一种电热水器控制装置设计-安徽工程大学机电学院毕业设计

安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） I 一种电热水器控制装置设计一种电热水器控制装置设计 摘摘 要要 STC89C51RC 是采用 8051 核的 ISP（In System Programming）在系统可编程芯片， 最高工作时钟频率为 80MHz，片内含 4K Bytes 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序 存储器，器件兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中 央处理器和 ISP Flash 存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合 PC 端的控制程 序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。 STC89C51RC 系列单片机是单时钟/机器周期(1T)的兼容 8051 内核单片机，是高速/ 低 功耗的新一代 8051 单片机，全新的流水线/精简指令集结构,内部集成 MAX810 专用复 位电路。 课题设计内容为一种智能热水器装置， 此次设计采用常见的STC89C51单片机为主控。 本设计也对单片机控制电热水器实现智能化的可能性进行了分析，利用温度传感器、水 位检测装置、及电源电路、漏电检测电路等来完成本设计。在硬件设计方面，主要对温 度检测电路、显示电路、电源电路、水位检测电路、漏电检测及保护电路进行了详细介 绍。还详细介绍了设计中应用到的主要硬件的性能和特点。在软件设计方面，采用 C 语 言编程， 是由于其易于为单片机所识别， 执行速度快。 最后对软件调试进行了误差分析。 该智能电热水器设计完善，实现方案简单易行。采用软件设计来控制，可以实现智 能检测水位及水温，智能加热，并且提高了整机的可靠性及准确性。 关键词关键词：单片机；热水器；控制；智能 戴盼盼：一种电热水器控制装置设计 II Design of control device for electric water heater Abstract STC89C51RC is to use 8051 nuclear ISP (In System Programming) In System programmable chip, maximum working clock frequency of 80 MHZ, containing 4 k Bytes of the tablets can be repeated 1000 times to wipe Flash memory read-only applications, device is compatible with standard MCS - 51 structure, instruction System and 80 c51 pin chip integrates general 8-bit CPU and ISP Flash storage unit, with In System programmable (ISP), features with the PC control program to the users program code to download into the single chip microcomputer internal, saves gm programmer, and faster. STC89C51RC series microcontroller is a single clock cycle (1 t)/machine compatible kernel single-chip microcomputer 8051, is a high speed/low power consumption of a new generation of 8051 single chip microcomputer, a new assembly line/reduced instruction set architecture, internal integration MAX810 special reset circuit. The design content is a kind of intelligent water heater device, this design adopts the common STC89C51 single chip machine for master control. This design also to the single-chip microcomputer control intelligence of electric water heater, analyzes the possibility of using temperature sensor, water level detection device, and the power supply circuit, such as leakage detection circuit to complete the design. In the aspect of hardware design, the main of the temperature detection