家用智能电热水器控制器(完整).doc

编编 号 号 审定成绩 审定成绩 XXXX 大学大学 毕业设计 论文 毕业设计 论文 设计 论文 题目 设计 论文 题目 家用智能电热水器控制器家用智能电热水器控制器 学学 院院 名名 称称 学学 生生 姓姓 名名 专专 业业 班班 级级 学学 号号 指指 导导 教教 师师 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载 答辩组答辩组 负责人负责人 填表时间 填表时间 年年 月月 重庆邮电大学教务处制重庆邮电大学教务处制 摘摘 要要 随着人们生活质量的提高 人们对电热水器的要求越来越趋向于智能化 和数字化 其中 电热水器控制器性能的好坏不仅是电热水器性能好坏的体 现 更关系到人身安全等重要内容 因此 电热水器控制器的设计是智能电 热水器的需要 同时也是电热水器的重要组成部分 论文首先结合当前电热水器的发展现状和发展趋势 介绍了电热水器控 制器研究的目的及意义 在确定控制参数的基础上 详细介绍了控制器的各 功能组成模块及工作原理 根据电热水器工作原理进行控制器的硬件电路设 计和软件设计 最后深入介绍了控制器的调试方法和过程 以及对整个控制 器的设计与实现工作进行总结 硬件电路设计中充分利用 51 单片机的特点 主要对水温控制 水位控制和漏电检测模块进行了详细地分析设计 其中 通过采用自制分段式水位传感器 实现了水位测量的低成本设计 对水温控 制进行了完整的理论分析和算法设计 测量精度达到 1 通过分析漏电检 测原理 在理论计算基础上设计了漏电检测电路 软件部分在硬件平台的基 础上实现电热水器的控制工作 包括液晶显示程序 按键扫描程序 水位控 制程序 温度控制程序 漏电检测程序以及声音提示程序等 本系统在软硬件设计的基础上 使用了计算机仿真演示 通过计算机仿 真 该控制器可以实现对水位控制 温度控制等功能 并能动态监测电热水 器工作状况 这也验证了此设计的正确性 精品文档 III欢迎下载III欢迎下载 关键词关键词 电热水器 漏电检测 温度控制 水位控制 精品文档 IV欢迎下载IV欢迎下载 AbstractAbstract With the improvement of quality of people s lives people s demand for water heaters tend to be more intelligent and digital Among them whether the electric water heater controller performance is good or not is not only the embodiment of the water heater performance but also related to personal safety and other important content Therefore the electric water heater controller design is not only the need of intelligent water heater but also is an important part of electric water heater Firstly with the electric water heaters current development situation and trend the purpose and significance of the electric water heater controller was introduced in this paper Based on determining the control parameters the functional component and the working principle of the controller were introduced in detail The controller hardware and software were designed by knowing the working principle of the water heaters Finally the paper described the debugging process and method in detail the design and implementation of the control system also was summarized Full use of features 51MCU in hardware design mainly analysis the water temperature control water control and leakage detection module in detail Among them the water temperature control for a complete theoretical analysis and algorithm design