基于51单片机的电热水器控制系统设计.docx
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南京工程学院康尼学院本科毕业设计（论文）
摘要
电热水器作为人们生活中不可或缺的家用电器之一，对我们的生活水平有着重要的影响，常用的热水器主要分为以下三种：
燃气式热水器，太阳能热水器以及电热水器。
太阳能热水器虽然有没有污染的优点，但是其使用受到天气与位置的较大限制，加之其不能对温度进行有效控制；燃气热水器虽然不用受到上面的限制，但是人们通常会对其使用过程中的一些危险，如一氧化碳中毒和燃气泄漏的担心，加之其安装过程非常繁琐，也渐渐淡出人们的视线；而电热水器在具有其上优点的同时，其安装十分方便，同时在当今时代，电热水器的各方面的研发已经十分的成熟，安全性也能很好的得到保证。
而随着科技的发展，传统的机械式控制系统一难以满足人们对高生活水平的要求，而在微处理器技术、传感器技术的进一步成熟的现今社会，电热水器开始摒弃传统的机械式的控制方式，转而采用全新的控制方式，，以微处理器为核心，通过传感器测温，然后再通过显示屏显示，辅以友好的人机界面，从而实现热水器的智能使控制方法。
本论文完成的控制系统是利用AT89S52单片机作为控制核心的，然后利用其现有接口外接各种硬件模块，主要有：
温度测量电路，实时时钟电路，键盘，看门狗电路，加热开关，LED显示电路。
软件部分主要是为实现系统功能而进行的C语言编程。
本系统为一款智能式电热水器，使用独立键盘输入各种指令，使用DS18B20测量温度，测量温度精度可达到0.01℃，采用一块LCD显示屏显示所需要显示的各种数据，便于用户的操作，通过用户的各种事先指令，对单片机进行操作，达到控制热水器的加热系统的工作状态，基本达到了对热水器的控制的目的。
关键词：
单片机；温度测量；DS18B20；LCD显示；抗干扰
IV
ABSTRACT
Electricwaterheaterasanintegralpartofpeople'slivesinonehousehold,forourstandardoflivinghasanimportanteffect,commonlyusedwaterheaterscanbedividedintothefollowingthreetypes:
gas-firedwaterheaters,solarwaterheatersandelectricwaterheaters.
Althoughthereisnopollutionsolarwaterheatersadvantages,butitsuseismorerestrictedweatherandlocation,togetherwithitstemperaturecannotbeeffectivelycontrolled;gaswaterheater,thoughnotsubjecttotheaboverestrictions,butpeopleoftenusesomeoftheirhazardssuchascarbonmonoxidepoisoningandgasleakageconcerns,coupledwithitsinstallationprocessisverytedious,andgraduallyfadeoutofsight;whileonthewaterheaterhasitsadvantagesatthesametime,itsveryeasytoinstall,butinthemodernera,theelectricwaterheateraspectsofthedevelopmenthasbeenverymature,safetycanbewellguaranteed.
Withthedevelopmentoftechnology,thetraditionalmechanicalcontrolsystemisdifficulttomeetpeopleonahighlivingstandard,whileinmicroprocessortechnology,sensortechnologytomatureintoday'ssociety,electricwaterheaterbegantoabandonthetraditionalmechanicalcontrolwayinfavorofanewcontrolmethod,amicroprocessorcore,throughthesensortemperature,andthenthroughdisplay,complementedbyafriendlyinterface,enablingthewaterheaterintelligentcontrolmethod.
CompletionofthisthesisistheuseofacontrolsystemAT89S52microcontrollerasthecontrol,andthenuseitsexistinginterfaceavarietyofexternalhardwaremodulesare:
temperaturemeasurementcircuit,realtimeclockcircuit,keyboard,watchdogcircuit,heatingswitch,LEDdisplaycircuits.
SoftwaresystemfortherealizationofsomeofthemajorfunctionsoftheClanguageforprogramming.
Thissystemisasmartelectricwaterheaters,usingaseparatekeyboardinputvarious commands, use DS18B20 temperature measurement, temperaturemeasurementaccuracycanreach0.01 ℃,usinganLCDdisplayshowstheneedtodisplayavarietyofdata,user-friendlyoperation,advancethroughvarioususer
commandstooperatethemicrocontroller,tocontrolwaterheaterheatingsystemworkingstate,reachesforthewaterheatercontrolpurposes.