circuit, display circuit, power circuit, water level detection circuit, leakage detection and protection circuit is introduced in detail. The performance and characteristics of the main hardware applied in the design are also described in detail. In software design, C programming is adopted because it is easy to recognize and execute quickly. Finally, the error analysis of software debugging is carried out. The intelligent electric water heater design is perfect, the implementation plan is simple and easy. Using software design to control, can realize intelligent detection water level and water temperature, intelligent heating, and improve the reliability and accuracy of the whole machine. Keywords: singlechip; The water heater. Control; smart 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） III 目目 录录 引引 言言 . - 1 - 第第 1 1 章章 绪论绪论 - 2 - 1.1 课题研究背景及意义. - 2 - 1.2 前人研究成果. - 2 - 1.3 本次课题研究方案. - 2 - 第第 2 2 章章 课题相关基础课题相关基础 - 4 - 2.1 单片机基础知识概要. - 4 - 2.1.1 单片机的基础概念 . - 4 - 2.1.2 单片机的作用及特点 . - 5 - 2.2 STC89C51 单片机介绍 - 5 - 第第 3 3 章章 装置具体设计说明装置具体设计说明 - 7 - 3.1 系统整体架构概述. - 7 - 3.1.2 系统整体概括 . - 7 - 3.2 系统装置硬件设计. - 7 - 3.2.1 温度检测电路 . - 7 - 3.2.2 显示电路 . - 8 - 3.2.3 电源电路 - 10 - 3.2.4 水位检测 - 11 - 3.2.5 漏电检测及断电保护 - 13 - 3.3 系统装置软件设计 - 15 - 3.3.1 系统整体流程图 - 15 - 3.3.2 运行程序流程图 - 16 - 3.3.3 漏电检测与漏电保护流程图 - 16 - 第第 4 4 章章 结论与展望结论与展望 . - 17 - 4.1 课题结论 - 17 - 4.2 课题展望 - 17 - 致致 谢谢 - 19 - 参考文献参考文献 - 20 - 附录附录 A A 附加图、表附加图、表 - 21 - 附录附录 C C 外文文献及译文外文文献及译文 - 24 - 附录附录 D D 主要参考文献题录及摘要主要参考文献题录及摘要 - 31 - 附录附录 E E 主要源程序主要源程序 - 33 - 戴盼盼：一种电热水器控制装置设计 IV 插图清单插图清单 图 2-1 单片机的组成 . - 4 - 图 2-2 单片机的分类 . - 5 - 图 2-3 STC89C51 单片机引脚图 - 6 - 图 2-4 STC89C51 晶振及复位电路 - 6 - 图 3-1 STC89C51 热水器控制方案 - 7 - 图 3-2 温度传感器说明图 . - 8 - 图 3-3 温度检测电路原理图 . - 8 - 图 3-4 1602LCD 尺寸图 . - 9 - 图 3-5 1602LCD 硬件原理图 - 10 - 图 3-6 单片机与 LCD1602 的应用电路 - 10 - 图 3-7 DC 接口示意图 . - 11 - 图 3-8 DC 插口实物图 . - 12 - 图 3-9 水位检测模块原理图 - 12 - 图 3-10 指示灯模块电路原理图 . - 13 - 图 3-11 继电器示意图 . - 13 - 图 3-12 继电器模块原理图 . - 14 - 图 3-13 漏电检测信号图 . - 15 - 图 3-14 断电保护电路图 . - 16 - 图 3-15 报警电路图 . - 16 - 图 3-16 系统主程序流程图 . - 17 - 图 3-17 系统运行流程图 . - 18 - 图 3-18 系统漏电检测与漏电保护流程图 . - 19 - 附录图 1-1 程序原理图 - 22 - 附录图 1-2 程序实物图 - 22 - 附录图 1-3 程序仿真示意图 - 23 - 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） V 插表清单插表清单 表 3-1 系统装置设计任务表 . - 7 - 表 3-2 1602LCD 主要技术参数 . - 9 - 表 3-3 引脚接口说明表 - 11 - 表 3-4 继电器主要技术参数 - 13 - 附录表 1-1 元件清单 - 21 - 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - 1 - 引引 言言 随着当代社会经济的高速发展，现在人们的生活水平也得到了很大程度的提高。