measurement accuracy of 1 through the use of home made sub type level sensors level measurement and display to achieve a low cost design By analyzing the leakage detection principle we design the leakage detection circuit based on the theoretical calculation Software components could control the electric water heaters based on the hardware platform which includes liquid crystal display program key scanner water level control procedures temperature control procedures leakage test procedures and procedures for voice prompts 精品文档 V欢迎下载V欢迎下载 The system use computer simulation shows based on hardware and software design Through computer simulation the controller can realize the water level detection temperature detection and other functions and can dynamically monitor the working conditions of electric water heaters which also verified the correctness of this design Key Key words words Electric water heater leakage detection temperature control water line control 精品文档 VI欢迎下载VI欢迎下载 目目 录录 前 言 1 第一章 绪论 2 第一节 电热水器发展现状及发展趋势 2 一 电热水器发展现状 2 二 电热水器控制技术历程及趋势 2 第二节 课题研究的目的及意义 3 第三节 本文研究的主要内容 4 第四节 本章小结 5 第二章 系统总体设计 6 第一节 系统概述 6 第二节 硬件总体选型 7 一 主要元器件选型原则 7 二 主要元器件选型 7 第三节 软件总体设计 8 一 单片机系统资源分配 8 二 系统软件总体设计 9 第四节 本章小结 10 第三章 系统实现 11 第一节 硬件设计 11 一 电源电路设计 11 二 单片机最小系统电路设计 12 三 人机交互电路设计 13 四 水位控制电路设计 14 五 温度控制电路设计 16 六 漏电检测电路设计 17 七 声音提示模块 19 第二节 软件设计 19 一 液晶显示程序设计 19 二 按键扫描程序设计 22 三 水位控制程序设计 23 精品文档 VII欢迎下载VII欢迎下载 四 温度控制程序设计 23 五 漏电检测及声音提示程序设计 26 六 控制策略程序设计 26 第三节 本章小结 28 第四章 系统测试与分析 29 第一节 硬件调试 29 一 静态调试 29 二 动态调试 30 第二节 软件调试 30 一 先独立后联机 31 二 先分块后组合 31 三 先单步后连续 31 第三节 仿真演示 32 一 仿真软件简介 32 二 系统仿真测试过程 33 第四节 本章小结 35 第五章 结论 36 致 谢 37 参考文献 38 附 录 40 一 英文原文 40 二 英文翻译 46 三 系统电路 51 四 源程序 52 五 其它 65 精品文档 1 欢迎下载 1 欢迎下载 前前 言言 随着国民经济的快速发展 热水器已经成为人们生活中必不可少的家用 电器之一 电热水器具有无污染 安全 保温时间长 使用方便等优点 越 来越受到消费者的青睐 有专家预计 借家电下乡等国家政策扶持 农村三 四级市场的拓展 以及行业技术升级 企业管理升级 2010 年至 2015 年我国 电热水器的需求量将呈现递增趋势 市场保有量将呈现较为平稳的增长态势 1 目前市场上有两种电热水器 连续水流式和贮水式 前者虽具有加热速 度快和体积小等优点 但功率太大 大多数家庭的供电线路难以承受 而市 场上贮水式电热水器大多数采用机械式控制器 存在控温精度低 加热时间 长 可靠性差 功能单一 操作复杂 控制不方便等不足 很多控制器只具 有水位和温度显示功能 不具有控制功能 另外 电热水器安全也是大问题 普通电热水器多采用外配漏电保护器 有漏电发生时切断电源 但一般漏电 保护器质量参差不齐 漏电保护可靠性差 需要用户人工定期测试保护可靠 性 这样用户无法实时知道漏电保护器的可靠性 针对上述情况 利用单片 机作为控制器的核心 可设计出一种多功能的电热水器控制器 本文设计了 一种智能电热水器微控制器 可以实现人机交互 水位控制 