智能温控热水器功能仿制系统

绪论1.1研究目的及意义本文的研究目的是设计一种基于单片机的智能电热水器系统，通过引入先进的技术和功能，解决传统热水器存在的温度控制不准确、能耗较高等问题，提高系统的性能和可靠性。具体目标包括：提高温度控制的精确性：通过引入单片机和温度传感器，实时采集温度数据并进行精确控制，使得热水器能够提供稳定、符合用户需求的热水温度。优化能耗效率：通过智能控制和自动化功能，使热水器在不需要加热时自动关闭，减少能源的浪费，提高能耗效率，实现节能环保的目标。增强用户体验：引入人机交互模块和蓝牙远程APP模块，使用户能够方便地控制热水器的开关和设置预约开启时间，提升用户的使用便利性和满意度。理论意义：通过对基于单片机的智能电热水器系统的设计和研究，探索了在家庭生活领域中应用嵌入式系统和智能控制技术的可行性和有效性。为智能家居领域的发展提供了有益的参考和借鉴。实践意义：设计并实现基于单片机的智能电热水器系统，能够满足用户对温度控制精确性和能耗效率的需求，提高用户的使用体验，实现家庭生活的智能化和便利化。同时，节约能源也符合可持续发展的要求，对环境保护具有积极意义。经济意义：智能电热水器系统的研发和应用，有助于提高传统热水器产品的竞争力和附加值，促进相关产业的发展。同时，通过优化能耗效率，用户可以降低能源消耗和费用支出，从长远角度来看，对个人和社会经济都具有积极的影响。总之，本文的研究目的在于提升智能电热水器系统的性能和用户体验，探索嵌入式技术在家庭生活领域的应用，具有重要的理论和实践意义，对于促进智能家居技术的发展和推广具有积极的推动作用。1.2国内外研究现状近年来，随着智能家居技术的迅猛发展，智能电热水器作为智能家居领域的重要组成部分，受到了广泛的研究和应用关注。国内外学者和工程师们在智能电热水器领域开展了一系列的研究工作，涉及到温度控制、能耗优化、用户体验等方面。以下将详细介绍国内外研究现状。智能电热水器的研究主要集中在温度控制和能耗优化方面。许多研究者利用嵌入式系统和传感器技术，设计了各种智能控制算法和策略，提高了电热水器的温度控制精度和能耗效率。例如，某些研究利用PID控制算法对电热水器的加热过程进行精确控制，以实现恒温加热，提高了温度稳定性。同时，通过优化加热周期和加热功率等参数，实现了能耗的最小化。此外，也有一些研究关注用户体验，2020年，崔聚丰、高娃在《基于目标导向的智能热水器设计》文中介绍了当前智能热水器的设计情况，对于现在的客户需求进行设计，这样才能增加智能热水器的目标导向[3]。通过引入智能交互界面和远程控制功能，提升了用户的使用便利性和满意度。然而，国内的研究仍存在一些问题。首先，一些研究仅仅停留在理论设计和算法模拟阶段，缺乏实际系统的验证和应用。其次，尽管在温度控制和能耗优化方面取得了一定的进展，但与国际先进水平相比，仍存在一定差距[5]。此外，国内的研究大多集中在技术方面，对于市场需求和用户需求的分析研究相对较少。2019年，孙建伟、唐升卫、刘菲在《面向需求响应控制的家用电热水器建模和控制策略评估》文中讲到，对于当前热水器的需求，需要对其进行研究，完成相应的需求分析，才能满足市场需求[2]。智能电热水器的研究更加成熟和广泛。许多企业和研究机构致力于智能电热水器的设计和开发，并取得了显著的成果。为了实现高精度的温度控制，一些研究采用了先进的控制算法，例如模糊控制和神经网络控制等，这些算法能够有效地控制温度。同时，通过引入智能学习算法和预测模型，实现了个性化的温度控制，根据用户的习惯和需求自动调整加热参数。此外，国外的研究还注重智能电热水器与其他智能家居设备的集成和互联。2022年，JKondoh在《Anevaluationofthewaterheaterloadpotentialforprovidingregulationservice》文中谈论到在程序设计的方面用到的是模块化的思想，将模块一个个的分开[17]。通过蓝牙、Wi-Fi等无线通信技术，将智能电热水器与智能手机、智能家居中心等设备连接，实现远程控制和监控。用户可以通过手机应用程序设置加热时间、温度等参数，随时掌握热水器的工作状态。此外，国外的研究还更加注重用户体验和人机交互设计。2022年，代颖在《基于单片机的智能温控热水器的设计》文中谈到人机交互界面可以分为两个组成部分，即键盘和液晶显示，根据键盘上触发的不同操作从而对电热水器进行不同的控制操作，液晶显示界面中会显示出热水器的一些工作参数和工作的状态[1]。通过设计直观友好的用户界面和声音提示系统，提高了用户的操作便利性和使用舒适度。同时，通过用户行为分析和反馈机制，实现了个性化的用户体验和服务。然而，对于国外的研究而言，其面临的挑战和限制也是不容忽视的。首要考虑的是，某些高端功能和技术的成本问题仍然存在，难以大规模应用。其次，由于不同国家和地区的市场需求和标准差异，国外的研究成果在国内市场的适用性和可行性需要进一步验证[8]。综上所述，国内外在智能电热水器领域的研究都取得了一定的进展和成果，但仍存在一些挑战和待解决的问题。未来的研究可以借鉴国外的先进经验，结合国内市场需求和技术特点，进一步完善智能电热水器系统的设计与应用，促进智能家居技术的发展和推广。1.3主要研究内容本文的主要研究内容是基于单片机的智能电热水器系统的设计和实现。为了解决传统热水器存在的温度控制不准确、能耗较高等问题，本文围绕以下几个方面展开研究：系统需求分析：通过市场调研和用户需求分析，明确智能电热水器系统的功能要求。考虑到用户对温度控制精确性、能耗优化和用户体验的需求，确定系统的设计目标和指标。在进行系统设计时，需要仔细挑选适宜的硬件元件，以确保系统的稳定性和可靠性。软件部分包括主控芯片，显示驱动电路和按键控制电路等。STC89C52单片机被选为核心控制器的选用,湿度传感器用于水位检测，蓝牙远程APP模块用于实现远程控制。利用AD软件进行原理图设计，实现硬件电路的简化和可靠性的提高。采用C语言编写软件程序，以Keil5作为开发平台，实现软件设计的目标。主要包括温度采集与显示、预约开启、自动控制等功能的设计。通过编写相应的算法和代码，实现温度数据的实时采集和显示，预约开启功能的设置和实现，自动控制功能的逻辑和实现。系统测试：对设计的智能电热水器系统进行功能测试和性能评估。通过模拟不同场景下的操作和使用，验证系统各项功能的正常性和可靠性。对温度控制的精确性、能耗优化效果等进行测试，评估系统的性能和性价比。性能优化：根据测试结果和评估反馈，对系统进行性能优化。通过改进控制算法、优化硬件设计等手段，提高系统的温度控制精度、能耗效率和用户体验。