目录
第一章绪论.............................................1
1.1引言 1
1.2选题背景与意义 1
1.3研究现状 2
1.4研究内容 2
1.5本文结构 4
第二章电热水器控制系统设计方案 4
2.1系统功能说明 4
2.2系统主要实现功能 4
2.3系统整体设计方案 4
2.4方案论证 5
第三章主要元件介绍.....................................8
3.1单片机系统模块介绍 8
3.1.1AT89S52单片机的主要性能 8
3.1.2AT89S52管脚功能说明 8
3.1.3单片机的最小系统 11
3.2温度检测模块 13
3.2.1DS18B20的主要功能及特点 13
3.2.2DS18B20的内部结构 14
3.2.3DS18B20的工作时序 16
第四章硬件模块的设计 19
4.1温度采集模块 19
4.2实时时钟电路模块 20
4.2.1DS1302的介绍 20
4.2.2实时时钟模块原理图 21
4.3键盘输入模块 22
4.4继电器加热模块 23
4.5LCD显示模块设计 25
4.5.1LCD模块概述 25
4.5.2LCD模块硬件说明 25
4.5.3内部控制指令 26
4.5.4显示硬件设计原理图 27
4.6其余硬件模块设计 28
第五章系统软件设计.....................................30
5.1主程序模块 30
5.2DS18B20测温模块 33
5.3实时时钟模块 35
5.4LCD显示模块 39
5.5键址返回程序 41
5.6测试及性能分析 43
第六章结论............................................47
致谢.................................................48
参考文献：
49
附录A：
硬件设计原理图与PCB图 50
附录B：
软件程序清单 52
附录C：
实物图 62
附件：
毕业论文光盘资料
南京工程学院康尼学院本科毕业设计（论文）
第一章 绪 论
1.1引言
我国作为热水器生产的大国，近年来热水器的发展十分迅速，而热水器主要有三个研究方向：
太阳能，燃气式与电热式。
近年来因为单片机技术的发展，传感器技术的渐渐成熟，电热水器的数字化与精确控制已经变成可能。
作为一种需要在浴室，洗手间与厨房中使用的电器，这种电热水器采用水电分离的控制方式，即采用小电流低电压的控制电路来控制高电压大电流的加热电路，一般情况下，使用十分安全。
并且在安全可靠的基础上，这种热水器还提供清楚的温度显示与方便的温度调节装置，所以在目前的市场上十分受到欢迎。
1.2选题背景与意义
本文对电热水器的控制系统进行可研究，具体研究的意义如下：
1）随着传感器测量技术的渐渐成熟，这种技术被广泛的运用在了在传统测温方式不便于温度测量的场合，而且传感器作为测量元件其相较于传统测温系统，测量精度与可靠性得到了进一步的提升，这一技术在当时与以后的时间里得到了发展与完善，迅速的显示出来其对于传统的物理式的温度测量系统的优越性。
[1]
2）在这一系统中（温度采集与控制），我们要求对温度进行实时控制，单片机具有极强的处理能力，将其运用在温度控制系统中就具备了传统的控制电路所不具有的实时控制能力，随着单片机技术的发展成熟以及周边元件的开发，其控制方式变得越来越简单，并且其相较于传统控制电路，可以大幅度的提高温度控制的精度，从而达到更高的技术要求。
3）单片机由于体积小重量轻、价格便宜、功耗低，控制能力强及运算速度快等特点，因而采用其作为主控芯片，使整个系统设计简单易行，成本低廉，使用方便。
4）就目前来看，随着天然气价格上涨以及高层住房的普及，燃气式热水器与太阳能式热水器因为其自身的缺陷而失去市场占有率，而电热水器由于其自身不会受到这种限制，并且电热水器由于其小巧的外形、快速的加热速度、节能的设计、可靠地安全性等特点所以在今后的热水器市场上必将作为一种主流热水器出现。
16
所以选取电热水器的控制系统作为此次的研究课题是具有十分重要的意义的。
1.3研究现状
电热水器在中国的历史已经有10多年了，期间也经历了数次起落的过程，在上个世纪的最后几年，随着国外品牌的进入和国内一些大家电厂的目光转向电热水器，储水式电热水器能适应任何天气变化，普通家庭可直接安装使用，长时间通电可以大流量供热水。
使用时不产生废气，既安全又卫生。
目前市场上销售的电热水器多数还带有防触电装置。
干净卫生，不必分室安装，调温方便。
随着技术的成熟，今后将朝着保温层整体发泡技术、温控器置入内胆、加热管下潜式设计、节能免更换几个方面发展。
热水器是一种可供浴室，洗手间及厨房使用的家用电器。
据国务院发展研究中心市场经济研究所统计数据表明：
近年来我国热水器的销量每年以25%的速度上升，在未来五年内，销售额每年可达近500亿以上。
众所周知，燃气热水器因其安全隐患及越来越高的使用成本正渐渐淡出热水器市场，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据更大的市场份额，所以电热水器迅速崛起而不断壮大。