温度控制和漏 电实时检测 若漏电时可同时切断加热管及控制器电源 并发声报警提示 热水器干烧报警 控制器故障指示等多种实用功能 方便用户使用 精品文档 2 欢迎下载 2 欢迎下载 第一章第一章绪论绪论 第一节第一节 电热水器发展现状及发展趋势电热水器发展现状及发展趋势 一 电热水器发展现状一 电热水器发展现状 经过 20 多年的发展 整个热水器行业已经从最初的小而少发展到现在的 大而多 产品类型也随着技术不断成熟 由最初的燃气热水器独领风骚发展 到今天的燃气式 电热式 太阳能 空气源热泵等多种类型 随着全球经济 快速发展 中国电器制造业的迅猛发展及城市建设步伐的不断加快 为热水 科技产业带来了无限商机 目前 创新 安全 节能 高效已成为热水器行 业间竞争的焦点及发展趋势 据调查 中国热水器的普及率只有 70 左右 目前 46 6 的居民家庭 表示要在未来 5 年中购买或更换热水器 未来 5 年内我国城市热水器需求量 将平稳增长 达到 4660 万台 热水器行业即将迎来新一轮的消费高峰 2 据 国务院发展研究中心市场经济研究所推出的 中国城市热水器市场研究咨询报 告 显示 未来三年 我国热水器市场将继续保持平稳发展的态势 年增长保 持在 6 左右 就中国的具体情况而言 太阳能热水器由于安装位置的局限性 只适用 于居住在顶楼的居民 且受天气原因的限制 使用范围狭窄 燃气热水器由 于必须分室安装 且须由专业人员安装 并且燃气热水器不易调温 需定期 除垢 在使用中还易产生有害气体 特别是使用液化石油气和人工煤气型的 直排式燃气热水器 会产生轻度油烟 严重时甚至会危及生命 因此燃气热 水器是一种人命关天的特殊产品 即使有百分之一的疏忽 带给用户的危险 将是百分之百 根据中国商业联合会前不久的统计 电热水器的市场份额在销售数量和 销售收入两个方面都已经超过了长期以来占优势的燃气热水器 该中心预计 在城市电网更大范围改造和城市住房市场大规模启动的带动下 今后几年我 国电热水器市场将呈现强劲增长势头 精品文档 3 欢迎下载 3 欢迎下载 二 电热水器控制技术历程及趋势二 电热水器控制技术历程及趋势 目前市场上的电热水器分连续水流式和贮水式 前者虽具有加热速度快 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 生活质 量的提高使得消费者对电热水器功能提出延伸至全新的概念层面 热水器技 术未来将继续朝着以下几个方面发展 智能化 从最初的手动旋钮调节发展到如今数字化调节方式 节能技术 从最初机械结构上的保温节能到控制技术上的定时加热或 分步加热技术转变 由于在水温很高时热量流失较快 所以未采用该类技术 的产品需要长时间在高温区反复加热 不仅启动频繁 而且耗电量很大 如 果用户可根据自己的实际需要设定好规定时段以进行定时倒计时加热 则能 将保温耗电降至最低 安全稳定性 由于电热水器不同于一般的家电产品 涉及到人身安全 所以安全问题一直是各大厂家考虑的重点 随着现在各种安全技术在电热水 器设计中的普遍应用 用电环境的日益规范 以及国家对电热水器实行强制 认证 安全技术已经成为衡量电热水器的重要标准 其中安全技术主要体现 在能自动检测热水器是否处于正常工作状态 并具有调温 恒温 防干烧 防超高温 防漏电等多项自检功能 使用户在使用过程中安全更有保障 此外 随着无线通信技术的发展 无线远程控制也将是新一代电热水器 的发展方向 用户可以通过任何一部双音频固定电话或手机遥控热水器的开 关 温度设定等 并可查询热水器的工作状态 现在市场上较为先进的储水 式电热水器能实现上述等功能 但仍难以满足人们对现代化家电的使用要求 在现如今众多的控制手段中 要满足低价格 高性能 尤其是智能化的要求 采用典型的嵌入式控制系统 单片机为核心的控制器应为首选 第二节第二节 课题研究的目的及意义课题研究的目的及意义 传统家用电器较为典型的有空调机 电冰箱 吸尘器 电饭煲 洗衣机 消毒碗柜等 新型家用电器有电磁炉 微波炉 电烤箱等 无论是新型家用 电器还是传统家用电器 其整体技术都在不断地提高 其中外观 材料 工 艺 结构 器件 原理 功能及微电子技术的应用都有很大的变化 因此 精品文档 4 欢迎下载 4 欢迎下载 家用电器的总体水平和品质呈不断上升趋势 家用电器的进步 关键在于采 用了计算机控制技术 从而使家用电器从一种机械式的用具变成了一种具有 智能的设备 智能家用电器体现了家用电器目前最新的面貌和水平 嵌入式家用电器由于单片机有体积小 功能强 可靠性高的明显特点 因而可以构成一个体积很小的控制器并嵌入到家用电器内部 以单片机为核 心所构成的控制器可以看作是家用电器的一个零件 这种结构方式就产生了 嵌入式家用电器 嵌入式家用电器有两种不同的类型 一种是非智能式的家 用电器 一种是智能式的家用电器 嵌入式非智能家用电器也称电脑型家用 电器 在这种家用电器中 单片机只对家用电器进行功能性的控制 也就是 说 其控制作用只是实现家用电器的基本功能 过去的电脑型电热水器 就 是很典型的非智能家用电器 在这种电热水器中 单片机是不考虑热水器贮 水量的多少 它只是控制电阻丝加热 当贮水罐的水温达到一定温度时 则 马上停止全功率加热 进入低功率保温 单片机的存在 只是设置了延时开 