基于单片机的即热式电热水器温度控制器的设计.docx

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基于单片机的即热式电热水器温度控制器的设计

本科毕业设计（论文）资料

题目名称：

基于单片机的即热式电热水器温度

控制器的设计

学院（部）：

电气与信息工程学院

专业：

机电一体化工程

学生姓名：

摘要

随着各类热水器的缺点和不足日益明显，如能耗量大、预热时间长、存在安全隐患等，很多热水器已无法满足日常使用要求，因此设计一个稳定性好、安全系数高的即热式电热水器温度控制器系统的任务非常迫切。

针对这些问题，本文提出了基于单片机的即热式电热水器温度控制器系统的设计，详细描述了系统硬件的设计和系统软件设计。

本设计采用美国Atmel公司生产的AT89S51单片机作为主控芯片和数据存储器单元，结合外围的温度检测、水流检测、独立键盘输入、LED数码管显示、加热控制以及工作指示和报警等，使用C语言编写系统控制程序。

经仿真和实验证明，该即热式电热水器温度控制系统的设计方法合理，系统具有控制方便、操作简单和灵活性大等优点，经过反复测试，系统能够稳定运行。

关键词：

即热式电热水器，温度控制，单片机，温度传感器

ABSTRACT

Withtheshortcomingsandinadequaciesofvariouswaterheatersgettingmoreobvious,forexample,theirhighconsumption,longheatingtimeandpotentialsecurity,manywaterheaterscouldnotsatisfyourdailyneedsanymore.Therefore,itisveryurgenttodesignatemperaturecontrollersystemofaninstantwaterheaterwithgoodstabilityandhighsecurity.Tosolvetheseproblems,thisessayproposesthedesignabouttemperaturecontrollersystemofinstantwaterheaterbasedonMCUanddescribesdesignsofsystemhardwareandsystemsoftwareindetail.ThedesignadoptstheAT89S51SCMasthemaincontrolchipandtheDataRAMmadebytheAmericanAtmelCorporate,combineswiththeperipheraltemperaturedetection,waterdetection,independentkeyboardinput,LEDdigitaldisplay,heatingcontrol,workinstructionsandalarm,andusestheClanguagesystemtocontroltheseprograms.Theresultsaftersimulatingandexperimentingshowthatitisreasonabletodesignthetemperaturecontrollersystemofinstantwaterheater,becauseithasanadvantageofconvenientcontrol,simpleoperationandGreatflexibility.Aftertestingagainandagain,itprovesthatthesystemcanbeoperatedstably.

Keywords：

Namelywaterheater,Temperaturecontrol,MCU,Temperaturesensors

第1章绪论

1.1课题研究背景

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已经成为必然[1]。

我国也在不断大力提倡家庭使用快热式电热水器，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[2]。

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，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的市场份额，而目前占主流的储水式电热水器体积庞大、预热时间长、热水储水量有限，已不适用现代生活的节奏，于是快热式电热水器以其小巧时尚的外观、比储水式更快的加热速度、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。

即热式热水器具有如下优点：

1．不需预热，无需等待。

即热式电热水器普遍功率较大，用时只要打开水龙头，数秒中便可有温度适宜的热水供应，十分快捷方便，满足时下现代人快节奏的生活需要。

对于需要瞬间或者长时间提供热水的客户如理发店、医院、学校等非常理想，最重要的是节省了人们宝贵的时间。

2．节能省电。

即热式电热水器因不用提前预热，没有预热时的能量散失，所以国家把这类产品划为节能产品。

在用水、用电紧缺的情况下，重点推广这一产品无疑具有非常现实的意义。

这也是广大消费者选择即热式电热水器时所重点考虑的因素。

3．安全环保。

对于电热水器产品来说，人们最为担心的还是安全问题。

即热式电热水器为了充分保证消费者的应用安全，在这方面一般也重点做了设计，如采用非金属加热体、水电隔离技术、漏电保护装置、接地保护等措施。

有些生产厂家的产品还设有水空电门、声光报警、专利电路、磁化防垢、超温断电、高压泄放、电子调控、温度显示、分档功率等诸多功能，可以说为了在安全上做到万无一失，各个即热式电热水器的生产厂商是费尽了心思，下足了功夫。

4．体积小巧，外观高贵，安装方便，节省空间。

即热式电热水器因为不需要提前预热，所以在设计上不需要体大笨重的内胆贮水箱和保温层，大多体积小、重量轻且易安装，节省空间和材料。

另外，即热式电热水器中的高档产品多采用人性化设计，流线型外观，高贵典雅，受到时尚人士的欢迎。

5．水温恒定，使用舒服。

贮水式热水器，由于是提前预热好的热水，在开始洗浴时需放水调温，水温不是凉就是热，温度即使调好后，在使用过程中用不多久水的温度就会变凉，还不得不时不时进行微调，比较麻烦。

