基于单片机的热水器控制系统设计样本.docx

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基于单片机的热水器控制系统设计样本

济南大学泉城学院

毕业设计

题目基于单片机热水器控制系统设计

学院工学院

专业电气工程及其自动化

班级1302班

学生李燕

学号011198

指引教师张兴达魏志轩

二〇一七年五月十六日

摘要

随着国民经济迅猛发展，人们对生活质量规定越来越高。

作为寻常家用电器，热水器成为了人们关注对象之一。

老式热水器只具备简朴加热、加水、亮灯批示等功能，难以满足人们需求。

针对这一问题，本设计提出了一款基于单片机热水器控制系统。

本次设计重要分为硬件系统设计和软件系统设计。

硬件系统设计重要包括了AT89S52单片机、电源电路、显示电路、批示灯电路、测温电路、水位检测电路、报警电路、遥控接受电路、注水继电器控制电路、复位电路、晶振电路、按键电路。

软件系统设计重要运用了C语言编写程序，KEIL软件和PROTEUS软件联合进行仿真。

旨在设计出一款可用遥控器自由设立温度范畴和预约时间、LCD1602液晶显示温度和时间，且具备报警功能智能热水器，热水器在工作时加热、加水、缺水等具备相应批示灯，当热水器水位达到水位上限时，蜂鸣器开始报警。

通过仿真与调试及实物制作，本次设计热水器控制系统可以实现预设功能，本设计为进一步研究、应用提供了一定数据参照。

核心词：

单片机；传感器；热水器

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofthenationaleconomy，people'squalityofliferequirementsaregettinghigherandhigher.Asadailyhouseholdappliances，waterheatershavebecomeoneofthepeopleconcernedabouttheobject.Thetraditionalwaterheateronlyhasasimpleheating，water，lightinstructionsandotherfunctions，itisdifficulttomeetpeople'sneeds.Aimingatthisproblem，thisdesignpresentsaintelligentcontrolsystemofwaterheaterbasedonsinglechipmicrocomputer.

Thisdesignisdividedintohardwaresystemdesignandsoftwaresystemdesign.HardwaresystemdesignmainlyincludestheAT89S52microcontroller，powercircuit，displaycircuit，indicatorcircuit，temperaturemeasurementcircuit，waterleveldetectioncircuit，alarmcircuit，remotecontrolreceivercircuit，waterinjectionrelaycontrolcircuit，resetcircuit，crystalcircuit，keycircuit.SoftwaresystemdesignmainlyusestheClanguageprogram，KEILsoftwareandPROTEUSsoftwarejointsimulation.Designedtodesignafreeremotecontrolcansetthetemperaturerangeandappointmenttime，LCD1602liquidcrystaldisplaytemperatureandtime，andhavethealarmfunctionofintelligentwaterheater，waterheaterintheworkofheating，water，waterandotherindicatorswiththecorresponding，whenWhenthewaterlevelofthewaterheaterreachestheupperlimitofthewaterlevel，thebuzzerstartstoalarm.Throughthesimulationanddebuggingandin-kindproduction，thisdesignofthewaterheatercontrolsystemcanachievethedefaultfunction，thedesignforfurtherresearch，applicationprovidesacertaindatareference.

Keywords：

Single-chip；sensor；waterheater

1前言

1.1选题背景及意义

当今社会，越来越多科技成果被运用到热水器制造中。

如今，热水器已经从一种简朴加热产品变成了科技含量高当代化家电产品。

通过近年发展和技术积累，整个热水器行业不断涌现出新产品，热水器种类越来越多，从最初燃气热水器，发展到了当前燃气热水器、电热水器、太阳能热水器。

在热水器使用效果上，更加人性化，功能也越来越丰富，甚至结合了最新智能家居理念，智能化限度大大提高，给人们生活带来了极大以便。

随着国民生活水平提高，人们生活条件有了很大改进，智能化电器在人们寻常生活中占有比重越来越大，与家庭生活密切有关热水器品种层出不穷，花样翻新。

据记录国内热水器销量在近来几年里始终以25%增长率在增长，并且销售总额也许在将来5年里达到500亿以上。

国内约有70%城乡居民在使用热水器，26%都市居民有购买热水器筹划，市场平均一年需要1000多万台热水器维持运营，中华人民共和国热水器行业有一定规模热水器生产公司大概就有200家[1]。

由此可见热水器在中华人民共和国有辽阔市场，但热水器也衍生出了漏电，环保等一系列问题，近年来电热水器更是多次浮现漏电伤人甚至致死事件，因而热水器安全性始终为消费者所关注。

