家用电热水器控制系统设计

太 原 科 技 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）I目 录摘 要 .IABSTRACT.II第 1 章 引 言 .1第 2 章 系 统 功 能 需 求 分 析 与 设 计 方 案 选 择 .32.1 系 统 功 能 需 求 分 析 .32.2 方 案 选 择 .32.3 本 章 小 结 .6第 3 章 硬 件 系 统 设 计 .73.1 电 源 电 路 .73.2 单 片 机 最 小 系 统 说 明 .83.3 温 度 检 测 电 路 .93.4 人 机 交 互 电 路 .103.4.1 键 盘 接 口 电 路 .103.4.2 显 示 电 路 .103.5 红 外 一 体 接 收 模 块 .133.6 报 警 电 路 .133.7 本 章 小 结 .13第 4 章 软 件 系 统 设 计 .154.1 主 程 序 流 程 图 .154.2 液 晶 显 示 程 序 设 计 .15太 原 科 技 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）II4.2.1 写 操 作 时 序 图 .154.2.2 初 始 化 程 序 .164.2.3 向 LCD1602 发 送 数 据 程 序 设 计 .174.3 按 键 扫 描 程 序 设 计 .174.4 温 度 控 制 程 序 设 计 .184.4.1 初 始 化 DS18B20.184.4.2 读 取 DS18B20 当 前 温 度 .194.5 控 制 程 序 策 略 设 计 .194.6 本 章 小 结 .21第 5 章 仿 真 与 调 试 .22第 6 章 总 结 .26致 谢 .28参 考 文 献 .30附 录 .1太 原 科 技 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）I摘 要本 设 计 完 成 了 基 于 单 片 机 控 制 的 家 用 电 热 水 器 控 制 系 统 的 设 计 。 系 统 选 STC89C51单 片 机 作 为 控 制 器 ， 利 用 DS18B20 数 字 温 度 传 感 器 实 时 检 测 当 前 水 温 ， 以 串 行 通 行 的方 式 反 馈 给 单 片 机 搭 建 了 硬 件 平 台 ； 利 用 C 语 言 完 成 温 度 控 制 系 统 软 件 开 发 ； 借 助protuse 平 台 进 行 了 模 拟 仿 真 ， 仿 真 结 果 表 明 ： 该 系 统 实 行 方 案 简 单 易 行 ， 可 以 实 现 检 测水 温 、 加 热 、 红 外 遥 控 等 功 能 。关 键 词 ： STC89C51， DS18B20， 红 外 遥 控太 原 科 技 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）IIABSTRACTThis design finishes designing of the household electric water heater control system based on the control of single-chip microcomputer. In this system, STC89C51 single-chip microcomputer is used as controller and DS18B20 digital temperature sensor is used to conduct field test of current water temperature. It also uses the way of serial and passage to give feedback to single-chip microcomputer to set up hardware platform. Besides, C Programming Language is used to develop temperature control system software. It also uses the protuse platform to conduct simulation. The simulation result shows that this