热水器节能控制系统毕业设计.doc

本科生毕业设计（论文）热水器节能控制系统毕业设计目 录第1章 绪论11.1 热水器的历史背景与发展情况11.1.1 热水器的历史背景11.1.2 国内外研究状况和成果11.2 热水器节能控制系统实现的功能2第2章 方案论证42.1 系统控制要求42.2 系统控制方案4第3章 硬件设计83.1 系统硬件设计总述83.2 单片机介绍及最小系统设计83.2.1 AT89C51单片机介绍83.2.2 单片机最小系统113.3 电源电路设计133.4 键盘接口电路设计153.5 报警电路设计163.6模数转换电路173.7水位及水温检测电路183.8显示电路设计203.9水量及水温控制电路的设计213.10时间控制电路的设计22第4章 软件设计234.1 主程序流程框图234.2 温度键盘扫描子程序244.3 预置时间键盘扫描子程序254.4 显示子程序流程图264.5 运行程序流程框图284.6 节能系统程序流程图28第5章 结论30参考文献31致谢32附录33附录34附录44II第1章 绪论1.1 热水器的历史背景与发展情况1.1.1 热水器的历史背景据不完全统计，我市城镇居民家庭以电热水器为主，占总量的60以上；从前风光无限的燃气热水器渐渐地黯然失色，市场份额仅剩不足20；新兴的太阳能热水器虽然受到安装条件的限制，但其安全、环保的性能广受消费者青睐，发展态势迅猛，市场占有率已达到15左右。于安全方面的考虑是城镇居民更多选择电热水器和太阳能热水器的主要原因。时下的商品房通风效果并不好，燃气产生的污染无法及时消除，而电热水器和太阳能热水器则基本没有这方面的忧虑。三大热水器：燃气热水器廉颇老矣；电热水器风头正劲；太阳能热水器后劲十足。电热水器的优点：易安装，不受天气的影响，不受楼层和供水管道的限制，投入小。随着技术进步和新品的开发，下置式、嵌入式等多种安装形式的电热水器先后上市，彻底摆脱了房间空间的限制。中央供水和数码智能的电热水器也已进入市场。电热水器的安全问题涉及到消费者的生命，又加上近些年的能源危机，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青睐。在当今社会，科技日新月异，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。如今的热水器产品已经绝对不是一个简单的加热器，而是科技含量高的现代化家电产品。随着我国人民生活水平的逐渐提高，其生活条件有了很大的改善，智能化电器在人们日常生活中占有比重越来越大，与家庭生活密切相关的热水器品种层出不穷，花样翻新。正是在这样的背景下，本文选择基于AT89C51单片机的电热水器节能控制的设计研究。本文目的是基于人们对现代家庭舒适、便利、安全以及多元化信息服务的需要，设计具有智能特征的电热水器控制器。选用AT89C51单片机作为控制芯片，就是为了实现电热水器的智能化，持续稳定的热水供应，自动断电的安全功能，使人们洗浴时能放心享受，利于人们的身体健康，其务实性能快速满足人们对现代生活快节奏的需求。591.1.2 国内外研究状况和成果据了解，热水器内胆最关键，如果内胆损坏就意味着整台机器报废。与其他家用产品不同的是，电热水器没有必要频繁升级换代，出于安全性和经济性的考虑，热水器的耐用性才是厂商需要绞尽脑汁的。空调的核心是压缩机，电扇的核心是电机。对于热水器来说内胆是最关键的，从一定意义来说，内胆的品质就代表热水器的品质。目前的内胆技术纷 繁复杂，但究其本质目标都是一样的：保温、耐压、不生锈、无水垢、不渗水是内胆的基本要求。市场上常见的类型有搪瓷内胆、不锈钢内胆、钛金内胆、金圭内胆等，搪瓷内胆抗疲劳性差，不锈钢内胆焊缝容易漏水，目前比较先进的内胆主要是钛金内胆。 除了对耐用性的不懈追求，智能化技术运用是今后技术发展的一个普遍趋势。燃气热水器设有自动恒温控制，停气自动关机，超水温泄压等安全保护功能，即使临时停气，仍有储存的热水使用。智能化技术的运用有两个好处，一是更方便，二是更节能，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。而在非用水时间则启动中温保温方程式，根据设定温度计算出最节能的保温温度，减小热水器内外温差，因而大大减少保温加热次数，真正做到不拔插头更省电。在节能上冰箱等家电产品已经走在了前面，热水器这种用电量很大的产品更加应该推进节能技术的普及。对于传统的电热水器行业而言，要想出现本质性的突破几乎是不可能的，而在功能上不断提升，抓住人性化需求，却是一条可行之路。而事实正是如此。阿里斯顿、比利奇、史密斯、海尔、美的争先恐后推出了超大液晶屏、电子线控、超薄时尚、双管加热、漏电保护器、防电墙、多口出水等新技术，尤其是海尔，甚至在电热水器上增加了按摩功能，专门的喷雾按摩喷嘴，让消费者可以足不出户就感受按摩的快乐。国外对智能电热水器的主要研究成果有：西门子智能电热水器，采用德国新电脑温控技术，确保出水温度均匀恒定，使沐浴成为真正的享受。