因此对热水器改良是迫在眉睫。

由于单片机技术迅速发展，越来越多家用电器采用各种型号单片机为控制核心，来完毕和人类交互，并通过相应程序和内部运算，实现智能化控制，使家用电器操作更加人性化，控制更加智能化。

单片机是一种微控制器，体积小、功耗低、通过编程和外围电路设计，可以完毕各种智能控制任务。

因而，在热水器中，广泛采用单片机作为控制核心，通过相应温度传感器，在热水器温度控制上达到更高精度，完毕了从最初旋钮调节逐渐向数字化调节方向转变。

正是在这样背景下，本设计选取基于AT89S52单片机热水器控制系统进行设计研究。

本设计通过温度传感器，让热水器在对温度控制方面有了更大精度。

通过水位传感器，让热水器在对水位检测方面有了进一步发展。

在本设计中单片机控制并批示热水器各种工作状态，当发生缺水、水温过高或过低等状况时可以及时给人们进行提示，从而防止了意外发生，保障了顾客安全。

1.2国内外研究现状

相比较国外来说，热水器在中华人民共和国成长路程不长。

但如今中华人民共和国已经成长为了生产热水器最大国家，热水器年产量约为全世界总和。

据理解，中华人民共和国生产成功首台热水器是在20世纪70年代位于江苏省南京市玉环厂。

这台热水器创造成功标志了中华人民共和国人民用火烧水洗澡年代结束了。

热水器产品种类大体分为燃气热水器、电热水器、太阳能热水器、空气能热水器4类热水器。

在这四类热水器中，燃气热水器是发展得最早，它重要长处是体积小，可以随开随用，且价格低廉，由于这些长处，它霸占了热水器销售市场很长一段时间。

但是由于它不可以装在浴室里，并且对安装环境有很大规定且安全系数不高，有也许会引起调节水温不便等缺陷，如今销售量已经大不如前了。

相比较而言，电热水器使用时间较长，并且节能环保，安全。

由于国内当前极度地注重在科技发展，并且不断地在挖掘技术方面顶尖人才。

因此在热水器方面研究成果也在不断创新，热水器在通过研究后不断完善，历经了好几次更新换代，且每次更新产品性能均有很大提高，给人们生活提供了很大便利。

国内也相继浮现了诸多热水器品牌，如美，海尔，万和等等。

其中，最出名莫过于海尔近来研发出国内第一款具备双重功能智能热水器——A6银海象热水器，它身上超强记忆能力是其最为突出长处。

它可以在断电时候自动记忆，就算是突然断电，系统也可以自动保存设立参数，并且在下一次开机后可以恢复到此前样子，不用重新输入数值，简朴以便[2]。

除此之外，它还能自动保存和分析使用者近来一种月用水数据参数，然后用最节约办法提前为使用者准备热水，体现出了真正节能。

据理解，国外对热水器研发开展得比较早。

可以追溯到19世纪70年代，通过了100近年发展，涌现出了诸多性能优良产品。

国外对智能热水器重要研究成果有：

西门子智能电热水器，西门子家电集团采用西门子在电站技术上强大防漏电安全技术为基本，开发出了独有ELCB德国安全专家模式功能。

除具备正常防漏电装置外，还具备安全电流自我检测功能，可随时检测防漏电系统与否正常工作，双重保险将个体与电源完全分开，杜绝了意外发生。

特别是还具备体贴停电数据保存功能，就算停电48小时，也能自动记忆所有参数，让主人毫无后顾之忧。

全新智能中温保温功能，彻底弥补了老式中温保温缺陷，可依照设定水温、环境、季节不同，自动地选取最节能保温状态，缩短了加热时间，切实做到了省电节能。

2重要研究内容

2.1重要设计内容

本设计重要控制芯片采用了AT89S52单片机，重要内容是研究设计热水器控制系统，目是使系统可以实现如下功能。

（1）顾客可自己设立预约时间和温度上下限值，LCD1602能对当前水温和预约时间及温度上下限值进行显示。

（2）具备水位检测功能。

当发现系统当前水位低于热水器水位下限时，加水继电器吸合，开始加水；当发现系统当前水位高于热水器水位上限时，加水继电器断开，蜂鸣器开始报警。

（3）具备温度检测功能。

当发现系统当前水温低于设立水温下限时，加热继电器吸合，开始加热；当发现系统当前水温高于设立温度上限时，加热继电器断开，加热截止。

（4）具备声光报警功能。

黄灯亮表达系统需加水，红灯亮起表达系统缺水，绿灯亮起表达系统在加热，当检测到当前水位高于热水器水位上限时，蜂鸣器开始报警。

（5）具备红外遥控功能。