热 水器作为人们日常生活中的重要使用电器，以往的燃气类热水器由于其对于房间通风要 求较高，否则会造成生活环境的污染，逐渐被新兴的高科技热水器取代。另外太阳能热 水器作为新起之秀逐渐占据着市场的较大份额，然而其安装条件较为苛刻，受气候影响 较大的缺点也影响着太阳能热水器的发展。作为现代化社会高科技高速发展，嵌入式的 各种设备进入电器行业。除上述之外，市场上的电热水器的安全问题也是尤为使得我们 关注，涉及到使用者的生命，又加上近些年的能源危机，居民的精神水平逐渐增高，随 着人们生活节奏的加快，智能化电热水器越来越受到消费者的喜爱。在当今社会中，科 技占据着人们生活的方方面面，智能化产品得到消费者的青睐，热水器技术飞速发展， 越来越多的科技成果被运用到热水器的制造中。当代社会中的热水器不再是单纯的可以 加热水的单一功能，而是科技含量高的现代化家电产品。随着我国改革开放以来人民生 活水平的逐渐提高，智能化电器在人们日常生活中占有比重也越来越大，同样的，在家 庭生活当中热水器品种样式层出不穷。 在这样的一个背景下， 本设计选择基于 STC89C51 单片机作为主控芯片研究关于一种智能电热水器。 由于 STC89C51 单片机具有十分强大的各种功能，包含着常用的报警、跑马灯、串行 通信、数字信号合成等大约十七项开发学习者使用的功能，这给我们本次研究提供了足 够的条件。 除此之外的本次课题中的电热水器控制装置设计主要目标为以下几点， 第一， 完成温度的检测与控制 20 到 50 摄氏度可调，误差在一度之内。第二，防干烧，热水器 中无水的情况下不能进行加热。第三，防漏电功能。具有漏电保护装置。第四，采用单 片机的控制具有故障报警功能。 关于本次电热水器控制装置的书写，本文主要采取了首先具体介绍关于课题的研究 背景、课题研究意义、前人研究成果、本次课题研究方案。这部分主要是为借鉴前人研 究成果经验的基础上帮助更好的研究课题。然后介绍关于装置理论基础，说明设计过程 中使用到的单片机基础知识与 STC89C51 单片机的特点使用基础。再一部分就是介绍关 于系统装置的总体设计，其中包含有总体实现方案，硬件设计，软件设计等。最后一大 部分呢就是关于本次课题开展的结论以及课题相关展望未来的热水器实现方式，同时包 含着对本次课题中相关人员对本人的指导帮助致以谢意。 戴盼盼：一种电热水器控制装置设计 - 2 - 第第1 1章章 绪论绪论 1.1 课题研究背景及意义 根据相关人员对居民人员统计发现，现在百分之三十居民使用的还是燃气热水器， 燃气热水器的优点就是较为实惠，燃气价格优惠，更加经济。但是燃气热水器的缺点就 是许多商品房的通风不理想，燃气带来的污染较大，燃气热水器的排气管安装的位置有 时是使用者的一大难题。其余部分百分之二十使用的是太阳能热水器，对于太阳能热水 器而言，使用人员多为低层房屋或者是别墅人家使用，原因是太阳能热水器虽然是较为 环保节能， 但是其安装条件更为苛刻， 对于现在的居民小区高层建筑来说是不切实际的， 这样就使得太阳能热水器的市场占有率具有很大的局限性，限制了其市场的发展。再有 呢就是电热水器，对于绝大部分高层居住人员来说使用电热水器的居民还是十分多的， 因为其无污染方便安装的特点较为受到消费者的钟爱，但是一般家庭而言就会觉得电热 水器相对于其它两种而言较为浪费能源，耗电较为多，相对来说使用费用较高。 同时，我们可以发现随着社会的发展，科技在高速前进，对于人们生活中的各种息 息相关的方方面面来说，智能化产品是逐渐取代了老式非智能化产品，智能手机，智能 空调，智能油烟机等等都是消费者首选的产品，所以在当前社会中，智能化技术运用是 今后技术发展的一个普遍趋势，热水器的发展也不例外，智能化技术的运用主要有两个 好处，第一就是方便，第二是节能，按照用户的使用习惯提前预先加热，让使用者随心 享用热水。相关与家电的其它产品而言，空调等相关家电产品的节能效果已经走在了前 面，因此热水器这种用电量很大的产品应该推进节能技术智能化技术的普及。 使得热水器在居民生活中得到更好的节能减排效果，达到恒温出水情况显得尤为重 要，在本次课题研究中便是研究如何解决这些问题，推进热水器节能减排智能化发展。 1.2 前人研究成果 就我国的当前情况而言,经过科学家们的努力寻求技术突破产生了较大的进步， 比如 海尔电器这个众所周知的品牌。海尔在经过不断的克服困难和研究改进的情况下，设计 出了国内第一款具备记忆和计算能力双重智能的热水器。 这款热水器具有较为明显的进 步，主要体现在这款热水器独有的断电自动记忆功能，如果出现突然停电的情况，控制 装置将之前设置的参数保存下来，这样的话等待使用者下次重新启动使用的时候，无需 重新再进行设置温度等功能，方便简单，更加满足人民的需求。除此之外，许多热水器 同样是具有预约功能，但是预约的都是何时加热的时间。而海尔的这款产品只需设定你 的使用时间。 它会根据你设置的时间自动提前加热， 从而可以最大限度的减少用电损耗。 采用德国新电脑温控技术的西门子智能电热水器，西门子家电集团开发出独有的 ELCB 德国安全专家模式功能， 采用强大防漏电安全技术为基础。 除了具备全新的智能中 温保温功能外，还具有防漏电装置，自动选择最节能的保温状态，弥补了传统中温保温 的缺陷，避免造成不必要的浪费，缩短了加热时间，做到省电节能。 