毕业设计（论文）-基于单片机的即热式电热水器温度控制器的设计.doc

（2011届）本科毕业设计（论文）资料题 目 名 称： 基于单片机的即热式电热水器温度 控制器的设计 学 院（部）： 电气与信息工程学院 专 业： 机电一体化工程 学 生 姓 名： X X 班 级：XXXX08XX班 学号 08XX518XXXX 指导教师姓名： XXX 职称 教授 最终评定成绩： 湖南工业大学教务处（2011届）本科毕业设计（论文）基于单片机的即热式电热水器温度控制器的设计学 院（部）： 电气与信息工程学院 专 业： 机电一体化工程 学 生 姓 名： X X 班 级：XXX08XX班 学号 08XX518XXXX 指导教师姓名： XXXXXX 职称 教授 最终评定成绩 2011年6月湖南工业大学本科毕业设计（论文）摘 要随着各类热水器的缺点和不足日益明显，如能耗量大、预热时间长、存在安全隐患等，很多热水器已无法满足日常使用要求，因此设计一个稳定性好、安全系数高的即热式电热水器温度控制器系统的任务非常迫切。针对这些问题，本文提出了基于单片机的即热式电热水器温度控制器系统的设计，详细描述了系统硬件的设计和系统软件设计。本设计采用美国Atmel公司生产的AT89S51单片机作为主控芯片和数据存储器单元，结合外围的温度检测、水流检测、独立键盘输入、LED数码管显示、加热控制以及工作指示和报警等，使用C语言编写系统控制程序。经仿真和实验证明，该即热式电热水器温度控制系统的设计方法合理，系统具有控制方便、操作简单和灵活性大等优点，经过反复测试，系统能够稳定运行。关键词：即热式电热水器，温度控制，单片机，温度传感器ABSTRACTWith the shortcomings and inadequacies of various water heaters getting more obvious, for example, their high consumption, long heating time and potential security, many water heaters could not satisfy our daily needs any more. Therefore, it is very urgent to design a temperature controller system of an instant water heater with good stability and high security. To solve these problems, this essay proposes the design about temperature controller system of instant water heater based on MCU and describes designs of system hardware and system software in detail. The design adopts the AT89S51 SCM as the main control chip and the Data RAM made by the American Atmel Corporate, combines with the peripheral temperature detection, water detection, independent keyboard input, LED digital display, heating control, work instructions and alarm, and uses the C language system to control these programs. The results after simulating and experimenting show that it is reasonable to design the temperature controller system of instant water heater, because it has an advantage of convenient control, simple operation and Great flexibility. After testing again and again, it proves that the system can be operated stably. Keywords：Namely water heater, Temperature control, MCU, Temperature sensors49目 录第1章绪论11.1课题研究背景11.2 选题目的和意义21.3 设计要求3第2章 控制系统的总体方案设计42.1 系统总体方案设计42.2 控制系统的硬件组成及工作原理42.3 控制系统硬件电路的设计52.3.1 单片机的选型52.3.2 电源模块设计82.3.3 