结果分析与总结：对研究结果进行分析和总结，验证研究目标的实现程度。总结系统的优点和不足之处，并提出进一步改进和发展的建议。通过以上研究内容的实施，本文旨在设计并实现一种基于单片机的智能电热水器系统，具备高精度的温度控制、能耗优化和便捷的用户体验。通过对系统的功能和性能进行综合分析和优化改进，为智能家居领域的发展提供有益的参考。第2章系统总体结构2.1工作原理该智能电热水器系统采用STC89C52单片机作为核心控制器，通过与多个功能模块的互动，实现了智能化的温度控制和方便的使用体验。另外，本系统通过单片机对水温进行控制。实时采集热水温度数据的系统温度传感器，将其传输至单片机进行加工处理。根据设定的温度阈值和控制逻辑，单片机会进行判断，以决定是否需要进行热水器的添加。如果不需要加电，则单片机发出停止加热指令，同时显示当前的水温值。在预约开启功能中，用户可设定具体的启动时间，系统将在规定时间内自动激活继电器以进行加热操作。在定时关闭功能中，当用户按预定次数或一定时间段内不使用热水器时，则继电器闭合，热水器开始工作。在自动模式下，系统利用18B20温度传感器测量的实际温度与预设的温度上下限进行对比，当温度降至下限以下时，继电器会自动吸合并指示灯亮起，若达到上限或超过上限则报警。一旦温度超过规定的上限，继电器将自动切断，从而停止进行加热。另外，系统自带的水温显示模块能够直观地查看当前水的情况，如果超过设定的最高温度则提示用户及时补水或断电保护。水位传感器监测水位状态，当水位低于预设值时，系统会自动停止加热以避免干烧，并启动加水继电器控制水泵加水；而当水位高于设定的高水位时，则会自动停止加水。报警功能包括声光报警。系统还配备了一台蜂鸣器，用于监测温度，当温度降至下限以下时，系统会发出长鸣声，而当温度超过上限时，系统则会发出滴滴声。此外，系统还提供手动模式，用户可以手动控制热水器的开关。通过上述工作原理，智能电热水器系统能够实时采集温度并显示，具备预约开启、自动控制、水位检测和温度警示等功能，提供了智能、便捷、安全的热水器使用体验。2.2设计方案本设计提出了一种基于单片机的智能电热水器系统方案，其中核心控制器采用了STC89C52单片机，结合了人机交互模块、温度显示模块和时钟芯片等先进技术，实现了智能化的温度控制和用户友好的操作界面。硬件设计方面，选用湿度传感器用于水位检测，蓝牙远程APP模块实现远程控制。在软件设计领域，采用Keil5作为开发平台，运用C语言进行程序编写，实现温度的实时采集和显示，预约开启功能的设置与实现，自动模式的控制逻辑，以及水位检测和温度警示等功能。系统能够根据用户的设置自动启动继电器进行加热，实现自动控制加热和停止加热的机制，可根据温度上下限自动调整，当水位较低时自动停止加热并启动加水继电器，而在水位较高时则自动停止加水。此外，系统还提供手动模式供用户自主控制。通过以上设计方案，实现了智能电热水器的高精度温度控制、能耗优化和便捷操作，提升了用户的使用体验和系统的可靠性。2.2.1功能需求分析首先，系统需要实现温度的精确控制，能够根据用户的需求提供稳定、符合要求的热水温度。其次，系统需要具备预约开启功能，用户可以设定具体的开启时间，系统会在指定时间自动启动继电器进行加热操作。第三，为了实现恰当的加热和停止加热，系统必须具备自动模式，能够根据实际温度与设定的温度上下限进行精准比较，并自动控制继电器的工作状态。在系统正常运行时，通过温度传感器对水温进行实时监测，一旦超过设定的高温上限就会使加热装置断电。第四步，系统需进行水位监测，一旦检测到水位低于预设值，系统将自动停止加热并启动加水继电器，以避免出现干烧现象；当水位超过设定的低水位时，通过电磁阀控制水泵开启对水箱中水加压，从而保持水温恒定在规定范围内。一旦水位超过预设的上限，系统将自动停止向系统注入水。第五，在系统中设置了报警装置，系统还需提供温度预警功能，当温度降至下限以下时，发出深沉的鸣声，而当温度超过上限时，则会发出滴滴声，以提醒用户注意安全。最后，系统应该具备手动模式，用户可以手动控制热水器的开关。通过满足这些功能需求，智能电热水器系统能够实现高精度的温度控制、能耗优化、安全运行和用户友好的操作界面。2.2.2总体方案设计为了实现基于单片机的智能电热水器系统的设计和开发，本设计制定了一份综合方案。在硬件方面利用单片机STC89C52作为核心控制器，结合湿度传感器，实现了水位检测和蓝牙远程APP模块，从而实现了远程控制的功能。通过AD软件进行原理图设计，简化硬件电路并提高系统可靠性。在软件方面，使用Keil5作为开发平台，使用C语言编写程序，实现温度的实时采集和显示、预约开启功能的设置与实现、自动模式的控制逻辑，以及水位检测和温度警示等功能。通过人机交互模块和用户友好的界面，实现便捷的操作和设置。通过以上总体方案设计，能够实现智能电热水器系统的高精度温度控制、能耗优化、安全运行和用户友好的操作界面，提升用户体验和系统可靠性。2.2.3主控制模块选择方案一：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。可编程逻辑器件（CPLD，ComplexProgrammableLogicDevice）是一种数字电路器件，广泛应用于数字系统设计和逻辑功能实现中。CPLD具有高度灵活性和可编程性，可以根据设计需求进行定制化的逻辑功能实现。CPLD由可编程逻辑单元（PLU）组成，每个PLU包含了逻辑门、触发器和其它可编程资源，可以根据需要进行布线和连接。CPLD通过编程器将设计好的逻辑电路和功能加载到器件中，从而实现特定的逻辑功能。与固定功能的硬件电路相比，CPLD能够提供更高的灵活性和可重构性，使得设计者可以根据需要灵活地实现各种逻辑功能和处理复杂的数字信号。在数字系统设计领域，CPLD是一种被广泛采用的技术手段。该句话可被运用于实现对逻辑功能的掌控和加工，如计数器、状态机、数据选择和逻辑运算等。通过CPLD的编程和布线能力，设计者可以优化数字系统的性能、可靠性和功耗，并实现复杂的信号处理和通信协议。总的来说，可编程逻辑器件（CPLD）是一种具有高度灵活性和可编程性的数字电路器件，通过编程和布线能力，实现了高度个性化的逻辑功能。它在数字系统设计中具有重要的作用，提供了高度灵活性和可重构性，能够满足复杂数字信号处理和逻辑功能的需求。方案二：STC89C52作为整个系统的核心，是STC公司系列产品中备受青睐的一款单片机芯片。它基于MCS-51指令集架构，具有高性能和丰富的外设功能，广泛应用于嵌入式系统和数字电路控制领域。