本科毕业设计-基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计

基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计摘要随着人们生活水平的提高，各种热水器的使用已相当普及。与之相配套的控制仪也相继问世。然而，目前市场上的各种热水器控制电路还与理想要求相差甚远。因此我设计了新型的热水器水温水位控制系统来满足于当今的需求，该热水器智能控制系统主要由80C51单片机控制、DS18B20温度传感器、独立键盘、LED数码管和报警系统组成。该系统能测量并显示水温、设置水温范围，若水温不处于所设置的水温范围则报警，同时还能对水位进行设置及加水，先设置好需要加水的水位段数，单片机会根据这个数进行判断是否加水。通过软硬件调试使以上所述功能都能正常实现。本次设计是对水温水位控制系统的智能化改进，采用单片机对其水温水位参数进行控制，提高了电器的工作稳定性，同时引进了数字传感器对水温进行数据采集，这样也就提高了系统的控制精度，以其自身的控制精度高、稳定性好和成本低的独特优点在今后将会由广泛的实用价值，其基于单片机的改进方法也具用广泛的应用意义。关键词单片机；DS18B20；水温水位控制ELECTRICWATERHEATERWATERTEMPERATURELEVELCONTROLSYSTEMBASEDONSCMABSTRACTWITHTHEIMPROVEMENTOFPEOPLESLIVINGSTANDARD,THEUSEOFVARIOUSWATERHEATERISVERYPOPULARCONTROLAPPARATUSANDTHEMATCHEDFIELDHOWEVER,THECURRENTMARKETONTHEVARIOUSWATERHEATERCONTROLCIRCUITANDTHEIDEALREQUIREMENTSDIFFERVERYFARSOIDESIGNANEWTYPEOFWATERHEATERWATERLEVELCONTROLSYSTEMTOMEETTHESEMANDINNOWDAYSTHEDESIGNOFSOLARWATERHEATERSINTELLIGENTCONTROLSYSTEMISMAINLYCOMPOSEDOFSINGLECHIP80C51,DS18B20TEMPERATURESENSOR,ANINDEPENDENTKEYBOARD,LEDANDALARMSYSTEMTHESYSTEMCANMEASUREANDDISPLAYWATERTEMPERATURE,SETTHERANGEOFWATERTEMPERATURE,OFTHEWATERTEMPERATUREISNOTINTHERANGEOFSETTINGTEMPERATUREISALARMINGATTHESAMETIME,YOUCANSETTHEWATERLEVELANDADDWATER,FIRST,NEEDTOSETUPTHEWATERLEVELABOVETHEWATER,SINGLECHIPWILLDETERMINEWHETHERADDTHEWATERORNOTACCORDINGTOTHENUMBERTHROUGHHARDWAREANDSOFTWAREDEBUGGING,THEABOVEFUNCTIONSCANBENORMALFOROTHERRELATEDPARAMETERS,ITALSOHASACERTAINMEANINGUSINGTHEREVIVIFICATIONOFTHEWATERCONTROLSYSTEMISANINTELLIGENTPRODUCTTOITSOWNCONTROLOFHIGHPRECISION,STABILITYANDLOWCOSTOFTHEADVANTAGES,INTHEFUTURETHEREWILLBEAWIDERANGEOFPRACTICALVALUETHEDESIGNOFTHEWATERTEMPERATURECONTROLSYSTEMISTOIMPROVETHEINTELLECTUALIZEDAMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITSISTOCONTROLTHELEVELOFPARAMETERANDIMPROVETHESTABILITYOFTHEELECTRICALWORK,ANDMEANTIME,WHATSMORE,ITSBASEDONSINGLEWAYSOFIMPROVEMENTHAVEWIDEAPPLICATIONMEANINGKEYWORDSSINGLECHIPWATERLEVELSEXAMINATIONWATERTEMPERATURESEXAMINATION目录摘要1ABSTRACT2第1章绪论111选题的意义112电热水器发展现状113课题任务3第2章系统设计方案421设计原理4211系统原理4212子系统工作原理422设计方案5221系统设计方案的选择5222各部件控制系统方案7第3章系统硬件设计931系统总体设计932各单元电路设计11321控制单元设计11322显示单元设计17323检测单元设计23第4章系统软件设计3141主程序设计3142子程序设计31421温度采集31422控制按键设计32423读温度33第5章系统调试3451硬件调试34511调试步骤34512液位检测34513温度检测3552软件调试35521PROTEUS仿真35522软件调试过程3653系统联调36总结40参考文献42致谢43附录45第1章绪论11选题的意义随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么可编程控制器的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。