西门子家电集团采用西门子在电站技术上的强大防漏电安全技术为基础，开发出独有的ELCB德国安全专家模式功能。除具有正常的防漏电装置外，还具备安全电流自我检测功能，随时检测防漏电系统是否正常工作，双重保险将个体与电源完全分开，杜绝意外发生。樱花IMES智能记忆节能系统，突破了传统单时段节能模式，提供了独一无二的三时段定时预热和七种供水模式，其工作过程“聪明伶俐”，它不断自动存储、分析主人近一个月用水的具体数据，以最经济的模式提前为主人准备热水，真正实现全天候节能供水。特别是还具备体贴的停电数据保留功能，就算停电48小时，也能自动记忆所有参数，让主人毫无后顾之忧。全新的智能中温保温功能，彻底弥补了传统中温保温的缺陷，根据设定水温、环境、季节的不同，自动选择最节能的保温状态，避免固定中温技术大幅度温差造成不必要的浪费，缩短加热时间，切实做到省电节能。配合特有超厚高密度聚氨脂发泡层，节能指标全面达到国家专业标准，当然倍受信赖。完美的节能系统整合，把IMES智能记忆作为系统节能的核心，将各种节能的细节整合到尽善尽美，智能记忆与自动加热技术的融合应用，自动加热、实时加热、定时加热三种工作模式任意选择。 就中国的具体情况而言, 其研究成果虽稍逊于国外，但是学者们也在努力寻求技术的突破，比如海尔就走在了同行的前面。近日，海尔推出了一款全新产品银海象A6智能专家，成为国内第一款具备记忆和计算能力双重智能的热水器。能记是A6的最大特色。它独有的断电自动记忆功能，即使突然停电，系统也会将之前设置的参数自动保存，从而在来电开机时仍保持原有设计，无需重新设置，方便简单。会算是A6的又一特色。许多热水器也有预约功能，但预约的都是加热时间。用户一般不知道该提前多长时间加热，因此不是早了就是晚了。而A6产品只需设定好你的洗浴时间即可。它会自动根据当前的室温及水温计算好所需的加热时间，并自动提前加热，从而可以最大限度的减少用电损耗。 除了能记会算，A6的外观也独具一格。它使用LED超大显示屏，清晰明了；同时，A6引入无线智能遥控技术，不仅使热水器安装彻底摆脱了高度的限制，操作更自由方便。另外，A6采用了下倾式控制面板，实现半隐藏式安装，使浴室装修更完美。 此外，A6的节能效果同样出色，智能预约、中温保温、分层加热等让您省钱到家。实验证明，仅中温保温一项技术，就能在24小时内节能约0.33度。如深圳市明佳实业发展有限公司获得了19项热水器发明专利的授权。在热水器研发中模拟大自然中的负离子功效，利用热水器的电能、空气气压、水压形成的势能和动能，作用于空气或水中的水分子使其发生破裂，使空气中带负电荷的氧分子和微小的水分子结合，生成大量的负离子。1.2 热水器节能控制系统实现的功能本系统计要求完成的功能如下：（1）根据用户使用的热水量自动确定热水器水箱里的进水量；根据用户开始使用热水的时间自动确定热水器开始加热的时间；（2）水量控制误差小于1.5kg；水温控制精度小于0.5；（3）具有水温、水量显示功能及安全用水功。第2章 方案论证2.1 系统控制要求目前市场上的电热水器有连续水流式，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。而且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，因此电热水器的智能化成为必然趋势。采用单片机来实现电热水器的智能化，主要是因为其采用面向控制的指令系统，实时控制功能特别强。CPU可以直接对I/O口进行输入、输出操作及逻辑运算，并且具有很强的位处理能力，能有针对性的解决由简单到复杂各类控制任务。单片机做为嵌入式应用的微型计算机，由于其出色的性价比，极强的实用性，它取得了巨大的发展。本文是基于AT89C51单片机的电热水器节能的控制器的设计，要达到的控制要求有：（1）根据用户使用的热水量自动确定热水器水箱里的进水量；根据用户开始使用热水的时间自动确定热水器开始加热的时间。（2）水量控制误差小于1.5kg；水温控制精度小于0.5。（3）具有水温、水量显示功能及安全用水功。2.2 系统控制方案1. 控制器的选择方案一：以AT89C51单片机为控制中心的智能电热水器。AT89C51单片机具有结构简单、控制能力强、可靠性高、体积小、价格低等优点，在许多行业都得到了广泛的应用。以AT89C51单片机为核心，配以外围电路如时钟电路、复位电路、按键、显示器件即可构成节能控制系统。方案二：PIC16C72单片机为控制器件的热水器节能控制系统。PIC16C72是美国微芯(Microchip)公司推出的8/11位单片机，采用宽字节单周期指令，哈佛双总线和RISC结构，其数据吞吐量最高可达6MIPS，这几乎是其它大多数8位微控制器速度的4倍128脚封装的PIC16C72单片机内集成了以下主要功能：2KB片内ROM程序存储器，128KB数据存储器；22位I/O线；5路8位A/D转换器，2个8位，1个16位多功能计数器/定时器，1个捕捉/比较/脉宽调制(CCP)部件。