关 红绿灯状态显示等一些辅助性的功能 并没有实质性的改进 这类家用 电器虽然有单片机这样的嵌入式器件存在 但其控制功能未能反映人类的任 何智能性活动 所以 一般称为非智能家用电器 嵌入式智能家用电器也简 称为智能家用电器 在这种家用电器中 单片机不单对家用电器的基本功能 进行控制 而且还模拟人智能活动的过程对热水器进行温度 水量和稳定性 进行控制 基于以上电热水器特性的分析 可以从电热水器的智能化 节能技术以 及安全稳定性等这些方面对电热水器控制器进行设计 本课题研究有如下的重要意义 有助于提高电热水器整体性能 可以提高电热水器使用的安全性 现了电热水器智能化的发展方向 有助于改善人们生活质量 第三节第三节 本文研究的主要内容本文研究的主要内容 本设计首先介绍了电热水器控制器的系统组成和工作原理 在确定工作 原理的基础上引出了电热水器控制装置的硬件设计 主要有直流稳压电源设 计 单片机最小系统电路设计 人机交互电路设计 水位控制电路设计 水 精品文档 5 欢迎下载 5 欢迎下载 温控制电路设计和漏电检测电路设计 其中详细分析了电源电路中各个器件 的作用 功率器件的驱动电路设计过程和漏电检测电路的理论计算 根据电 热水器功能实现的需要进行控制器的控制策略与软件设计 主要包括主程序 设计和中断程序设计 其中主程序设计有水位控制程序设计 水温控制程序 设计 人机交互的程序设计和漏电检测及声音提示程序设计 最后介绍了控 制器的调试方法和调试过程 结尾论述了主要结论 通过对各方面资料整理 分析 总结 结合电热水器控制原理 本论文 提出了一种电热水器控制器系统的设计方案 其内容分为以下几个方面 第一章 结合当前电热水器的发展现状和发展趋势 介绍了电热水器控 制器研究的目的及意义 第二章 总体介绍了智能电热水器控制器硬件和软件知识 包括系统模 块框图 主要元器件选型以及主程序流程图等 第三章 分别从硬件和软件两个方面详细介绍了智能电热水器控制器的 实现 第四章 通过焊接的电路 按照提出的测试方法对控制器功能进行测试 和分析 并运用仿真软件进行仿真演示 第五章 总结了本次毕业设计所做的主要工作和系统设计中的不足 第四节第四节 本章小结本章小结 本章首先介绍了热水器发展现状 尤其是中国电热水器的发展现状 接 着又介绍了未来电热水器的发展趋势 引出了研究电热水器控制器设计的目 的和意义 最后总体介绍了本论文研究的主要内容 精品文档 6 欢迎下载 6 欢迎下载 第二章第二章系统总体设计系统总体设计 第一节第一节 系统概述系统概述 智能电热水器控制器 以下简称控制器 用于控制热水器在安全状态下 工作 控制热水器水位 水温度 并且将检测到的信号测量值通过液晶显示 屏显示 实现电热水器的控制功能 根据控制器所需完成的控制功能 控制系统模块框图如图 2 1 所示 包 括电源模块 51 单片机最小系统模块 人机交互模块 水位控制模块 温度 控制模块 漏电检测以及声音提示模块等七个模块 其中 电源模块为系统 提供 12V 和 5V 电源 51 单片机最小系统模块是整个系统的核心控制部分 用于完成系统的控制功能 人机交互模块实现单片机和外部的信息传递 包 括液晶显示模块和按键模块 通过这两个模块进行系统控制策略的选择 水 位控制模块实现水位的检测和控制 包括水位检测电路和电磁阀控制电路 温度控制模块实现温度的检测和控制 包括温度检测电路和加热电路 漏电 检测模块用于检测是否漏电 使热水器在安全的状态下使用 声音提示用于 发音提示热水器当前状态 52单片机 最小系统漏电检测模块 温度控制模块人机交互模块 水位控制模块 电源模块 声音提示模块 图2 1系统模块框图 精品文档 7 欢迎下载 7 欢迎下载 本系统采用 51 单片机为核心控制器对整个系统进行控制 其控制过程如 下 首先通过人机交互模块设定系统的控制策略 接着通过水位控制模块对 电磁阀进行进水控制 同时通过水位检测模块检测水箱中水位 然后通过温 度控制模块对加热电阻进行控制 同时通过温度检测模块检测水箱中温度 并实时通过显示模块将水位 温度信号测量值发送给液晶显示屏显示 实现 对热水器的控制 第二节第二节 硬件总体选型硬件总体选型 一 主要元器件选型原则一 主要元器件选型原则 元器件选择必须要紧密结合功能需求和应用对象 主要元器件的选择在 考虑满足功能需求的同时 还必须要保证在特定环境下的稳定性能 同时还 必须尽量降低成本 CPU 的选择具备以下特点 存储器空间至少大于 4K 具有至少一个外部 中断源 具有至少一个定时计数器 可编程 I O 口 液晶显示屏要求编程简单 能显示温度和水位等信息 价格低廉 水位 监测装置要求安装简单 价格低廉 温度传感器要求低电压供电 测温范围宽 安装简单 还要求数据为串 行方式以节约单片机端口资源 漏电检测模块中需要漏电电流互感器 由于泄漏电流通常为毫安级 且 必须用一匝穿芯的结构 用常规互感器在如此小的安匝数下很难进行测量 二 主要元器件选型二 主要元器件选型 STC89C52RC 该芯片是 ST 公司生产的基于 51 内核的 8 位微处理器 片内有 8K 的 Flash 3 个定时器 计数器 2 个外部中断 32 个可编程 I O 线 8 个中断源 一个串口通信模块等资源 3 可以满足本系统 CPU 的要求 LCD1602 