步进电热水器.doc

山东理工大学山东理工大学 毕毕业业设设计计 毕业生姓名毕业生姓名 孔青孔青 专业专业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 学号学号 09220410490922041049 指导教师指导教师 刘刘 连鑫连鑫 所属系 部 所属系 部 电气与电子工程学院电气与电子工程学院 i 摘摘 要要 随着生活节奏的加快人们对高品质生活的要求越来越高 步进式电热水器省时 安全的特性越来越被人们所认可 随着用电环境的改善 不少新建楼房 办公地点 都可以安装步进式电热水器 这催生了步进式电热水器的快速增长 本设计的步进式电热水器控制系统以单片机为核心 辅以遥控 显示电路 利 用目前较为先进的集成测温传感器 DS18B20 该温度传感器能直接将温度转换成数 字信号供单片机直接处理 且硬件连接极为简单 方便精确 对于加热部分的控制 本文采用了继电器控制 单片机对继电器线圈发信号 控制其线圈上电与否 从而 通过触点通断控制加热丝是否加热 为了在水位过低时防止水箱发生干烧的状况 设置了防干烧报警电路和防干烧加热及时断电电路 步进式电热水器它体积小 重量轻 要使用热水时 采用逐层沸腾再逐层底部 进水加热 完全实现冷热水分离 决无 阴阳水 单片机控制确保仅一次沸腾 避 免重复加热 可逐层进水逐层加热 每次进水约 2 4L 因而可连续提供开水 避免 了传统开水器整箱水烧开后才可取水的等待时间 只要从开水口能接出水 不论停 电与否 永远是开水 即使温度低 也是凉开水 因此它省时 省电 省水 安全 的优点决定了它必成为未来热水器的主流 关键字 单片机 温度传感器 DS18B20 步进式热水器 温度继电器 ii AbstractAbstract With the quickening pace of life on the high quality of life people have become increasingly demanding time saving step type electric water heater security features more and more people recognized With the power to improve the environment many new buildings office locations stepper type electric water heater can be installed which gave birth to the step type electric water heater rapid growth The design of the stepper type electric water heater control system microcontroller as the core supplemented by remote control display circuit the use of more advanced integration of the current temperature sensor DS18B20 the temperature sensor can be directly converted into a digital signal for the temperature directly SCM and hardware connection is very simple convenient and accurate control for the heating part we use a relay control microcontroller signals the relay coil to control the coil on the power or not so off control by contact heating wire is heated In order to prevent the water tank when the water level is too low occurrence of dry conditions set the alarm circuit and anti anti dry dry heating time off the circuit Stepper type electric water heater is small light weight want to use hot water boiling layer by layer and then layer the bottom of the water heating the full realization of hot and cold water separation must not yin and yang of water SCM control to ensure that only a boil to avoid repeated heating water layer can be heated layer by layer each water about 2 4L which provides continuous hot water to avoid the traditional