在现代社会中，水位和温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了生活的各个方面。随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到水位和温度控制的影子，水位和温度控制将更好的服务于社会目前，单片机控制器在从生活工具到工业应用的各个领域，例如生活工具的电梯、工业生产中的现场控制仪表、数控机床等。尤其是用单片机控制器改造落后的设备具有性价比高、提高设备的使用寿命、提高设备的自动化程度的特点。现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到水位和温度控制，早期水位和温度控制主要应用于工厂中，例如工厂中的大型锅炉，必须实时的掌握锅炉的水位和温度，确保系统的正常运行。因此，水温水位控制在改善人们生活质量中起到了非常重要的作用。现在市面上的电器种类繁多，它们都需要对其主要的水位和水温参数加以控制，实现电器水温水位控制的自动化。早期温度和水位的参数控制时通过模拟电路实现的，这种方式不仅电路复杂，成本高，而且误差大，系统的稳定性不好，单片机及微型计算机技术的发展和应用有效地解决了这些缺点，特别是传感器的发展，更好的提高了检测参数的精度。选择基于单片机的水温水位控制系统，是因为它不仅在人们生活中具有显著的意义，更重要的是能系统地聚温度和水位参数于一身，对于更好的掌握和认识单片机的应用和传感器的应用，系统地深刻认识自动控制的实际应用，掌握复杂的多子系统地设计起到了很强的锻炼作用。12电热水器发展现状经过20多年的发展，整个热水器行业已经从最初的小而少发展到现在的大而多，产品类型也随着技术不断成熟，由最初的燃气热水器独领风骚发展到今天的燃气式、电热式、太阳能、空气源热泵等多种类型。随着全球经济快速发展，中国电器制造业的迅猛发展及城市建设步伐的不断加快，为热水科技产业带来了无限商机。目前，创新、安全、节能、高效已成为热水器行业间竞争的焦点及发展趋势。据调查，中国热水器的普及率只有70左右。目前，466的居民家庭表示要在未来5年中购买或更换热水器。未来5年内我国城市热水器需求量将平稳增长，达到4660万台，热水器行业即将迎来新一轮的消费高峰。据国务院发展研究中心市场经济研究所推出的“中国城市热水器市场研究咨询报告”显示，未来三年，我国热水器市场将继续保持平稳发展的态势，年增长保持在6左右。就中国的具体情况而言，太阳能热水器由于安装位置的局限性，只适用于居住在顶楼的居民，且受天气原因的限制，使用范围狭窄，燃气热水器由于必须分室安装，且须由专业人员安装，并且燃气热水器不易调温，需定期除垢，在使用中还易产生有害气体，特别是使用液化石油气和人工煤气型的直排式燃气热水器，会产生轻度油烟，严重时甚至会危及生命。因此燃气热水器是一种人命关天的特殊产品，即使有百分之一的疏忽，带给用户的危险将是百分之百。根据中国商业联合会前不久的统计，电热水器的市场份额在销售数量和销售收入两个方面都已经超过了长期以来占优势的燃气热水器。该中心预计，在城市电网更大范围改造和城市住房市场大规模启动的带动下，今后几年我国电热水器市场将呈现强劲增长势头。目前市场上的电热水器分连续水流式和贮水式，前者虽具有加热速度快和体积小的优点，但需要的功率大，大多数家庭供电线路难以承受。而市场上传统的机械式电热水器控制功能不完善，而且精度低、可靠性差，生活质量的提高使得消费者对电热水器功能提出延伸至全新的概念层面。热水器技术未来将继续朝着以下几个方面发展智能化从最初的手动旋钮调节发展到如今数字化调节方式节能技术从最初机械结构上的保温节能到控制技术上的定时加热或分步加热技术转变，由于在水温很高时热量流失较快，所以未采用该类技术的产品需要长时间在高温区反复加热，不仅启动频繁，而且耗电量很大，如果用户可根据自己的实际需要设定好规定时段以进行定时倒计时加热，则能将保温耗电降至最低安全稳定性由于电热水器不同于一般的家电产品，涉及到人身安全，所以安全问题一直是各大厂家考虑的重点。随着现在各种安全技术在电热水器设计中的普遍应用，用电环境的日益规范，以及国家对电热水器实行强制认证，安全技术已经成为衡量电热水器的重要标准。其中安全技术主要体现在能自动检测热水器是否处于正常工作状态，并具有调温、恒温、防干烧、防超高温、防漏电等多项自检功能，使用户在使用过程中安全更有保障。