基于51單片機(jī)的智能熱水器設(shè)計(jì)

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基于51單片機(jī)的智能熱水器設(shè)計(jì)

摘要

本設(shè)計(jì)采用STC89C51單片機(jī)為核心來(lái)設(shè)計(jì)智能電熱水器。本設(shè)計(jì)也對(duì)單片機(jī)控制電熱水器實(shí)現(xiàn)智能化的可能性進(jìn)行了分析，利用溫度傳感器、和繼電器等來(lái)完成本設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)方面，主要對(duì)單片機(jī)最小系統(tǒng)及其擴(kuò)展、電源電路、鍵盤顯示及接口電路、水溫檢測(cè)電路、報(bào)警電路進(jìn)行了詳細(xì)介紹。還詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的主要芯片的性能和特點(diǎn)，包括STC89C51、DS18B20等。在軟件設(shè)計(jì)方面，采用C語(yǔ)言編程。

該智能電熱水器設(shè)計(jì)完善，實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)單易行。采用軟件設(shè)計(jì)來(lái)控制，可以實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)水溫，智能加熱，并且提高了整機(jī)的可靠性及準(zhǔn)確性。

一、緒論

1.1 選題背景及意義

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我市城鎮(zhèn)居民家庭以電熱水器為主，占總量的60％以上；從前風(fēng)光無(wú)限的燃?xì)鉄崴鳚u漸地黯然失色，市場(chǎng)份額僅剩不足20％；新興的太陽(yáng)能熱水器雖然受到安裝條件的限制，但其安全、環(huán)保的性能廣受消費(fèi)者青睞，發(fā)展態(tài)勢(shì)迅猛，市場(chǎng)占有率已達(dá)到15％左右。

電熱水器的優(yōu)點(diǎn)：易安裝，不受天氣的影響，不受樓層和供水管道的限制，投入小。隨著技術(shù)進(jìn)步和新品的開發(fā)，下置式、嵌入式等多種安裝形式的電熱水器先后上市，徹底擺脫了房間空間的限制。中央供水和數(shù)碼智能的電熱水器也已進(jìn)入市場(chǎng)。電熱水器的安全問(wèn)題涉及到消費(fèi)者的生命，又加上近些年的能源危機(jī)，人們生活節(jié)奏的加快，智能化電熱水器越來(lái)越受到消費(fèi)者的青睞。

本選題目的是基于人們對(duì)現(xiàn)代家庭舒適、便利、安全以及多元化信息服務(wù)的需要，基于STC89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)具有智能特征的電熱水器控制器。

選用STC89C51單片機(jī)作為控制芯片，就是為了實(shí)現(xiàn)電熱水器的智能化，持續(xù)穩(wěn)定的熱水供應(yīng)，自動(dòng)斷電的安全功能，使人們洗浴時(shí)能放心享受，利于人們的身體健康，其務(wù)實(shí)性能快速滿足人們對(duì)現(xiàn)代生活快節(jié)奏的需求。

1.2 完成目標(biāo)與功能設(shè)計(jì)

具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

STC89C51采用+5V電源供電，設(shè)計(jì)要求制作一直流穩(wěn)壓電源，采用220V市電供電，經(jīng)橋式整流后送入濾波電路，再經(jīng)穩(wěn)壓芯片CW7805輸出+5V電壓。單片機(jī)容易受外界環(huán)境干擾，因此要求供電電源單獨(dú)設(shè)計(jì)制作。單片機(jī)硬件部分由單片機(jī)最小系統(tǒng)配以按鍵、顯示器件構(gòu)成。

限于單片機(jī)型號(hào)采用12MHz晶振和兩個(gè)30μF陶瓷平衡電容組成振蕩電路。為使硬件具有通用性，復(fù)位電路采用上電與按鍵復(fù)位結(jié)合設(shè)計(jì)，獨(dú)立式按鍵通過(guò)P1口掃描查詢，分別執(zhí)行設(shè)置、加、減、確定功能。系統(tǒng)還有紅外遙控的功能，可以通過(guò)紅外遙控器遠(yuǎn)距離控制熱水器的工作，提高了系統(tǒng)的安全性。

系統(tǒng)工作時(shí)，首先檢測(cè)功能按鍵，進(jìn)行溫度范圍設(shè)置。其次檢測(cè)加減按鍵，進(jìn)行溫度范圍調(diào)節(jié)，也可以按下紅外遙控器上的按鍵操作，與主板上的按鍵功能一樣，然后運(yùn)行程序，由傳感器DS18B20檢測(cè)水溫，當(dāng)檢測(cè)溫度低于預(yù)設(shè)溫度下限時(shí)，開始加熱；檢測(cè)溫度高于預(yù)設(shè)溫度上限時(shí)，停止加熱。并可以預(yù)約加熱，設(shè)定時(shí)間0-999分鐘，定時(shí)時(shí)間到達(dá)自動(dòng)開始加熱。