时钟电路设计92.3.4 外部复位电路设计92.3.5 温度检测电路设计102.3.6 水流检测电路172.3.7 键盘显示接口电路182.3.8 加热及水温控制202.3.9 蜂鸣报警电路设计202.3.10 上位机通信设计212.3.11 隔电墙技术22第3章 软件设计233.1 主程序模块233.2 按键扫描模块243.3 温度显示模块253.4 温度采集模块253.4.1 温度采集程序253.4.2 读取温度子程序273.4.3 温度数据处理子程序273.5 加热控制程序28第4章 温度控制系统Proteus软件仿真304.1 Proteus单片机仿真工具的背景介绍304.2 Proteus仿真软件的组成304.3 Proteus仿真软件的特点314.4 系统仿真的实现过程314.5 仿真结果33结 论34参考文献35致 谢36附录 系统原理图37附录 源程序代码38第1章 绪 论1.1 课题研究背景当今社会大部分人在使用热水器时，基本上都是采用的快热式的。这是因为它给人们带来了极大的方便，人们不再为热水器耗电量大而发愁，所以快热式电热水器走进千家万户已经成为必然1。我国也在不断大力提倡家庭使用快热式电热水器，这样可以为国家节省很多电能。使用电热水器的方便之处还在于我国的电力来源比较方便，电能是无污染、清洁的，很受人们欢迎2。目前市场燃气热水器、太阳能热水器、储水式电热水器遍地开花，然而燃气热水器因其安全隐患及越来越高的使用成本正逐渐淡出热水器市场，而太阳能热水器也因其严格受天气、气候及安装条件影响而很难占有更大的市场份额，而目前占主流的储水式电热水器体积庞大、预热时间长、热水储水量有限，已不适用现代生活的节奏，于是快热式电热水器以其小巧时尚的外观、比储水式更快的加热速度、比燃气热水器更安全的特点横空出世！在欧洲、东南亚市场热水器发展历程充分证明了这一点。即热式热水器具有如下优点：1不需预热，无需等待。即热式电热水器普遍功率较大，用时只要打开水龙头，数秒中便可有温度适宜的热水供应，十分快捷方便，满足时下现代人快节奏的生活需要。对于需要瞬间或者长时间提供热水的客户如理发店、医院、学校等非常理想，最重要的是节省了人们宝贵的时间。2节能省电。即热式电热水器因不用提前预热，没有预热时的能量散失，所以国家把这类产品划为节能产品。在用水、用电紧缺的情况下，重点推广这一产品无疑具有非常现实的意义。这也是广大消费者选择即热式电热水器时所重点考虑的因素。3安全环保。对于电热水器产品来说，人们最为担心的还是安全问题。即热式电热水器为了充分保证消费者的应用安全，在这方面一般也重点做了设计，如采用非金属加热体、水电隔离技术、漏电保护装置、接地保护等措施。有些生产厂家的产品还设有水空电门、声光报警、专利电路、磁化防垢、超温断电、高压泄放、电子调控、温度显示、分档功率等诸多功能，可以说为了在安全上做到万无一失，各个即热式电热水器的生产厂商是费尽了心思，下足了功夫。4体积小巧，外观高贵，安装方便，节省空间。即热式电热水器因为不需要提前预热，所以在设计上不需要体大笨重的内胆贮水箱和保温层，大多体积小、重量轻且易安装，节省空间和材料。另外，即热式电热水器中的高档产品多采用人性化设计，流线型外观，高贵典雅，受到时尚人士的欢迎。5水温恒定，使用舒服。贮水式热水器，由于是提前预热好的热水，在开始洗浴时需放水调温，水温不是凉就是热，温度即使调好后，在使用过程中用不多久水的温度就会变凉，还不得不时不时进行微调，比较麻烦。而即热式电热水器，无论多少人洗浴，只要在初始时调好水温后便会一直恒温恒流，洗起来清爽舒畅。6不易结水垢、寿命较长。即热式电热水器，冷水直接通过加热体后便被加热，属于“活水”，水垢不易逗留，而洗浴时的热水温度一般不会高于45，因而在热水器内部管路水垢也不易形成，再有，即热式电热水器在加热过程中机器发热体温度上升不是很高，这样水路及发热体的损坏几率也就相应减少，所以即热式电热水器的使用寿命也较传统式电热水器较长，一般是传统电热水器的23倍。即热式电热水器在国外使用相当广泛，尤其是在欧美和东南亚地区。前些年，即热式产品在国内市场上曾经出现过一段时间，由于当时国内电力条件不成熟，对大功率的电器产品一般无法正常使用，也没有好技术来保证其质量与安全，种种因素限制了其在国内的发展。近几年来，随着人们生活水平的不断提高，国家电网改造和相关法规的出台，电力工业迅速发展，预示了即热式产品在国内的广阔前景。根据国家住宅设计规范(GF500961999)现有商品住房的电器线路导线必须采用铜芯线，每套住宅进线截面积不小于10mm2，分支引线不得小于2.5mm2，电表规格不得小于20A所以，现购新标准住宅用户，都有条件使用上述这种安全、方便的即热式护，确保产品万无一失，安全系数达100， 通过检测，即热式比传统的热水器可节省40的能耗，用多少热水加热多少，没有热水用不完时的浪费和使用中途热水供应不足的现象，热水利用率100，因为它既不需要提前预热，也不需保温，省去了大量的额外开支，给用户带来真正的实惠。