water boilers FCL only after the water intake of water to boil waiting time as long as the port to take water from the water regardless of power or not will always be water even if the temperature is low also the cold water So it save time and electricity water security it must determine the advantages of water heater become the mainstream of the future Keywords Microprocessor Temperature sensor DS18B20 Stepping electric water heater Temperature relay iii iv 目目 录录 第一章 绪论 1 1 1 选题目的和意义 1 第二章 热水器发展情况 1 第三章 本设计研究的内容和所做的工作 2 第二篇 元件选择 3 第一章 80C52 单片机的介绍 3 第二章 共阳极数码管的结构和工作原理 5 第三章 其它元件的介绍 6 第三篇 方案论证 7 第四篇 系统硬件电路设计 8 第一章 加热控制电路 12 第二章 温度检测电路 12 第五篇 硬件电路制作 23 第六篇 控制系统的软件设计 24 第一章 主程序 24 第二章 显示扫描子程序 24 第三章 按键扫描处理子程序 24 第四章 加热控制程序 24 第五章 温度检测程序 25 第七篇 控制程序编制和调试 33 第八篇 硬件和软件综合调试及性能分析 44 结 论 46 一 工具书 47 1 第一章 绪论 1 1 选题目的和意义 据不完全统计 我国大部商用热水器以电热水器为主 而电热水器最近几年发 展迅速 先后出现储水式 即热式 步进式电热水器 储水式热水器虽然比较方便 实用 但它采用双筒结构不仅体积庞大易形成水垢 而且还会加热出危害人身体健 康的阴阳水 加之耗电量大不保温水量又小 仅适合家用 即热式热水器虽有很多 好处 加热时间快 出水量大 热水不受水量限制 使用方便 但是缺点是功率大 对安装的线路要求高 并且还有一个致命的缺点 千滚水 现代人越来越追求生活 品质 对安全健康的要求也越来越高 因此杜绝阴阳水和千滚水提高饮水质量及提 高加热效率是目前急电加热开水器中需解决的问题 正是在这样的背景下 本设计 基于 AT89C52 单片机智能化步进电热水器设计研究 本课题是基于人们对现代化工作生活的舒适 安全 高品质服务的需要 属于 AT89C52 单片机设计具有智能特征的步进式商用电热水器控制器 选用 AT89C52 单片机为控制芯片 就是为了实现电热水器的智能化 从软件编 程上实现持续稳定的安全热水供应和自动的断电的安全功能 使人们能用上放心安 全的热水 利于人们的身体健康 其务实性能快速满足人们对现代化和高品质生活 的需求 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 燃气式热水器为辅 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 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 步进式商用电热水 器的问世是电热水器领域一次新的进步 它具有使用安全 卫生 健康不受水压限 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 器的升级产品 是家庭 商务办公 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 2 长势头 本设计主要通过 STC89C52 单片机来实现对电热水器的温度 水位显示及加 热控制和继电保护 STC89C52 单片机体积小 结构简单 功耗小且兼容了 51 单片 机所有性能 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 2 电热水器研究发展情况热水器研究发展情况 电热水器的发展大体经历了传统式电热水器 即开保温 即开即热式电热水器 就其各自 的特点我们做了如下具体对比研究 传统式电热水器模拟图 从图中我们可以形象的看出 这种热水器是采用上层补冷水 下层加热并出热水的模式 但是这种加热方式就不可避免的会冷热水混合 造成人们饮用 阴阳水 对身体健康很不利 此外 它采用储水式不仅体积庞大而且加热很慢 耗时耗电耗水 随着人们生活节奏的加快 人们又研究出一种即热式热水器 其模拟图如下 3 这种加热方式采用下层补冷水上层出热水的方式 较有效排除了阴阳水 但是这种 热水器加热腔较细 长时间使用易形成水垢不易清洗 严重会造成出水堵塞 经研 究这种即开即热式热水器的加热功率是当前它最致命的缺点 一般办公场地的电压 都是市电 220V 而它的加热功率很大约为 18KW 会使小范围内电压降低 造成负 荷不平衡 因此基于以上电热水器发展过程的调查研究 为满足当下人们生活快节奏 对节 约水电和健康的要求越来越高 这种安全节约步进式电热水器应运而生 并且会逐 渐成为热水器的主流 其模拟图如下 