system is simple and feasible of this execution program and it also achieves the function of detecting water temperature, heating and infrared remote control and so on.Keywords: STC89C51, DS18B20, infrared remote control太 原 科 技 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）1第 1 章 引言随 着 科 学 技 术 的 发 展 ， 城 镇 居 民 家 庭 多 数 以 更 加 安 全 方 便 的 电 热 水 器 代 替 了 燃 气 热水 器 ； 从 前 风 光 无 限 的 燃 气 热 水 器 因 污 染 原 因 和 安 全 问 题 逐 渐 退 出 了 我 们 的 视 线 ； 新 兴的 太 阳 能 热 水 器 虽 然 受 到 安 装 条 件 和 天 气 原 因 的 限 制 ， 但 其 安 全 、 节 约 、 环 保 的 特 性 广受 消 费 者 青 睐 ， 发 展 态 势 迅 猛 。 电 热 水 器 相 较 于 燃 气 热 水 器 和 太 阳 能 热 水 器 的 优 点 ： 便于 安 装 ， 不 受 外 部 天 气 的 影 响 ， 不 受 楼 层 和 供 水 管 道 的 限 制 ， 加 热 速 度 快 也 更 加 有 安 全保 障 ， 正 是 因 为 这 些 优 点 大 部 分 家 庭 选 择 电 热 水 器 。 由 于 技 术 在 不 断 的 发 展 ， 对 各 种 嵌入 式 设 备 的 要 求 也 越 来 越 高 了 ， 与 此 同 时 热 水 器 的 智 能 化 发 展 也 非 常 迅 速 。 人 们 已 经 不能 满 足 传 统 热 水 器 非 智 能 的 操 作 方 式 ， 再 这 样 的 背 景 下 ， 本 次 设 计 将 要 设 计 一 款 智 能 化的 热 水 器 设 备 。 通 过 热 水 器 智 能 的 调 控 可 以 完 成 自 动 断 电 的 安 全 功 能 ， 同 时 设 置 的 有 红外 遥 控 的 功 能 ， 可 以 满 足 用 户 的 遥 感 的 要 求 。 快 捷 方 便 ， 使 人 们 洗 浴 时 能 放 心 享 受 ， 安全 便 捷 ， 其 性 能 满 足 人 们 对 现 代 生 活 快 节 奏 的 需 求 。STC89C51 的 内 部 资 源 非 常 丰 富 ， 而 且 功 能 强 大 。 STC89C51 集 成 以 下 功 能STC89C52 最 后 一 个 字 符 “1”代 表 了 该 存 储 芯 片 的 Flash 容 量 大 小 为 4k 字 节 。 同 时 它 内部 集 成 256 字 节 片 内 RAM， RAM 主 要 用 于 程 序 变 量 的 存 储 ， 256 字 节 可 以 适 用 于 小 型的 程 序 运 行 。 32 个 数 据 I/O 接 口 ， 这 些 接 口 在 用 于 普 通 功 能 时 用 来 完 成 数 据 通 信 。 这 些I/O 口 有 的 还 有 复 用 功 能 ， 这 在 后 面 会 介 绍 到 。 1 个 看 门 狗 定 时 器 ， 起 到 监 测 程 序 运 行状 况 的 作 用 。 2 个 数 据 指 针 ， 一 个 堆 栈 指 针 ， 一 个 程 序 PC 指 针 。 三 个 16 位 定 时 器 ，大 部 分 要 配 合 中 断 来 实 现 定 时 功 能 ， 主 要 作 用 是 计 时 的 。 三 个 16 位 计 数 器 ， 用 于 监 测脉 冲 跳 变 次 数 或 者 其 他 计 数 。 6 个 中 断 源 ， 中 断 在 单 片 机 的 内 部 资 源 中 占 有 很 重 要 的 部分 ， 有 了 中 断 程 序 可 以 高 效 率 的 执 行 。 全 双 工 串 行 口 ， 通 过 串 口 来 和 其 他 主 机 通 信 ， 起到 通 讯 作 用 。 1借 助 于 STC89C51 单 片 机 的 强 大 功 能 ， 来 控 制 真 个 系 统 的 协 调 运 行 ，STC89C51 单 片 机 作 为 此 次 系 统 的 控 制 芯 片 ， 通 过 围 连 接 显 示 模 块 以 、 数 据 输 入 模 块 ，红 外 线 传 输 模 块 以 及 报 警 电 路 完 成 此 次 的 系 统 设 计 。