除此之外，对于樱花、美的、格力、夏普等等相关集团，也是在热水器研究上取得 了不小的进步。 1.3 本次课题研究方案 对于本次课题的开展主要是依靠主控芯片 STC89C51，系统之中主要涉及关于电源电 路，水位检测电路，温度检测电路，报警电路以及防漏电装置电路。主要实现效果是 单片机系统在供电之后复位按键是不需要手动按的，自动默认开始运行系统，首先进行 温度的确定，初始化的温度如不满足使用者需求可进行更改，更改之后按下确定键，即 可对温度进行设置。系统根据设置的水位值进行检测，如达不到设定的预定值系统会提 示加水，不进行加热，防干烧，达到设置的水位后系统进行加热，缺水指示灯熄灭，水 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - 3 - 位达到上限值加水继电器停止工作， 不能再进行加水； 对于加热功能， 温度高于上限值， 停止加热，当温度低于下限值，加热功能会自动加热。同时，检测漏电信号。当检测出 持续的漏电信号时。输出高电平，使电路断开，并且是蜂鸣器报警。除此之外，对于水 位而言，下限水位不可能高于上限水位，否则会蜂鸣器一直报警。 戴盼盼：一种电热水器控制装置设计 - 4 - 第第 2 2 章章 课题相关基础课题相关基础 2.1 单片机基础知识概要 在本节当中，首先介绍一下关于单片机的基本概念及其定义，这样的话，我们能充 分了解到单片机的基本理论知识，为接下来的对于本次课题中的主要单片机介绍做铺 垫。 2.1.1 单片机的基础概念 首先，我们先来介绍关于单片机的一个基本概念，单片机是一种集成电路的芯片， 它是利用了大规模集成电路技术将一些功能电路集成到一起，其中包括的有：随机存储 器、只读存储器、定时器/计数器、中央处理器、多种 I/O 接口等功能集成到一块硅片 上的一种微型计算机系统 1。 图 2-1 单片机的组成 其次，单片机的基础概念了解了之后我们再来深层次的了解下，关于单片机的各种 分类。单片机从不同角度的分类可能定义不同，在这里我们介绍一般情况下是将单片机 分为三类的，其大致可以分为通用型与专用型、总线型与非总线型、控制型与家电型 3。 1、按照适用范围来区分分为通用型和专用型。顾名思义，这种分类的依据是否为某 种专门用途设计的。专用型的单片机是针对某一类产品后者是某一个产品设计生产的， 而通用型就不是为某种类型而特别设计生产的。 2、按照是否提供系统总线来划分单片机的话，基本上将其分为总线型和非总线型。 我们知道许多单片机中设计者把需要的外围期间以及外设接口集成在一个单片机上， 这 样的话可以省去并行扩展总线，这种就是非总线型单片机。 3、控制型和家电型主要是依照应用领域进行划分的。应用于家庭生活中的我们称为 家电型，对于工业生产过程中的称为工控型。 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - 5 - 图 2-2 单片机的分类 2.1.2 单片机的作用及特点 具有完整的中央处理器等微型计算机的特性，使得单片机的运用范围更加的广阔， 在当前我们日常生活中各个领域，我们都是随处可见到单片机的身影。简单举例我们常 见的，电梯中的控制电梯正常运行的程序、飞机汽车中的导航以及各种仪表装置、测量 工具、家用电器、医疗器械等等。生活中的方方面面都是有着单片机的存在 4。 对于单片机的特点，第一，单片机具有高集成度，体积小，可靠性高。单片机是将 各个功能的部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积小，它的抗噪音程度也是比 一般的 CPU 好，信号通道位于一个芯片内，数据固化在 ROM 中不易被破坏，因此它的可 靠性高。第二，它的控制功能强。满足使用者的要求除了系统的丰富条件外还有对应的 I/O 接口的配合，除此之外还有位处理能力，更好的满足了使用者对控制功能的需求。 第三，除上述特点外，单片机还具有低电压、低消耗、易扩展、便于携带、性价比高等 一些优点。 2.2 STC89C51 单片机介绍 作为一款基于 8 位处理芯片 STC89C51RC 的 STC89C51 单片机学习板，除了具有一般 单片机的优点之外，STC89C51 单片机是一款十分具有特色和实际使用意义的单片机 2， 它可以实现多种开发过程中的需求，解决问题，并且根据不同的学习者和开发者的不同 需求，可以采用需要的多种常用模块，功能强大，对于我们日常使用的报警、跑马灯、 串行通信、液晶显示、电机控制、红外检测等等许多功能都是支持具有的。这样使得我 们更加方便的得到学习和设计的目的。 戴盼盼：一种电热水器控制装置设计 - 6 - 图 2-3 STC89C51 单片机引脚图 图 2-4 STC89C51 晶振及复位电路 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - 7 - 第第 3 3 章章 装置具体设计说明装置具体设计说明 3.1 系统整体架构概述 本节主要介绍关于本次设计课题的总体描述概括。首先介绍关于本次系统索要实现 的功能，然后再进一步总体介绍下，关于系统的主要实现方式。 我们主要目标是: 表 3-1 系统装置设计任务表 1 2 3 4 5 温度设置范围 防干烧 防漏电 单片机控制 故障报警 3.1.2 系统整体概括 本次设计是采用以 STC89C51 单片机为主控，设计的热水器控制装置。首先我们知道 该款单片机的特点具有结构简单、抗干扰能力强、性价比高等，这使得我们的系统会更 加优秀的控制热水器的各项功能，并且不会影响系统的正常功能，更加适合生活中的使 用。