步进式电热水器采用逐层底部进水加热 热水逐层向上进入开水储水箱 不仅实现 冷热水有效隔离 并且软件控制确保所补的水只加热一次 避免重复加热造成的 千滚水 现象 这种热水器控温准确 出水恒定在 96 99 可有效杀死水中 的细菌 此外 该种热水器还可以实现连续出开水 采用这种步进逐层加热技术 取水后立即补水加热 每次进少量的水 不仅能连续供开水避免传统热水器加热等 待时间 而且这种加热方式所耗功率也比较小 工作很稳定 1 3 本设计研究的内容和所做的工作 一 由水温检测测得的温度来控制逐层补水和加热 二 用液晶显示出水温度 水位状况 三 温度测试显示范围为 00 99 精度为 0 5 4 四 水位检测时间小于 0 3 秒 检测精度 0 5mm 五 设置红外遥控接收头 遥控器分别为电源开关键 键和 键 按 键依次递增至 9 档 按 键 五 水位低于设定最低水位时蜂鸣器报警 并立即停止加热 防止干烧 主要工作过程 第二章 元件选择 2 1 STC89C52 单片机的介绍 STC89C52 是一种带 8K 字节闪烁可编程可檫除只读存储器 FPEROM Flash Programable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 COMOS8 的微处 理器 该器件采用 ATMEL 搞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 STC89C52 主要功能如表一所示 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系统8K 可反复擦写 Flash ROM 32 个双向 I O 口256x8bit 内部 RAM 3 个 16 位可编程定时 计数器中断时钟频率 0 24MHz 2 个串行中断可编程 UART 串行通道 2 个外部中断源共 6 个中断源 2 个读写中断口线3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能 表一 STC89C52 主要功能 STC89C52 特点 1 增强型 6 时钟 机器周期 12 时钟 机器周期 8051CPU 2 工作电压 5 5V 3 4V 5V 单片机 3 工作频率范围 0 40MHZ 相当于普通 8051 的 0 80MHZ 实际工作频率可达 48MHZ 5 4 用户应用程序空间 4K 8K 15K 16K 20K32K 64K 字节 5 片上集成 512 字节 1280 字节 RAM 6 通用 I O 口 32 36 个 复位后为 P1 P2 P3 P4 是准双向口 弱上拉 普通 8051 传统 I O 口 P0 口是开漏输出 作为总线扩展用时 不用加上拉电阻 作为 I O 口用时 需加上拉电阻 7 ISP 在系统可编程 IAP 在应用可编程 无需专用编程器可通过串口 P3 0 P3 1 直接下载用户程序 8K 程序 3 秒即可完成一片 8 EEPROM 功能 9 看门狗 10 内部集成 MAX810 专用复位电路 外部晶振 20M 以下时 可省外部复位电路 11 共 3 个 16 位定时器 计数器 12 外部中断 2 路 下降沿中断或低电平触发中断 Power Down 模式可由外部中断 低电平触发中断方式唤醒 13 通用异步串行口 UART 14 工作温度范围 0 75 40 85 10 本设计选用 STC 系列主要是因为 STC89C52 中有 2K 的 EEPROM 可用于断电保护 这样就不需要再外部扩展 EEPROM 2 2 液晶显示的结构和工作原理 2 2 1 基本特征 液晶显示模块 LCM 一般都内置 LCD 驱动器 其采用控制指令来进行显示 控制 本设计采用 HS12864 15 系列中文图形液晶模块 该模块的主要特性由其控 制器 ST7920 决定 ST7920 同时作为控制器和驱动器 它可提供 33 路 com 输出和 64 路 seg 输出 在驱动器 ST7921 的配合下 最多可驱动 256 32 点阵液晶 HS12864 15 系列硬件特性如下 提供 8 位 4 位并行接口及串行接口可选 并行接口适配 M6800 时序 自动电源启动复位功能 内部自建振荡器 64 16 位字符显示 RAM DDRAM 最多 16 字符 4 行 LCD 显示范围 6 16 2 行 2M 位中文字型 ROM 总共提供 8192 个中文字型 16 16 点阵 16K 位半宽字型 ROM 总共提供 126 个西文字型 16 8 点阵 64 16 位字符产生 RAM 软件特性如下 文字与图形混合显示功能 画面清除功能 显示开 关功能 光标显示 隐藏功能 显示字体闪烁功能 光标移位功能 显示移位功能 垂直画面旋转功能 反白显示功能 休眠模式 该设计选用 ST7920 0B 内建 GB 码简体中文字型库 2 2 2 HS12864 15 与单片机的接口与单片机的接口 功能描述名称型态电平 并口 串口 VCCI 模块电源输入 未注明为 5V GNDI 电源地 V0 I 对比调节端 VEE I 液晶驱动电压输出端 或名 Vout PSB IH L并口 串口选择 H 并口 L 串口 RST IH L复位信号 低有效 RS CS IH L寄存器选择端 H 数据 L 指令片选 高有 效 R W SID IH L读 写选择端 H 读 L 写串行数据线 E SCLK IH L使能信号串行时钟输 入 