基于51單片機的智能熱水器設計

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基于51單片機的智能熱水器設計

摘要

本設計采用STC89C51單片機為核心來設計智能電熱水器。本設計也對單片機控制電熱水器實現(xiàn)智能化的可能性進行了分析，利用溫度傳感器、和繼電器等來完成本設計。在硬件設計方面，主要對單片機最小系統(tǒng)及其擴展、電源電路、鍵盤顯示及接口電路、水溫檢測電路、報警電路進行了詳細介紹。還詳細介紹了設計中應用到的主要芯片的性能和特點，包括STC89C51、DS18B20等。在軟件設計方面，采用C語言編程。

該智能電熱水器設計完善，實現(xiàn)方案簡單易行。采用軟件設計來控制，可以實現(xiàn)智能檢測水溫，智能加熱，并且提高了整機的可靠性及準確性。

一、緒論

1.1 選題背景及意義

據(jù)不完全統(tǒng)計，我市城鎮(zhèn)居民家庭以電熱水器為主，占總量的60％以上；從前風光無限的燃氣熱水器漸漸地黯然失色，市場份額僅剩不足20％；新興的太陽能熱水器雖然受到安裝條件的限制，但其安全、環(huán)保的性能廣受消費者青睞，發(fā)展態(tài)勢迅猛，市場占有率已達到15％左右。

電熱水器的優(yōu)點：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。隨著技術進步和新品的開發(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入市場。電熱水器的安全問題涉及到消費者的生命，又加上近些年的能源危機，人們生活節(jié)奏的加快，智能化電熱水器越來越受到消費者的青睞。

本選題目的是基于人們對現(xiàn)代家庭舒適、便利、安全以及多元化信息服務的需要，基于STC89C51單片機設計具有智能特征的電熱水器控制器。

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

1.2 完成目標與功能設計

具體實驗設計：

STC89C51采用+5V電源供電，設計要求制作一直流穩(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。單片機容易受外界環(huán)境干擾，因此要求供電電源單獨設計制作。單片機硬件部分由單片機最小系統(tǒng)配以按鍵、顯示器件構成。

限于單片機型號采用12MHz晶振和兩個30μF陶瓷平衡電容組成振蕩電路。為使硬件具有通用性，復位電路采用上電與按鍵復位結(jié)合設計，獨立式按鍵通過P1口掃描查詢，分別執(zhí)行設置、加、減、確定功能。系統(tǒng)還有紅外遙控的功能，可以通過紅外遙控器遠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，首先檢測功能按鍵，進行溫度范圍設置。其次檢測加減按鍵，進行溫度范圍調(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，然后運行程序，由傳感器DS18B20檢測水溫，當檢測溫度低于預設溫度下限時，開始加熱；檢測溫度高于預設溫度上限時，停止加熱。并可以預約加熱，設定時間0-999分鐘，定時時間到達自動開始加熱。

二、硬件系統(tǒng)設計

2.1 硬件完成要求

本課題是基于STC89C51單片機的智能電熱水器的控制器的設計，要達到的控制要求有：
（1）用LCD1602液晶顯示水溫、設置上下限和定時時間，（2）水溫檢測顯示范圍為00～99℃，精度為±1℃。
（3）溫度預設范圍為0～99℃，當檢測溫度低于預設溫度時，開始加熱；檢測溫度高于預設溫度時，停止加熱。
（4）設置4個程序按鍵。分別問設置按鍵、加鍵、減鍵、確定。
（5）可以紅外遙控，通過紅外一體接收探頭接收遙控器信號，執(zhí)行與主板按鍵同等功能。

2.2 方案選擇

方案一：以STC89C51單片機為控制中心的智能電熱水器
STC89C51單片機具有結(jié)構簡單、控制能力強、可靠性高、體積小、價格低等優(yōu)點，在許多行業(yè)都得到了廣泛的應用。以STC89C51單片機為核心，配以外圍電路如時鐘電路、復位電路、按鍵、顯示器件即可構成交通燈系統(tǒng)，結(jié)構框圖如圖