以PIC16C72为控制芯片的电热水器，虽然功能很强大，但是存在一些很需要改进的地方：中断的现场保护是中断应用中一个很重要的部分由PIC16C72的指令系统中没有专门的PUSH(入栈)和POP(出栈)指令，所以要用一段程序来实现该功能。对可能用到的W寄存器和STATUS寄存器内容进行现场保护，然后在中断服务程序中对马达，继电器进行控制漏电检测报警在中断里给出，而每50ms进入一次中断，所以发生漏电时最多50ms即可切断电源1入口中断保护控制马达控制继电器如果用直流对电机进行控制，其转速太快，过调量太大，容易引起震荡。通过以上两种设计方法的比较来看，实现电热水器的节能控制可以有很多种方法。可以采用可编程序控制器PLC，各种单片机来实现。但考虑到成本控制和软硬件实现难度，采用方案一的控制系统设计，可以进一步提高电热水器的节能作用，能够保证持续的热水供应，并能够在异常情况下自动断电，可以满足人们日常生活的需要，提高了人们生活的质量。热水器将由AT89C51单片机作为控制芯片，经分析设计要求，初步确定如下图2.1所示：AT89C51温度检测电源电路加热电路水位检测显示电路报警电路进水电路时钟芯片键盘电路图2.1 基于AT89C51的热水器节能控制系统2. 温度传感器的选择温度检测的方法很多，有热电偶，热敏电阻，还有专门的集成测温传感器等。方案一：热电偶传感器是将温度变化转为电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。通常把被测温度的变化转化为敏感元件的电阻变化、电势的变化，再经过相应的测量电路输出电压或电流，然后由这些参数的变化来检测对象的温度变化。热敏电阻具有灵敏度高、体积小、较稳定、制作简单、寿命长、易于维护、动态特性好等优点。但有变化率非线性，不适合测量高温区等缺点。方案二：目前比较先进的方法是采用专门的集成测温传感器（如DS18B20），直接将温度转换成数字信号传送给单片机。这种方法显然比较先进。经比较选择方便的温度传感器DS18B20。3. 键盘电路的选择方案一：键盘选用行列式键盘，行列式键盘的接口方法，直接接口于单片机的I/O口上。键盘设置在行、列线的焦点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接+5V，被拉在高电平状态。但线路较复杂，价格较昂贵，不适用。方案二：采用独立式键盘，独立式键盘是由若干个机械触点开关构成的，把它与单片机的I/O口线连起来，通过读I/O口的电平状态，如果按键不被按下，其端口就为一种电平，如果按键被按下，则端口就为另一种电平，即可识别出相应的按键是否被按下。由于本系统按键较少，所以选择独立式键盘。4. 显示电路的选择方案一：LED数码管静态显示，多片七段译码器驱动显示，这不仅增加了成本，还需要占用单片机多个I/O口，也给电路的焊接带来了一定的困难，因此不选用这种方案作为显示模块。方案二：动态数码管显示一般用在需要多只数码管显示的场合，它采用分时的方法，让每只数码管轮流显示。采用动态显示可以大幅的降低硬件成本和电源的功耗。因为分时显示，某一时刻只有一只数码管在工作，显示驱动电路也可以分时复用。通常各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的位选线由另外的I/O口线控制。动态方式显示时各数码管轮流分时选通，要使其稳定显示必须采用动态扫描方式，即在每一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另外一位数码管，并送出相应的段码。虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以数码管同时显示的感觉。在动态显示方式下电路设计简单，所以采用。第3章 硬件设计3.1 系统硬件设计总述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、水温检测电路、水量检测电路、A/D转换器、时钟芯片等，要设计合适的接口电路。系统的硬件系统以AT89C51单片机为核心，主要分两部分：直流稳压电源和电热水器节能控制电路。直流稳压电源由变压器、整流桥、滤波电路、稳压电路组成。电热水器节能系统由单片机最小系统、报警电路、时钟芯片、键盘电路、模数转换电路和显示接口电路组成。3.2 单片机介绍及最小系统设计3.2.1 AT89C51单片机介绍AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1.AT89C51单片机主要特性1) 与MCS-51兼容2) 4K字节可编程闪烁存储器，寿命：1000次写/擦循环，数据保留时间：10年3) 全静态工作：0Hz-24Hz4) 三级程序存储器锁定5) 128*8的内部RAM6) 32条可编程I/O接口7) 两个16位定时/计数器8) 5个中断源9) 可编程串行通道10) 低功耗的闲置和掉电模式11) 片内振荡器和时钟电路2.AT89C51单片机管脚说明1) VCC：供电电压2) GND：接地3) P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。