本系统中主要实现温度检测，水位检测以及漏电检测，依照这些检测电路进行逻辑 的判断实现需求中的功能。 图 3-1 STC89C51 热水器控制方案 3.2 系统装置硬件设计 对于系统中的电路而言，系统主要包括了温度检测电路、水位检测电路、漏电检测 电路、报警电路、显示电路、电源电路等。但是这些电路中有许多元件不同电路中具有 相同元件。所以我们采用分别对重点特色的不同电路来分别进行说明。 3.2.1 温度检测电路 在温度检测电路中主要是 DS18B20 传感器。在单片机中温度传感器的种类众多，在 应用与高精度、高可靠性的场合时 DALLAS（达拉斯）公司生产的 DS18B20 温度传感器当 仁不让。 超小的体积， 超低的硬件开消， 抗干扰能力强， 精度高， 附加功能强， 使得 DS18B20 更受欢迎。对于我们普通的电子爱好者来说，DS18B20 的优势更是我们学习单片机技术 和开发温度相关的小产品的不二选择。了解其工作原理和应用可以拓宽您对单片机开发 的思路。 戴盼盼：一种电热水器控制装置设计 - 8 - 图 3-2 温度传感器说明图 图 3-3 温度检测电路原理图 在温度建模模块中我们除了上述元件之外还用到了继电器的使用，指示灯模块的使 用，在此不详细介绍，在章节水位检测电路做详细介绍。 3.2.2 显示电路 在显示电路中我们本次课题中使用的是 1602 LCD，单片机的人机交互界面中，一般 的输出方式有以下几种：发光管、LED 数码管、液晶显示器。其中发光管和 LED 数码管 比较常用，因为其软硬件都比较简单。 在单片机系统中应用液晶显示器作为输出器件 有以下几个优点： 第一：显示质量高，由于液晶显示器当中的任何一个点在收到信号后就一直保持色 彩和亮度，一直会发光，不需要不断刷新亮点。所以基于这个特点液晶显示器的画质高 且不会闪烁。 第二：数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠， 操作更加方便。 第三：体积小、重量轻，液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到 显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 第四： 功耗低， 相对而言， 液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 IC 上， 因而耗电量比其它显示器要少得多。 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - 9 - 图 3-4 1602LCD 尺寸图 对于 1602LCD 主要技术参数和其具有的指令及时序在此我们就不一一介绍，对于它 的主要技术参数和引脚说明我们简单以下面两表作为简单介绍。 表 3-2 1602LCD 主要技术参数 编号 内容 参数 1 显示容量 162 个字符 2 芯片工作电压 4.55.5V 3 工作电流 2.0mA(5.0V) 4 模块最佳工作电压 5.0V 5 字符尺寸 2.954.35(WH)mm 图 3-5 1602LCD 硬件原理图 戴盼盼：一种电热水器控制装置设计 - 10 - 图 3-6 单片机与 LCD1602 的应用电路 表 3-3 引脚接口说明表 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 VSS 电源地 9 D2 数据 2 VDD 电源正极 10 D3 数据 3 VL 液晶显示偏压 11 D4 数据 4 RS 数据/命令选择 12 D5 数据 5 R/W 读/写选择 13 D6 数据 6 E 使能信号 14 D7 数据 7 D0 数据 15 BLA 背光源正极 8 D1 数据 16 BLK 背光源负极 3.2.3 电源电路 电源电路按不同种标准有不同分类方式，下面我们简单的介绍一些常见的分类： 第一：按元件类型可分为电子管稳压电路、三极管稳压电路、可控硅稳压电路、集 成稳压电路等。 第二：根据调整元件与连接方法，可分为并联型和串联型。 第三：根据调整元件工作状态不同，可分为线性和开关稳压电路。 本设计中采用了线性工作状态的线性集成稳压电源。其中电路的供电采用 DC 电源插 口，DC 电源插口的接线方式是 2、3 脚接地，1 脚实际是 VCC（电源），但是电路中要接 蓝色的自锁开关，然后开关的另一个脚再接电源 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - 11 - 图 3-7 DC 接口示意图 图 3-8 DC 插口实物图 3.2.4 水位检测 水位检测电路中使用的就是 LM393 芯片，关联两个水位传感器，一个作为水位上限 传感器，另一个作为下水位传感器，作为传感器的作用主要是当下水位传感器接收到有 水的时候进行加热，无水的时候不能进行加热，这样的话就是防干烧的设计，上水位和 下水位传感器构成了水位检测电路设计需求实现功能。实现水位的检测功能。 戴盼盼：一种电热水器控制装置设计 - 12 - 图 3-9 水位检测模块原理图 水位检测模块除了上述的元件构成之外还有主要的是指示灯模块和继电器模块，下 面我们主要进行继电器模块的说明，在温度检测电路中同样运用到了继电器，我们称为 一个叫做加热继电器一个叫做水位继电器。 图 3-10 指示灯模块电路原理图 电磁继电器一般由铁芯、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 7。