STC89C52单片机以其卓越的数据处理能力和丰富的外设资源，展现出了无与伦比的技术实力。本文介绍了该单片机在温度测量中的应用。该设备采用8位数据总线，内部存储容量为8KB，RAM存储器容量为256字节，可支持高速的读写操作。此外，STC89C52还内置了多个定时器/计数器、串口通信接口、模拟比较器、中断控制器等功能模块，提供了灵活的外设扩展和接口连接能力。STC89C52单片机具有良好的兼容性和易用性。它兼容标准的MCS-51指令集，可以使用广泛的开发工具和编程语言进行开发和编程，如C语言、汇编语言等。同时，STC89C52支持多种编程方式，可以通过专用编程器或者串口下载器进行编程和固件升级。由于其高性能、丰富的外设资源和良好的兼容性，STC89C52广泛应用于各种嵌入式系统和数字电路控制应用中，包括工业控制、自动化设备、家电控制、通信设备等领域。它具有稳定可靠的性能，可满足复杂系统的要求，并提供了灵活的开发和调试环境，方便开发人员进行系统设计和软件开发，对于本设计也绰绰有余。2.2.4温度测量方案一：利用MaximIntegrated公司生产的DS18B20数字温度传感器芯片，对实际温度进行测量。它采用单总线接口，具有高精度、数字输出和广泛的工作温度范围，被广泛应用于温度监测和控制系统中。具有多项优点。首先，它采用数字输出，通过单总线接口与主控器连接，简化了系统的布线和连接。其次，DS18B20表现出卓越的温度测量能力，其测量精度高达±0.5摄氏度，在广泛的温度范围内表现出极高的可靠性。此外，DS18B20内部集成了温度转换器和存储器，可以通过读写操作实现温度值的获取和设置。它还具有较低的功耗，适合于低功耗应用。在应用中具有广泛的适用性。它可用于各种温度监测和控制系统，如室内温度监测、电子设备散热控制、工业过程监测等。由于其数字输出和单总线接口的特点，DS18B20可以方便地与微控制器、单片机等数字系统集成，实现精确的温度测量和控制。方案二：运用热电偶温度差电路进行温度测量，该电路广泛应用于将热电偶所产生的微弱温度变化转化为电压信号以进行精确测量。该电路由热电偶、冷接头和信号调理电路组成。热电偶是由两种不同金属材料焊接而成的传感器，其工作原理基于热电效应。当两个不同金属的接点处于不同温度下时，会在接点处形成温差。热电偶将这种温差转换为微小的电压信号。在热电偶温差电路中，热电偶连接到待测温度源，而冷接头连接到参考温度源（通常为室温）。这样，在热电偶和冷接头之间就会形成一个温度差，产生热电势。信号调理电路接收热电偶产生的微小电压信号，通过放大、滤波和线性化等处理，将其转换为可测量的电压输出。热电偶温差电路的特点是简单、可靠，并且能够在广泛的温度范围内工作。它广泛应用于各种温度测量和控制系统，如工业过程控制、实验室测量、热处理等领域。通过选择合适的热电偶材料和适当的信号调理电路，可以实现高精度和稳定的温度测量。

第3章系统的硬件部分设计3.1系统总体设计该系统的总体设计旨在实现一种基于单片机的智能电热水器系统的设计和实现。主要介绍了该系统硬件电路，软件控制流程以及相关算法等内容。核心控制器选用了STC89C52单片机作为系统的核心，结合人机交互模块、温度显示模块、时钟芯片等技术，实现智能化的温度控制和用户友好的操作界面。在硬件设计方面，选择合适的硬件器件进行系统设计，包括湿度传感器用于水位检测，蓝牙远程APP模块实现远程控制。利用AD软件进行原理图设计，简化硬件电路并提高系统可靠性。Keil5被选为软件设计的开发平台，程序编写则采用了C语言，实现温度的实时采集和显示、预约开启功能的设置与实现、自动控制功能的逻辑和实现。通过人机交互模块和用户友好的界面，实现便捷的操作和设置。通过以上系统总体设计，能够实现智能电热水器系统的高精度温度控制、能耗优化、安全运行和用户友好的操作界面，提升用户体验和系统可靠性。硬件部分需要单片机STC89C52、湿度传感器、蓝牙远程APP模块软件平台程序用keil5；画原理图用AD；编程语言用C语言；用户信息显示查看。原理图如下：图3.1总体原理图3.2系统的主要功能模块设计3.2.1热水器恒温系统热水器恒温系统是一种应用于热水器的控制系统，旨在实现稳定、恒定的热水温度输出。该系统基于温度传感器对热水的温度进行实时监测，并通过控制电路和算法来调节热水器的加热功率，以维持设定的温度水平。热水器恒温系统的工作原理如下：通过与热水接触，温度传感器测量热水的实际温度，并将温度信号传递给控制系统，以实现精准的温度监测。控制系统根据接收到的实际温度与设定值的比较结果，计算出相应的输出值，从而调整加热功率以实现对热水器加热速度的控制。热水器的加热过程可以通过调节加热功率来实现，该控制系统会根据设定的目标温度和实际温度之间的差异来进行精准控制。在不同环境条件下，控制系统分别改变加热功率，实现对热水加热过程的自动控制。当温度低于预设范围时，控制系统将提高加热功率，以促进热水的快速升温；如果实际温度在规定范围内，则控制系统减小加热功率，防止热水过冷或过热。在实际温度超过预设范围时，控制系统会采取措施降低加热功率，以避免热水过度升温。通过不断的温度检测和功率调节，热水器恒温系统能够稳定地维持热水的设定温度。热水器恒温系统具有许多优点。首先，它能够提供恒定的热水温度，满足用户对稳定温度的需求，提供舒适的热水使用体验。其次，通过自动控制加热功率，系统能够节省能源并降低能耗，提高能源利用效率。此外，热水器恒温系统还具备安全性能，可以避免热水过热引发的安全隐患。总而言之，热水器恒温系统是一种通过温度传感器和控制算法实现的控制系统，用于实现稳定、恒定的热水温度输出。它能够提供舒适的热水使用体验，节省能源并具备安全性能。这种系统在家庭、酒店、医疗机构等场所的热水供应中发挥着重要作用。图3.2单片主控电路3.2.2水位传感器控制电路水位传感器控制电路是一种用于监测和控制液体水位的电路系统。该系统基于水位传感器，通过检测液体的水位高度，实时获取水位信息，并根据水位变化控制相应的模块进行变化。水位传感器控制电路的工作原理如下：水位传感器通过与液体接触，根据液体与电极之间的导电性变化来感知液体的水位高度。传感器将水位信息转换为电信号，并传送给控制电路。控制电路根据接收到的水位信号，通过相应的逻辑电路和控制算法，判断液体的水位状态，并控制相关设备或执行相应的操作。例如，当水位低于预设值时，控制电路可以触发水泵工作，进行加水操作；当水位高于预设值时，控制电路可以停止加水或启动排水装置，以维持合适的水位。水位传感器控制电路具有广泛的应用领域。