此外，随着无线通信技术的发展，无线远程控制也将是新一代电热水器的发展方向，用户可以通过任何一部双音频固定电话或手机遥控热水器的开/关、温度设定等，并可查询热水器的工作状态。现在市场上较为先进的储水式电热水器能实现上述等功能，但仍难以满足人们对现代化家电的使用要求。在现如今众多的控制手段中，要满足低价格、高性能、尤其是智能化的要求，采用典型的嵌入式控制系统单片机为核心的控制器应为首选。13课题任务本设计主要是对市场现有产品的仿制，要能够实现电热水器的完整功能。以80C51单片机为核心配合传感器、显示器件、继电器、电加热器、报警器等外围器件，采集热水器储水箱中的水位、水温信号，通过控制电动机的运转、电加热器加热来控制储水器的水位、温度。利用键盘上开关按钮进行调节水温的最大和最小限度，手动控制上水和加热，设置水位水温功能。采集热水器储水箱中水位和水温信号，并完成水位和水温的显示，以及缺水报警系统。第2章系统设计方案21设计原理211系统原理利用热敏传感器和水位传感器检测水温和水位，并加以显示。根据水位情况进行手动和自动上水控制。当水位从高到低，出现缺水状态时，蜂鸣器报警，缺水指示灯亮，继电器开始工作，热水器容器上水，水位上升超过“低”水位后，缺水指示灯熄灭，蜂鸣器停止报警。水位至预置水位后继电器关闭，停止上水；当水温低于设定最低温度时，加热继电器工作，当温度加热高于设定最高温度的时候继电器停止工作。此系统是为多子系统的综合性控制系统，设计过程中也是分块实现设计调试，最后进行综合实现，以下就从各子系统的工作原理进行分别进行说明。单片机复位电路按键电路报警电路时钟振荡加水装置温度传感器水位传感器LED显示蜂鸣器报警图21系统原理图212子系统工作原理1、温度控制系统该子系统利用低功耗单线数字温度传感器DS18B20实现温度采样，将采样的温度值通过单片机的P33口送入单片机处理，然后实现水温的控制,利用按键对水温的值进行设置，当温度高于上限或者低于下限后蜂鸣器报警，使之保持温度在一定范围内的稳定。本控制系统可以时时采集热水器内部水温通过LED显示水温，由于太阳能热水器实际温度不会超过100摄制度，所以本系统采用两位显示，测量范围为0099摄氏度，温度可以精确到小数点后两位。2、水位控制系统该子系统能进行水位的控制，利用自制的3根导线对水位的信息进行采集，并通过单片机的P2口送入给单片机处理加工，通过发光二极管显示器显示，共有3个水位挡，没水或者系统出错后，蜂鸣器都报警，使系统的水位保持在一定的范围内。本系统需显示水位，水位分低、中、高三档，均用发光二极管来指示。实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的MG2、CA2等离子，它们的存在使水导电。本控制装置就是利用水的导电性来完成的。当水位未达到A时，即H1000次）ISPFLASHROM32个双向I/O口4555V工作电压2个16位可编程定时/计数器时钟频率033MHZ全双工UART串行中断口线128X8BIT内部RAM2个外部中断源低功耗空闲和省电模式中断唤醒省电模式3级加密位看门狗（WDT）电路软件设置空闲和省电功能灵活的ISP字节和分页编程双数据寄存器指针2、引脚功能介绍按照功能，80C51的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。1多功能I/O口80C51共有四个8位的并行I/O口P0、P1、P2、P3端口，对应的引脚分别是P00P07，P10P17，P20P27，P30P37，共32根I/O线。每根线可以单独用作输入或输出。P0端口，该口是一个8位漏极开路的双向I/O口。在作为输出口时，每根引脚可以带动8个TTL输入负载。当把“1”写入P0时，则它的引脚可用作高阻抗输入。当对外部程序或数据存储器进行存取时，P0可用作多路复用的低字节地址/数据总线，在该模式，P0口拥有内部上拉电阻。在对FLASH存储器进行编程时，P0用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外加上拉电阻。P1端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对FLASH编程和程序校验时，P1口接收低8位地址。另外，P10与P11可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（P10/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P10/T2EX），如表31所示。表31P1口管脚复用功能端口引脚复用功能P10T2（定时器/计算器2的外部输入端）P11T2EX（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制）P15MOSI（用于在线编程）P16MISO（用于在线编程）P17SCK（用于在线编程）P2端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P2口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对FLASH编程和程序校验期间，P2口也接收高位地址或一些控制信号。