为了满足人们对现代电器的智能化的要求，利用目前电子技术的最新成果改善电热水器的性能已经完全可能和必要。
本课题将以单片机为控制核心，实现对热水器的自动控制,设计出一款具有自动化、智能化、易于操作、控制精度高、性价比高的电热水器控制系统。
1.4本文研究内容
1）本文所研究的电热水器控制系统由7个部分组成：
单片机以及外部电路、电源电路、按键输入电路、LED数码管及指示灯电路、报警电路、加热控制电路和温度采集电路。
2）作为最重要的主控芯片，我们选用51系列单片机作为核心来进行此次的设计。
单片机作为微型计算机的一种，是嵌入式微机系统，是作为其他系统的组成部分使用的，在物理结构上嵌于其它系统之中，英文为EmbeddedSystems。
嵌入式系统将计算机硬件和软件结合起来，构成一个专门的计算装置，实现特定的功能。
它是一个大系统或大的电子设备中的一部分，工作在一个与外界发生交互并受时间约束的环境中，在没有人工干预的情况下进行实时控制。
自从20世
纪70年代以来，单片机经历了初级、发展、高速发展三个阶段。
单片机性能不断地完善，性能价格比显著提高，种类和型号快速增加。
从性能和用途上看，单
片机正朝着面向多层次用户的多品种多规格方向发展，哪一个应用领域前景广阔，就有这个领域的特殊单片机出现。
近几年来，单片机以其集成度和性价比高、体积小等优点，在工业自动化、过程控制、数字仪器仪表、通信系统以及家用电器产品中有着不可替代的作用。
3）220V交流电加热装置的通断由继电器控制，其中继电器中的保险丝会在温度过高的情况下会熔断，防止加热管干烧，并且在单片机上还加上发光二极管显示加热电路的工作情况。
1.5本文结构
本文以对单片机的研究作为基础，对DS18B20及单片机控制显示，输入输出等方面进行了研究，全文分为6章，各章内容如下：
第一章主要介绍了电热水器控制系统的基本概念、特点研究现状，阐述了电热水器的研究背景以及研究意义，概括的阐述了本次设计的主要内容。
第二章表明了本次设计的技术指标要求，主要介绍了采用的几个设计方案与各自的优缺点，并在最后表明了本次设计最终所采用的方案。
第三章阐述所选择的几个重要元件的特点与性能第四章主要介绍了电热水器控制系统的硬件电路的设计，主要介绍了各模块的设计方案。
第四章对系统的硬件模块的设计进行阐述，对各硬件的原理及主要参数进行了描述。
第五章对系统的软件设计进行阐述，以流程图为线索对各个模块的软件程序的设计方案进行了介绍。
第六章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题与进一步的研究方向。
第二章电热水器控制系统设计方案
2.1系统功能说明
本设计采用AT89S52单片机作为主控芯片，利用数字式温度传感器DS18B20作为温度采集装置采集温度，将温度信号传送给单片机后通过一片液晶显示屏显示出来。
系统工作的温度可以通过电路板上的按键自主进行设定。
系统采用了一个继电器，用单片机为主的控制系统控制继电器触电的吸合，来控制交流电加热电路，达到以弱电控制强电的目的。
系统必须设置温度报警系统，即达到设定温度的上限时扬声器报警，系统自动断电，当温度恢复时，系统重新恢复工作。
2.2系统主要实现功能
系统主要功能如下：
1）测量热水器内的温度，并通过显示屏实时显示温度值，显示范围为0℃
~70℃。
2）正常状态下显示系统时钟。
3）可手动设定时钟时间即对时钟进行校准。
4）可以人工设定热水器内的烧水温度，范围在20℃~70℃之间，也可以无需设定，打开后自动烧水，温度上限为70℃。
5）具备定时功能，限定烧水时间。
6）可以立即开机或在24小时内任意设定开机时间。
7）当热水器内没有水时，有报警提示，并开关自动关闭，即有防止干烧功能。
8）要求热水器有一定的抗干扰的功能。
2.3系统整体设计方案
电热水器控制系统的整体设计方案包括硬件设计与软件设计方案，硬件方案主要是指以单片机为核心，包括外接的温度采集电路，实时时钟电路，键盘，热
水器加热开关，液晶显示电路，报警电路以及复位电路。
具体硬件框图如图2.1
所示
晶振
电源
温度采集模块
加热开关
实时时钟
微
制
模
控
器
块
液晶显示电路
键盘
功能指示电路
复位电路
报警电路
2.4方案论证
图2.1系统硬件框图
按照前面的课题要求，我们首先确定运用单片机AT89S52作为本次设计的核心部件。
在温度采集方面有多种选择，常见的温度传感器分为以下几种：
热敏电阻式温度传感器、热电阻式温度传感器、热电偶式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能温度传感器。
本次设计原本选择的是pt1000铂电阻温度传感器，其作为高精度的温度敏感元件，具有测温范围大，测温精度高，稳定性好，示值复现性高与耐氧化等特点，常被用作0℃~926℃温度区间内的标准温度计，其特性曲线为：
-200°C~0°C时，Rt=R0[1+At+Bt2+c（t-100）t3]；0°C~650°C时，
Rt=R0[1+At+Bt2]。
（Rt为温度为t°C时热电阻的阻值，R0为0°C时的阻值，
A、B、C为实验测定的常数，A=3.90802×10-2，B=5.802×10-7，C=-4.22×10-7）