它可以应用于水池、水箱、水处理系统、洗衣机、洗碗机等液位控制场景中。通过及时、准确地感知和控制液体的水位，水位传感器控制电路可以提高设备的自动化程度，实现液位的稳定控制，节省水资源，提高设备的效率和可靠性。综上所述，水位传感器控制电路是一种基于水位传感器的电路系统，用于监测和控制液体的水位。通过感知水位信息并根据预设逻辑和算法进行相应的控制，该系统可以实现水位的稳定控制，提高设备的自动化程度和可靠性。图3.3水位传感器控制电路3.2.3温度传感器电路在DS18B20温度传感器电路中，温度传感器扮演着至关重要的角色，它通过与被测对象的接触，感知周围环境的温度变化，从而实现对温度的精准测量。该装置能够将温度转化为微小的电压信号，并将其传输至数字转换器以进行信号处理。数字转换器根据接收到的温度值计算出相应的数值后发送给单片机处理。数字转换器的职责在于将模拟信号转化为数字信号，并将所测得的温度数值以数字的形式呈现。DS18B20还包含控制电路，用于控制传感器的工作模式和通信协议。通过单总线接口，控制电路与主控器进行通信，并将测量到的温度值传递给主控器进行进一步处理。DS18B20温度传感器电路具有一些显著特点。在温度范围内，该设备能够提供高精度的温度测量，其测量精度通常达到±0.5摄氏度，确保了温度的可靠性其次，DS18B20采用数字输出，通过单总线接口与主控器连接，简化了系统的布线和连接。此外，DS18B20还具备较低的功耗和较小的尺寸，适合在资源有限的应用中使用。总而言之，DS18B20是一种基于单总线接口的数字温度传感器，通过温度传感器、数字转换器和控制电路组成的电路系统，用于准确测量环境温度。它具有高温度测量精度、数字输出和低功耗等特点，适用于各种温度监测和控制应用场景。因此，下图电路的适用范围仅限于单一温度传感器的测温需求，而不适用于电池供电系统的应用。另外由于传感器本身发热导致了其工作温度较高，所以对其供电电流要求较大。为确保工作电源VCC处于5V的电压范围内，一旦电压下降，寄生电源所吸收的能量也会随之减少，从而导致温度误差的增大。图3.4温度传感器电路3.2.4继电器加热控制电路制继电器开关的控制电路，由控制电源、控制开关和控制线圈三部分构成。控制电路有直流回路与交流回路之分。继电器的核心部件之一是控制线圈，它由铁芯和绕制在铁芯上的线圈所构成。由于控制线圈内没有磁通流动，因此其工作原理与普通继电器一样。当电源被施加于在线圈上时，线圈内的磁场会引起铁芯的磁化，从而吸引触点闭合，最终导致被控制电路的通电。图3.5继电器加热控制电路3.2.5蓝牙模块蓝牙模块HC-05是一种常用的蓝牙通信模块，具有广泛的应用和易用性。该模块基于蓝牙2.0+EDR技术，支持串口通信和无线数据传输的能力。HC-05蓝牙模块具备简单易用的配置和操作流程，可通过串口通信与主控设备实现连接。它可以作为主设备或从设备，具备灵活的通信模式和功能，如串行通信模式、透明传输模式等。模块内置了蓝牙协议栈和蓝牙串口协议，支持标准的蓝牙通信协议和数据传输。HC-05蓝牙模块具备稳定的通信性能和较远的通信距离，可在10米至100米范围内实现可靠的无线数据传输。它还支持多种安全认证和加密机制，确保数据传输的安全性。HC-05蓝牙模块广泛应用于无线控制、数据传输和通信领域。它可以用于与智能手机、平板电脑、电脑等设备进行蓝牙通信，实现远程控制和数据传输。此外，它还可以应用于蓝牙音频传输、智能家居、无线传感器网络等领域。总之，HC-05蓝牙模块是一种常用的蓝牙通信模块，具有简单易用的特点。它支持串口通信和无线数据传输，具备稳定的通信性能和较远的通信距离。该模块在无线控制、数据传输和通信应用中具有广泛的应用前景。PIO11引脚与按键连接，按键按下，则PIO11置高电平。图3.6蓝牙模块3.2.6LCD1602显示模块电路字符型LCD简介：字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。图3.7LCD1602显示第4章系统的软件设计4.1程序结构分析LCD1602显示程序、温度信号处理程序以及按键设定报警温度程序，均为主程序所调用的三个子程序。该程序能够对温度芯片所传输的数据进行加工处理。当检测到某一参数超过一定范围时就会发出声光信号提醒工作人员注意并及时处理故障。该按键设定程序能够实现对低温和高温的精准控制，并在必要时发出0.1度的报警信号。主程序能够实时呈现、读取和处理DS18B20测量的当前温度值，每隔1秒进行一次温度测量。同时还可对被测温度的变化情况进行记录和存储，当发生故障时也能方便地查询到。主程序能够实时展示被测温度，并读出并处理DS18B20的当前温度值，以便在一秒内测量一次被测温度，同时与预设的报警温度范围进行比较，程序流程图如下所示：初始化初始化调用显示子程序1s到？读出温度值温度计算处理显示数据刷新发温度转换开始命令初次上电YN图4.1DS18B20温度流程图

4.2DS18B20初始化程序系统设计在进行DS18B20操作之前，进行初始状态的初始化。此时，需要先发送复位命令，待复位完成后，再发送跳过ROM命令，开始初始化。初始状态成功后，整个过程将结束，程序流程图如下所示：发发复位命令发跳过ROM命令结束初始化成功?YN图4.2初始化程序流程图

4.3读温度子程序设计读取DS18B20中的温度数据，并将其存储于温度暂存器中，这是温度子程序的核心功能。该系统是利用单片机内部存储器来完成对温度信号进行采集和存储。具体而言，首先发送命令程序，接着执行跳过ROM命令的操作，紧接着发出读取温度的指令，将其传输至温度暂存器，程序流程图如下所示：发发复位命令发跳过ROM命令发读取温度命令移入温度暂存器结束图4.3温度子程序流程图

4.4蓝牙模块程序系统设计利用蓝牙模块实现上下位机的连接，首先进行系统初始化处理，待处理完成后，在上位机进行蓝牙搜索并成功连接，最终连接成功。程序流程图如下所示：图4.4蓝牙模块程序流程图

4.5继电器模块程序系统设计当满足各种条件后，继电器作为执行器能够实现其开启功能，而当满足条件时，继电器则会被触发。程序流程图如下所示：而而开始而结束通过判断，满足执行器打开要求继电器触发图4.5继电器程序程序流程图

4.6LCD模块程序系统设计LCD显示同样作为执行器，通过LCD显示检测信息，LCD通过接收主控器传来的数字信息从而进行显示，数字信息需要通过模拟信号进行转换，转换完成后，判断满足执行器显示要求，进行显示。而而开始而结束通过判断，满足执行器打开要求数据传输，A/D转换根据固定的代码进行显示器显示图4.6LCD模块程序流程图