显示 2 行 每行 16 个字符 每个字符由 5 7 点阵构成 4 DS18B20 温度测量范围为 55 125 可编程为 9 位 12 位转换 精度 测温分辨率可达 0 0625 分辨率设定参数以及用户设定的报警温度 存储在 EEPROM 中 掉电后依然保存 5 由于使用单总线通信方式 节省 IO 精品文档 8 欢迎下载 8 欢迎下载 口资源 水位监测装置 用 8 根不锈钢针分别置于水箱内的 8 种不同高度的位 置 当某个钢针不接触水面时 其输出为高电平 当其与水面接触时则输出 低电平 它们的输出接至 CPU 的引脚 CPU 对这些引脚进行判断后 送去显示 相应的水位值 这种方法省去了传统的 A D 转换器 显示共分 8 档 每档为 满水位的 12 5 6 漏电互感器简介 漏电保护器主要由检测元件 中间环节 执行机构 及自检装置等部分组成 漏电保护器的检测元件就是漏电电流互感器检测出 的漏电电流信号 经中间机构放大 推动执行机构动作 切掉电源 达到安 全保护的目的 7 第三节第三节 软件总体设计软件总体设计 从图 2 1 可以看出本应用涉及的输入输出通道较多 因此在设计中考虑 到了单片机的 I O 通道的充分利用 对于只需要基本输入 输出功能的模块尽 量不使用单片机特殊功能模块的专用引脚 本系统软件部分实现对热水器的 控制工作 包括人机交互 水位的控制 温度的选择和安全检测等功能 一 单片机系统资源分配一 单片机系统资源分配 单片机系统资源分配如表 2 1 所示 列出了本系统使用 52 单片机的所有 的 I O 资源 包括人机交互模块 水位控制模块 温度控制模块 漏电检测 模块以及声音提示模块等五个模块 表2 1 单片机系统资源分配 系统 I O 资源占用表 编号模块名称 接口功能定义52 单片机接口 液晶显示模块P0 0 P0 7 P3 4 P3 5 1 人机交互模块 按键扫描 P2 4 P2 7 水位检测 P1 0 P1 7 2 水位控制模块 电磁阀 P2 2 温度传感器 P2 0 3 温度控制模块 加热电路 P2 1 4 漏电检测模块外部中断 0 P3 2 精品文档 9 欢迎下载 9 欢迎下载 5 声音提示模块蜂鸣器控制线 P2 3 在系统主要元器件选型确定之后 对单片机端口资源进行了定义 本系 统中单片机端口主要用于五个模块 其中人机交互定义了液晶和按键扫描线 液晶显示定义了 LCD1602 控制线和数据线 需要十个端口 按键扫描需要四 个按键 采用独立按键方法设计电路 因此需要四个端口 水位控制模块中 定义了水位检测数据线和电磁阀控制线 温度控制模块定义了 DS18B20 控制 线和加热电路的控制线 漏电检测线接到单片机内部自带的外部中断接口 声音提示模块也定义蜂鸣器的控制线 在完成以上端口资源定义之后就确定 了核心控制器和外围设备的连接方式 下一步的工作就是进行外围电路的设 计 二 系统软件二 系统软件总体设计总体设计 系统软件设计时采用模块化程序设计的方法 按照系统的结构与各部分 的功能 将整个程序也划分为多个功能模块部分 分别进行编程 然后装配 在一起 系统软件部分主程序流程图如图2 2所示 初始化 开始 开中断 是否漏电 YES LCD显示程序 按键处理程序 水位检测程序 温度检测程序 是设定水位吗 是设定温度吗 关热水器 NO YES YES NO 打开进水阀 加热 NO 声音报警 精品文档 10 欢迎下载 10 欢迎下载 图 2 2 系统软件部分主程序流程图 系统软件部分主要实现对热水器的控制工作 由液晶显示程序 按键扫 描程序 水位控制程序 温度控制程序 漏电检测及声音提示程序和控制策 略程序等七个部分组成 其中 液晶显示程序显示热水器当前温度和水位 按键程序用于设置热水器状态 水位控制程序控制水箱的水位 温度控制程 序控制热水器中水的温度 漏电检测及声音提示程序用于实时监测热水器安 全状态 用于当热水器工作异常时声音报警提示作用 第四节第四节 本章小结本章小结 本章首先总体对热水器控制器系统进行了描述 在确定控制参数的基础 上 详细介绍了控制器的各功能组成模块及工作原理 根据实现功能提出了 系统硬件主要元器件选型原则 总体描述了选取的主要元器件 并对主控芯 片的引脚进行定义 最后对系统软件部分进行了总体说明 根据控制策略设 计软件主程序流程图 主要包括水位控制程序设计 水温控制程序设计 人 机交互程序设计和漏电检测以及声音报警提示程序设计等 精品文档 11 欢迎下载 11 欢迎下载 第三章第三章系统实现系统实现 第一节第一节 硬件设计硬件设计 本系统硬件部分包括电源电路 STC89C52 单片机最小系统电路 人机交 互电路 水位控制电路 温度控制电路 漏电检测电路以及声音提示电路等 七部分 电源电路为系统提供 12V 和 5V 电源 人机交互电路负责单片机和 外界信息的交流 水位控制电路实现控制水的液位 温度控制电路实现控制 水温度 漏电检测电路负责检测热水器是否在安全的状态下运行 声音提示 电路负责热水器在非安全状态下时发出声响提示用户 硬件设计部分主要完成以上电路的设计 包括各个电路的理论分析以及 各个电路与单片机的连接等等 一 电源电路设计一 电源电路设计 本系统需要两种电源 分别是 5V 和 12V 5V 用于 52 单片机 人机交 