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）释放。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”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。在本课题 设计中，继电器的使用在温度检测电路、水位检测电路、漏电检测漏电保护电路中都有 使用。所以关于继电器是十分重要的模块。 对于继电器的相关参数总结如下表： 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - 13 - 表 3-4 继电器主要技术参数 编号 参数名 说明 1 额定工作电压 继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不 同，可以是交流电压，也可以是直流电压。 2 直流电阻 继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。 3 吸合电流 继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定 的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。 而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的 1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。 4 释放电流 继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流 减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。 这时的电流远远小于吸合电流。 5 触点切换电压和 电流 继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压 和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电 器的触点。 图 3-11 继电器示意图 图 3-12 继电器模块原理图 3.2.5 漏电检测及断电保护 在本次课题设计中对于漏电检测主要是实现漏电信号的检测与发现漏电及时断电并 报警的系统功能。 戴盼盼：一种电热水器控制装置设计 - 14 - 3.2.5.1 漏电检测 本次设计对漏电检测是根据霍尔磁式原理检测漏电状态，在本次系统中把输出电流 如输入电流的导线同时穿过一个环形磁芯，这样的话如果系统漏电，次级线圈可以输出 漏电信号。从电源输入的电流，流经全部负载的系统后，返回电源中线端的支路电流， 当该支路没有接地电流时，输出电流应该与输入电流相等，次级线圈无漏电信号输出， 换句话说如果电源输入线中的输入端电流和输出端电流完全相等，则没有漏电信号产 生。而当系统发生漏电的时候，假设系统出现的接地漏电电流时，则此时的输入电流与 输出电流将不相等，其合成电流就是漏电电流，输出的漏电程度和漏电信号的大小成正 比。 图 3-13 漏电检测信号图 3.2.5.2 断电保护 系统的漏电保护断电电路由继电器J1、J2和晶体电阻R1、R2、三极管Q1 、二极管 D1 组成，如图5所示。当单片机检测到漏电信号时，产生高电输出到晶体三极管Q1， 三极管Q1把信号放大后可以导通继电器J1闭合，进一步导通继电器J2通电，这样可以保 证在0.1秒钟内迅速切断整个系统的供电， 保证可迅速切断电流防止发生危险， 确保人身 安全。 图 3-14 断电保护电路图 3.2.7 报警电路 对于报警电路中我们采用的电路图如下图所示。当系统漏电时，漏电信号输入单片 机，经判断后，对报警电路产生高电平，使其发出警报。只有当系统排出故障，重新启 动时，才能正常工作。除此之外，对于装置的上水位和下水位的检测也是相同，当下水 位高于上水位的时候，这时候逻辑上是错误的，操作失误，这样的话同样也会产生报警 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - 15 - 电路报警，只有点击确定按钮的时候才能取消报警。 图 3-15 报警电路图 3.3 系统装置软件设计 在本节呢，主要进行系统的软件实现问题，根据系统的内容进行了软件系统的设计， 首先呢，对于各个模块电路进行简单的烧录 C 语言进行测试。利用软件系统的特点进行 测试器件是否正常使用。对于电路要求是否满足，然后根据电路原理图连接好电路，在 主控芯片下载程序，附录中有全部代码程序。最后在 STC89C51 单片机中烧录好程序之 后进行测试系统的功能。再进一步调试修改程序的过程中解决问题，逐渐完善好程序的 逻辑结构和各个模块的内容。下面我们依次对系统中的软件流程进行介绍。 3.3.1 系统整体流程图 图 3-16 系统主程序流程图 戴盼盼：一种电热水器控制装置设计 - 16 - 3.3.2 运行程序流程图 图 3-17 系统运行流程图 3.3.3 漏电检测与漏电保护流程图 图 3-18 系统漏电检测与漏电保护流程图 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - 17 - 第第 4 4 章章 结结论论与展望与展望 4.1 课题结论 在刚拿到课题的时候我是非常茫然的，在研究课题的过程中，我首先做的就是分析 课题的内容以及课题所涉及的知识是什么，在分析好题目之后，投入到搜索资料的过程 中，对于搜集资料我选择的方式是网上搜索相关资料与图书馆借阅相关书籍。