4.7水位传感器程序系统设计通过水位传感器设定水位最高阈值，达到阈值条件后，水位传感器接收到信息，传输到主控器进行对指示灯的控制。图4.7水位传感器模块程序流程图

第5章系统测试5.1测试目的实现功能是否达到预计要求以及是否可以实现目标结果，是否可以解决目前存在问题，确保各个模块以及电路不存在问题，保证设计完成后可以正常使用。5.2测试原理测试原理是指在软件开发过程中，对软件系统进行验证和确认的原理和方法。它旨在检查软件的正确性、可靠性和功能性，以确保软件系统能够按照预期的方式工作并满足用户需求。测试原理的核心目标是发现软件系统中的错误和缺陷，并对其进行修复和改进。通过测试，可以验证软件系统是否满足用户需求、符合设计规范和质量标准，并提供可靠的功能和性能。测试用例的设计和执行是测试原理中的核心内容测试用例是一组用于验证软件系统功能和性能的具体测试输入和预期输出的工具。测试用例的设计应基于测试目标和测试策略，覆盖各个功能模块和场景，以尽可能发现潜在的错误和异常情况。测试用例的执行是指按照设计好的测试用例进行实际的测试操作和结果记录，以验证系统的正确性和稳定性。在考虑测试原理时，必须综合考虑测试管理和测试评估两个方面的因素。测试评估是指对已完成的测试数据及分析结果做出正确判断，从而为下一步工作提供依据。为确保测试过程的有序进行，测试管理涵盖了测试计划的制定、测试资源的有效管理、测试进度的监控以及问题的跟踪等多个方面。测试评估则是对测试结果进行分析和评价，包括错误报告、测试覆盖率、测试效率等指标的统计和分析，以提供对软件质量的评估和改进建议。综上所述，测试原理是指对软件系统进行验证和确认的原理和方法。它包括测试目标的设定、测试策略的确定、测试环境的搭建、测试用例的设计和执行等方面。通过测试原理的应用，可以发现并改进软件系统中的错误和缺陷，提高软件的质量和可靠性。5.3供水加热功能测试图5.1热得快加热器实物图图5.2显示供水、加热指示灯实物图热得快需要加到220V的电压上，并将水泵通电用于供水，按键按一次指示灯亮，提示供水开始，再按一次指示灯灭，供水停止。第二个开关按一次黄灯点亮提示加热功能启动，按第二次关闭加热功能。5.4水位感应功能测试图5.3水位传感器实物图当水位传感器在水位外面时，显示器显示为水位下降，把水位传感器放入水中，显示器显示为“1”。5.5蓝牙模块功能测试图5.4手机端显示初始数据图5.5测试后手机端显示通过手机端显示出温度、温度上限、温度下限、水位等级、预约时间，连接蓝牙配对，输入密码配对完成。手机上显示出实时数据。“减键”控制供水，“加键”控制加热，通过设置功能设置温度上下限。

第6章总结与展望6.1总结本文深入探讨了一种基于微控制器的智能电热水器系统的设计和实现方案，旨在为用户提供更加智能化、高效化的使用体验。测试评估是指对已完成的测试数据及分析结果做出正确判断，从而为下一步工作提供依据。该系统由两个主要组成部分构成，一个是用于检测水温的电路，另一个则是用于控制水温的电路。该系统使用了STC89C52单片机，融合了人机交互模块、温度显示模块、时钟芯片等前沿技术，实现了高度智能化的控制，实现了智能化的温度控制和用户友好的操作界面。STC89C52单片机被选为核心控制器，以确保硬件设计的高效性和稳定性，配合使用了湿度传感器、蓝牙远程APP模块等外部器件。通过AD软件进行原理图设计，简化了硬件电路并提高了系统的可靠性Keil5被选为软件设计的开发平台，程序编写使用了C语言。软件部分主要实现了温度的实时采集和显示、预约开启功能的设置与实现、自动控制功能的逻辑和实现等。通过人机交互模块和用户友好的界面，实现了便捷的操作和设置。整个系统经过系统测试，能够正常实现温度的实时采集和显示，具备预约开启热水器的功能。在自动模式下，根据温度传感器检测到的实际温度该系统具备自动控制加热继电器工作的能力，实现了对加热和停止加热的智能控制。并且还具备了水位检测和保护功能，在低水位和高水位的情况下能够自动停止加热和加水。本系统的设计和实现，提供了一种智能化的电热水器解决方案，具备了高精度的温度控制、节能优化、安全运行和用户友好的操作界面。通过该系统的应用，用户可以获得更便捷、舒适和安全的热水使用体验。然而，本系统仍然有一些改进的空间。例如，可以考虑增加故障诊断功能，对系统进行故障检测和报警，提高系统的可靠性和安全性。此外，还可以进一步优化系统的能耗，提高能源利用效率。综上所述，本系统的设计与实现具有一定的创新性和实用性，为电热水器的智能化提供了一种可行的方案。未来的改进和拓展可以进一步提升系统的功能和性能，满足用户对智能电热水器的不断需求和追求。6.2展望随着人们对智能家居和节能环保的需求不断增长，智能电热水器系统将会在以下几个方面得到进一步的拓展和改进。首先，更加智能化的控制和管理。未来的智能电热水器系统将结合人工智能（AI）和机器学习（ML）等技术，通过学习用户的习惯和偏好，自动调整加热功率和时间，实现个性化的热水供应。同时，系统还可以与其他智能设备和家庭自动化系统进行联动，提供更加智能化的家居体验。其次，更加精准的温度控制和能耗优化。未来的智能电热水器系统将进一步提高温度控制的精度和稳定性，通过精确的温度检测和控制算法，实现更加精准的温度调节。此外，系统将加强能耗优化功能，根据用户需求和能源价格等因素，合理调整加热功率和时间，以实现能源的有效利用和节约。第三，更加便捷的远程控制和监测。未来的智能电热水器系统将进一步提升远程控制的便捷性和实用性。用户可以通过手机应用或云平台实时监测和控制热水器，随时随地调整温度设定、预约加热时间，甚至通过语音控制等方式进行操作。这将为用户带来更加便捷和灵活的使用体验。第四，更加智能化的安全保护功能。未来的智能电热水器系统将加强对安全性的关注，提供更加智能化的安全保护功能。系统可以通过水位传感器实时检测水位，当水位异常或低于安全标准时，自动停止加热并发出警报。同时，系统还可以监测加热器的工作状态、温度传感器的运行情况等，及时发现故障并进行报警，保障用户的安全和设备的正常运行。最后，智能电热水器系统将与可再生能源和能源管理系统相结合，实现绿色环保和能源的可持续利用。通过与太阳能、风能等可再生能源系统的连接，智能电热水器可以优先利用可再生能源进行加热，降低对传统能源的依赖。同时，与能源管理系统相结合，智能电热水器可以根据能源供应情况和能源价格，智能调整加热策略，实现能源的最优利用。综上所述，未来的基于单片机的智能电热水器系统将朝着智能化、精准化、便捷化、安全化和绿色化的方向发展。通过不断的技术创新和改进，智能电热水器系统将为用户带来更加智能、舒适和环保的热水使用体验。