互电路 温度检测电路 水位检测电路 漏电检测电路等 12V 用于温度控 制部分继电器线圈和水位控制部分电磁阀 本系统 12V 电源直接通过外接 12V 的电源得到 5V 电源通过 LM7805 稳压芯片将 12V 电压变成 5V 图 3 1 是电源的原理图 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 3 Jun 2010 Sheet of File D 互互 互互互互互互互 12 3 ddbDrawn By P1 PWIN3 2 1 2 J1 CON2 C3 0 1uF D1 1N4007 1 2 3 VV GND IN OUT U1 78L05 C1 1000uF C2 220uF R1 5 1k D3 LE D 12 5 VCC D2 图 3 1 12V 转 5V 电源电路图 图中 D1 是防止电源正负极反接接入电路时损坏元件 D2 的作用是当输入 端对地短路时 其电位迅速接近零电位 而输出端由于有大电容 储存很多 电荷而来不及释放 其电位仍接近输出电压值 VO 这时电容将通过稳压器的 精品文档 12 欢迎下载 12 欢迎下载 输出调整管释放电荷 其 PN 结在高于 7V 的反向偏置电压下会被击穿 如果 有了保护二极管 就能及时将电容的电荷释放 从而保护了稳压器 发光二 极管 D3 起到指示灯的作用 在安装时 要尽量使滤波电容 C1 和 0 1uF 电容 C3 靠近稳压芯片 这样可以有效地防止瞬态过电压 C2 用于滤除稳压芯片输 出处的纹波 8 二 单片机最小系统电路设计二 单片机最小系统电路设计 STC89C52RC 单片机最小系统包括 52 单片机芯片 时钟电路和复位电路 本系统 52 单片机芯片采用 STC89C52RC 该芯片内部有 2 个 16 位向上计数定 时 计数器 有四种工作方式 5 个中断源 一个串口通信接口 32 个 I O 口 内部 RAM 有 256 字节 内部 ROM 有 8K 字节 9 时钟电路通过内部时钟源提供 时钟 外部只需要接一个振荡电路 振荡电路中的晶振频率是 12MHz 复位电 路采用按键复位方式 当单片机复位引脚检测到至少 24 个时钟周期的高电平 时会自动复位系统 系统会重新启动 10 STC89C52 单片机最小系统设计原理 图如图 3 2 所示 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 3 Jun 2010 Sheet of File D 互互 互互互互互互互 12 3 ddbDrawn By VCC RES P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P32 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 CY1 12MH Z C4 10u C5 30p C6 30p VCC RES key1 R3 5 1k 互互互互 P30 P31 P34 P35 P36 P37 9 2 3 4 5 6 7 8 Com 1 R18 10k 5 P33 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 U4 ST C89C52RC 图 3 2 STC89C52 单片机最小系统电路图 精品文档 13 欢迎下载 13 欢迎下载 三 人机交互电路设计三 人机交互电路设计 键盘与显示部分是用户和热水器之间进行信息传递的界面 用户主要通 过键盘实现对热水器的控制操作 并通过显示界面了解热水器的工作参数与 状态 用户通过键盘进行的操作主要有设定水位和水温度 显示部分显示设 定水位和水温度 和当前热水器工作状态 另外在用户查看或进行操作设定 时提示用户当前显示的是什么数值项 1 1 液晶显示电路 液晶显示电路 液晶显示屏采用 LCD1602 由于不需要从 LCD1602 读取数据 直接将液晶 屏的读 写选择端 RW 接地 表示始终选择写数据状态 所以该电路中需要 引出 10 根线控制 LCD1602 这 10 根线分别是数据 命令选择端 RS 使能端 EN 以及 8 根数据线 图 3 3 是 LCD1602 的控制电路 接口说明如下 液晶1 2端为电源 15 16为背光电源 液晶3端为液晶对比度调节端 通过一个10k电阻接地来调节液晶显示 对比度 液晶4端为向液晶控制器写数据 写命令选择端 接单片机的P3 5口 液晶5端为读 写选择端 因为不从液晶读取任何数据 只向其写入命 令和显示数据 因此此端始终选择为写状态 即低电平接地 液晶6端为使能信号 是操作时必需的信号 接单片机的P3 4口 其余7 14为数据口 接单片机P0口 11 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 3 Jun 2010 Sheet of File D 互互 互互互互互互互 12 3 ddbDrawn By P34 P35 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 R10 1k 5 5 VDD 2 VSS 1 VL 3 RS 4 R W 