7 DB0 DB3I OH L数据总线低四位空接 DB4 DB7I OH L数据总线高四位 4 位并口时空 接 空接 LEDA I 背光正 或名 A BLA LEDK I 背光负 或名 K BLK 2 2 3 ST7920 内置硬件说明 1 中文字型产生 ROM 及半宽字型 ROM ST7920 的字型产生 ROM 通过 8192 个 16 16 点阵的中文字型 以及 126 个 16 8 点阵的西文字符 它用 2 个字节来提供编码选择 将要显示的字符的 编码写到 DDRAM 上 硬件将依照编码自动从 CGROM 中选择将要显示的字型显示 在屏幕上 2 字型发生 RAM ST7920 的字型产生 RAM 提供用户自定义字符生成 造字 功能 可提 供 4 组 16 16 点阵的空间 用户可经 CGROM 中没有的字符定义到 CGRAM 中 3 显示 RAM DDRAM 显示 RAM 提供 64 2 字节的空间 最多可以控制 4 行 16 字的中文字型显 示 当写入显示资料 RAM 时 可以分别显示 CGROM HCGROM 及 CGRAM 的字型 三种字型的选择 1 显示半宽字型 将一个字节的编码写入 DDRAM 中 范围是 02 7FH 2 显示 CGRAM 字型 将 2 个字节的编码写入 DDRAM 中 共有 0000H 0002H 0004H 及 0006 四种编码 3 显示中文字型 将 2 字节的编码写入 DDRAM 中 先写高 8 位 后写低 8 位范 围是 A140H D75H A1A0H F7FFH 模块主要硬件构成说明模块主要硬件构成说明 控制器接口信号说明 控制器接口信号说明 1 1 RSRS R WR W 的配合选择决定控制界面的的配合选择决定控制界面的 4 4 种模式 种模式 RSR W 功能说明 8 LL MPU 写指令到指令暂存器 IR LH 读出忙标志 BF 及地址记数器 AC 的状态 HL MPU 写入数据到数据暂存器 DR HH MPU 从数据暂存器 DR 中读出数据 2 2 E E 信号信号 E 状态执行动作结果 高 低I O 缓冲 DR配合 W 进行写数据或指 令 高DR I O 缓冲配合 R 进行读数据或指令 低 低 高无动作 忙标志忙标志 BF BF BF 标志提供内部工作情况 BF 1 表示模块在进行内部操作 此时模块不接受外部 指令和数据 BF 0 时 模块为准备状态 随时可接受外部指令和数据 利用 STATUS RD 指令 可以将 BF 读到 DB7 总线 从而检验模块之工作状态 字型产生字型产生 ROMROM CGROMCGROM 字型产生 ROM CGROM 提供 8192 个此触发器是用于模块屏幕显示开和关的控 制 DFF 1 为开显示 DISPLAY ON DDRAM 的内容就显示在屏幕上 DFF 0 为关显示 DISPLAY OFF DFF 的状态是指令 DISPLAY ON OFF 和 RST 信号控制的 显示数据显示数据 RAMRAM DDRAMDDRAM 模块内部显示数据 RAM 提供 64 2 个位元组的空间 最多可控制 4 行 16 字 64 个字 的中文字型显示 当写入显示数据 RAM 时 可分别显示 CGROM 与 CGRAM 的字 型 此模块可显示三种字型 分别是半角英数字型 16 8 CGRAM 字型及 CGROM 的 中文字型 三种字型的选择 由在 DDRAM 中写入的编码选择 在 0000H 0006H 的编 码中 其代码分别是 0000 0002 0004 0006 共 4 个 将选择 CGRAM 的自定义字型 02H 7FH 的编码中将选择半角英数字的字型 至于 A1 以上的编码将自动的结合下 9 一个位元组 组成两个位元组的编码形成中文字型的编码 BIG5 A140 D75F GB A1A0 F7FFH 字型产生字型产生 RAM CGRAM RAM CGRAM 字型产生 RAM 提供图象定义 造字 功能 可以提供四组 16 16 点的自定义图象 空间 使用者可以将内部字型没有提供的图象字型自行定义到 CGRAM 中 便可和 CGROM 中的定义一样地通过 DDRAM 显示在屏幕中 地址计数器地址计数器 ACAC 地址计数器是用来贮存 DDRAM CGRAM 之一的地址 它可由设定指令暂存器来改变 之后只要读取或是写入 DDRAM CGRAM 的值时 地址计数器的值就会自动加一 当 RS 为 0 时而 R W 为 1 时 地址计数器的值会被读取到 DB6 DB0 中 光标光标 闪烁控制电路闪烁控制电路 此模块提供硬体光标及闪烁控制电路 由地址计数器的值来指定 DDRAM 中的光 标或闪烁位置 五 指令说明五 指令说明 模块控制芯片提供两套控制命令 基本指令和扩充指令如下 指令表 1 RE 0 基本指令 指 指 令 码功 能 令 RSR WD7D6D5D4D3D2D1D0 清除 显示 0000000001 将DDRAM填满 20H 并且设定 DDRAM的地址计数器 AC 到 00H 地址 归位 000000001X 设定DDRAM的地址计数器 AC 到 00H 并且将游标移到开头原点 位置 这个指令不改变 DDRAM 的内 容 显示状 态开 关 0000001DCB D 1 整体显示 ON C 1 游标 ON B 1 游标位置反白允许 10 进入点 设定 00000001I DS 指定在数据的读取与写入时 设 定游标的移动方向及指定显示 的移位 游标或 显示移 