本 设 计 第 一 章 主 要 描 述 了 加 热 电 热 水 器 控 制 系 统 的 应 用 背 景 、 目 的 和 意 义 ； 第 二 章是 控 制 系 统 的 需 求 分 析 和 设 计 方 案 的 选 择 ， 主 要 包 括 控 制 器 方 面 的 选 择 ； 第 三 章 介 绍 了控 制 系 统 硬 件 电 路 的 设 计 ； 第 四 章 主 介 绍 了 控 制 系 统 软 件 方 面 的 设 计 ； 第 五 章 进 行 了 控制 系 统 的 仿 真 和 测 试 ； 第 六 章 主 要 是 对 该 系 统 存 在 的 问 题 以 及 解 决 的 方 案 进 行 总 结 。太 原 科 技 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）2太 原 科 技 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）3第 2 章 系 统 功 能 需 求 分 析 与 控 制 方 案 选 择根 据 预 想 所 要 达 到 的 控 制 要 求 有 ： （ 1） 用 LCD1602 液 晶 显 示 水 温 、 设 置 上 下 限 和定 时 时 间 。 （ 2） 水 温 检 测 显 示 范 围 为 00 99 ， 精 度 为 1 。 （ 3） 温 度 设 置 区 间 为 0度 到 99 度 ， 系 统 不 断 检 测 当 前 水 温 ， 如 果 水 温 高 于 用 户 设 定 的 数 值 ， 则 系 统 自 动 断 电 ，不 在 加 热 。 如 果 水 温 低 于 用 户 设 定 的 数 值 ， 则 系 统 不 会 断 电 ， 继 续 加 热 。 (4） 设 置 4 个程 序 按 键 。 分 别 为 设 置 按 键 、 加 键 、 减 键 、 确 定 键 。 （ 5） 可 以 红 外 遥 控 ， 通 过 红 外 一 体接 收 探 头 接 收 遥 控 器 信 号 ， 执 行 与 主 板 按 键 同 等 功 能 。 由 此 可 以 确 定 两 种 方 案 进 行 比 较选 择 。2.1 系 统 功 能 需 求 分 析在 此 次 的 系 统 设 计 中 主 要 是 通 过 温 度 传 感 器 测 得 的 数 据 ， 通 过 和 单 片 机 的 连 接 引 脚完 成 数 据 的 传 输 。 单 片 机 通 过 采 集 到 数 据 进 行 温 度 值 的 判 断 ， 来 控 制 加 热 器 的 运 行 状 态 。系 统 中 的 数 据 显 示 使 用 的 是 LCD1602 液 晶 显 示 屏 ， 来 显 示 实 时 温 度 的 数 值 。 报 警 指 示灯 （ 黄 ） ： 当 热 水 器 出 现 异 常 情 况 时 ， 该 指 示 灯 被 点 亮 。系 统 在 通 电 之 后 ， 单 片 机 内 部 的 PC 指 针 指 向 程 序 运 行 的 区 域 ， 首 先 开 始 的 是 温 度传 感 器 的 初 始 化 ， 在 完 成 温 度 初 始 化 任 务 之 后 ， 系 统 就 处 于 检 测 判 断 状 态 。 检 测 按 键 的发 生 以 及 温 度 是 否 超 出 设 定 区 域 。 首 先 进 行 温 度 数 值 的 判 断 ， 接 着 继 续 检 测 温 度 按 键 ，若 无 按 键 ， 则 接 着 上 一 步 的 执 行 （ 以 新 的 设 定 值 开 始 工 作 ） 。 若 有 按 键 ， 则 重 新 设 定 温度 范 围 ， 如 此 循 环 。2.2 方 案 选 择方 案 一 ： 以 STC89C51 单 片 机 为 控 制 中 心 的 智 能 电 热 水 器 。主 控 模 块 在 整 个 系 统 中 是 最 中 心 的 部 分 ， 承 担 着 统 筹 的 作 用 ， 需 要 检 测 键 盘 等 各种 参 数 ， 以 及 驱 动 数 码 管 的 显 示 。 2在 本 次 设 计 中 我 选 用 了 51 系 列 单 片 机 中 的STC89C51 单 片 机 作 为 系 统 的 主 控 芯 片 。 因 为 单 片 机 功 能 强 大 ， 应 用 广 ， 从 小 的 电 子产 品 到 大 的 工 业 控 制 都 有 很 广 泛 的 应 用 。STC89C 系 列 单 片 机 兼 容 性 很 好 。 