5 EN 6 D0 7 D1 8 D2 9 D3 10 D4 11 D5 12 D6 13 D7 14 BL 15 BL 16 U21602 1 图 3 3 LCD1602 的控制电路 精品文档 14 欢迎下载 14 欢迎下载 2 2 按键电路 按键电路 本设计中的键盘采用独立式键盘 每个按键占用单片机一个I O口 本系 统有4个独立的按键 用于用户向控制器发送数据 这四个按键的功能分别是 功能选择按键 加1按键 减1按键和确认按键 按键电路原理图如图3 4所示 12 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 3 Jun 2010 Sheet of File D 互互 互互互互互互互 12 3 ddbDrawn By R5 5 1k R6 5 1k R7 5 1k R4 5 1k LE D1 LE D2 LE D3 LE D4 互 互 互 互 互 互 1 互 互 1 互 互 互 互 VCC P27 P26 P25 P24 图 3 4 按键电路图 四 水位控制电路设计四 水位控制电路设计 根据电热水器功能需要 将水位控制电路分为水位检测电路和电磁阀进 水电路两部分进行独立设计 其中水位检测电路采用自制传感器 实现低成 本水位检测 由于电磁阀的工作电压为12V 功率为3W 单片机的工作电压 为5V 电源不兼容且单片机端口输出电流无法直接驱动电磁阀 所以需要一 个驱动电路来连接单片机和电磁阀 1 1 水位检测电路 水位检测电路 水位检测电路如图3 5所示 水位传感器可以自制 用8根不锈钢针分别 置于水箱容积的8平分位置 在电极间加电流 电路简单 直流电压通过470K 电阻和钢针 无水开路 有水侧有十几K电阻 分压 钢针上的压降不大 当 某个钢针不接触水面时 其输出为高电平 当钢针与水面接触时则输出为低 电平 分别接入CPU的P1 0 P1 7引脚 CPU对这些引脚进行判断后 送去显示 相应的水位值 这种方法省去了传统的A D转换器 显示共分8档 每档为满 水位的12 5 精品文档 15 欢迎下载 15 欢迎下载 图 3 5 水位检测电路 2 2 电磁阀进水电路 电磁阀进水电路 电磁阀进水电路如图 3 6 所示 驱动电路采用达林顿管驱动继电器 实 现单片机端口控制电磁阀电路 其中继电器选用 JQC 16F 线圈电压为 12V 触点部分可以承受 14V20A 的直流电 13 图中的 Q1 是达林顿管 型号是 TIP122 14 进行强弱电的隔离实现继电器的控制 其中 D5 是二极管起续流 保护作用 R19 起到提高单片机端口驱动能力 该电路的工作过程如下 当 P22 端口为高电平时 NPN 达林顿三极管导通 驱动继电器线圈产生电磁场 此时继电器的衔铁被吸下 使得电磁阀接入 12V 电源 电磁阀电路处于导通 状态 电磁阀工作打开进水口 反之 P22 为低电平时 电磁阀电路处于断开 状态 进水口关闭 15 电磁阀通电时 处于导通状态 电磁阀断电时 处于关断状态 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 3 Jun 2010 Sheet of File D 互互 互互互互互互互 12 3 ddbDrawn By R21 1k 12V 1 2 J2 VALV EP22 R19 10k VCC U5 REL AY 12V AGND D5 Q1 图 3 6 电磁阀进水电路 精品文档 16 欢迎下载 16 欢迎下载 五 温度控制电路设计五 温度控制电路设计 在传统的温度测量系统中 一般采用热电偶或铂电阻进行温度测量 在 这些电路中 有这样一些问题必须解决 为了进行准确的温度测量 必须给铂 电阻提供一个良好的恒流源 由于热电偶出来的信号是模拟信号 所以此信 号在送给 CPU 之前必须先进行 A D 转换 然后再送给 CPU 进行处理 并且热电 偶的信号很微弱 只有十几毫安 因此在 A D 转换之前通常还需要进行增益 放大 因此 采用热电偶和铂电阻进行温度测量 需要考虑很多问题 构成 的系统也比较复杂 DALLAS 公司推出的数字式温度传感器 DS18B20 很好地解决了这样一些问 题 DS18B20 采用单总线接口 只需占用单片机的一个 I O 口 其外围电路也 非常简单 并且 DS18B20 将测得的温度信号转换为数字量输出 可以与单片 机直接相连 而不需进行信号放大和 A D 转换 大大简化了电路的设计 因 此系统采用了 DS18B20 作为温度传感器进行温度采集 1 1 温度检测电路 温度检测电路 使用 DS18B20 温度传感器采集温度 DS18B20 最大的特点是单总线数据传 输方式 DS18B20 的数据 I O 均由同一条线来完成 DS18B20 的电源供电方式 有 2 种 外部供电方式和寄生电源方式 外部电源供电方式是 DS18B20 最佳 的工作方式 工作稳定可靠 抗干扰能力强 而且电路也比较简单 可以开 发出稳定可靠的多点温度监控系统 在外接电源方式下 可以充分发挥 DS18B20 宽电源电压范围的优点 即使电源电压 VCC 降到 3V 时 依然能够保 证温度量精度 无论是内部寄生电源还是外部供电 I O 口线要接 10K 左右 的上拉电 16 