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附录电路图源代码#include<reg52.h> //调用单片机头文件#defineucharunsignedchar//无符号字符型宏定义 变量范围0~255#defineuintunsignedint //无符号整型宏定义 变量范围0~65535sbitdq=P1^5; //18b20IO口的定义sbitbeep=P1^4;//蜂鸣器IO口定义uinttemperature;//温度变量bitflag_250ms; //250毫秒的变量ucharflag_lj_en; //按键连加使能sbitrelay1=P1^6;//加热继电器IO口定义sbitrelay2=P1^3;//加水继电器IO口定义sbitrs=P1^0; //寄存器选择信号H:数据寄存器 L:指令寄存器sbitrw=P1^1; //寄存器选择信号H:数据寄存器 L:指令寄存器sbite=P1^2; //片选信号下降沿触发ucharmenu_1;//设置不同参数的变量uintt_high=500,t_low=100; //温度上下限值sbitshuiwei_di=P2^1;//低水位IO口定义sbitshuiwei_gao=P2^0;//高水位IO口定义uchardengji; //水位等级ucharshi,fen,miao,flag_ds; //时间变量sbitkey1=P3^5; //按键IO口定义sbitkey2=P3^6; //按键IO口定义sbitkey3=P3^7; //按键IO口定义/***********************1ms延时函数*****************************/voiddelay_1ms(uintq){ uinti,j; for(i=0;i<q;i++) for(j=0;j<120;j++);}/*********************************************************************名称:delay_uint()*功能:小延时。*输入:无*输出:无***********************************************************************/voiddelay_uint(uintq){ while(q--);}/*********************************************************************名称:write_com(ucharcom)*功能:1602指令函数*输入:输入的指令值*输出:无***********************************************************************/voidwrite_com(ucharcom){ rs=0; //写指令 rw=0; //对1602写操作 P0=com; //P0口对1602写指令数据 delay_uint(25); e=1; //e=1使能信号 delay_uint(100);//延时一下等1602完成操作 e=0;}/*********************************************************************名称:write_data(uchardat)*功能:1602写数据函数*输入:需要写入1602的数据*输出:无***********************************************************************/voidwrite_data(uchardat){ rs=1; //写数据 rw=0; //对1602写操作 P0=dat; //P0口对1602写数据 delay_uint(25); e=1; //e=1使能信号 delay_uint(100);//延时一下等1602完成操作 e=0; }/*********************************************************************名称:write_string(ucharhang,ucharadd,uchar*p)*功能:改变液晶中某位的值，如果要让第一行，第五个字符开始显示"abcdef"，调用该函数如下 write_string(1,5,"abcdef;")*输入:行，列，需要输入1602的数据*输出:无***********************************************************************/voidwrite_string(ucharhang,ucharadd,uchar*p){ if(hang==1) write_com(0x80+add); //1602写第一行的地址 else write_com(0x80+0x40+add);//1602写第二行的地址 while(1) { if(*p=='\0')break; //\0字符串的结尾标志break结束while循环结束写字符 write_data(*p); //写数据 p++; //指针地址加1 } }/***********************lcd1602上显示1位十进制数************************/voidwrite_lcd1(ucharhang,ucharadd,uchardate){ if(hang==1) write_com(0x80+add); //1602写第一行的地址 else write_com(0x80+0x40+add);//1602写第二行的地址 write_data(0x30+date%10); //显示个位数 }/***********************lcd1602上显示2位十进制数************************/voidwrite_lcd2(ucharhang,ucharadd,uintdate){ if(hang==1) write_com(0x80+add); //1602写第一行的地址 else write_com(0x80+0x40+add);//1602写第二行的地址 write_data(0x30+date/10%10);//显示十位数 