除 了 单 片 机 内 部 扩 展 资 源 不 同 之 外 ， 其 余 资 源 都相 同 。 比 如 说 52 类 型 的 单 片 机 比 51 类 型 的 单 片 机 E2PROM 扩 大 了 2 倍 ， 以 及 内 部 随太 原 科 技 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）4机 数 存 储 器 RAM 增 大 些 之 外 ， 其 余 功 能 全 部 一 样 。 也 就 是 说 STC89S 系 列 单 片 机 基 础功 能 都 具 备 ， 并 且 引 脚 位 置 ， 中 断 地 址 ， 以 及 定 时 器 方 式 都 是 一 样 的 ， 唯 一 不 同 的 是 扩展 的 功 能 。 由 于 单 片 机 在 不 同 场 合 控 制 的 复 杂 度 不 一 样 ， 所 以 对 单 片 机 内 部 资 源 配 置 也不 同 。 以 便 于 适 应 于 多 种 场 合 使 用 ， 而 且 选 择 合 适 的 单 片 机 型 号 ， 可 以 节 约 成 本 。 当 然 ，资 源 丰 富 的 单 片 机 价 格 也 要 稍 贵 一 些 。 此 类 单 片 机 以 EEPROM 电 可 檫 除 和 Flash 技 术 为 主 导 的 存 储 器 单 片 机 以 FLASH 作为 存 储 器 的 好 处 很 明 显 ， Flash 可 擦 出 次 数 多 ， 一 般 很 少 因 为 擦 除 程 序 超 出 擦 除 Flash次 数 而 损 害 单 片 机 的 。 单 片 机 的 存 储 器 除 了 可 以 存 储 程 序 ， 还 可 以 运 行 程 序 ， 但 是 不 能存 储 程 序 中 的 某 些 变 量 。 这 样 可 以 加 快 程 序 的 执 行 速 度 ， 提 高 单 片 机 的 效 率 。 STC89系 列 的 单 片 机 具 有 以 下 特 性 ：（ 1） 单 片 机 引 出 的 多 个 I/O 口 ， 使 数 据 交 换 更 加 方 便 。（ 2） 采 用 静 态 时 钟 模 式 。 单 片 机 外 部 连 接 晶 振 电 路 ， 通 过 晶 振 里 面 的 震 荡 电 路 给 单 片机 提 供 时 钟 脉 冲 。 时 钟 脉 冲 为 单 片 机 的 程 序 执 行 提 供 了 时 钟 节 拍 ， 在 一 个 时 钟 节 拍 下 ，单 片 机 的 PC 指 针 取 一 个 指 令 执 行 ， 从 而 完 成 程 序 的 顺 序 执 行 。（ 3） 可 以 应 用 于 较 小 系 统 设 计 ， 或 者 定 制 用 于 专 用 的 系 统 控 制 器 ， 对 需 要 控 制 的 系 统提 供 一 种 便 捷 的 处 理 方 法 。（ 4） 通 过 定 时 器 和 计 数 器 ， 可 以 设 置 时 间 间 隔 和 记 录 电 压 变 化 次 数 。（ 5） 可 以 使 用 汇 编 语 言 设 计 的 程 序 ， 其 执 行 的 效 率 更 加 高 效 。 以 达 到 节 约 单 片 机 内 部宝 贵 的 资 源 为 目 的 。（ 6） 单 片 机 的 品 种 多 ， 可 以 选 用 不 同 内 部 资 源 部 处 理 器 ， 达 到 节 约 成 本 的 目 的 。下 面 具 体 介 绍 STC89C51 芯 片 的 参 数 ：STC89C51 是 一 个 8 位 微 控 制 器 ， 芯 片 内 部 已 经 集 成 4K 字 节 存 储 区 域 的 Flash,可以 直 接 运 行 程 序 。 STC89S51 采 用 的 是 51 系 列 的 内 核 它 与 工 业 80C51 产 品 指 令 和 引 脚完 全 兼 容 。 单 片 机 的 P0 口 。 如 果 要 改 变 P0 口 的 输 出 电 平 值 时 ， 要 在 在 单 片 机 的 相 应 寄存 器 里 写 入 数 据 1 时 ， 单 片 机 就 会 把 相 对 应 的 端 口 输 出 高 电 平 。 如 果 在 相 应 的 寄 存 器 里面 写 入 0， 单 片 机 就 会 在 相 对 应 的 端 口 输 出 定 电 平 。 比 如 在 P0 的 寄 存 器 地 址 上 写 入P0=0x01， 则 P0.1 口 位 置 就 会 输 出 高 电 平 ；太 原 科 技 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）5如 果 P0=0x00， 则 P0 口 位 置 就 会 输 出 低 电 平 。 