家用热水器、燃气式加热热水器，其中储水式家用电热水器和即热式家用电热水器由于电力工程的覆盖面较广，备受消费者的追捧；各类热水器各自存在着本身的优缺点，往往适合各种不同的场合，但作为一款智能化的家用电热水器，其温度检测与控制系统的设计将直接影响使用性能；因此，一套合理的温度检测和控制系统的设计会给用户更好的使用体验，同时也将影响产品在市场的占有额。

1.2各类家用热水器的特点

根据市场调研反馈的信息，目前的家用热水器的市场基本由储水式家用电热水器、即热式家用电热水器、燃气式家用热水器、太阳能家用热水器占有，下面分别对上述四款热水器的优缺点进行分析介绍。

1.2.1储水式家用电热水器

优点：

1.储水式家用电热水器在使用前对内胆内的储水进行提前加热，在使用过程中对电热管进行断电处理，无需加热，杜绝了触电事故的发生，使用起来较为安全。

2.在对内胆内的水进行加热时，电热管产生的功率较小（一般不会超过2.5kW），不会给家用电路造成过大的负担，因此也无需为其提前预设或改装电路。

缺点：

1.由于储水式家用电热水器采取提前预热的方式对内胆内的水进行加热，使用过程中采取了断电处理，因此出水量受内胆容积和预加热温度的影响，无法实现持续出水。

2.需要内胆进行储水，因此热水器整体体积较大，在安装过程中存在不便。

3.加热功率小，使用超过额定容量时需要等待较长的时间。

4.使用后没用完的热水会慢慢冷却，造成浪费。

5.易结垢，污垢清理麻烦。

6.内胆如果采用带压工作方式，则对内胆的制造工艺较高，成本大幅上升。

1.2.2即热式家用电热水器

优点：

1.即热式家用电热水器使用的电热管功率较大，可实现快速加热，无需等待。

2.即热即用，大幅减小了因热传导照成的电能浪费。

3.能实现持续出水，出水量不受其他条件限制。

4.去除了内胆储水的结构，体积较小，安装方便。

5.由于不像储水式电热水器内胆那样需要较高的制造工艺，所以整体成本较低。

缺点：

1.由于采用即热式加热方式，所以需要电热管的加热功率较大，（6.5kW以上）给家庭电路造成不小的负担，安装时需要提前预设或改装电路。

2.水的温升在流量和加热功率恒定的情况下是恒定的，所以在冬天水的初始温度较低的情况时，即热式家用电热水器实现的温升往往不能满足使用要求。

1.2.2燃气式家用热水器

优点：

1.燃气式家用热水器采用天然气进行加热，加热快。

2.体积小，安装方便。

3.与即热式家用电热水器相比，不受加热功率的限制，能实现较大的温升。

4.同即热式家用电热水器一样，采用即热即用的加热方式，能实现持续出水，而且不会由于热传导损失过多的热量。

缺点：

1.目前天然气管道铺设的普及面还不够全面，使用罐装天然气更换比较麻烦。

2.使用过程中由于天然气燃烧不充分容易产生一氧化碳等气体，在通风条件不好的情况下易出现一氧化碳中毒的事故。

1.2.3太阳能家用热水器

优点：

1.太阳能家用热水器使用太阳能加热，能减少电能的使用或不使用电能，能最大化地节约电能，利用绿色能源。

2.使用时的水温基本恒定，不会出现较大的温差变化。

缺点：

1.太阳能热水器的体积较大。

2.出水量受热水器容积的影响，容器里的水用完了之后不能即刻加热。

3.安装的位置要求光照条件充足，受地理位置和天气的影响较大。

4.安装需要铺设较长的管路，还需要注意保温，造成安装不便。

1.3课题研究的意义

本次设计以弥补上述两种电热水器的不足为目的，将即热式和储水式热水器的优点进行结合，在使用前只对小部分水进行预热，在使用过程中通过电热管和储存的热水对使用的水同时进行加热，达到将水温提升到使用要求温度的同时不过大地增加使用过程中消耗的功率，在持续使用过程中也避免等待时间过长的情况出现。

家用电热水器控制板硬件包括中央处理器、温度检测传感器、压力传感器、加热控制驱动电路、停水报警电路、电源电路、输入键盘、显示模块，因此在设计过程中应依次对硬件的选择进行方案论证，合理地选用硬件有利于实现系统的功能、性能及节约成本。

设计以实现温度的检测、控制、显示的自动化，编写合理的控制程序，使其控制系统智能化，让使用更加人性化，自动实现最大化的节能。

第2章系统总体结构及方案设计

2.1硬件的选用

2.1.1单片机的选择

单片机的定义

单片微型计算机是计算机技术和集成电路制造技术发展后的产物。

随着计算机技术和集成电路制造技术的发展，将中央处理器（CPU）、时钟电路、定时/计数器、中断系统、串行端口、并行端口、程序存储单元（ROM）、数据存储单元（RAM）和系统总线等庞大电路集中在一块IC芯片上，使其具有逻辑运算、检测输出的功能，具有一台计算机的基本属性，简称单片机，又称单片微控制器；在单片机外围设计检测、输入、控制电路，广泛应用于智能仪表、工控设备、家用电器、通讯设备、导航系统等，具有很广泛的应用领域。

随着半导体技术的发展，单片机的性能得到不断的更新，其运算速度、运行稳定性、数据存储空间得到了很大的提升，解决了单片机阶段CPU处理数据功能弱、数据存储空间小、I/O接口少等难点，而且在其制造成本、运行功耗和体积大小上也得到了很大的完善，为单片机应用于更复杂的场合提供了很大的空间。

中央处理器的选择直接决定控制系统运行的稳定性和扩展功能，在满足功能的同时，为适应市场竞争的选择，还需考虑其成本的计算，保持较高的性价比；因此控制系统核心的选用需要综合设计的需要及市场的竞争力，下面列举几种目前市场上常用的几种中央处理器的相关性能指标。

AT89C2051

占用空间小、功耗小等特点；

含有中断、定时/计数器；但IO口和存储空间较小，不利于系统功能的扩展。

AT89C51

低损耗、高性能，具有AT89C2051的所有功能；

32个IO口，128字节内部RAM，4K字节Flash闪速存储器；

两个16位定时/计数器，能实现基本功能的扩展，价格比较便宜。

AT89S52

具有AT89C2051和AT89C51的所有功能，32个IO口，8K字节在系统可编程Flash存储器，三个16位定时器/计数器，由于AT89S52的生产改进了工艺，其成本与AT89C51不相上下，有的甚至比AT89C51更低。

通过对上述三种单片机的综合比较，本设计选用AT89S52作为控制系统的中央处理器，经过比较我们可以得出AT89S52在满足设计需求的同时，具有更多的IO接口、RAM及定时计数功能，有利于系统的功能扩展；由于采用了更先进的制造工艺，在制造成本上具有很大的优势，能保持较高的市场竞争力。

2.1.2传感器的选择

传感器的定义

传感器（transducer/sensor）是能够一定的规定信号并按照一定规律转变成控制器可以利用信号的元件或装置，一般由转换元件和敏感元件共同组成，其中敏感元件可直接测量被测量的变化值，转换元件是指将敏感元件检测的变化量转换为可用于传输和转换的电信号部分，用于控制器的数据输入，进行逻辑运算使用。

在有些领域，也将传