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件完成要求

本課題是基于STC89C51單片機(jī)的智能電熱水器的控制器的設(shè)計(jì)，要達(dá)到的控制要求有：
（1）用LCD1602液晶顯示水溫、設(shè)置上下限和定時(shí)時(shí)間，（2）水溫檢測(cè)顯示范圍為00～99℃，精度為±1℃。
（3）溫度預(yù)設(shè)范圍為0～99℃，當(dāng)檢測(cè)溫度低于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，開始加熱；檢測(cè)溫度高于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，停止加熱。
（4）設(shè)置4個(gè)程序按鍵。分別問(wèn)設(shè)置按鍵、加鍵、減鍵、確定。
（5）可以紅外遙控，通過(guò)紅外一體接收探頭接收遙控器信號(hào)，執(zhí)行與主板按鍵同等功能。

2.2 方案選擇

方案一：以STC89C51單片機(jī)為控制中心的智能電熱水器
STC89C51單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制能力強(qiáng)、可靠性高、體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，在許多行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。以STC89C51單片機(jī)為核心，配以外圍電路如時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、按鍵、顯示器件即可構(gòu)成交通燈系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)框圖如圖

方案二：PIC16C72單片機(jī)為控制器件的智能電熱水器
PIC16C72是美國(guó)微芯(Microchip)公司推出的8/11位單片機(jī)，采用寬字節(jié)單周期指令，哈佛雙總線和RISC結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)吞吐量最高可達(dá)6MIPS，這幾乎是其它大多數(shù)8位微控制器速度的4倍128腳封裝的PIC16C72單片機(jī)內(nèi)集成了以下主要功能：2KB片內(nèi)ROM程序存儲(chǔ)器，128KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；22位I/O線；5路8位A/D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)8位，1個(gè)16位多功能計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，1個(gè)捕捉/比較/脈寬調(diào)制(CCP)部件。
以PIC16C72為控制芯片的電熱水器，雖然功能很強(qiáng)大，但是存在一些很需要改進(jìn)的地方：中斷的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)是中斷應(yīng)用中一個(gè)很重要的部分由PIC16C72的指令系統(tǒng)中沒(méi)有專門的PUSH(入棧)和POP(出棧)指令，所以要用一段程序來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。對(duì)可能用到的W寄存器和STATUS寄存器內(nèi)容進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)1然后在中斷服務(wù)程序中對(duì)馬達(dá)，繼電器進(jìn)行控制1漏電檢測(cè)報(bào)警在中斷里給出，而每50ms進(jìn)入一次中斷，所以發(fā)生漏電時(shí)最多50ms即可切斷電源1入口→中斷保護(hù)→控制馬達(dá)→控制繼電器如果用直流對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，其轉(zhuǎn)速太快，過(guò)調(diào)量太大，容易引起震蕩。
通過(guò)以上兩種設(shè)計(jì)方法的比較來(lái)看，實(shí)現(xiàn)電熱水器的智能控制可以有很多種方法?？梢圆捎?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%8F%AF%E7%BC%96%E7%A8%8B/">可編程序控制器PLC，各種單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但考慮到成本控制和軟硬件實(shí)現(xiàn)難度，采用方案一的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提高電熱水器的智能作用，能夠保證持續(xù)的熱水供應(yīng)，并可以滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰?，提高了人們生活的質(zhì)量。

2.3 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路按元件類型可分為電子管穩(wěn)壓電路、三極管穩(wěn)壓電路、可控硅穩(wěn)壓電路、集成穩(wěn)壓電路等。根據(jù)調(diào)整元件與連接方法，可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型；根據(jù)調(diào)整元件工作狀態(tài)不同，可分為線性和開關(guān)穩(wěn)壓電路。本設(shè)計(jì)中采用了線性工作狀態(tài)的線性集成穩(wěn)壓電源。
直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，設(shè)計(jì)框圖：

（1）電源變壓器
電源變壓器作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓V1變換成整流濾波電路所需的交流電壓V2。變壓器副邊與原邊的功率比P2/P1=η，式中η為變壓器的效率。
（2）整流濾波電路
整流電路將交流電壓變成單向脈動(dòng)的直流電壓。濾波電路用來(lái)濾除整流后單向脈動(dòng)電壓中的交流成份，合之成為平滑的直流電壓。
常用的整流電路有全波整流電路、半波整流電路、橋式整流電路及倍壓整流電路。小功率直流電源因功率比較小，通常采用單相交流供電。由于橋式整流電路克服了半波整流的缺點(diǎn)，在橋式整流電路中，由于每?jī)芍?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/512433.html">二極管只導(dǎo)通半個(gè)周期，故流過(guò)每個(gè)二極管的平均電流僅為負(fù)載電流的一半，與半波整流電路相比較，其輸出電壓提高，脈動(dòng)成分減少。
整流電路將交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流電，但其中含有大量的交流成分（稱為紋波電壓）。為了獲得平滑的直流電壓，應(yīng)在整流電路的后面加接濾波電路，以濾去交流成分。濾波電路常見的有電容濾波電路、電感濾波電路及π型濾波電路。本設(shè)計(jì)采用電容濾波電路。電容濾波電路主要利用電容兩端電壓不能突變的特性，使負(fù)載電壓波形平滑，故電容應(yīng)與負(fù)載并聯(lián)。橋式整流電路帶電阻負(fù)載時(shí)的輸出直流電壓U0=0.9V，接上電容濾波后，空載時(shí)的輸出直流電壓U0=UC=U2。所以，接上負(fù)載時(shí)的橋式整流電容濾波電路的輸出電壓介于上述兩者之間，其大小與放電時(shí)間常數(shù)RLC有關(guān)，RLC越大，U0越大。
（3）穩(wěn)壓電路
穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)輸入交流電源電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。由于三端式穩(wěn)壓器只有三個(gè)引出端子，具有應(yīng)用時(shí)外接元件少、使用方便、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用。三端式穩(wěn)壓器有兩種，一種稱為固定輸出三端穩(wěn)壓器，另一種稱為可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器。它們的基本組成及工作原理都相同，均采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。
可調(diào)穩(wěn)壓電路原理圖如圖