P3端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P3口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P3口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在80C51中，同样P3口还用于一些复用功能，如表32所列。在对FLASH编程和程序校验期间，P3口还接收一些控制信号。表32P3端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输出口）P32INT0（外部中断0）P33INT1（外部中断1）P34T0（定时器0的外部输入）P35T1（定时器1的外部输入）P36WR（外部数据存储器写选通）P37RD（外部数据存储器读选通）表32（续）2RST复位输入端。在振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。看门狗定时器（WATCHDOG）溢出后，该引脚会保持98个振荡周期的高电平。在SFRAUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽这种功能。DISRTO位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。3ALE/PROG地址锁存允许信号。在存取外部存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。在对FLASH存储器编程时，这条引脚用于输入编程脉冲PROG。一般情况下，ALE是振荡器频率的6分频信号，可用于外部定时或时钟。但是，在对外部数据存储器每次存取中，会跳过一个ALE脉冲。在需要时，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置为“1”，从而屏蔽ALE的工作；而只有在MOVX或MOVC指令执行时ALE才被激活。在单片机处于外部执行方式时，对ALE屏蔽位置“1”并不起作用。4PSEN程序存储器允许信号。它用于读外部程序存储器。当80C51在执行来自外部存储器的指令时，每一个机器周期PSEN被激活2次。在对外部数据存储器的每次存取中，PSEN的2次激活会被跳过。5EA/VPP外部存取允许信号。为了确保单片机从地址为0000HFFFFH的外部程序存储器中读取代码，故要把EA接到GND端，即地端。但是，如果锁定位1被编程，则EA在复位时被锁存。当执行内部程序时，EA应接到VCC。在对FLASH存储器编程时，这条引脚接收12V编程电压VPP。6XTAL1振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。7XTAL2振荡器的反相放大器输出。3、复位电路设计单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。本设计中只用最小系统加上键盘、显示、ISP接口电路，单片机本身资源可以满足设计要求，所以不必对单片机进行扩展。复位电路虽然简单，但其作用非常重要。一个单片机系统能恢复正常运行，首先要检查是否能复位成功，其中手动复位开关比较常用，如图所示图35手动开关复位电路手动开关未按下之前，电容正极处于充电状态，当按键按下去后，VCC与GND导通，电容放电，从而实现放电。4、按键电路本毕业设计的按键采用独立式按键，是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。当有按键被按下时说明用户要手动上水。按键使用上拉电阻方式接入单片机。未按下时对单片机输入一个高电平，按下后输入一个低电平。键的闭合与否，反映在行线输出电压上就是呈现出高电平或低电平，如果高电平表示断开的话，那么低电平则表示闭合，所以通过对行线电平的高低状态的检测，便可以确认按键按下与否。为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。图36按键电路报警温度用按键S2，S3，S4来设置，S2为调整键，按一次可调整报警上限温度值，按两次可调整报警下限温度值，按三次数码管恢复到正常温度显示。322显示单元设计1、报警电路的设计蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中发生器。一、蜂鸣器主要分为（1）压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡由晶体管或集成电路构成。当接通电源后，多谐振荡器起振，输出1525KHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣器发声。