write_data(0x30+date%10); //显示个位数}/***********************lcd1602上显示3位十进制数************************/voidwrite_lcd3_18B20(ucharhang,ucharadd,uintdate){ if(hang==1) write_com(0x80+add); //1602写第一行的地址 else write_com(0x80+0x40+add);//1602写第二行的地址 write_data(0x30+date/100%10);//显示百位数 write_data(0x30+date/10%10);//显示十位数 write_data('.'); //显示小数点 write_data(0x30+date%10); //显示个位数 }/***********************lcd1602上显示特定的字符****0XDF度********************/voidwrite_zifu(ucharhang,ucharadd,uchardate){ if(hang==1) write_com(0x80+add); //1602写第一行的地址 else write_com(0x80+0x40+add);//1602写第二行的地址 write_data(date); //写数据}/***********************lcd1602初始化设置************************/voidinit_1602(){ write_com(0x38);//显示模式设置：16×2显示，5×7点阵，8位数据接口不检测忙信号 write_com(0x0c);//开显示不显示光标 write_com(0x06);//当写一个字符是，地址指针加1 write_string(1,0,"0T:.00:000"); //初始化1602显示 write_string(2,0,"H:.L:.");//初始化1602显示 write_zifu(1,12,0xdf);//显示度 write_zifu(2,6,0xdf);//显示度 write_zifu(2,14,0xdf);//显示度}/***********************18b20初始化函数*****************************/voidinit_18b20(){ bitq; dq=1; //把总线拿高 delay_uint(8); dq=0; //给复位脉冲再将数据线从高拉低，要求保持480~960us delay_uint(80); dq=1; //把总线拿高等待 delay_uint(8); q=dq; //读取18b20初始化信号 delay_uint(4); dq=1; //把总线拿高释放总线}/*************写18b20内的数据***************/voidwrite_18b20(uchardat){ uchari; for(i=0;i<8;i++) //单总线写8位的数据需要循环8次才能写完 { //写数据是低位开始 dq=0; //把总线拿低写时间隙开始 dq=dat&0x01;//向18b20总线写一位数 delay_uint(4); dq=1; //释放总线 dat>>=1; //将dat中的各二进制位数据右移1位 } delay_uint(4); //稍作延时,给硬件一点反应时间}/*************读取18b20内的数据***************/ucharread_18b20(){ uchari,value; for(i=0;i<8;i++) { dq=0; //把总线拿低读时间隙开始 value>>=1; //读数据是低位开始 dq=1; //释放总线 if(dq==1) //开始读写数据 value|=0x80; delay_uint(4); } returnvalue; //返回数据}/*************读取温度的值读出来的是小数***************/uintread_temp(){ uintvalue; ucharlow; //在读取温度的时候如果中断的太频繁了，就应该把中断给关了，否则会影响到18b20的时序 init_18b20(); //初始化18b20 write_18b20(0xcc); //跳过64位ROM write_18b20(0x44); //启动一次温度转换命令 delay_uint(50); //转换一次温度需要时间延时一下 init_18b20(); //初始化18b20 write_18b20(0xcc); //跳过64位ROM write_18b20(0xbe); //发出读取暂存器命令 low=read_18b20(); //读温度低字节 value=read_18b20();//读温度高字节 value<<=8; //把温度的高位左移8位 value|=low; //把读出的温度低位放到value的低八位中 value*=0.625; //转换到温度值小数 returnvalue; //返回读出的温度带小数}/*************定时器0初始化程序***************/voidtime_init() { EA=1; //开总中断 TMOD=0X01; //定时器0、工作方式1 ET0=1; //开定时器0中断 TR0=1; //允许定时器0定时 TH0=0x3c; TL0=0xb0;//定时50ms中断一次}/********************独立按键程序*****************/ucharkey_can; //按键值voidkey() //独立按键程序{ key_can=0;//按键值还原成0 if(key1==0||key2==0||key3==0) //有按键按下 { delay_1ms(1); //按键延时消抖动 if(key1==0) //确认是按键按下 key_can=3; //得到按键值 if(key2==0) //确认是按键按下 key_can=2; //得到按键值 if(key3==0) //确认是按键按下 key_can=1; //得到按键值 flag_lj_en++;//连加变量加1 } else flag_lj_en=0; //关闭连加使能}/****************按键显示函数***************/voidkey_with(){ if(menu_1==0) { if(key_can==2)//手动打开断电器 