位控制 000001S C R LXX 设定游标的移动与显示的移位 控制位 这个指令不改变 DDRAM 的内容 功能 设定 00001DLXREXX DL 0 1 4 8 位数据 RE 1 扩充指令操作 RE 0 基本指令操作 设定 CGRAM 地址 0001AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0设定 CGRAM 地址 设定 DDRAM 地址 0010AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 设定 DDRAM 地址 显示位址 第一行 80H 87H 第二行 90H 97H 读取忙 标志和 地址 01BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 读取忙标志 BF 可以确认内部 动作是否完成 同时可以读出地 址计数器 AC 的值 写数据 到 RAM 10 数据将数据 D7 D0 写入到内部的 RAM DDRAM CGRAM IRAM GRAM 读出 RAM 的 值 11 数据从内部 RAM 读取数据 D7 D0 DDRAM CGRAM IRAM GRAM 备注 当 IC1 在接受指令前 微处理器必须先确认其内部处于非忙碌状态 即读取 BF 标志时 BF 需为零 方可接受新的指令 如果在送出一个指令前并不检查 BF 标志 那 么在前一个指令和这个指令中间必须延长一段较长的时间 即是等待前一个指令确实 执行完成 六 读写时序图六 读写时序图 11 6 1 数据传输过程 8 位和 4 位数据线的传输过程 12 串口数据线模式数据传输过程 6 2 时序图 MPU 写资料到 ST7920 8 位数据线模式 MPU 从 ST7920 读资料 8 位数据线模式 由于MPU 可以直接访问模块内部的IR 和DR 作为缓冲区域 IR 和DR 在模块进 行内部操作之前 可以暂存来自MPU 的控制信息 这样就给用户在MPU 和外围控制设备的选择上 增加了余地 模块的内 部操作由来自MPU 的RS R W E 以及数据信号DB 决定 这些信号的组合形成 了模块的指令 13 本模块向用户提供了 11 条指令 大致可以分为四大类 模块功能设置 诸如 显示格式 数据长度等 设置内部 RAM 地址 完成内部 RAM 数据传送 完成其他功能 一般情况下 内部RAM 的数据传送的功能使用最为频繁 因此 RAM 中的地址指 针所具备的自动加 一或减一功能 在一定程度上减轻了MPU 编程负担 此外 由于数据移位指令与 写显示数据可同时进行 这样用户就能以最少系统开发时间 达到最高的编程效率 这里值得一提的是 在每次访问模块之前 MPU 应首先检测忙标志BF 确认BF 0 后 访问过程才 能进行 Clear display 清显示 指令码 RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB 0 0 0 0 0 0 0 00 0 1 清显示指令将空位字符码20H 送入全部DDRAM 地址中 使DDRAM 中的内容全 部清除 显示消失 地 址计数器AC 0 自动增1 模式 显示归位 光标或者闪烁回到原点 显示屏左上角 但并不改变移位设 置模式 Return home 归位 第三章第三章 方案论证方案论证 14 3 1 方案一方案一 采用键盘输入采用键盘输入 LED 显示方案显示方案 3 1 1 方框图 CPU 热电阻 测温模 块 液压检测 水位检测 模块 防干烧报警 电路 键盘输入电路 可控硅加热控 制模块 LED 显示模块 7805 稳压电源模块 A D 转换 A D 转换 图 3 1 方案一方框图 3 1 2 论证过程 此方案采用键盘显示而不是采用红外遥控控制 这是我们做显示部分所普遍采 用的方法 传统方法中利用并行输入 输出接口芯片扩展一个键盘接口 或者直接利 用单片机的并行端口进行扩展 直接使用系统中的 CPU 对显示器进行动态扫描和键 盘检测 为保证显示的稳定和键盘的及时响应 CPU 需要频繁的执行动态扫描程序 显然在 CPU 工作比较繁忙的情况下这种方法不太适用 而且在这里采用这种方式有 三大弊端 键盘和控制系统连在一起 不灵活 环境适应性差 浪费单片机端 口 且硬件成本较高 本设计是针对商务用电热水器 要求它工作稳定 一般不 要其他人随便控制 如采用键盘显示显然有诸多不便可能会误碰造成不必要的事故 该方案电源模块采用三端稳压芯片 LM7805 用其设计的是线性开关 线性稳 压电路 虽结构较简单 但在负载电流较大且输出电压较低时 其自身的功耗很大 至于测温系统采用热敏电阻组成电桥来采集信号 再经放大 A D 转换后送单片机 不仅电路模块复杂造成精度和效率都比较低 而且软件控制也较繁琐 显示部分采 15 用数码管显示虽然价格低廉 但需要同时显示温度和水位 显示所需的 LED 模块体 较大 显示不直观 水位检测采用液压式检测 不仅硬件设计要加上 A D 转换电路 而且软件还要设计计算流程 使工作量增加 对于加热模块采用双向可控硅 通过控制双向可控硅的导通角可实现功率的任意 控制 但本设计中功率较稳定用它略显浪费 并且可控硅控制是通过控制它导通角 度实现控制 通断能力可能存在滞后 用于控制加热丝加热安全性较低 3 2 本设计方案本设计方案 3 2 1 方框图 DS18B20 温度采 集检测模块 探针式水位检测 模块 干烧检测及报警 