即热式产品作为新型环保产品在我国广泛使用已是大势所趋，符合现代消费潮流34。1.2 选题目的和意义近年来，热水器行业的发展趋势可以用一句话来概括，即仍将呈现出以电热水器为主导，燃气燃水器为辅，太阳能热水器为补充，三者互相共生。对电热水器而言，它具有安全、环保的特点，而且全国电网的改造、电的普及、电价的大幅度下调，以及用电设施的改善，均为电热水器的迅速普及提供了便利的条件。尤其三峡工程的建设、核电站的建设，更是为电热水器的推广和普及起到了助推剂的作用。电热水器对 安装的要求也比较简单，它不受空间限制，可以因地制宜。即热式家用电热水器的问世是家用电热水器具领域一次新的进步，它具有使用安全、卫生、不受水压限制，随时可供热水，水温易调节等优点，弥补了其它热水器的不足，属传统型热水器的替代产品，是家庭、公用住宅、小型饭店、宾馆理想的配套服务设施。随着气价的上涨，电价的不断下降。相信今后几年中我国电热水器市场仍将会呈现强劲增长势头。本设计主要通过AT89S51单片机来实现对电热水器的温度、温度显示及加热控制和超温保护，AT89S51单片机体积小，结构简单，功耗低。相信今后几年低功耗必将成为电热水器这一行业的热点。1.3 设计要求1采用高性能的数字温度传感器实时采集热水器内的水温。2可以自动检测热水器是否处于正常工作状态。3具有调温、恒温、防超高温等功能。4显示设定温度和实际温度的功能。5有仿真结果。第2章 控制系统的总体方案设计2.1 系统总体方案设计本系统中，需要采集的输入信号有出水口的温度及水流检测信号。需要输出的信号主要是控制固态继电器导通的信号。并且还要完成温度数据的实时显示和各工作阶段指示、出水温度的设置和显示、自动实现故障报警等功能，还具有各种完善的保护功能，如温度的超限报警、防止干烧和隔离技术。即热式热水器工作原理如图2.1所示，冷水从进水口流入热水器，经加热管加热后变为设定温度的热水，由出水口流出。这种即热式热水器功率较大，无需预热。用时只要打开水龙头，数秒中便可有温度适宜的热水供应，可连续提供热水。图2.1 系统结构框图2.2 控制系统的硬件组成及工作原理即热式热水器控制系统由温度检测电路、按键显示电路、水流检测电路、加热输出控制电路、工作指示电路、超温保护及报警等电路组成。控制系统原理框图如图2.2所示。通过温度传感器DS18B20将出水口的温度直接变换成数字量送到单片机，单片机将接收到的信号与设定信号进行比较，如果实时温度小于设定温度，单片机将输出一个控制量，控制固态继电器导通，加热指示灯点亮，以实现对电热丝的加热控制；如果实时温度在设定温度的保温范围内，固态继电器断开，保温指示灯点亮；如果实时温度超过设定温度的保温范围，系统将蜂鸣报警，并且报警指示灯点亮。用户可以通过系统按键对设定温度进行更改，更改后系统按照最新设定温度进行控制。图2.2 即热式电热水器控制系统原理框图2.3 控制系统硬件电路的设计控制系统硬件电路原理图见附录所示，下面就各个硬件电路设计模块分别介绍。2.3.1 单片机的选型单片微型计算机（单片机）作为微型计算机的一个很重要的分支，自问世以来，以其极高的性价比，收到人们的重视和关注，因此应用广泛，发展迅速。相对而言，单片机体积小，重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，并且价格低廉、可靠性高、灵活性好，开发较为容易。目前，在我国，单片机已经广泛地应用于智能仪器仪表、机电设备过程控制、自动检测、家用电器和数据处理等各个方面5。单片机诞生于20世纪70年代。最初的单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理器单元（Center Processing Unit，也即常称的CPU）和数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统。现代的单片机则增加了更多的片内外设（比如定时器、计数器、串行口、中断、并行I/O口，甚至包括A/D转换器、脉宽调制器PWM等），使得单片机的功能越来越强大，应用领域越来越广泛。因为这样一块芯片就具有一台计算机的功能，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。由于单片机的硬件结构和指令系统都是按照工业控制要求来设计的，常用在工业的检测、控制装置中，因而也称为微控制器（Micro-Controller）。单片机按照其用途可以分为通用型和专用型两大类。通常所说的单片机是指通用型单片机。通用型单片机是把可开发资源（如ROM、RAM、I/O口）全部提供给使用者。专用型单片机的硬件结构和指令是按照某个特定用途而设计的，如：频率合成调谐器（DDS）、USB控制器、录音机机芯控制器、打印机控制器等。本即热式电热水器控制系统采用ATMEL公司生产的89S51通用型单片机6。AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗、该性能CMOS 8位单片机，片内含4K比特的可用系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯中，ATMEL公司的功能强大，低价位的AT89S51单片机可以灵活应用于各种控制领域7。其引脚如图2.3所示。主要性能参数：l 与MCS-51产品指令系统完全兼容l 4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器l 1000次擦写周期l 4.05.5V的工作电压范围l 全静态工作模式：0Hz33Hzl 三级程序加密锁l 1288字节内部RAMl 32个可编程I/O口线l 2个16位定时/计数器l 6个中断系统l 全双工串行UART通道l 低功耗空闲和掉电模式l 中断可从空闲模式唤醒系统l 看门狗（WDT）及双数据指针l 掉电标识和快速编程特性l 灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式） 图2.3 AT89S51引脚图功能特性概述：AT89S51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。引脚功能说明：1主电源引脚GND和VCCGND：接地。VCC：主电源+4+5.5V。2时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1：接外部晶体的一端。它是片内振荡器反相放大器的输入端。在采用外时钟时，外部时钟振荡信号直接送入此引脚作为驱动端。XTAL2：接外部晶体的另一端。它是片内振荡器反相放大器的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。若采用外部时钟电路时，此引脚应悬空不用。3控制信号引脚RST、ALE/、/VPPl RST：复位输入端。在该引脚输入2个机器周期以上的高电平将使单片机复位。l ALE/：地址锁存允许输出/编程脉冲输入端。这个引脚具有2种功能。在访问片外存储器时，ALE作为锁存扩展地址低位字节的输出控制信号（称允许锁存地址）。平时不访问片外存储器时，该端也以六分之一的时钟振荡频率固定输出正脉冲，供定时或其他需要使用。ALE端得负载驱动能力为8个LSTTL（低功耗高速TTL）。在片内存储器编程（固化）时，此引脚用于输入编程脉冲，此时为低电平有效。l ：片外程序存储器选通信号端。在访问片外程序存储器取指令期间，信号在12个时钟周期中两次生效。不过，在访问片外数据存储器时，这两次有效的信号不出现。端同样可驱动8个LSTTL负载。l /VPP：为内、外程序存储器选择/编程电源输入端。这个引脚具有2种功能。当端接高电平时，CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。当地址超出4KB时，将自动执行片外程序存储器的程序；当端接低电平时，CPU仅访问片外程序存储器，即CPU直接从片外存储器地址0000H单元开始执行程序。4输入/输出引脚（P0、P1、P2和P3端口引脚）l P0.0P0.7：P0口的8位I/O端口。在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和8位数据，故这些I/O线有地址/总线之称，简写做AD0AD7。在不做总线时，也可以作为普通I/O口使用。在对程序存储器编程时，从P0输入指令字节；在验证程序时，则输出指令字节验证时要外接上拉电阻。l P1.0P1.7：P1口的8位准双向I/O端口。AT89S51单片机的P1口除了可以作为一般I/O口外，其中5位还有第二功能，如表2-1。表2-1 P1口各位的第二功能P1口的各位第二功能的名称及作用P1.0T2（定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出）P1.1T2EX（定时/计数器2的捕获触发和双向控制）P1.5MOSI（主机输出线，用于在系统编程）P1.6MISO（主机输入线，用于在系统编程）P1.7SCK（串行时钟线，用于在系统编程）l P2.0P2.7：P2口的8位准双向I/O端口。在访问片外存储器时，它输出高8位地址，即A8A15。在不做总线时，也可以作为普通I/O口使用。在对闪存编程和验证程序时，它输入高8位地址。l P3.0P3.7：P3口的8位准双向I/O端口。这8个引脚都具有专门的第二功能，如表2-2。表2-2 P3口各位的第二功能P3口的各位第二功能的名称及作用P3.0RXD（串行口输入）P3.1TXD（串行口输出）P3.2（外部中断0输入）P3.3（外部中断1输入）P3.4T0（定时/计数器0的外部输入）P3.5T1（定时/计数器1的外部输入）P3.6（片外数据存储器写选通控制输出）P3.7（片外数据存储器读选通控制输出）2.3.2 电源模块设计电源电路为整个控制电路提供电源，是电路设计不可缺少的一部分。电源电路的稳定性决定着整个电路的可靠程度。在本设计中，整个系统控制电路需要+5V的电源。