可在遥控器可控范畴内，运用遥控器设立温度上下限值及预约时间，执行与主板按键同样功能。

2.2总体设计方案

本次研究设计热水器控制系统总体设计方案重要分为硬件设计方案和软件设计方案，详细设计内容如下。

2.2.1硬件设计方案

在本次硬件设计中以AT89S52单片机为核心控制芯片。

在热水器工作时，温度上下限值及预约时间可运用遥控器或按键进行设立，设立完毕后，LCD1602液晶显示屏可以将设立数值进行显示。

采用防水型温度传感器DS18B20采集热水器实时水温。

当采集到温度不大于设立温度下限时，加热继电器吸合，开始加热。

当采集到水温高于所设立温度上限时，加热继电器便自动断开，加热自动截止。

运用水位传感器和LM393电压比较器检测上下水位，当检测到当前水位低于水位下限时候，热水器加热停止，加水继电器吸合，开始给热水器加水，当检测到当前水位高于水位上限时候，加水继电器断开，停止加水，蜂鸣器开始报警，实现报警功能[3]。

在本次设计中热水器加热、加水、缺水均有相相应批示灯，红灯代表缺水，黄灯代表加水，绿灯代表加热。

本次设计详细硬件设计框图如下图2.1所示。

图2.1系统硬件设计框图

2.2.2软件设计方案

软件设计是电路必不可少一某些，同步也是整个系统灵魂。

只有软硬件完美配合才是一种完整电路设计，在设计时候，自己需要有一种明确思路，懂得自己需要做好那些工作，实现那些功能。

下面将着重简介系统软件某些设计方案，本次软件设计方案里程序重要是通过C语言来进行编写。

如下是本次软件设计详细思路。

（1）设计并拟定本次设计需要实现功能。

（2）依照功能绘制好程序流程图。

（3）依照需要实现功能和程序流程图用C语言编写好程序。

（4）检查编写程序与否有错误，有，则进行修改，无，则可开始运营程序。

（5）采用Keil软件对系统进行调试，Proteus软件进行仿真。

3硬件系统设计

本次设计单片机硬件系统重要涉及了两某些内容：

一是系统扩展，即单片机内部功能单元，如ROM、RAM、定期器/计数器、报警系统等不能满足应用系统规定期，必要在片外进行扩展，选取恰当芯片，来设计相应电路。

二是系统配备，即按照系统功能规定配备外围设备，如键盘、显示屏件等，并且要设计适当接口电路[4]。

由于本设计中AT89S52单片机自身满足本次设计规定，因此不必对单片机进行额外扩展。

本次设计硬件系统重要包括了AT89S52单片机、测温电路、水位检测电路、遥控接受电路、显示电路、按键电路、报警电路、电源电路、批示灯电路、复位电路、晶振电路、注水继电器控制电路。

以上所有模块功能作用如下：

AT89S52单片机作用是协调模块工作；测温电路顾名思义是用来测量水温；水位检测电路是对系统水位进行检测；遥控接受电路执行功能和按键同样，接受到信号后，可对温度和时间进行设立；显示电路重要是用来显示热水器预约时间和当前水温及水温上下限值；按键电路是用来对水温和预约时间数值进行设立；报警电路是当水位超过上限时，进行报警；电源电路是为系统供电；批示灯电路重要负责对热水器各种状态进行批示；复位电路作用是让系统回到初始状态；晶振电路作用是为系统提供时钟信号；注水继电器控制电路作用是控制热水器与否加水；本次设计重要硬件涉及AT89S52单片机、液晶显示屏、加热和加水继电器、蜂鸣器、水位传感器，DS18B20温度传感器等。

3.1AT89S52单片机

本次设计控制系统以AT89S52单片机为核心控制芯片。

AT89S52是一种带有可擦除存储器低电压、高性能微解决器，俗称单片机。

AT89S52具备如下原则功能：

4k字节Flash，256字节RAM，32位I／0口，看门狗定期器，2个数据指针，2个16位定期器／计数器，一种6向量2级中断构造，全双工串行口，片内晶振及时钟电路[5]。

AT89S52单片机如下图3.1所示。

图3.1AT89S52单片机

3.2测温电路

测温电路采用重要元器件是DS18B20，DS18B20是一家名为DALLAS公司创造生产。

它是一款体积很小数字温度传感器，测量温度范畴在－55℃～＋125℃，其测量温度精准度达到了0.0625℃，DS18B202脚DQ为数字信号输入/输出端；1脚GND为电源地；3脚VCC为外接供电电源输入端[6]。