4) P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。5) P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。6) P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。7) P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号8) RST：复位输入。当振荡器复位期间时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。9) ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。10) PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。11) /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。12) XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。13) XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.AT89C51单片机振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4.AT89C51单片机芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。AT89C51单片机引脚图如图3.1所示：图3.1 AT89C51单片机引脚图3.2.2 单片机最小系统单片机最小系统,或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系，对51系列单片机来说，最小系统一般应该括：单片机、晶振电路、复位电路。晶振电路：晶振电路为单片机产生时序脉冲，单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的驱动下的进行的，时钟电路就好比人的心脏。同样，如果单片机的时钟电路停止工作，那么单片机也就停止运行了。当采用内部时钟时，连接方法如下图所示，在晶振引脚XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）引脚之间接入一个晶振，两个引脚对地分别再接入一个电容即可产生所需的时钟信号，电容的容量一般在几十皮法。单片机内部有一个高增益反向放大器，输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。而在芯片外部XTAL1和 XTAL2之间跨接晶体震荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。外接晶体（石英或陶瓷，陶瓷的精度不高，但价格便宜）振荡器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中， C1和C2的大小会对振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度特性有一定的影响。因此建议在采用石英晶体振荡器时取C=30+/-10pF，陶瓷振荡器时取C=40+/-10pF，典型值为40pF。在设计电路板时，振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近，以减小寄生电容的存在，更好的保障振荡器稳定、可靠的工作。在任何情况下，振荡器始终驱动内部时钟发生器向主机提供时钟信号，因为时钟发生器的输入是一个二分频电路，所以对外部振荡信号的脉宽无特殊要求，但必须保证高、低电平的最小宽度。复位电路：单片机的复位电路分上电复位和按键手动复位。它是利用外部复位电路来实现的。当Vcc上升时间不超过1ms（RC=），振荡器启动时间不超过10ms。在加电情况下，这个电路可以使单片机复位。在加电开机时，RST上的电压从Vcc逐渐下降，RST引脚的电位是Vcc与电容电压的差，RST上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间，以满足复位操作的要求。按键电平复位是将复位端通过电阻与Vcc相连。在按键电平复位和按键脉冲复位两种简单的复位电路中，干扰易串入复位端，在大多数情况下，不会造成单片机的错误复位，但会引起内部寄存器错误复位，这里可在复位端引脚上接一个去藕电容。需说明的是，如复位电路中R、C的值选择不当，使复位时间过长，单片机将处于循环复位状态。为了使用方便和设计电路简化及设计要求，我们采用上电复位和按键电平复位相结合的方法。