方案二：PIC16C72單片機為控制器件的智能電熱水器
PIC16C72是美國微芯(Microchip)公司推出的8/11位單片機，采用寬字節(jié)單周期指令，哈佛雙總線和RISC結(jié)構，其數(shù)據(jù)吞吐量最高可達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單片機內(nèi)集成了以下主要功能：2KB片內(nèi)ROM程序存儲器，128KB數(shù)據(jù)存儲器；22位I/O線；5路8位A/D轉(zhuǎn)換器，2個8位，1個16位多功能計數(shù)器/定時器，1個捕捉/比較/脈寬調(diào)制(CCP)部件。
以PIC16C72為控制芯片的電熱水器，雖然功能很強大，但是存在一些很需要改進的地方：中斷的現(xiàn)場保護是中斷應用中一個很重要的部分由PIC16C72的指令系統(tǒng)中沒有專門的PUSH(入棧)和POP(出棧)指令，所以要用一段程序來實現(xiàn)該功能。對可能用到的W寄存器和STATUS寄存器內(nèi)容進行現(xiàn)場保護1然后在中斷服務程序中對馬達，繼電器進行控制1漏電檢測報警在中斷里給出，而每50ms進入一次中斷，所以發(fā)生漏電時最多50ms即可切斷電源1入口→中斷保護→控制馬達→控制繼電器如果用直流對電機進行控制，其轉(zhuǎn)速太快，過調(diào)量太大，容易引起震蕩。
通過以上兩種設計方法的比較來看，實現(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，各種單片機來實現(xiàn)。但考慮到成本控制和軟硬件實現(xiàn)難度，采用方案一的控制系統(tǒng)設計，可以進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，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 電源電路設計

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，可分為線性和開關穩(wěn)壓電路。本設計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，設計框圖：

（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的直流電壓。濾波電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成份，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，在橋式整流電路中，由于每兩只二極管只導通半個周期，故流過每個二極管的平均電流僅為負載電流的一半，與半波整流電路相比較，其輸出電壓提高，脈動成分減少。
整流電路將交流電變?yōu)槊}動直流電，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。本設計采用電容濾波電路。電容濾波電路主要利用電容兩端電壓不能突變的特性，使負載電壓波形平滑，故電容應與負載并聯(lián)。橋式整流電路帶電阻負載時的輸出直流電壓U0=0.9V，接上電容濾波后，空載時的輸出直流電壓U0=UC=U2。所以，接上負載時的橋式整流電容濾波電路的輸出電壓介于上述兩者之間，其大小與放電時間常數(shù)RLC有關，RLC越大，U0越大。
（3）穩(wěn)壓電路
穩(wěn)壓電路的作用是當輸入交流電源電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。由于三端式穩(wěn)壓器只有三個引出端子，具有應用時外接元件少、使用方便、性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點，因而廣泛應用。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)設計的按鍵采用獨立式按鍵，是直接用I/O口線構成的單個按鍵電路，其特點是每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其它I/O口線的狀態(tài)。獨立式按鍵的典型應用如圖

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，I/O口線有確定的高電平。當I/O口線內(nèi)部有上拉電阻時，外電路不可接上拉電阻。獨立式按鍵的軟件常采用查詢式結(jié)構。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，則可確認該I/O口線所對應的按鍵已按下，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 蜂鳴器報警電路

當溫度超過上限是電路會報警，提示水溫過高，注意安全。圖下面位報警電路

2.6 溫度檢測電路

本文采用溫度傳感器DS18B20采集電熱水器的實時溫度, 提供給STC89C51的P2.2口作為數(shù)據(jù)輸入。在本次設計中我們所控的對象為水溫。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；溫度測量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的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)設計更靈活、方便；
當傳感器工作時，如果水溫超過60℃，將溫度傳給單片機，蜂鳴器報警，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計

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

2.8 1602顯示屏電路設計

在本系統(tǒng)中，用LCD液晶屏來構成顯示部分，主要在人來時對淋浴計時時間和定時時間的顯示。LCD液晶顯示器具有功耗低、壽命長、無輻射、不易引起視疲勞等優(yōu)點，正在被廣泛應用于儀表、家用電器、計算機、醫(yī)療儀器及交通和通信領域。本系統(tǒng)中，選擇JHD162A作為液晶屏的顯示驅(qū)動控制器。
引腳功能說明：
1602LCD采用標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表

根據(jù)1062LCD的工作原理，我們可以設計單片機與1062LCD的接口電路圖：

2.9 單片機最小系統(tǒng)設計

三、軟件系統(tǒng)設計

軟件設計由主程序，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)，主要是單片機的定時器，COP模塊、A/D轉(zhuǎn)換、端口、鍵中斷等的工作模式參數(shù)設定，之后系統(tǒng)主程序循環(huán)調(diào)用各個功能模塊子程序，對相關事件的處理依靠標志位和判斷標志位實現(xiàn)。

3.1 主程序流程圖設計

四、附錄

原理圖：

PCB設計圖：

仿真圖：

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