压电蜂鸣器片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两个镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘着一起。（2）电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。2、蜂鸣器的驱动由于自激蜂鸣器是直流电压驱动的，不需要利用交流信号进行驱动，只需对驱动口输出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音，很简单，这里就不对自激蜂鸣器进行说明了。这里只对必须用1/2DUTY的方波信号进行驱动的他激蜂鸣器进行说明。单片机驱动他激蜂鸣器的方式有两种一种是PWM输出口直接驱动，另一种是利用I/O定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。PWM输出口直接驱动是利用PWM输出口本身可以输出一定的方波来直接驱动蜂鸣器。在单片机的软件设置中有几个系统寄存器产生符合蜂鸣器要求的频率的波形之后，只要打开PWM输出，PWM输出口就能输出该频率的方波，这个时候利用这个波形就可以驱动蜂鸣器了。而利用I/O定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点，必须利用定时器来做定时，通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，这个波形就可以用来驱动蜂鸣器了。比如为2500HZ的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为400S，这样只需要驱动蜂鸣器的I/O口每200S翻转一次电平就可以产生一个频率为2500HZ，占空比为1/2DUTY的方波，再通过三极管放大就可以驱动这个蜂鸣器了。有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的差别主要差别为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的根本区别是产品对输入信号的要求不一样；有源蜂鸣器工作的理想信号是直流电，通常标示为VDC、VDD等。因为蜂鸣器内部有一简单的振荡电路，能将恒定的电流电转化成一定频率的脉冲信号，从面实出磁场交变，带动钼片振动发音。但是在某些有源蜂鸣器在特定的交流信号下也可以工作，只是对交流信号的电压和频率要求很高，此种工作方式一般不采用。而无源蜂鸣器没有内部驱动电路。无源蜂鸣器工作的理想信号方波。如果给预直流信号蜂鸣器是不响应的，因为磁路恒定，钼片不能振动发音。这里说的“源”不是指电源，而是指振荡源。有源蜂鸣器和无源蜂鸣器好像一样，但仔细看，两者的高度略有区别，两种蜂鸣器的引脚朝上放置事，可以看出有绿色电路板的一种是无源蜂鸣器，没有电路板而用黑胶封闭的一种有源蜂鸣器。有源蜂鸣器直接接上额定电源就可以连续发声，而无源蜂鸣器则和电磁扬声器一样，需要接在音频输出电路中才能发声。报警电路图37蜂鸣器电路本系统中采用蜂鸣器报警，由于单片机输出电流较小，所以用三极管9013驱动蜂鸣器发出声音。图38水位报警电路当水位比较低的时候，红灯亮，水位在中间的时候，红灯和黄灯亮，当水位慢的时候三个灯都亮，出故障的时候三个灯闪。2、LED数码管显示图39数码管数码管使用条件A、段及小数点上加限流电阻B、使用电压段根据发光颜色决定；小数点根据发光颜色决定C、使用电流静态总电流80MA（每段10MA）；动态平均电流45MA峰值电流100MA上面这个只是七段数码管引脚图，其中共阳极数码管引脚图和共阴极的是一样的，4位数码管引脚图数码管使用注意事项说明（1）数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角；（2）焊接温度260度；焊接时间5S（3）表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。这类数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同接点COM，而每个LED的阴极分别为A、B、C、D、E、F、G及DP（小数点）；共阴极则是把所有LED的阴极连接到共同接点COM，而每个LED的阳极分别为A、B、C、D、E、F、G及DP（小数点），如下图所示。图中的8个LED分别与上面那个图中的ADP各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。图310共阳数码管内部结构图311共阴数码管内部结构对于单个数码管来说，从它的正面看进去，左下角那个脚为1脚，以逆时针方向依次为110脚，左上角那个脚便是10脚了，上面两个图中的数字分别与这10个管脚一一对应。注意，3脚和8脚是连通的，这两个都是公共脚。共阳共阴还有一种比较常用的是四位数码管，内部的4个数码管共用ADP这8根数据线，为人们的使用提供了方便，因为里面有4个数码管，所以它有4个公共端，加上ADP，共有12个引脚，下面便是一个共阴的四位数码管的内部结构图（共阳的与之相反）。