而即热式电热水器，无论多少人洗浴，只要在初始时调好水温后便会一直恒温恒流，洗起来清爽舒畅。

6．不易结水垢、寿命较长。

即热式电热水器，冷水直接通过加热体后便被加热，属于“活水”，水垢不易逗留，而洗浴时的热水温度一般不会高于45℃，因而在热水器内部管路水垢也不易形成，再有，即热式电热水器在加热过程中机器发热体温度上升不是很高，这样水路及发热体的损坏几率也就相应减少，所以即热式电热水器的使用寿命也较传统式电热水器较长，一般是传统电热水器的2～3倍。

即热式电热水器在国外使用相当广泛，尤其是在欧美和东南亚地区。

前些年，即热式产品在国内市场上曾经出现过一段时间，由于当时国内电力条件不成熟，对大功率的电器产品一般无法正常使用，也没有好技术来保证其质量与安全，种种因素限制了其在国内的发展。

近几年来，随着人们生活水平的不断提高，国家电网改造和相关法规的出台，电力工业迅速发展，预示了即热式产品在国内的广阔前景。

根据国家住宅设计规范（GF50096—1999）现有商品住房的电器线路导线必须采用铜芯线，每套住宅进线截面积不小于10mm2，分支引线不得小于2.5mm2，电表规格不得小于20A所以，现购新标准住宅用户，都有条件使用上述这种安全、方便的即热式护，确保产品万无一失，安全系数达100％，通过检测，即热式比传统的热水器可节省40％的能耗，用多少热水加热多少，没有热水用不完时的浪费和使用中途热水供应不足的现象，热水利用率100％，因为它既不需要提前预热，也不需保温，省去了大量的额外开支，给用户带来真正的实惠。

即热式产品作为新型环保产品在我国广泛使用已是大势所趋，符合现代消费潮流[3][4]。

1.2选题目的和意义

近年来，热水器行业的发展趋势可以用一句话来概括，即仍将呈现出以电热水器为主导，燃气燃水器为辅，太阳能热水器为补充，三者互相共生。

对电热水器而言，它具有安全、环保的特点，而且全国电网的改造、电的普及、电价的大幅度下调，以及用电设施的改善，均为电热水器的迅速普及提供了便利的条件。

尤其三峡工程的建设、核电站的建设，更是为电热水器的推广和普及起到了助推剂的作用。

电热水器对安装的要求也比较简单，它不受空间限制，可以因地制宜。

即热式家用电热水器的问世是家用电热水器具领域一次新的进步，它具有使用安全、卫生、不受水压限制，随时可供热水，水温易调节等优点，弥补了其它热水器的不足，属传统型热水器的替代产品，是家庭、公用住宅、小型饭店、宾馆理想的配套服务设施。

随着气价的上涨，电价的不断下降。

相信今后几年中我国电热水器市场仍将会呈现强劲增长势头。

本设计主要通过AT89S51单片机来实现对电热水器的温度、温度显示及加热控制和超温保护，AT89S51单片机体积小，结构简单，功耗低。

相信今后几年低功耗必将成为电热水器这一行业的热点。

1.3设计要求

1．采用高性能的数字温度传感器实时采集热水器内的水温。

2．可以自动检测热水器是否处于正常工作状态。

3．具有调温、恒温、防超高温等功能。

4．显示设定温度和实际温度的功能。

5．有仿真结果。

第2章控制系统的总体方案设计

2.1系统总体方案设计

本系统中，需要采集的输入信号有出水口的温度及水流检测信号。

需要输出的信号主要是控制固态继电器导通的信号。

并且还要完成温度数据的实时显示和各工作阶段指示、出水温度的设置和显示、自动实现故障报警等功能，还具有各种完善的保护功能，如温度的超限报警、防止干烧和隔离技术。

即热式热水器工作原理如图2.1所示，冷水从进水口流入热水器，经加热管加热后变为设定温度的热水，由出水口流出。

这种即热式热水器功率较大，无需预热。

用时只要打开水龙头，数秒中便可有温度适宜的热水供应，可连续提供热水。

图2.1系统结构框图

2.2控制系统的硬件组成及工作原理

即热式热水器控制系统由温度检测电路、按键显示电路、水流检测电路、加热输出控制电路、工作指示电路、超温保护及报警等电路组成。

控制系统原理框图如图2.2所示。

通过温度传感器DS18B20将出水口的温度直接变换成数字量送到单片机，单片机将接收到的信号与设定信号进行比较，如果实时温度小于设定温度，单片机将输出一个控制量，控制固态继电器导通，加热指示灯点亮，以实现对电热丝的加热控制；如果实时温度在设定温度的保温范围内，固态继电器断开，保温指示灯点亮；如果实时温度超过设定温度的保温范围，系统将蜂鸣报警，并且报警指示灯点亮。