把市电交流220V经过变压器降压为交流12V，在通过二极管整流、电容滤波、三端集成稳压器CW7805稳压后输出+5V直流电压89。电源电路图如图2.4所示。图2.4 电源电路2.3.3 时钟电路设计时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式，如图2.5所示。本设计用的是内部时钟方式。AT89S51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。(b) 外部振荡电路(a) 内部振荡电路图2.5 时钟电路2.3.4 外部复位电路设计AT89S51单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。AT89S51单片机的外部复位电路有：（a）上电复位。上电复位电路是一种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。为了保证系统安全可靠的复位，RST引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。（b）按键电平复位。在上电复位的基础上，在复位电容上并接一个串电阻的按键即可，当按键按下时RST引脚高电平，单片机复位。复位如图2.6所示。为了调试方便，本设计采用了按键复位电路。(a) 上电复位(b) 按键电平复位图 2.6复位电路2.3.5 温度检测电路设计温度的检测传感器很多，传统的测温元件有热电偶和热电阻，而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。根据产品的温度要求，温度精度要达到0.5，所以采用了美国DALLAS半导体公司生产的智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为55到125，分辨率最大可达0.0625。DS18B20采用单总线协议，即与单片机接口仅需占用一个I/O端口，无须任何外部元件，直接将环境温度转化成数字信号，以数字码方式串行输出，从而大大简化了传感器与微处理器的接口。1DS18B20温度传感器特性l 适应电压范围宽，电压范围在3.0V5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。l 独特的单线接口方式，它与微处理器连接时仅需一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。l 支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。l 在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。l 测温范围55125，在1085时精度为0.5。l 可编程分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125、0.0625，可实现高精度测温。l 在9问分辨率时，最多在93.75ms内把温度转换为数字；12位分辨率时，最多在750ms内把温度转换为数字，显然速度更快。l 测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。l 负压特性。电源极性接反，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。2DS18B20引脚介绍DS18B20有两种封装：三角TO-92直插式（用的最多、最普遍的封装）和八脚SOIC贴片式，封装引脚如图2.7所示。引脚说明如表2-3。表2-3 DS18B20引脚定义引脚定义GND电源负极DQ数据输入/输出脚VDD电源正极NC空(b) DS18B20Z八脚SOIC（150mil）(a) DS18B20 To-92 图2.7 DS18B20引脚封装图3DS18B20工作原理DS18B20控制指令：读ROM【33H】。读DS18B20温度传感器ROM中的编码（即64位地址）匹配ROM【55H】。发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS18B20并使之响应，为下一步对该DS18B20的读/写作准备。搜索ROM【F0H】。用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数，识别64位ROM地址，为操作各器件做好准备。跳过ROM【CCH】。忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发温度转换命令，适用于一个从机工作。告警搜索命令【ECH】。执行后只有温度超过设定值上限或下限的芯片才做出响应。以上这些指令涉及的存储器时64位光刻ROM，表2-4列出了他的各位定义。表2-4 64位光刻ROM各位定义8位CRC码48位序列号8位产品类型标号64位光刻ROM中的序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作该DS18B20的地址序列码。