+5V電壓也是利用三端穩(wěn)壓集成電路得到的，采用7805芯片。其用法和LM317差別不大，如下圖所示。LM7805的1端是電源的輸入端，3端是輸出端，2端是接地端。

2.4 鍵盤電路

本畢業(yè)設(shè)計(jì)的按鍵采用獨(dú)立式按鍵，是直接用I/O口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路，其特點(diǎn)是每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O口線，每個(gè)按鍵的工作不會(huì)影響其它I/O口線的狀態(tài)。獨(dú)立式按鍵的典型應(yīng)用如圖

按鍵輸入均采用低電平有效，此外，上拉電阻保證了按鍵斷開時(shí)，I/O口線有確定的高電平。當(dāng)I/O口線內(nèi)部有上拉電阻時(shí)，外電路不可接上拉電阻。獨(dú)立式按鍵的軟件常采用查詢式結(jié)構(gòu)。先逐位查詢每根I/O口線的輸入狀態(tài)，如某一根I/O口線輸入為低電平，則可確認(rèn)該I/O口線所對(duì)應(yīng)的按鍵已按下，然后，再轉(zhuǎn)向該鍵的功能處理程序，具體編程見程序清單。

2.5 蜂鳴器報(bào)警電路

當(dāng)溫度超過(guò)上限是電路會(huì)報(bào)警，提示水溫過(guò)高，注意安全。圖下面位報(bào)警電路

2.6 溫度檢測(cè)電路

本文采用溫度傳感器DS18B20采集電熱水器的實(shí)時(shí)溫度, 提供給STC89C51的P2.2口作為數(shù)據(jù)輸入。在本次設(shè)計(jì)中我們所控的對(duì)象為水溫。其電路原理框圖如下：

DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，支持3V～5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便；
當(dāng)傳感器工作時(shí)，如果水溫超過(guò)60℃，將溫度傳給單片機(jī)，蜂鳴器報(bào)警，并斷電；如果水溫低于30℃，熱水器開始工作，加熱指示燈亮。

2.7 紅外一體接受電路設(shè)計(jì)

紅外傳感器接收到人體紅外信號(hào)經(jīng)BISS0001處理后輸出輸給單片機(jī)P1.0口，TEL0表示接STC89C52是的P1.0口，通過(guò)對(duì)P1.0電平的判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)外圍電路的控制，如電磁閥控制水閥電路，液晶顯示淋浴時(shí)間等。紅外采集電路如圖

2.8 1602顯示屏電路設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，用LCD液晶屏來(lái)構(gòu)成顯示部分，主要在人來(lái)時(shí)對(duì)淋浴計(jì)時(shí)時(shí)間和定時(shí)時(shí)間的顯示。LCD液晶顯示器具有功耗低、壽命長(zhǎng)、無(wú)輻射、不易引起視疲勞等優(yōu)點(diǎn)，正在被廣泛應(yīng)用于儀表、家用電器、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療儀器及交通和通信領(lǐng)域。本系統(tǒng)中，選擇JHD162A作為液晶屏的顯示驅(qū)動(dòng)控制器。
引腳功能說(shuō)明：
1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無(wú)背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說(shuō)明如表

根據(jù)1062LCD的工作原理，我們可以設(shè)計(jì)單片機(jī)與1062LCD的接口電路圖：

2.9 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)由主程序，鍵掃描子程序及若干功能模塊子程序組成。其中主控制器子程序包括A/D轉(zhuǎn)換子程序（水位、水溫），鍵盤處理及顯示子程序，加熱控制子程序（使用輸出比較功能），漏電保護(hù)子程序等組成。主程序要先初始化系統(tǒng)的工作參數(shù)，主要是單片機(jī)的定時(shí)器，COP模塊、A/D轉(zhuǎn)換、端口、鍵中斷等的工作模式參數(shù)設(shè)定，之后系統(tǒng)主程序循環(huán)調(diào)用各個(gè)功能模塊子程序，對(duì)相關(guān)事件的處理依靠標(biāo)志位和判斷標(biāo)志位實(shí)現(xiàn)。

3.1 主程序流程圖設(shè)計(jì)

四、附錄

原理圖：

PCB設(shè)計(jì)圖：

仿真圖：

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