在本次设计中，采用温度传感器DS18B20采集热水器实时水温。

温度传感器在工作时候，如果检测到温度不不大于设立上限温度值，就会将检测到温度传给单片机，此时加热继电器断开，系统自动停止加热；如果检测到温度不大于设立下限温度值，则加热批示灯亮，加热继电器吸合，系统自动开始加热，热水器开始工作。

测温电路图如图3.2所示。

图3.2测温电路

3.3水位检测电路

水位检测电路重要用了2个水位传感器和LM393电压比较器一起构成，重要用来检测热水器上下水位。

LM393电压比较器只要有电源就可以工作，工作时电源电压范畴非常广，它是一种双电压比较器集成电路[7]。

在本次设计中，当检测到水位低于下限水位时，会将检测水位信息传递给单片机，系统会停止加热并且会自动启动加水继电器，让加水继电器吸合加水，若检测到水位高于上限水位时候，加水继电器自动断开，不再加水，蜂鸣器响应，开始报警。

本次设计水位检测电路图如图3.3所示。

图3.3水位检测电路图

3.4遥控接受电路

BISS0001是一款具备较高性能传感信号解决集成电路，本设计中红外传感器接受到人体红外信号后，通过BISS0001解决，将其输出给单片机P3.3口，通过对P3.3电平判断，实现对单片机外围电路控制，可对预约时间和温度上下限值进行设立，与按键功能相似。

本次设计遥控接受电路图如图3.4所示。

图3.4遥控接受电路图

3.5显示电路

显示电路采用了LCD1602液晶显示来对热水器当前温度和温度上下限值以及预约时间进行显示。

LCD1602液晶是一种工业字符型液晶，可以同步显示16x2即32个字符。

其重要特点是功能消耗低、体积小、轻薄、模块化。

并且由于其自带字符库，因此在显示方面实现上只需要按照规定对其进行初始化、设定有关显示位置和显示内容就可以了，操作简朴[8]。

作为输出器件，LCD1602液晶显示屏在单片机系统应用中具备如下几种长处。

（1）显示质量高。

液晶显示屏每一种点在收到信号后就始终保持同样色彩和亮度，恒定发光，不需要像阴极射线管显示屏（CRT）那样需要不断刷新亮点。

因而，液晶显示屏画质高且不会闪烁。

（2）数字式接口。

液晶显示屏都是数字式，和单片机系统接口相接更加简朴可靠，操作更加以便。

（3）体积小、重量轻。

液晶显示屏通过显示屏上电极控制液晶分子状态来达到显示目，在重量上比相似显示面积老式显示屏要轻。

（4）功耗低。

相对而言，液晶显示屏功耗重要消耗在其内部电极和驱动IC上，因而耗电量比其他显示屏要少得多。

在本设计中，LCD1602液晶显示原理是运用了液晶物理特性，通过电压对显示区域进行控制，只要有电就可以显示图形。

LCD1602液晶显示屏具备厚度薄、合用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示特点，当前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。

详细显示电路图如图3.5所示。

图3.5显示电路图

3.6按键电路

本次设计按键电路采用了4个独立式按键，独立式按键重要长处是任何一种按钮在工作时候都不也许对别I/O口线产生影响，并且所有按钮都独自占据了一根I/O口线[9]。

独立按键触发方式为低电平有效，在系统启动状态下，单片机相应端口保持高电平状态，当按键被按下，独立按键两端连通，然后接地，单片机相应连接端口电平被地线拉低，从而可以被单片机捕获到按键动作。

4个独立按键分别是设定键、键值增长、键值减小、确认4个功能定义，通过这4个按键，可觉得顾客提供完整参数设立功能。

按键重要用来设立水温上下限值和预约时间，按键电路图如图3.6所示。

图3.6按键电路图

3.7报警电路

报警电路关系到使用者生命安全，本次设计重要是通过控制蜂鸣器来进行报警，当检测到当前水位超过水位上限时候，单片机便会运用驱动口将驱动电平输出，并运用三极管9012把驱动电流放大，从而驱动电流驱使蜂鸣器发出报警声响[10]。