其各位排列顺序是：开始8位为产品类型标号，接下来48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的CRC循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一条总线上挂接多个DS18B20的目的。当主机需要对众多在线DS18B20中的某一个进行操作时，首先应将主机逐个与DS18B20挂接，读出其序列号；然后再将所有DS18B20挂接到总线上，单片机发出匹配ROM命令（55H），紧接着主机提供的64位序列（包括该DS18B20的48位序列号）之后的操作就是针对该DS18B20的。如果主机只对一个DS18B20进行操作，就不需要读取ROM编码以及匹配ROM编码了，只要用跳过ROM（CCH）命令，就可以进行操作了。DS18B20温度转换和读取指令：温度转换【44H】。启动DS18B20进行温度转换，12位转换时最长为750ms（9位为93.75ms）。结果存入内部9字节的RAM中。读暂存器【BEH】。读内部RAM中9资字节的温度数据。写暂存器【4EH】。发出向内部RAM的第2、3字节写上、下限温度数据命令，紧接该命令之后，是传送两字节的数据。复制暂存器【48H】。将RAM中第2、3字节的内容复制到E2PROM中。重调E2PROM【B8H】。将E2PROM中内容恢复到RAM中的第3,4字节。读供电方式【B4H】。读DS18B20的供电模式。寄生供电时，DS18B20发送0；外接电源供电时，DS18B20发送1。以上这些指令涉及的存储器为高速暂存器RAM和可电擦除E2PROM，如表2-5。表2-5 高速暂存器RAM寄存器内容字节地址温度值低位（LSB）0温度值高位（MSB）1高温限位值（TH）2低温限位值（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校验值8高速暂存器RAM由9个字节的存储器组成。第01个字节是温度的显示位；第2和第3个字节是复制的TH和TL，同时第2和第3个字节的数字可以更新；第4个字节是配置寄存器，同时第4个字节的数字可以更新；第5、6、7三个字节是保留的。可电擦除E2PROM又包括温度触发器TH和TL，以及一个配置寄存器。表2-6列出了温度数据在高速暂存器RAM的第0和第1个字节的存储格式。表2-6 温度数据存储格式位7位6位5位4位3位2位1位0232221202-12-22-32-4位15位14位13位12位11位10位9位8SSSSS262524DS18B20在出厂时默认配置12位，其中最高位位符号位，即温度值共11位，单片机在读取数据时，一次会读2字节共16位，读完后降低11位的二进制数转化为十进制数后在乘以0.0625才可得到实际温度值。前5位为0时，读取的温度为正值，且温度为正值时，只要将得到的数值乘以0.0625即可得到实际温度值。4DS18B20工作时序图（1）初始化a) 先将数据线置高电平1。b) 延时（该时间要求不是很严格，但是要尽可能短一点）。c) 数据线拉到低电平0。d) 延时750s（该时间范围可以在480s960s）。e) 数据线拉到高电平1。f) 延时等待。如果初始化成功则在1560ms内产生一个由DS18B20返回的低电平0，据该状态可以确定它的存在。但是应注意，不能无限地等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时判断。g) 若CPU读到数据线上的低电平0后，还要进行延时，其延时的时间从发出高电平算起（第e步的时间算起）最少要480s。h) 将数据线再次拉到高电平1后结束，时序图如图2.8所示。图2.8 初始化时序图（2）DS18B20写数据a) 数据线先置低电平0。b) 延时确定的时间为15s。c) 按从低位到高位的顺序发送数据（一次只发送一位）。d) 延时时间为45s。e) 将数据线拉到高电平1。f) 重复ae步骤，直到发送完整一个字节。g) 最后将数据线拉高到1，时序图如图2.9所示。图2.9 写数据时序图（3）DS18B20读数据a) 将数据线拉到1。b) 延时2s。c) 将数据线拉低到0。d) 延时6s。e) 将数据线拉高到1。f) 延时4s。g) 读数据线的状态得到一个状态位，并进行数据处理。h) 延时30s。i) 重复ah步骤，直到读取完一个字节，时序图如图2.10所示。图2.10 读数据时序图5DS18B20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l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2.11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。