同 理 ， 外 部 线 路 提 供 低 电 压 则 可 以 通 过该 引 脚 读 出 低 电 压 ， 单 片 机 内 部 对 该 位 的 寄 存 器 就 会 被 写 入 0。 由 于 P0 口 输 出 电 流 较小 ， 所 以 需 要 上 拉 电 阻 来 提 供 驱 动 电 流 。单 片 机 的 P1 口 。 P1 口 外 部 不 用 设 置 上 拉 电 阻 ， P1 口 的 能 够 提 供 20MA 的 驱 动 电流 ， 所 以 可 以 直 接 对 P1 口 的 寄 存 器 写 值 。 P1 口 一 般 没 有 复 用 接 口 ， 在 STC 其 他 的 单片 机 中 有 P1 口 的 复 用 引 脚 ， 用 来 设 置 定 时 器 PWM 波 的 输 出 ， 或 者 单 片 机 内 部 AD 电压 值 的 采 集 端 口 。 在 本 次 心 率 计 的 设 计 中 ， 并 没 有 用 到 PWM 的 功 能 ， 所 以 选 择 的 芯 片为 传 统 的 51 内 核 单 片 机 。 在 没 有 复 用 功 能 的 单 片 机 引 脚 ， 只 有 引 脚 的 高 电 平 和 低 电 平输 入 输 出 功 能 ， 以 及 对 单 片 机 引 脚 的 电 压 值 读 取 功 能 。 功 能 类 似 于 P0 口 ， 如 果 要 控 制P1 口 的 电 平 输 出 值 ， 就 要 对 P1 口 的 地 址 寄 存 器 写 入 数 据 。P2 口 可 以 作 为 普 通 I/O 功 能 也 可 以 用 作 第 二 功 能 。 当 P2 口 作 为 普 通 I/O 口 输 入 输出 时 ， 同 P0、 P1 口 一 样 ， 只 是 对 该 位 的 引 脚 输 出 高 电 平 和 低 电 平 的 操 作 。 当 P2 口 作为 第 二 功 能 使 用 时 ， P2 口 作 为 外 部 存 储 区 域 的 高 八 位 地 址 线 。 当 单 片 机 的 内 部 存 储 区 的容 量 不 够 时 ， 就 要 采 取 外 部 连 接 存 储 芯 片 的 办 法 来 扩 充 单 片 机 的 存 储 容 量 。 3由 于 单 片机 的 程 序 存 储 区 域 可 以 直 接 运 行 程 序 ， 单 片 机 的 内 部 可 以 直 接 寻 址 找 到 程 序 所 在 的 地 址 ，在 连 接 单 片 机 外 部 外 部 存 储 芯 片 时 ， 要 和 芯 片 的 读 取 地 址 相 对 应 ， 所 以 外 部 存 储 的 连 接位 置 是 不 可 改 变 的 ， 从 而 确 定 P2 作 为 复 用 引 脚 的 地 址 位 置 。 通 过 对 P2 口 地 址 的 访 问 ，可 以 读 取 外 部 存 储 芯 片 中 的 数 据 ， 也 可 以 对 相 应 的 地 址 为 写 入 数 据 。 外 部 连 接 的 存 储 芯片 的 大 小 可 以 选 择 ， 通 常 选 用 的 标 准 是 根 据 程 序 的 大 小 来 决 定 的 。P3 口 是 一 个 可 复 用 的 端 口 。 P3 口 的 第 一 功 能 是 作 为 数 据 的 输 入 输 出 ， 通 过 对 P3口 的 地 址 写 入 数 据 ， 从 而 控 制 高 低 电 平 的 变 化 。 当 单 片 机 设 置 了 第 二 功 能 是 ， 单 片 机 的第 一 功 能 就 不 再 工 作 ， 两 种 模 式 只 能 选 用 其 中 的 一 种 。另 外 P3 口 还 可 以 设 置 第 二 功 能 。 STC89C51 单 片 机 内 部 集 成 了 6 个 中 断 。 中 断 的作 用 是 使 程 序 更 高 效 的 执 行 ， 其 中 两 个 外 部 中 断 通 过 外 部 引 脚 进 行 触 发 ， 提 供 感 知 外 部的 电 压 变 化 进 入 中 断 。 定 时 器 一 共 有 3 个 中 断 ， 这 些 中 断 是 单 片 机 的 内 部 中 断 ， 根 据 设置 相 关 的 寄 存 器 来 触 发 定 时 器 中 断 。 4中 断 的 相 应 与 设 置 的 相 应 中 断 标 志 位 有 关 ， 一 旦中 断 响 应 ， 就 立 即 进 入 用 户 写 的 中 断 程 序 中 。 另 外 一 个 是 串 口