畅游在知 识的海洋中知道了原来自己所欠缺的很多很多，在设计系统的时候我深刻的认识到知识 的匮乏，在这个过程之中我学到了对于单片机的一些基本理论的介绍，对于单片机基础 的一个掌握。因此，在我们研究问题的过程中一定要沉浸下来，专心致志的完成，只有 这样才能真正学到东西完成好自己任务。 在本次设计当中，尤为让我记忆犹新的软件方面的问题就是在书写程序代码的时候， 对于 C 语言的运用让我感觉到非常的困难， 因为之前对于 C语言的学习不是特别的深刻。 所以在这时候运用的时候只有查阅资料编程， 然后逐渐的去分析问题并解决问题， 例如： 在程序使用中断函数的时候，总是出现问题，程序运行不通过，在后面积极查阅资料后 才正确使用中断函数，其次还有就是设置系统的漏电检测信号时，刚开始的时候也是非 常茫然，在后面积极主动的请教指导老师，在与指导老师交流之后尝试着自己设置完成 程序的编辑。对于硬件方面，首先我是画出了各个模块的电路图，根据电路图所具有的 各个引脚的功能，输入输出原理进行了电路的仿真。 在本次设计中积极吸取前人的经验，积极学习前人设计中的优点，缺点并加以改正。 最后选择了采用了 STC89C51 单片机进行系统主控的设计，这样的话给这个系统赋予了 更大的可发展性。使用 STC89C51 单片机的好处呢就是在于它的功能齐全，具有强大的 功能，在这个系统设计初次实现后，就可清晰的感觉到所运用的场景是非常的客观的， 想要更好的设计完成目标，仍然需要我们不断的努力来完成热水器控制装置系统的逐步 完善。 基于 STC89C51 单片机的智能电热水器控制器，经过调试可以满足设计要求。首先由 传感器检测水温,当水温小于设置范围 1 摄氏度时，单片机控制继电器对电热水器加热； 当水温超过温度设置范围 1 摄氏度时，单片机控制继电器断电，停止加热，当单片机出 现漏电时蜂鸣器报警断电；当水位小于下限值时，缺水指示灯亮，停止加热，防干烧。 当下水位高于上水位时，系统错误蜂鸣器报警，点击确定取消报警。 本设计有些方面需要进一步讨论，进一步完善的方面： （1）STC89C51 单片机本身的存储空间很小，只有 4KB，在实际运用中无法达到更多 的设计要求。本次设计还只能停留在研究的基础之上。 （2）由于 STC89C51 单片机结构简单，本次系统中的漏电检测和漏电保护功能在实 物设计中没有做出，等待系统的完全优化。 （3）水温检测的精度不太高。这是硬件的问题，由于没有找到很好的检测器件，造 成实验结果有较小的误差。 （4）对于水位检测，我们本次设计是采用的传感器，实际使用中预计是将这两个 传感器分别放到热水器的上水位和下水位。这样是一个瑕疵，可以更好的发展为具体设 置水位。 4.2 课题展望 最后呢，对于这款基于 STC89C51 单片机的热水器控制装置设计，我本人是寄予很高 的期望。在以后继续开展本课题相关工作中，逐渐的完善该系统的功能，这样的话未来 或许可以实现消耗最低的能源，节约更多的空间，更加环保的恒定提供热水。在当代科 技发展迅速的情况下，我们应当积极跟上国际趋势，加快自己的步伐，使我国的科技水 戴盼盼：一种电热水器控制装置设计 - 18 - 平跟上甚至超过世界先进水平，这样才能实现我们中华民族的伟大复兴和实现我们的 “中国梦”。 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - 19 - 致致 谢谢 在本次课题的开展过程中，通过自己查阅资料，网上学习，最主要的还是受到了郭 教之老师耐心的指导，最后成功的完成了课题的设计。在本次课题完成过程中，让我学 到了很多的知识，使得在设计中所使用的单片机、C 语言、51 系列单片机有了更加深刻 的认识，在大学期间这段毕业设计的时光中所学到的东西是巨大的，通过对知识的融会 贯通，逐步的完善了自己的知识体系，加强了对各个知识的贯通性。在这段期间，是老 师的耐心指导；是同学们的关心帮助；是学校给予的良好学习环境。使得我在大学中的 生活更加充满色彩。在实践的过程中我才慢慢的体会到了理论和实践的差距，只有将理 论运用到实践当中，理论与实践相结合才能达到学以致用。在课题设计的过程当中，由 衷的感谢指导老师与院校相关老师给予的指导和帮助，感谢同学们的交流，感谢学院的 支持和理解。同时，在毕业季来临，由于基础知识掌握的不够熟练，在本次设计过程中 所欠缺的东西，希望老师能给予指正和指导。我会积极的吸取老师们的意见和主动配合 去更好的完成课题的相关设计。谢谢！ 作者： 年 月 日 戴盼盼：一种电热水器控制装置设计 - 20 - 参考文献参考文献 1 吴国经单片机应用技术北京：中国电力出版社2004：10. 2 张振荣 MCS-51 单片机原理及实用技术 北京： 人民邮电出版社 2000： 10-13. 3 沈红卫基于单片机的智能系统设计与实现北京：电子工业出版社2005： 30-35. 4 肖洪兵跟我学用单片机北京：北京航空航天大学出版社2002：100-103. 5 傅文斌.微波技术与天线（第二版）M.机械工业出版社 6 李秀萍.微波技术基础M北京: 电子工业出版社 7 雷振亚.射频/微波电路导论M. 西安: 西安电子科技大学出版社 8 彭沛夫，张桂芳.微波与视频技术M. 北京: 清华大学出版社 9 宋大伟.波导定向耦合器的设计与研究D. 成都：电子科技大学，2013.6 10 殷际杰.微波技术与天线-电磁波导行与辐射工程(第 2 版修订版)M.