引脚排列依然是从左下角的那个脚（1脚）开始，以逆时针方向依次为112脚，下图中的数字与之一一对应。图312位共阳数码管内部结构（1）数码管编码说明4位数码管编码说明，如33表所示表33控制命令表P27P26P25P24P23P22P21P20EDDPCGBFA00010100028H111101011EBH20011001032H310100010A2H411100001E1H510100100A4H60010010024H711101010EAH80010000020H910100000A0HH0110000161H管脚顺序从数码管的正面观看，以第一脚为起点，管脚的顺序是逆时针方向排列。12986公共脚A11B7C4D2E1F10G5DP3L001100013DH11110111F7HC001111003CH表33（续）（2）、四位数码管显示电路图313数码管显示电路4位数码管为共阳管，由于单片机输出电流比较小，故用4个PNP型的三极管9015来驱动数码管。单片机输出低电平时三极管导通，使数码管的4各公共端1、4、5和12脚为高电平，此时数码管的数据端输入低电平后数码管被点亮，120欧电阻R12到R19为三极管的限流电阻。323检测单元设计一、温度传感器DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。TO92封装的DS18B20的引脚排列见图314，其引脚功能描述见表34。图314DS18B20（底视图）表34DS18B20详细引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。1、DS18B20的性能特点如下独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为3055；零待机功耗；温度以9或12位数字；用户可定义报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图315所示。图315DS18B20内部结构64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器和，可通过软件写入户报警上下限。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图3所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图316所示。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。I/OC64位ROM和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器VDDTMR11R01111图316DS18B20字节定义由表34可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以00625LSB形式表示。当符号位S0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表44是一部分温度值对应的二进制温度数据。表35DS18B20温度转换时间表R1R0分辨率/位温度最大转换时间/MS00993750110187510113751112750温度LSB温度MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRCDS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将55所对应的一个基数分别置入减法计数器、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。表36一部分温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示125000001111101000007D0H8500000101010100000550H25062500000001100100000191H10125000000001010000100A2H0500000000000000100008H000000000000010000000H051111111111110000FFF8H101251111111101011110FF5EH2506251111111001101111FE6FH551111110010010000FC90H2、DS18B20温度传感器与单片机的接口电路DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图34所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10US。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。图317DS18B20电路DS18B20的1脚接地，2脚数据端接单片机的P33，3脚接VCC，为了确保DS18B20工作可靠，2脚要接10K的上拉电阻。