复位后，单片机从0000H单元开始执行程序，并初始化一些专用寄存器为复位状态值，受影响的专用寄存器如表3.1所示：表3.1 专用寄存器状态表寄存器状态寄存器状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0 - P3FFHSCON00HIPxxx00000HSBUF不确定IE0xx00000HPCON0xxx0000HTMOD00H 单片机最小系统如图3.2所示：图3.2 单片机最小系统3.3 电源电路设计电源电路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。根据调整元件与连接方法，可分为并联型和串联型；根据调整元件工作状态不同，可分为线性和开关稳压电路。本文中采用了线性工作状态的线性集成稳压电源。直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路及稳压电路所组成。如图3.3所示：电源变压器整流电路滤波电路稳压电路输入电压U1输出电压U2图3.3 直流稳压电源各个部分简介：1) 电源变压器电源变压器作用是将电网220V的交流电压U1变换成整流滤波电路所需的交流电压U2。变压器副边与原边的功率比P2/P1=，式中为变压器的效率。2) 整流电路 整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压。常用的整流电路有全波整流电路、半波整流电路、桥式整流电路及倍压整流电路。小功率直流电源因功率比较小，通常采用单相交流供电。由于桥式整流电路克服了半波整流的缺点，在桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每个二极管的平均电流仅为负载电流的一半，与半波整流电路相比较，其输出电压提高，脉动成分减少。3) 滤波电路滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份，合之成为平滑的直流电压。整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路，以滤去交流成分。滤波电路常见的有电容滤波电路、电感滤波电路及型滤波电路。本文采用电容滤波电路。电容滤波电路主要利用电容两端电压不能突变的特性，使负载电压波形平滑，故电容应与负载并联。桥式整流电路带电阻负载时的输出直流电压U0=0.9V，接上电容滤波后，空载时的输出直流电压U0=UC=U2。所以，接上负载时的桥式整流电容滤波电路的输出电压介于上述两者之间，其大小与放电时间常数RLC有关，RLC越大，U0越大。4) 稳压电路稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。由于三端式稳压器只有三个引出端子，具有应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而广泛应用。三端式稳压器有两种，一种称为固定输出三端稳压器，另一种称为可调输出三端稳压器。它们的基本组成及工作原理都相同，均采用串联型稳压电路。5) 三端固定输出集成稳压器通用产品有CW7800T系列和CW7900系列a) 正压系列：CW7800系列，该系列稳压块有过流、过热和调整管工作保护，以防过载而损坏。一般不需要接元件即可工作，有时为改善性能也会加少量元件。b) 负压系列：CW7900系列与CW7800系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其它特点都相同。6) 稳压电源的技术指标一是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整流器率）、输出电阻、温度系数及纹波电压等。 +5V电压也是利用三端稳压集成电路得到的，采用7805芯片。其用法和LM317差别不大，电源电路如图3.4所示:图3.4 电源电路与单片机的连接3.4 键盘接口电路设计 本毕业设计是采用独立式按键。独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占一根I/O口线，每根I/O口线上的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态，独立式按键查询方式如图3.5所示： AT89C51 O/I+5图3.5 独立式按键查询方式独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键较多时，I/O口浪费较大。故在按键数量不多时，常采用这种按键电路。按键输入均采用低电平有效，此外，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。当I/O口线内部有上拉电阻时，外电路不可接上拉电阻。独立式按键的软件常采用查询式结构。先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。采用键盘电路来控制水量的设置。