北京: 电 子工业出版社 11 宋大伟.波导定向耦合器的设计与研究D. 成都：电子科技大学，2013.6 12 王稳新，李延平，李萍. 微波技术与天线(第三版)M.北京: 电子工业出版社 13 严嘉斌.小型化大功率波导定向耦合器的研究与设计D. 成都：电子科技大学， 2015.6 14 殷际杰 . 微波技术与天线-电磁波导行与辐射工程(第 2 版修订版) M .北京: 电 子工业出版社 15 David M.Pozar.微波工程M. 北京: 电子工业出版社，2006 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - 21 - 附录附录 A附加图、表附加图、表 附录表 1-1 元件清单 序号 元件名称 序号 元件名称 1 9*15 万用板 17 12m 晶振 2 1602 液晶 18 10uf 电解电容 3 STC89C52 单片机 19 30pf 瓷片电容 4 40 脚 IC 座 20 按键*5 5 16P 母座 21 5mmLED*3 6 16P 排针 22 2P 接线端子*2 7 3P 排针*2 23 DC 电源接口 8 DS18b20 防水探头 24 自锁开关 9 5V 继电器*2 25 导线若干 10 1.5K 电阻 26 焊锡若干 11 10K 电阻*5 27 USB 电源线 12 1K 电阻*3 28 水位传感器*2 13 2.2K 电阻*4 29 杜邦线*6 14 103 排阻 30 LM393 15 9012 三极管*3 31 8 脚 IC 座 16 5V 蜂鸣器 32 103 蓝白电位器*2 戴盼盼：一种电热水器控制装置设计 - 22 - 附录图 1-1 程序原理图 附录图 1-2 程序实物图 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - 23 - 附录图 1-2 程序仿真示意图 戴盼盼：一种电热水器控制装置设计 - 24 - 附录附录 C外文文献及译文外文文献及译文 Structure and function of the MCS-51 series Structure and function of the MCS-51 series one-chip computer MCS-51 is a name of a piece of one-chip computer series which Intel Company produces. This company introduced 8 top-grade one-chip computers of MCS-51 series in 1980 after introducing 8 one-chip computers of MCS-48 series in 1976. It belong to a lot of kinds this line of one-chip computer the chips have,such as 8051, 8031, 8751, 80C51BH, 80C31BH,etc., their basic composition, basic performance and instruction system are all the same. 8051 daily representatives- 51 serial one-chip computers . An one-chip computer system is made up of several following parts: ( 1) One microprocessor of 8 (CPU). ( 2) At slice data memory RAM (128B/256B),it use not depositting not can reading /data that write, such as result not middle of operation, final result and data wanted to show, etc. ( 3) Procedure memory ROM/EPROM (4KB/8KB ), is used to preserve the procedure , some initial data and form in slice. But does not take ROM/EPROM within some one-chip computers, such as 8031 , 8032, 80C ,etc ( 4) Four 8 run side by side I/O interface P0 four P3, each mouth can use as introduction , may use as exporting too. ( 5) Two timer / counter, each timer / counter may set up and count in the way, used to count to the external incident, can set up into a timing way too, and can according to count or result of timing realize the control of the computer. ( 6) Five cut off cutting off the