2、水位检测我们把储水箱大致分为3份，水位由潜入热水器的储水箱不同深度的水位电极和潜入储水箱底部的公共电极（导线）进行检测；由单片机依次使各水位电极呈现高电平，由公共电极所接的三极管进行电位转换，水位到达的电极，转换电位为低（0）；水位没有到达的电极，转换电位为高（1）；每检测一位便得到一位数据，3个电极检测一遍以后便得到了3个串行数据，然后把这3个数据转化为字节一路送发光二极管；在这里我们可以用发光二极管亮的盏数来显示水位的高低。（若没有发光二极管亮则表示箱内没有水或者只有少量的水，若有一个发光二极管灯亮则表示箱内有三分之一箱的水，以此类推，若有三个发光二极管亮，则表示水箱水是满的。图318水位监测电路水位用三根导线，一个是电源负极，当导线接触到水后，由于水的导电性，使得两外两根导线也是低电平，从而使三极管9012导通，P36和P37是低电平，当两根导线不接触水的时候，输出是高电平。三、继电器继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大点流的一种“自动开关”，故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。本设计包含两个继电器，两个继电器分别是控制加热装置和加水装置，用发光二极管来代替加热装置和加水装置，继电器用三极管9012驱动。继电器可以模拟的完成实物上的自动控制。继电器控制电路如图所示。图319继电器控制电路图320继电器控制电路第4章系统软件设计41主程序设计为了保证系统的正常运行，当系统开机后，即单片机上电复位开始运行后，需要对硬件各部分进行自动检查，如果正常，系统就可以继续往下执行，如果不正常就必须出错报警，以便人工修正，为系统的正常运行作好准备。主程序流程图如41报警转换并显示结束N图41主程序流程图42子程序设计421温度采集温度采集子程序的功能是对DS18B20进行初始化、查询温度采集和转换是否完成，开始初始化水位温度值与上下限比较Y并且完成对温度数据的处理以便送LED显示。其程序流图如图所示检测DS18B20存在发送跳过ROM指令温度转换等待NY图42温度采集程序422控制按键设计按键的确认就是判断按键是否闭合，反映在电压上就是和按键相连的引脚呈现出高电平还是低电平。如果是低电平，则表示闭合。因此，通过判断电平的高低，就可以确定是否有键按下。但是为了确保一次按键动作只确认一次按键，必须消除机械开关的抖动影响。消除按键的抖动，通常用软件消除的方法。在第一次检测到有按键被按下时，执行一段10MS15MS的延时子程序，再确认该键电平是否仍然为低电平，如果保持为低读取温度数据处理数据返回开始初始化DS18B20读DS18B20的序列号电平状态就说明有键按下，从而消除抖动的影响。再次扫描，如果按键为高电平说明按键松开。本报警器按键处理子程序流程图如图44所示。423读温度NYN图43读温度流程图图44键盘处理子程序Y发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发读取温度命令读取操作，CRC校验9字节完CRC校验正确移入温度暂存器结束NNY开始扫描键值是否有键按下延时10MS去抖动是否有键按下提取键值调用键盘处理子程序结束Y第5章系统调试51硬件调试制造电子产品，可靠性与安全是两个重要因素，而零件的安装对于保证产品的安全可靠是至关重要的。如何疏忽都可能造成整机工作失常，甚至导致更为严重的后果。元件安装时我们要保证导通与绝缘的电器性能、保证机械强度、抱着那个传热的要求和安装时接地与屏蔽要充分利用。为达到产品的可靠与安全，安装时应遵循一些基本的要求与原则。511调试步骤对于整个系统制作完成后，调试工作是非常重要的一个环节，它直接关系到系统能否正常工作。1、首先对电源部分进行调试。2、检查印刷电路是否设计正确，元器件位置是否安装正确。特别是二极管、三极管、电容等极性不要装错。观察有没有焊接点短路，虚焊，多余的管脚有没有剪去。保证导通与绝缘的电气特性，电气连接的通与断是安装的核心这里所说的通与断，不仅是安装后简单的使用万用表测试的结果，而且要考虑在振动，长期工作，湿度等自然条件变化的环境中，都能保证通者恒通，断者恒断。保证机械强度，电子产品在使用过程中，不可避免的需要运输和搬动，会发声各种有意或无意达到振动，冲击，如果机械安装不够牢固，电气连接不够可靠，都有可能因为加速度的瞬间受力使装置受到损害。保证传热的要求，在安装中，必须考虑某些零部件在传热，电磁方面的要求。安装时接地与屏蔽要充分利用，接地与屏蔽一是消除外办对产品的电磁干扰，二是消除产品对外办的电碰干扰，三是减少产品内部的相互电磁干扰。3、当检查电路和焊接无误后，就可以将一些比较主要的元器件和主控芯片装上去进行调试。焊接后的检查焊接结束后必须检查有无漏焊、虚焊以及由于焊锡流淌造成的元件短路。虚焊较难发现，可用镊子夹住元件引脚轻轻拉动，如发现摇动应立即补焊。512液位检测将自制的测水位导线放入水中，通电之后，显示当前的水位。