本系统一共采用四个按键，分别为加一键、减一键、功能切换键、复位键。键盘电路和单片机连接如图3.6所示：图3.6 键盘电路与单片机连接3.5 报警电路设计热水器工作环境潮湿，为了保证使用者安全，控制器应具备漏电检测功能。在正常情况下，采用发光二极管、三极管、蜂鸣器等电子元件。在单片机接收到漏电信号，则停止加热和键盘操作，结束程序并发出报警信号，蜂鸣器连续呜响。报警电路与单片机连接如图3.7所示：图3.7 报警电路与单片机连接3.6模数转换电路模数转换器是把模拟信号转换为数字信号，通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。本毕业设计采用的转换器为ADC0809。ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。IN0IN7为8条模拟量输入通道，ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 数字量输出及控制线：11条ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（），VREF（）为参考电压输入。地址输入和控制线：4条ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如3.2表所示：表3.2通道选择CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809应用说明：1) ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连2) 初始化时，使ST和OE信号全为低电平3) 送要转换的那一通道的地址到A，B，C端口上4) 在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号5) 是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断6) 当EOC变为高电平，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了ADC0809与单片机连接如图3.8所示：图3.8 ADC0809与单片机连接3.7水位及水温检测电路1. 水位检测电路水位检测为三个并联的不同阻值的电阻，电路的电极电流较小(几个微安)，电腐蚀小，适用水电阻变化范围大(几K一100K欧)。某电阻所在水位未到达，电阻截止；水位到达，电阻导通，组成并联电路。将不同阻值所分得的电压经PTB1转换后，可判断出水位信息（高、中、低、干烧）。水位检测电路如图3.9所示：图3.9水量检测电路2. 水温检测电路DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式；温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20与单片机连接如图3.10所示：图3.10 DS18B20与单片机连接如图3.10所示DS18B201) 2脚DQ为数字信号输入/输出端2) 1脚GND为电源地3) 3脚VDD为外接供电电源输入端3.8显示电路设计本毕业设计显示电路采用六位共阳极LED数码管来显示测量得到的温度值和水位值。LED数码管能在低电压下工作，而且体积小、重量轻、使用寿命长，因此本文选用此数码管作为显示器件。一个LED数码管只能显示一位的字符，如果字符位数不止一位，可以用几个数码管组成，但要控制多位的显示电路需要有字段控制和字位控制，字段控制是指控制所要显示的字符是什么，控制电路应将字符的七段码通过输出口连接到LED的ag引脚，是某些段点亮，某些段处于熄灭状态。字位控制是指控制在多位显示器中，哪几位发光或那几位不发光，字位控制则需要通过字位码作用于LED数码管的公共引脚，是某一位或某几位的数码管可以发光。数码管显示电路分为动态显示和静态显示。 静态显示方式是指每一个数码管的字段控制是独立的，每一个数码管都需要配置一个8位输出口来输出该字位的七段码。因此需要显示多位时需要多个输出口，通常片内并口不够用，需要在片外扩展。动态显示又称为扫描显示方式，这样在某一时刻某一位数码管就会被点亮，并显示出相应的字符。下一时刻改变所显示的字位和字段码，点亮另一个数码管，显示另一个字符。最后一次扫描轮流点亮其他数码管，只要扫描速度快，利用人眼的视觉残留效应，会使人感觉到几位数码管都在稳定的显示。本文采用的是动态循环显示水温和水量，LED数码管如图3.11所示：图3.11 LED数码管电路3.9水量及水温控制电路的设计采用AT89C51单片机作为核心控制器控制水量和温度，用户可用键盘电路设定要用水的时间，在用水的前半小时，温度传感器检测实际水箱中的水温，并用此和用户设定的水温进行比较，来加热水。热水器可以在非用水时段根据水量检测器所测得的水量与用户测定的水量进行比较，来开启进水阀门，确定进水的多少。