模块 STC89C52 红外遥控接收 继电器加热输出 控制模块 电路 控制电路 液晶显示电路模 块 电源及时钟电路 图 3 3 本方案方框图 3 2 2 论证过程 本方案的单片机采用 STC89C52 STC89C52 是兼容 8051 内核的单片机 是高 速低功耗的新一代 8051 单片机 由于 STC89C52 不具有红外解码的能力 因此采用 软件编程解码 红外发射芯片采用 SC6122 SC6122 是一块用于红外遥控系统的专 用集成发射芯片 采用 CMOS 工艺制造 它可外接 64 个按键 其中有三组双重按 键 本设计用到 5V 和 12V 属中小功率稳压电源 所以可采用 X34063 单片双极型 集成电路 专用于直流 直流变换器控制 片内包含有温度补偿带隙基准源 一个 16 占空比周期控制振荡器 驱动器和大电流输出开关 能输出 1 5A 的开关电流 它能 使用最少的外接元件构成开关式降压变换器 电源反向器 功耗很低 供给本系统 完全符合 采用 1602 液晶显示出水温度 既方便又直观 采用目前较为先进的集成 测温传感器 DS18B20 该温度传感器能直接将温度转换成数字信号供单片机直接处 理 且硬件连接极为简单 效率和精度相比方案一更高 加热部分采用继电器控制 加热丝加热 控制线圈通电断电响应即时 触点会立马断开 继而有效控制接通 切断加热丝加热 确保了加热丝的安全 水位检测采用探针式检测 不仅硬件电路 简单省去 A D 转换模块 而且软件控制也很简单 只需检测水位控制口电平高低即 可 大大节省了工作量 第四章 系统硬件电路设计 按步进式电热水器的功能要求 决定采用方案二中所示的模块组成系统 主要包 括电源电路 单片机控制器 DS18B20 温度检测电路 红外遥控接收电路 LCD 显示 电路 防干烧报警电路和加热控制电路 下面就具体每个模块的原理做详细的介绍 4 14 1 电源电路模块电源电路模块 图 X 5V 电源电路原理图 前面的 PIN5 是变压器 变压器为 220V 24V 15V 交流 15V 电压经整流滤波处 理以后 再经 X34063 斩波得到 再经外围电路参数设定得到 5V 的电源 因为本设 计需要给加热继电器加 12V 的直流电源 因此同理又设计了一个 12V 的电源电路 如下图所示 17 图 x 12V 电源电路原理图 经过实测 单片机上负载的最大电流为 230mA 而继电器方面最多为七个继电 器同时工作 每个继电器的吸合电流为 30mA 则第二个电源的电流可取为 210mA 5V 的电源需要的功率为 P1 5 0 23 1 15 W 我们取 1 2 W 12V 的电源需要的功率为 P2 12 0 21 2 52 W 我们取 2 5 W 需要的总功率为 P1 P1 P2 1 2 2 5 3 7 W 考虑到变压器的实际效率一般在 75 实际需要的总功率为 P0 P1 75 4 93 W 我们取 5 W 即我们选的变压器的额定功率为 5 W 上面的两个电源图中 单端电解电容 C8 的作用是滤除纹波 而 C6 的作用是为 了防止 X34063 产生自激震荡 为了消除高频噪声和改善输出的瞬态特性 即在负载 电流变化时不致引起电压较大的波动 通常集成 X34063 输出端要接一个小电容 这 便是 C3 和 C7 的作用 在电源电路设计滤波模块中 一般大电容虑低频 小电容用 来虑低频 4 24 2 水位检测电路水位检测电路 18 图 X 水位检测电路原理图 水位检测电路的设计并没有采用传统液压控制方式 避免了 A D 转换电路的设 计 既简化了电路的复杂程度 又节约了成本 本设计采用探针式采集模拟电压信 号 再经 LM393 电压比较器进行比较的水位检测电路的设计 简单实用 LM393 是双电压比较器集成电路 工作电源电压范围宽 单电源 双电源均可工 作 具体工作原理 由单片机控制选择水位检测端 首先检测水位探针 1 是否触水 若触水 采集探针至接地端子电阻约为几欧姆 经分压电路得 1 检测点电压很小 约零点几伏 并将它接于 LM393 比较器正端 该点电压与基准电压 3V 进行比较 输出端为低电平 将它送入单片机进行相应水量控制 同理 当 1 探针未触水 则 输出端为高电平 将该信号输入单片机控制进行补水 当补水达 7 探针触水时 则 输出端为低电平 将该信号送入单片机控制补水阀关闭 停止补水 从安全方面考 虑 该模块还设计防干烧检测电路 当水位低于 1 探针水位时 将比较后的高电平 直接控制加热控制继电器断电 此操作越过了单片机的控制 避免了由于程序相应 之后可能造成的水箱内出现干烧的情况 19 4 3 加热控制模块加热控制模块 4 3 1 加热原理分析 输出部分采用两个六反相器 74HC04 其输入端 1A 6A 与单片机 STC89C52 的输 出口 P1 2 P1 7 P3 3 P3 4 P0 7 相连 输出端 1Y 6Y 与用专用于驱动继电器 的芯片 MC1413 的输入端相连 MC1413 驱动后面的四个继电器 各个开关量通过继 电器的触点接通 其中四个继电器分别导通的开关量是 BAOWEN 保温 JIA 加热控制 J6 防 干烧 J5 补水控制 功率电子电路大多要求具有大电流输出能力 以便于驱动各种类型的负载 功 率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分 MC1413 便是专用于驱动 继电器的芯片 是高耐压 大电流达林顿晶体管陈列 