用户可以通过系统按键对设定温度进行更改，更改后系统按照最新设定温度进行控制。

图2.2即热式电热水器控制系统原理框图

2.3控制系统硬件电路的设计

控制系统硬件电路原理图见附录Ⅰ所示，下面就各个硬件电路设计模块分别介绍。

2.3.1单片机的选型

单片微型计算机（单片机）作为微型计算机的一个很重要的分支，自问世以来，以其极高的性价比，收到人们的重视和关注，因此应用广泛，发展迅速。

相对而言，单片机体积小，重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，并且价格低廉、可靠性高、灵活性好，开发较为容易。

目前，在我国，单片机已经广泛地应用于智能仪器仪表、机电设备过程控制、自动检测、家用电器和数据处理等各个方面[5]。

单片机诞生于20世纪70年代。

最初的单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理器单元（CenterProcessingUnit，也即常称的CPU）和数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统。

现代的单片机则增加了更多的片内外设（比如定时器、计数器、串行口、中断、并行I/O口，甚至包括A/D转换器、脉宽调制器PWM等），使得单片机的功能越来越强大，应用领域越来越广泛。

因为这样一块芯片就具有一台计算机的功能，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。

由于单片机的硬件结构和指令系统都是按照工业控制要求来设计的，常用在工业的检测、控制装置中，因而也称为微控制器（Micro-Controller）。

单片机按照其用途可以分为通用型和专用型两大类。

通常所说的单片机是指通用型单片机。

通用型单片机是把可开发资源（如ROM、RAM、I/O口）全部提供给使用者。

专用型单片机的硬件结构和指令是按照某个特定用途而设计的，如：

频率合成调谐器（DDS）、USB控制器、录音机机芯控制器、打印机控制器等。

本即热式电热水器控制系统采用ATMEL公司生产的89S51通用型单片机[6]。

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗、该性能CMOS8位单片机，片内含4K比特的可用系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯中，ATMEL公司的功能强大，低价位的AT89S51单片机可以灵活应用于各种控制领域[7]。

其引脚如图2.3所示。

主要性能参数：

●

与MCS-51产品指令系统完全兼容

●4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器

●1000次擦写周期

●4.0～5.5V的工作电压范围

●全静态工作模式：

0Hz～33Hz

●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个中断系统

●全双工串行UART通道

●低功耗空闲和掉电模式

●中断可从空闲模式唤醒系统

●看门狗（WDT）及双数据指针

●掉电标识和快速编程特性

●灵活的在系统编程（ISP—字节或页写模式）图2.3AT89S51引脚图

功能特性概述：

AT89S51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，AT89S51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他所有部件工作直到下一个硬件复位。

引脚功能说明：

1．主电源引脚GND和VCC

GND：

接地。

VCC：

主电源+4～+5.5V。

2．时钟电路引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1：

接外部晶体的一端。

它是片内振荡器反相放大器的输入端。

在采用外时钟时，外部时钟振荡信号直接送入此引脚作为驱动端。

XTAL2：

接外部晶体的另一端。

它是片内振荡器反相放大器的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。

若采用外部时钟电路时，此引脚应悬空不用。

3．控制信号引脚RST、ALE/

、

、

/VPP

●RST：

复位输入端。

在该引脚输入2个机器周期以上的高电平将使单片机复位。

●ALE/

：

地址锁存允许输出/编程脉冲输入端。

这个引脚具有2种功能。

在访问片外存储器时，ALE作为锁存扩展地址低位字节的输出控制信号（称允许锁存地址）。

平时不访问片外存储器时，该端也以六分之一的时钟振荡频率固定输出正脉冲，供定时或其他需要使用。

ALE端得负载驱动能力为8个LSTTL（低功耗高速TTL）。

在片内存储器编程（固化）时，此引脚用于输入编程脉冲，此时为低电平有效。

●

：

片外程序存储器选通信号端。

在访问片外程序存储器取指令期间，

信号在12个时钟周期中两次生效。

不过，在访问片外数据存储器时，这两次有效的

信号不出现。

端同样可驱动8个LSTTL负载。

●

/VPP：

为内、外程序存储器选择/编程电源输入端。

这个引脚具有2种功能。

当

端接高电平时，CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。

当地址超出4KB时，将自动执行片外程序存储器的程序；当

端接低电平时，CPU仅访问片外程序存储器，即CPU直接从片外存储器地址0000H单元开始执行程序。

4．输入/输出引脚（P0、P1、P2和P3端口引脚）

●P0.0～P0.7：

P0口的8位I/O端口。

在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和8位数据，故这些I/O线有地址/总线之称，简写做AD0～AD7。