在这里采用外部供电方式供电 DS18B20 与芯片连接电路如图 3 7 所示 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 3 Jun 2010 Sheet of File D 互互 互互互互互互互 12 3 ddbDrawn By 1 2 3 Sensor1 DS18B20 VCC P20 R8 10k 图 3 7 DS18B20 温度检测电路图 精品文档 17 欢迎下载 17 欢迎下载 2 2 加热电路 加热电路 由于单片机端口驱动能力很弱 加热电路采用继电器控制方式 操作方 便 其中加热器件参数是 12V 45W 实际加热棒为 220V 1 5kW 由外部 12V 电源直接给加热器件提供电压 加热电路如图 3 8 所示 原理同电磁阀控制 电路 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 3 Jun 2010 Sheet of File D 互互 互互互互互互互 12 3 ddbDrawn By R22 1k 12V P21 R20 10k VCC U6 REL 12V AGND D6 R23 互互互互 Q2 图 3 8 加热器件控制电路图 六 漏电检测电路设计六 漏电检测电路设计 1 1 漏电检测原理 漏电检测原理 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 检测原理如图 3 9 所示 将火线和中线同时穿过一个环形磁芯 作为漏 电互感器的初级线圈 次级线圈数百匝输出漏电信号 当系统没有漏电时 电源输入线中的火线电流与中线电流完全平衡 次级漏电信号为零 当系统 发生漏电现象时 火线电流与中线电流将失去平衡 其合成电流就是漏电电 流 次级漏电信号的大小和漏电程度成正比 24 精品文档 18 欢迎下载 18 欢迎下载 图 3 9 漏电检测原理 2 2 漏电检测电路 漏电检测电路 漏电检测电路如图 3 10 所示 设计使用一片 LM358 双运放 第一个运 放作放大器 第二个运放作比较器 为了在 5V 电源下正常工作 将比较器的 参考电平 D 点 选定为 2 5V 左右 运放的参考电平 B 点 选定为 3V 左右 这可以通过 R19 3 9K R15 1K R2 5 1K 来实现 漏电互感器输出的信号加 在 A 和 B 两点 当没有漏电时 A B C 三点电位相同 3V 左右 比较器输 出高电平 当有漏电现象时 C 点出现放大的漏电信号 信号的负半波将 C 点 的电位从 3V 向下拉低 只要漏电到达一定的程度 就可以使 C 点的电位在某 时刻低于 D 点的电位 使比较器输出低电平 其下降沿就可以作为单片机的 外部中断信号 使系统及时做出反映 切断电源 避免出现严重后果 定量分析 设允许最大漏电流为 IL 通常为数毫安 具体数据可查阅相 关 规定漏电互感器次级的匝数为 N 则次级电流为 IL N 产生的信号电压 为 R11IL N 放大器的放大倍数为 则 C 点最大下拉幅度 CB1516 AB15 V VR R K V VR 为 产生漏电中断的条件是 26 11 L 2KR I N 1511 L CC 191512 R2KR I V NR R R 实验调试用一根导线穿过漏电互感器 从中通过数毫安的交流电流 不 必用 220V 高压 只需用几伏特的低压交流电源串联一个电阻就可以 R11可 选择 1K 左右调节可调电位器 R18 可调节放大器的放大倍数或 R15 直到出 现中断信号为止 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 3 Jun 2010 Sheet of File D 互互 互互互互互互互 12 3 ddbDrawn By P32 5 6 7 U3B LM358 48 2 3 1 U3A LM358 AGND 5 L2 互互互 R17 3 9k R151k R11 1k R2 5 1k R16 100k R12 1k R14 1k 5 AGND R13 1k D4 互互互互互互互互 图 3 10 漏电检测电路 精品文档 19 欢迎下载 19 欢迎下载 七 声音提示模块七 声音提示模块 蜂鸣器发声驱动电路原理图如图3 11所示 因为单片机的I O口驱动能力 弱 所以采用PNP三极管扩流电路驱动蜂鸣器 当P23口输出低电平时 Q3导 通 蜂鸣器发出声音 反之 蜂鸣器不发声 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 3 Jun 2010 Sheet of File D 互互 互互互互互互互 12 3 ddbDrawn By P23 R9 10K Q3 BEL L1 SPEAKER 5 图 3 11 声音提示电路图 第二节第二节 软件设计软件设计 系统软件设计时采用模块化程序设计的方法 按照系统的结构与各部分 的功能 将整个程序也划分为多个功能模块部分 分别进行编程 然后装配 在一起 系统软件部分主要实现对热水器的控制工作 由液晶显示程序 按 键扫描程序 水位控制程序 温度控制程序 漏电检测及声音提示程序和控 制策略程序等七个部分组成 一 液晶显示程序设计一 液晶显