由七个硅 NPN 达林顿管和相 应的电阻网络以及钳位二极管网络组成 可以同时驱动 7 组负载 具有电流增益高 大于 1000 工作电压高 大于 50V 温度范围宽 40 85 带负载能力强 输出电流大于 500mA 等优点 适应于各类要求高速大功率驱动的系统 MC1413 的每一对达林顿都串联一个 2 7K 的基极电阻 在 5V 的工作电压下它 能与 TTL 和 CMOS 电路直接相连 可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的 数据 MC1413 工作电压高 工作电流大 灌电流可达 500mA 并且能够承受 50V 的 电压 输出还可以在高负载电流并行运行 其管脚图如下 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 22 Jun 2007Sheet of File C PROGRAM FILES DESIGN EXPLORER 99 SE EXAMPLES MyDesign ddbDrawn By 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 MC1413 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B E 1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C COM 图 X MC1413 管脚图 它的引脚功能 1B 7B 为输入端 1C 7C 为输出端 E 为发射级 COM 为公共 端 MC1413 内部的达林顿晶体管是两个三极管组成 相当于反向一次 如果直接将 MC1413 与单片机相连 由于单片机上电复位后各端口为高电平 会使得继电器得电 吸合 造成误动作 因而在 MC1413 和单片机中间加了一个 74HC04 反向器 这样就 20 避免了上述现象 该模块各器件的选择 加热和保温控制部分的继电器采用温度继电器 它的线 圈电压为 12V 接触器有可靠的分段能力 电磁阀选 AC24V 3W 的普通电磁阀即可 加热丝选用功率为 12W 的即可 避免了以前热水器大功率耗电过大的缺点 图 X 加热控制电路原理图 图 x 放在论文中所示为加热控制电路原理图 电热丝的加热由温度继电器控制 单 片机通过控制继电器的线圈上电与否 从而控制触点通断加热丝的加热状态 当水 位过低时会立即断开温度继电器 从而停止加热丝加热防干烧 同时 单片机发出 信号控制供水继电器动作 开通电池阀进行补水 该部分还设置保温继电器进行保 温控制 4 4 防干烧报警模块 21 图 X 防干烧电路原理图 如上图所示防干烧电路 当检测到 1 水位探针未触水时 如图左上侧比 较器 6 脚其水位电压接近 5V 与 5 脚 REF 基准电压 3V 比较后 7 管脚输出 0 低电 平经 MC1413 反向后为高电平 再直接接到加热控制继电器线圈端 控制线圈断电 从而实现防干烧 与此同时 当水位过低时采集的水位电压 约 5V 同时送入另 一个 LM393 与基准电压比较后 输出高电平接至蜂鸣器电路 三极管集射导通 蜂 鸣器电路导通报警 此处直接用三级管驱动蜂鸣器 若直接采用 7 脚输出驱动三级 管来控制蜂鸣器时 受电流放大倍数的限制 蜂鸣器响声较弱 所以要外加上拉电 阻 R4 4 54 5 温度检测温度检测模块模块 该温度检测模块采用 DS18B20 进行采集 DS18B20 是美国 DALLAS 公司继 DS1820 之后推出的增强型单总线数字温度传感器 它在测温精度 转换时间 传输 距离 分辨率等方面较 DS1820 有了很大的改进 这给用户带来了更方便的使用和更 令人满意的效果 其特点如下 1 单线接口 仅需一根口线与单片机连接 2 由总线提供电源 也可用数据线供电 电压范围 3 0 5 5V 3 测温范围为 55 125 在 10 85 时 精度为 0 5 4 可编程的分辨率为 9 12 位 对应的分辨率为 0 5 0 0625 5 用户可编程的温度报警设置 6 12 位分辨率时最多在 750ms 内把温度值转换为数字量 DS18B20 的引脚功能说明 图 4 9 DS18B20 引脚图 DS18B20 的内部存储资源分为 8 个字节的 ROM 9 个字节的 RAM 3 个字节的 EEPROM 如下图 22 表 4 3 DS18B20 内部存储资源 实际操作的具体实现 DS18B20 是单总线器件 通讯协议包括几种单线信号类型 复位脉冲 存在脉 冲 写 0 写 1 读 0 读 1 所有这些信号 除存在脉冲外 其余都是由总线控制 器 单片机 发出的 根据 DS18B20 的通讯协议 主机 单片机 控制 DS18B20 完 成一次操作经过三个步骤 要对 DS18B20 进行复位操作 复位成功后发送一条 ROM 指令 最后发送 RAM 指令 这样才能对 DS18B20 进行预定的操作 本设计中 DS18B20 温度传感器接线图如下 图 4 10 DS18B20 接线图 本设计主要测两个部分的温度 一是水箱的水温 实时监测水箱内水温 另一个 是加热丝所在水位部分的水温 当检测到加热丝部分水温低于 45 时 单片机发出 控制信号控制加热电路进行加热 一般该部分水温最高不会超过 86 4 5 时钟模块设计 4 5 1 电路连接 23 