在不做总线时，也可以作为普通I/O口使用。

在对程序存储器编程时，从P0输入指令字节；在验证程序时，则输出指令字节验证时要外接上拉电阻。

●P1.0～P1.7：

P1口的8位准双向I/O端口。

AT89S51单片机的P1口除了可以作为一般I/O口外，其中5位还有第二功能，如表2-1。

表2-1P1口各位的第二功能

P1口的各位

第二功能的名称及作用

P1.0

T2（定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出）

P1.1

T2EX（定时/计数器2的捕获触发和双向控制）

P1.5

MOSI（主机输出线，用于在系统编程）

P1.6

MISO（主机输入线，用于在系统编程）

P1.7

SCK（串行时钟线，用于在系统编程）

●P2.0～P2.7：

P2口的8位准双向I/O端口。

在访问片外存储器时，它输出高8位地址，即A8～A15。

在不做总线时，也可以作为普通I/O口使用。

在对闪存编程和验证程序时，它输入高8位地址。

●P3.0～P3.7：

P3口的8位准双向I/O端口。

这8个引脚都具有专门的第二功能，如表2-2。

表2-2P3口各位的第二功能

P3口的各位

第二功能的名称及作用

P3.0

RXD（串行口输入）

P3.1

TXD（串行口输出）

P3.2

（外部中断0输入）

P3.3

（外部中断1输入）

P3.4

T0（定时/计数器0的外部输入）

P3.5

T1（定时/计数器1的外部输入）

P3.6

（片外数据存储器写选通控制输出）

P3.7

（片外数据存储器读选通控制输出）

2.3.2电源模块设计

电源电路为整个控制电路提供电源，是电路设计不可缺少的一部分。

电源电路的稳定性决定着整个电路的可靠程度。

在本设计中，整个系统控制电路需要+5V的电源。

把市电交流220V经过变压器降压为交流12V，在通过二极管整流、电容滤波、三端集成稳压器CW7805稳压后输出+5V直流电压[8][9]。

电源电路图如图2.4所示。

图2.4电源电路

2.3.3时钟电路设计

时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。

因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。

常用的时钟电路有两种方式：

一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式，如图2.5所示。

本设计用的是内部时钟方式。

AT89S51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。

这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。

（b）外部振荡电路

（a）内部振荡电路

图2.5时钟电路

2.3.4外部复位电路设计

AT89S51单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。

复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。

AT89S51单片机的外部复位电路有：

（a）上电复位。

上电复位电路是一种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。

上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。

为了保证系统安全可靠的复位，RST引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。

（b）按键电平复位。

在上电复位的基础上，在复位电容上并接一个串电阻的按键即可，当按键按下时RST引脚高电平，单片机复位。

复位如图2.6所示。

为了调试方便，本设计采用了按键复位电路。

（a）上电复位

（b）按键电平复位

图2.6复位电路

2.3.5温度检测电路设计

温度的检测传感器很多，传统的测温元件有热电偶和热电阻，而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。

根据产品的温度要求，温度精度要达到0.5℃，所以采用了美国DALLAS半导体公司生产的智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为－55℃到125℃，分辨率最大可达0.0625℃。

DS18B20采用单总线协议，即与单片机接口仅需占用一个I/O端口，无须任何外部元件，直接将环境温度转化成数字信号，以数字码方式串行输出，从而大大简化了传感器与微处理器的接口。

1．DS18B20温度传感器特性

●适应电压范围宽，电压范围在3.0V～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。

●独特的单线接口方式，它与微处理器连接时仅需一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。

●支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。

●在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

●测温范围－55℃～125℃，在－10℃～85℃时精度为±0.5℃。

●可编程分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃，可实现高精度测温。

●在9问分辨率时，最多在93.75ms内把温度转换为数字；12位分辨率时，最多在750ms内把温度转换为数字，显然速度更快。

●测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

●负压特性。

电源极性接反，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

2．DS18B20引脚介绍

DS18B20有两种封装：

三角TO-92直插式（用的最多、最普遍的封装）和八脚SOIC贴片式，封装引脚如图2.7所示。

引脚说明如表2-3。

表2-3DS18B20引脚定义

引脚

定义

GND

电源负极

DQ

数据输入/输出脚

VDD

电源正极

NC

空

（b）DS18B20Z八脚SOIC（150mil）

（a）DS18B20To-92

图2.7DS18B20引脚封装图

3．DS18B20工作原理

DS18B20控制指令：

读ROM【33H】。

读DS18B20温度传感器ROM中的编码（即64位地址）

匹配ROM【55H】。

发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS18B20并使之响应，为下一步对该DS18B20的读/写作准备。

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