我们把储水箱大致分为3份，水位由潜入热水器的储水箱不同深度的水位电极和潜入储水箱底部的公共电极（导线）进行检测；由单片机依次使各水位电极呈现高电平，由公共电极所接的三极管进行电位转换，水位到达的电极，转换电位为低（0）；水位没有到达的电极，转换电位为高（1）；每检测一位便得到一位数据，3个电极检测一遍以后便得到了3个串行数据，然后把这3个数据转化为字节一路送发光二极管；在这里我们可以用发光二极管亮的盏数来显示水位的高低。（若没有发光二极管亮则表示箱内没有水或者只有少量的水，若有一个发光二极管灯亮则表示箱内有三分之一箱的水，以此类推，若有三个发光二极管亮，则表示水箱水是满的。将自制的测水位导线放入水中，通电之后，显示当前的水位。导线分三级，当水位没有达到最低级时，蜂鸣器响，继电器开始模拟进水的过程；当水位高于最低级时，蜂鸣器停止，显示中等水位，继电器继续模拟上水；当水位达到最高点时，显示最高水位的发光二极管亮，继电器停止工作。513温度检测温度传感器检测到的水温，利用数码管能正确显示出当前的水温。图51温度显示电路52软件调试521PROTEUS仿真PROTEUS软件是来自英国LABCENTERELECTRONICS公司的EDA工具软件，它组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。此系统受益于15年来的持续开发,被电子世界在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品“THEROUTETOPCBCAD”。PROTEUS产品系列也包含了我们革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。其功能模块个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真；ARESPCB设计。PROSPICE仿真器的一个扩展PROTEUSVSM便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。此外，还可以结合微控制器软件使用动态的键盘，开关，按钮，LEDS甚至LCD显示CPU模型。支持许多通用的微控制器,如PIC，AVR，HC11以及8051。最新支持ARM。交互的装置模型包括LED和LCD显示，RS232终端，通用键盘，I2C，SPI器件。强大的调试工具，包括寄存器和存储器，断点和单步模式。IARCSPY和KEILUVISION2等开发工具的源层调试。应用特殊模型的DLL界面提供有关元件库的全部文件。522软件调试过程本系统所使用的汇编软件是KEILKEIL编译器把C语言编写的源程序与KEIL内含的库函数装配在一起，然后由C51编译器编译成目标文件（OBJ）。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件（ABS）。ABS文件由OH51转换成标准的HEX文件，然后将其写入CPU存储器中。电路设计制作完成后，先用KEILUVISION2仿真器进行调试。（1）、使用菜单“PROJECT/NEWPROJECT”出现一个对话框，然后给将要建立的工程取一个名字，单击保存后会出现另外一个对话框选择系统所使用的单片机型号，本系统所使用的单片机型号为80C51。选中后回到工程窗口的页面打开“TATGET”的下一层，“SOURCEGROUP1”单机右键选中“ADDFILETOGROUPSOURCEGROUP1”,出现对话框，选择系统所用的源文件即可。（2）单击“PROJECT/TARGET1”出现对话框选中“TARGET”页面修改单片机的频率项XTALMHZ）为12选中“OUTPUT”页面选中“CREATEHEX”选项。（3）编译连接通过“PROJECT/REBUILDALLTARGETFILES”来实现（4）在PROTUES上画出电路图，并将KEIL所生成的HEX文件调入到电路中的单片机内，点击运行。53系统联调通上电源，在缺水的状态下发光二极管红灯亮，蜂鸣器报警系统启动，继电器旁的绿灯亮表示上水继电器开始工作，温度传感器检测后数码显示的温度21度，如图52所示。图52缺水上水5、水位分为三等缺水、中等、高等。如图53所示，黄灯亮表示水位到中等，蜂鸣器报警系统关闭，继电器继续显示上水功能。如图54所示，绿灯亮表示水箱已满，加水继电器停止工作，继电器旁的绿灯灭。图53中水位显示图54水箱满水位显示6、调节设置最高温度和最低温度的温度值，最高温度设置成20度，最低温度设置成18度。图55最低温度图56最高温度7、如图57所显示水温度数为178摄氏度，温度比最低温度低所以加热继电器工作，继电器旁的红灯亮，水开始加热，当水温高于设定的最低温度时，加热继电器停止工作，继电器旁的红灯灭，当高于设定的最高温度时，蜂鸣报警器工作，发出报警声，如图58所示。图57加热图58停止加热总结此次水温水位控制系统耗时近四个月，先后经历了硬件制作和软件设计，具体是通过每个板块的设计调试再到整体的组合才能通过。本课题设计了一个以80C51单片机为核心配合其他外围电路的热水器智能控制系统，运用DS18B20传感器完成了对热水器容器内的水位、水温测量并