relay1=~relay1;//打开关闭加热继电器 if(key_can==3) relay2=~relay2;//打开关闭抽水继电器 } if(key_can==1) //设置键 { menu_1++; if(menu_1>4) { menu_1=0; //menu_1=0退出设置了，在正常显示界面下 init_1602();//1602初始化 } } if(menu_1==1) //设置温度上限报警值 { if(key_can==2) //加键 { if(flag_lj_en<=3) t_high++; //按键按下未松开加1加三次 else t_high+=10; //按键按下未松开加三次后加10 if(t_high>999) t_high=999; } if(key_can==3) //减键 { if(flag_lj_en<=3) t_high--; //按键按下未松开减1减三次 else t_high-=10; //按键按下未松开减三次后减10 if(t_high<=t_low) t_high=t_low+1; //限制温度上限不能低于温度下限 } write_lcd3_18B20(2,2,t_high);//显示上限报警值 write_com(0x80+0x40+2);//将光标移动到第2行第2位 write_com(0x0f);//显示光标并且闪烁 } if(menu_1==2) //设置温度下限报警值 { if(key_can==2) //加键 { if(flag_lj_en<=3) t_low++; //按键按下未松开加1加三次 else t_low+=10; //按键按下未松开加三次后加10 if(t_low>=t_high) t_low=t_high-1; //限制温度下限不能高于温度上限 } if(key_can==3) //减键 { if(flag_lj_en<=3) t_low--; //按键按下未松开减1减三次 else t_low-=10; //按键按下未松开减三次后减10 if(t_low<=10) t_low=10; } write_lcd3_18B20(2,10,t_low); //显示温度下限报警值 write_com(0x80+0x40+10);//将光标移动到第2行第10位 write_com(0x0f);//显示光标并且闪烁 } if(menu_1==3) //设置时钟 { if(key_can==2) //加键 { if(flag_lj_en<=3) shi++; //按键按下未松开加1加三次 else shi+=5; //按键按下未松开加三次后加5 if(shi>23) shi=0; } if(key_can==3) //减键 { if(flag_lj_en<=3) { if(shi==0) shi=24; shi--; //按键按下未松开减1减三次 } else { if(shi<5) shi=28; shi-=5; //按键按下未松开减三次后减5 } } write_lcd2(1,10,shi); //显示时 write_com(0x80+10);//将光标移动到第1行第10位 write_com(0x0f);//显示光标并且闪烁 } if(menu_1==4) //设置分钟 { if(key_can==2) //加键 { if(flag_lj_en<=3) fen++; //按键按下未松开加1加三次 else fen+=5; //按键按下未松开加三次后加5 if(fen>60) fen=0; } if(key_can==3) //减键 { if(flag_lj_en<=3) { if(fen==0) fen=60; fen--; //按键按下未松开减1减三次 } else { if(fen<5) fen=65; fen-=5; //按键按下未松开减三次后减5 } } write_lcd2(1,13,fen); //显示分钟 write_com(0x80+13);//将光标移动到第1行第13位 write_com(0x0f);//显示光标并且闪烁 } delay_1ms(400); }/****************水位显示***************/voidshuiwei_dis() //水位显示{ if(shuiwei_gao==1) //高水位 { dengji=2; //水位为2 relay2=1;//关闭加水继电器 } elseif(shuiwei_di==1) //中水位 dengji=1; //水位为1 if((shuiwei_di==0)&&(shuiwei_gao==0)) //低水位 { dengji=0; //水位为0 relay2=0;//打开加水继电器 relay1=1;//关闭加热继电器 } write_lcd1(1,0,dengji); //显示水位}/****************控制继电器函数***************/voidclock_h_l(){ ucharvalue; if((flag_ds==0)&&(dengji!=0)) { if((temperature<=t_low))//温度小于等于温度温度下限 { relay1=0; //继电器吸合工作 beep=0;//蜂鸣器叫提示 delay_1ms(1500); beep=1;//关闭蜂鸣器 } } if(temperature>=t_high)//温度大于等于温度温度上限 { relay1=1; //关闭继电器 if(value<=10) { beep=~beep;//蜂鸣器响提示 value++; } else beep=1;//关闭蜂鸣器 } else { value=0; beep=1;//关闭蜂鸣器 } }/****************定时控制***************/voiddingshi_dis()//定时控制{ ucharvalue; if((shi==0)&&(fen==0))//定时时间为0时退出定时模式 flag_ds=0; else { flag_ds=1;//定时模式 value++; if(value==2) write_zifu(1,12,''); if(value>=4) //1S { write_zifu(1,12,':'); value=0; if(fen+shi>0)//开始计时 { miao++; if(miao>=60) { miao=0; if(fen==0) { fen=60; if(shi!=0)