图2.11 DS18B20采用寄生电源的电路图当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10s。采用寄生电源供电方式时VDD和GND端均接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的10。2.3.6 水流检测电路由于本热水器的贮水箱容积非常小，必须做到通水通电，断水断电，因此必须对水流进行检测，防止干烧发生事故。目前国内常用的是采用LC振荡电路的接近开关，虽然技术较成熟，但因工作环境较潮湿，线圈比较容易发生短路、断路现象，故障率很高。而霍尔传感器体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1MHZ)，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀，因此在本设计中采用了霍尔传感器。霍尔器件是一种磁传感器，用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用，霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压VH，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文霍尔在1879年发现的。VH称为霍尔电压。原理图如图2.12所示。图2.12 霍尔效应和霍尔元件这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压。功能上可将它们分为霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。在此，我们采用霍尔开关器件。使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片的表面的磁感应强度敏感，为保证霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，因而必须令磁力线和器件表面垂直。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁场进行检测。用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。例如，用一个542.5(mm3)的钕铁硼II号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约2300高斯的磁感应强度8。在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。为保证霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度a在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中，霍尔片的深度在产品手册中会给出。因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检测信息。水流检测电路如果2.13所示，由开关型霍尔器件、三极管组成，当没有接通水源时，因磁钢离霍尔器件有一定的距离，无法在霍尔器件上形成足够的磁场强度，霍尔器件输出高电平，三极管Q7截止，固态继电器断开，切断了加热控制回路。当接通水源时，磁钢随水流上升至霍尔器件位置，并在霍尔器件上形成足够的磁场强度，此时，霍尔器件输出低电平，三极管导通，固态继电器导通，接通加热控制回路。图2.13 水流检测电路2.3.7 键盘显示接口电路1键盘接口按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。抖动持续时间的常长短与开关的机械特性有关，一般在510ms之间。为了避免CPU多次处理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动。本设计采用的是独立式按键，直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键占用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生互相影响。因此，通过软件检测输入引脚上的电平值，便可检测到是否有按键按下。硬件接口电路如图2.14所示，按键功能如表2-7。图2.14 按键接口电路表2-7 按键功能说明按键编号功能说明K1设置移位键，按下此键进入温度设置状态K2设置温度值“”键K3设置温度值“”键2显示接口发光二极管LED是一种通电后能发光的半导体器件，其导电性质与普通二极管类似。LED数码显示器就是由发光二极管组合而成的1种新型显示器件。数码管显示器成本低，配置灵活，与单片机接口简单，在单片机应用系统中广泛应用非常普遍。LED数码显示器有两种连接方法：（1）共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。