报警电路运用声音和灯光让人们注意到系统浮现了问题，本次设计采用了声光报警。

报警电路图如图3.7所示。

图3.7报警电路图

3.8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。

依照调节元件与链接办法，可分为并联型和串联型；依照调节元件工作状态不同，可分为线性和开关稳压电路。

电源电路重要功能是为本系统热水器供电，使系统可以正常工作，实现本次设计功能。

本次设计电源电路图如图3.8所示。

图3.8电源电路图

3.9批示灯电路

本次设计系统采用了LED批示灯对系统浮现各种状态进行批示。

LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）缩写，LED批示灯是一种可以将电能转化为可见光固态半导体器件，它可以直接把电转化为光，发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色光。

它基本构造是一块电致发光半导体材料芯片，如果用银胶或白胶把它固化到支架上，然后用银线或金线连接芯片和电路板，四周用环氧树脂密封起来，可以起到保护内部芯线作用，因此LED灯抗震性能好[11]。

LED运用领域涉及到手机、台灯、家电等寻常家电和机械生产方面。

LED灯是一种新型照明光源，以节能、健康、环保及寿命长明显特点，受到了广大人民青睐以及国家大力扶持。

LED灯心脏是一种半导体晶片，晶片一端附在一种支架上，一端连接电源负极，另一端连接电源正极，整个晶片被环氧树脂封装。

半导体晶片由两某些构成，一某些是P型半导体，在P型半导体里空穴占主导地位，另一某些是N型半导体，在N型半导体里电子占主导地位。

当这两种半导体连接起来时候，它们之间会形成一种P-N结。

当电流通过导线作用于这个晶片时候，电子会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后会以光子形式发出能量，以上是LED灯发光原理。

本次设计批示灯电路图如图3.9所示。

图3.9批示灯电路图

3.10复位电路

本次设计复位电路重要是运用了手动办法完毕。

当按下按键时RST直接与VCC相连，为高电平形成复位，同步电解电容C1被短路放大，按键松开时，VCC对电容充电，充电电流在电阻R7上，RST依然为高电平，依然复位，充电完毕后，电容相称于开路，RST为低电平，正常工作。

单片机复位电路作用就跟咱们使用计算器里归零按键相似。

重要是把系统电路进行初始化，使系统电路回到初始状态。

除此之外，当单片机处在运营状态时，复位电路可以依照系统需求自动地开始电路运营，若在电路运营时候浮现少量干扰信号，导致程序发出指令错误或使系统开始无序运营时，展开复位操作，就可让单片机回到初始状态[12]。

本次设计详细复位电路图如图3.10所示：

图3.10复位电路

3.11晶振电路

本设计采用了12MHz晶振为系统产生所需时钟信号，单片机所需要时钟频率是由晶振和单片机内部电路结合在一起产生出来，所产生时钟频率越高，单片机运营速度越快。

任何一种单片机系统里均有晶振，普通来说晶振电路都接在反相放大器两端[13]。

普通状况下，一种系统为了让各某些都保持一致，整个系统共用一种晶振。

本次设计晶振电路图如图3.11所示。

图3.11晶振电路图

3.12注水继电器控制电路

继电器是一种经常应用在通讯设备、控制设备、机电一体化设备和电力电子设备中电控制器件，它被控制系统和控制系统两者之间可以进行互动。

继电器里大电流工作重要是通过小电流来进行控制，在电路中重要作用是保护、调节和转换电路，它是非常重要控制元件[14]。

本次设计采用了5V继电器，用来控制水位，重要由继电器、三极管和发光二极管构成。

当检测当前水位低于水位下限时，JDQ2输出高电平，三极管Q4导通，加水继电器吸合，批示灯亮，开始加热或加水。

当水位达到水位上限时，JDQ2输出低电平，三极管截止，继电器断开，停止加水和关闭批示灯。

注水继电器控制电路原理图如图3.12所示。

图3.12注水继电器控制电路图

4软件系统设计

4.1编程软件简介

软件系统设计对整个系统来说是不可或缺，系统有了软件设计程序，才可以执行指令，设计硬件系统才干得到实现，完整完毕本次设计需要实现功能，一种可靠安全软件设计可以最大限度发挥出硬件作用。

本次设计软件系统中所需程序重要是采用C语言来进行，C语言具备如下长处。

（1）简洁紧凑、灵活以便。

C语言一共只有32个核心字，9种控制语句，程序书写形式自由，区别大小写。

（2）可把高档语言基本构造和语句与低档语言实用性结合起来。

C语言可以像汇编语言同样对位、字节和地址进行操作。

（3）运算符丰富。

C语言运算符包括范畴很广泛，共有34种运算符。

C语言把括号、赋值、强制类型转换等都作为运算符解决。

从而使C语言运算类型极其丰富，表达式类型多样化。

灵活使用各种运算符可