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize C Date 9 Jun 2010 Sheet of File C Documents and Settings Administrator KI 6DA DDBDrawn By 5 D13 4148 D8 4148 T2 32768Hz OSC1 1 SCL 6 GND 4 OSC2 2 SDA 5 VCC 8 U26 PCF8563 BAT2 C14 104 C15 10U SCL SDA 图 4 11 时钟部分电路图 时钟显示是本步进电热水器的附加功能 其电路图如图所示 芯片采用 PCF8563 时钟芯片 OSC1 和 OSC2 接晶振 频率为 32 768KHz 这是 PCF8563 的参数 要求 BAT 为备用电池 作用是当单片机断电时 PCF8563 可由 BAT 供电 PCF8563 芯片中的时间仍能继续运行 下次开机时 显示时间与标准时间一致 避免当再次 开机时显示的还是上次断电时的时间 C14 为 104 它是小电容 作用是滤除高频杂 波 而 C15 为 10 F 的单端电解电容 一方面当 5V 电源给 PCF8563 供电时 同时 也将 C15 充满电 当 5V 电源断电时 C15 的电量足以维持 PCF8563 正常工作半个小 时 另一方面也是为了滤除低频杂波 4 5 2 时钟芯片 本设计采用的时钟芯片是PCF8563 PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟 日历芯 片 它提供一个可编程时钟输出 一个中断输出和掉电检测器 所有的地址和数据 通过I2C总线接口串行传递 最大总线速度为400Kbit s 每次读写数据后 内嵌的 字地址寄存器会自动产生增量 PCF8563特性 1 宽电压范围 1 0 5 5V 复位电压标准值 Vlow 0 9V 2 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 2 768KHz 1024Hz 32Hz 1Hz 4 四种报警功能和定时器功能 24 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 8 5 5V 其从地址 读 0A3H 写 0A2H PCF8563 管脚图 图 4 12 PCF8563 管脚图 管脚功能描述 表 4 4 PCF8563 功能表 PCF8563 有 16 个 8 位寄存器 一个可自动增量的地址寄存器 一个内置 32 768KHz 的振荡器 带有一个内部集成的电容 一个分频器 用于给实时时钟 RTC 提供源时钟 一个可编程时钟输出 一个定时器 一个报警器 一个掉电检测 器和一个 400KHz 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 前 两个寄存器 内存地址 00H 01H 用于控制寄存器和状态寄存器 内存地址 02H 08H 用于时钟计数器 秒 年计数器 地址 09H 0CH 用于报警寄存器 定义报 警条件 地址 0DH 控制 CLKOUT 管脚的输出频率 地址 0EH 和 0FH 分别用于定时器 控制寄存器和定时器寄存器 秒 分钟 小时 日 月 年 分钟报警 小时报警 日报 警寄存器 编码格式 BCD 星期和星期报警寄存器不以 BCD 格式编码 当一个 RTC 寄存器被读时 所有计数器的内容被锁存 因此 在传送条件下 可以禁止对 时钟 日历芯片的错读 4 5 34 5 3 I2CI2C 总线总线 25 PCF8563 的串行接口为 I2C 总线 I2C 总线为同步串行数据传输总线 用于单片 机的外围扩展 I2C 总线用两条线 SDA 和 SCL 在芯片和模块间传递信息 SDA 为 串行数据线 SCL 为串行时钟线 两条线必须用一个上拉电阻与正电源相连 其数 据只有在总线不忙时才可传送 I2C总线的特征如下 只要求两条总线线路一条串行数据线SDA 一条串行时钟线SCL 每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机从机关系 软件设定地址 主机可以作为主机发送器或主机接收器 I2C 总线上所有的外围器件都有规范的器件地址 器件地址由 7 位组成 它和 1 位应答位构成了 I2C 总线器件的寻址字节 寻址字节格式如下 器件地址D7 D6 D5 D4 是I2C总线外围接口器件固有的地址编码 器件出厂 时就已给定 引脚地址 器件地址 A2 A1 A0 是I2C总线为外围器件的地址端口 A2 A1 A0在电路中接电源或接地的不同而形成不同的地址数据 数据方向位 W R 规定数据传送的方向 R为接收 W为发送 2 I2C总线时序 I2C 总线上数据传递时序如下图所示 总线上传送的每一帧数据均为一个字节 但启动 I2C 总线后 传送的字节数没有限制 只要求每传送一个字节后对方回应一 个应答位 在发送时首先发送的是数据的最高位 每次传送开始必须先发送起始信 号 结束时要发送停止信号 I2C 总线为同步传输总线总线 信号完全与时钟同步 起始信号 时钟 SCL 线为高电平时 数据线 SDA 出现由高电平向低电平变化时 启动 I2C 总线 停止信号 时钟 SCL 线为高电平时 数据线 SDA 出现由低到高的电平变化时 将停止 I2C 总线数据传送 应答信号 ACK I2C 总线上第 9 个时钟脉冲对应于应答位 相