水量控制电路和温度控制电路如图3.12所示：图3.12水量和水温控制电路与单片机连接3.10时间控制电路的设计为了达到节能的目的，本文采用灵活的时间调控设计，用户可根据自己用水的时间来提前预定加热，在非用水时段，热水器断电，达到节能的目的。在硬件上的设计是采用PCF8563时钟芯片。PCF8563是PHILIPS 公司推出的一款工业级内含I2C 总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。PCF8563有16个8位寄存器，其中包括：可自动增量的地址寄存器、内置32.768kHz的振荡器（带有一个内部集成电容）、分频器（用于给实时时钟RTC提供源时钟）、可编程时钟输出、定时器、报警器、掉电检测器和400kHz的I2C总线接口。所有16个寄存器设计成可寻址的8位并行寄存器，但不是所有位都有用。PCF8563的主要功能：1) 宽电压范围 1.05.5V， 复位电压标准值Vlow=0.9V2) 超低功耗：典型值为 0.25uA (VDD=3.0V,Tamb=25)。3) 可编程时钟输出频率为：32.768KHz 、1024Hz 、32Hz 、1Hz4) 四种报警功能和定时器功能5) 内含复位电路、振荡器电容和掉电检测电路6) 开漏中断输出7) 400kHz I2C总线(VDD=1.85.5V)，其从地址读 0A3H;写 0A2HPCF8563与单片机连接如图3.13所示：图3.13 PCF8563与单片机连接第4章 软件设计软件设计由主程序，键盘扫描子程序及若干功能模块子程序组成。其中主控制器子程序包括A/D转换子程序（水位），键盘处理及显示子程序，加热控制子程序（使用输出比较功能），报警子程序等组成。主程序要先初始化系统的工作参数，主要是单片机的定时器， A/D转换、端口、键中断等的工作模式参数设定，之后系统主程序循环调用各个功能模块子程序，对相关事件的处理依靠标志位和判断标志位实现。4.1 主程序流程框图主程序在热水器开始运行时，先扫描是否有键盘输入。若无键盘输入，则按事先热水器内预置的温度、时间、水量开始工作。若有键盘输入，则按照输入的数值进行水量、温度、加热时间的设定，并且循环此操作，不断地根据用户的需求来进行数据的设定。主程序流程图如图4.1所示：开始按默认值运行键盘按下了吗？判定是温度键还是时间键按新的设定温度/时间值运行键盘按下了吗？NYYN图4.1 主程序流程图4.2 温度键盘扫描子程序当系统检测到在温度模式下时检测是加一键还是减一键，若是加一键，则从预置温度的基础上加一。若是减一键，则在预置温度的基础上减一。并按新的设定值进行温度的加热，并且继续循环扫描，根据用户不同的需求来进行不同的温度加热。开始按键扫描有温度键按下吗？按下温度+键吗？预置温度加一预置温度减一YNYNY按下温度键吗？N图4.2 温度键盘扫描子程序流程图4.3 预置时间键盘扫描子程序当模式键切换到时间设定模式下时，进行加热时间的设定。加热时间可根据用户自己用水的时间不同，来自由的设定。分别有加减键。当加键按下时时间加五分钟，当有减键按下时温度减五分钟。系统来根据用户设定的时间来进行自动加热，系统循环此操作来判断用户设定的时间。时间键盘扫描子程序流程图如图4.3所示：开始按键扫描有时间键按下吗？按下时间+键吗？按下时间键吗？预置时间加五预置时间减五YNYYNN图4.3 时间键盘扫描子程序流程图4.4 显示子程序流程图系统在开始时首先进行现场保护，确定所选用的寄存器，将代码送入所确定的寄存器，系统判断是否显示完全，如果没有显示完全，则继续执行上诉操作。若显示完全，则送入显示管进行显示。之后恢复现场，显示结束。显示子程序流程图如图4.4所示：开始现场保护确定寄存器将代码送入P1口将代码送入P2口调延判断显示完了吗？恢复现场结束NY图4.4 显示子程序流程图4.5 运行程序流程框图系统在运行时，首先检查水位是否低于设定值，若低于则进行进水。再进行温度的检测，若温度低于设定值，则进行加热。并且循环检测，当温度达到设定值时，停止加热，系统断电。运行流程图如图4.5所示：开始水位低于设定值吗？水温低于设定值吗？水温高于设定值吗？进水通电加热断电NNNYYY图4.5运行程序流程图4.6 节能系统程序流程图本文的节能功能体现在，可根据不同用户用水时间的不同来设计。具有较高的灵活性。在系统开始时，按事先设定的时间运行，并且系统检测是否进行了，新的设定，若有则按照新的时间进行加热，若没有则继续按照原始设定时间进行加热。节能系统流程图如图4.6所示：开始设定时间是否有时间键按下按新的时间操作NY图4.6 节能系统流程图第5章 结论本课题的设计是基于单片机的热水器节能控制系统，这是电子技术在人们生活的应用，也是节能环保与生活相容的成果。文章从硬件和软件两方面进行了介绍。 在硬件方面的设计主要是对硬件个部分电路的设计，包括水温检测电路、水位检测模块、加热电路、键盘电路、报警电路、电源电路、时间控制电路等。并详细分析了各个模块的组成及作用，介绍了所用主要芯片的特性及用法，简述了模块设计时的注意事项。软件部分包括每个部分程序流程图如主程序流程图、温度键盘扫描子