本系统使用的R0为1000Ω。
而要将pt1000作为本次设计的元件，还需要语气配套的传感器测量电路与放大电路两部分，具体电路如图2.2所示。
[12]
但是在实际购买时发现pt1000电阻由于价格过高，所以在最终设计中并没有采用pt1000作为测温元件来使用，同时，在同组同学推荐下采用了另一种集成式温度传感器DS18B20作为测温元件，DS18B20虽然测温范围比pt1000小，但是在满足本设计要求的基础上，其价格不到pt1000的一半，并且其硬件电路由于舍去了普通传感器所需附带的A/D电路的设计，所以其硬件电路的设计更加简单，所以采用了DS18B20作为最终设计中的测温元件。
[11]
图2.2传感器放大电路
本次设计的要求是选择51单片机作为核心的处理器，但是市场上做51单片机的厂商有很多家，其中比较著名的有STC公司、MICROCHIP公司、德州仪器公司、Intel公司、ATMEL公司、Philips公司、Siemens公司。
[9]
其中STC公司的STC单片机主要是基于8051内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度快8~12倍，带ADC,4路PWM，双串口，有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰强。
还有MICROCHIP公司的PIC单片机，其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好，大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片.
PHILIPS公司的PHLIPIS51LPC系列单片机是基于80C51内核的单片机，嵌入了掉电检测、模拟以及片内RC振荡器等功能，这使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求。
ATMEl公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列，AT89系列是8位Flash单片机，与8051系列单片机相兼容，静态时钟模式；AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方式、内载在线可编程Flash的单片机，也叫AVR单片机。
而作为第一次使用单片机做独立设计，我选用的是ATMEL公司的AT89S52单片机，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash储存器。
使用Atmel公司高密度非易失性储存器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序编程器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
众所周知，单片机的程序写入过程不是一帆风顺的，其常常需要多次的写入与调试的过程，这里采用AT89S52的优点就是AT89S52额外添加了8k在系统可编程（即ISP）Flash存储器，特意设计为方便在线编程，使得其下载线电路简单，且可实现并行和或者串行模式的在线编程，使得每一次的程序下载与调试不必将单片机从PCB板上拔下，这样不仅使程序调试变得更加方便，其次还会大大延长单片机与PCB板的寿命。
由于本次设计需要有定时开关机的功能，而单片机其内部时钟只能作为其内部程序运行的基准而不能满足设计的要求，所以外接了一个时钟芯片来满足本次设计的要求。
[10]
市面上的主流的时钟芯片有DS1302、DS1307、PCF8485、SB2068等等。
这些芯片结构简单，价格低廉，而实时时钟电路DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。
采用普通32.768kHz晶振。
DS1302的信号显示程
在显示方面采用一个液晶显示屏来显示主要的参数，液晶显示屏相对于LED数码管虽然编程方面更加繁琐，但是相对的其还具有更多的优点，其除了可以顺利的显示数字之外，还可以对显示的数字进行简单的注释，使得人机操作界面变得更加友好，其次在有关网站上也可以顺利的查找到有关
序，本次显示界面除了有温度的显示还需要有时间的显示，定时操作信号的显示，
采用LCD显示屏使操作显得更加方便。
[6]
在键盘的选择上，有两种选择：
一是采用独立式按键键盘，第二种是采用矩阵式键盘。
矩阵式一般键盘采用4*4式键盘，而本次设计中并不需要如此多的功能按键，所以本次设计，选择了独立式按键，本次总共使用了6个按键。
其中按键1的功能是系统的复位，按键2的功能是实现实时时钟的时间校准功能，按键
3实现的功能是实现烧水温度的设置功能，按键4实现的功能是烧水定时功能的
设置，按键5与按键6分别是“+”“—”功能键。
然后本次设计中还加入了一个发光二极管与蜂鸣器。
发光二极管用来显示继电器的闭合状况，使得加热电路的通断能够被更直接的观察。
而加入蜂鸣器的作用是在进行某项操作时进行指示作用，还有在达
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