（2）共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。在本设计中所采用的是共阳极LED数码显示器。本设计显示接口电路由4个共阳极LED数码显示管、4个9012三极管和限流电阻组成。在软件上采用动态轮流扫描方式，来控制数码管的显示。单片机的输出端口P0口通过限流电阻与数码管的阴极相连，用于控制数码管的字形显示。单片机的输出引脚P2.0、P2.1、P2.2和P2.3分别通过限流电阻和三极管与数码管的阳极相连，用于向它们提供选通信号。当端口输出低电平时，相应的三极管导通，使相应的数码管选通。当端口输出高电平时，相应的三极管截止，使相应的数码管关闭。硬件接口电路如图2.15所示。图2.15 显示接口电路2.3.8 加热及水温控制加热控制是通过单片机输出口、控制晶体三极管、从而控制固态继电器的通断即加热管的通断来完成的，硬件电路如图2.16所示。图 2.16加热控制电路水温控制是通过设定值与测量值之间的比较进行的。当接通水源时，且测量值低于设定值时，控制固态继电器的导通来控制加热管的工作，当温度达到设定值时，停止加热。为了避免加热管的频繁启停，程序设计设置了回差控制。当水温低于设定值一个回差后，才再次启动加热管工作，直至水温重新达到设定值。2.3.9 蜂鸣报警电路设计报警及指示灯电路如下图2.17所示。当用户设定的目标温度达到时，用声音的形式提醒用户，此时蜂鸣器为三声断续的滴滴的叫声。在本系统中我们为用户设计了超限报警，但温度低于用户设置的目标温度10或高于10时，蜂鸣器为连续滴滴叫声，报警指示灯闪烁。如果系统温度超过80时，系统进入故障报警，蜂鸣器连续鸣叫，报警指示灯闪烁。用户必须复位系统排除故障才能进入正常运行状态。当单片机P3.6输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器工作发出报警声。P3.6为高电平时三极管关断，蜂鸣器不工作。D7为热水器加热指示灯，P3.2低电平有效；D8为热水器保温指示灯，P3.5低电平有效；D6为报警指示灯，P3.3低电平有效。图 2.17报警及指示灯电路2.3.10上位机通信设计以单片机为主体构成的分布式数据采集和控制系统，以附加电路结构简单、工作稳定可靠而被广泛应用在工业控制系统中。目前广泛使用的单片机产品（如Intel的8031、ATMEL的89S51、 GMS97C51等系列单片机）芯片中都集成了串行通信接口。使用这些串行通信接口和RS485接口驱动芯片就可以构成总线型通信网络，从而将多台单片机系统连接成一个分布式数据采集和控制系统。这种RS485网络结构具有接口简单、灵活性好、价格低、易于控制等优点，可广泛应用于工业控制系统中。目前，在很多的分布式数据采集和控制系统中，为了克服单片机的功能不足，都引入了PC机，并采用主从式结构模式，即以PC机为主机，分布在现场的各个单片机系统为从机而组成的系统结构，其结构如图2.18所示。图2.18 上位机控制系统结构框图一般的PC机串行口为标准RS232口，根据标准规定RS232 采用负逻辑，即：逻辑“1”为5V15V，逻辑“0”为+5V+15V；另外，驱动器最大只允许有2500pF的电容负载，且通信距离受此电容限制。因此，150pF/m的通信电缆的最大通信距离为15m，若每米电缆的电容量有所减少，则通信距离即可增长。RS232传输距离较短的另一原因是其属于单端信号传送，这种传送存在共地噪声且不能抑制共模干扰，因此，RS232一般用于20m以内的通信。而对于大多数分布式控制系统来说，其通信距离一般为几十米到几千米不等，显然，RS232接口不能满足此类系统的要求，目前广泛采用的是RS485收发器。RS485收发器采用的平衡发送和差分接收具有抑制共模干扰的能力，加上收发器具有很高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，因此，传输信号可在千米以外得到恢复11。本热水器的扩展通信接口电路如图2.19所示。图2.19 通信电平转换电路2.3.11 隔电墙技术其实“隔电墙”是一种简称，它确切的表述法应是“水电阻衰减隔离法”。在一般的印象中，水是一种导体，与电接触是十分危险的。其实，任何物体都是有电阻的，因此在符合经济性原则的前提下就可能被改造成符合人们需要的器具而造福人类。“隔电墙”（即水电阻衰减隔离法）就是利用了水本身所具有的电阻（如国标规定在15时水的电阻应大于1300cm），通过对电热水器内通水管路材质的选择、管径和距离的确定形成“隔电墙”。当电热水器通电工作时，加热内胆中的水即使有电，也会在通过“隔电墙”时被水本身的电阻衰减掉而达到将电隔离的目的，在热水器进出水两端达到几乎为零的电压和0.02mh/kw以下的极微弱电流，大大优于国标0.25mA/kw的标准。采用“隔电墙”技术不仅可以阻隔电热水器本身可能产生的漏电，也可以阻隔因地线带电或水管带电而对淋浴者带来的安全威胁。第3章 软件设计本即热式电热水器温度控制