基于单片机的智能热水壶设计

0 目 录 内容摘要 1 关键词 1 第 1 章 绪论 2 1 1 研究背景 2 1 2 研究目的与意义 2 1 3 热水壶发展现状 3 第 2 章 系统总体设计 4 2 1 设计总体思路 4 2 2 系统总设计框图 4 2 3 主要模块功能简介 4 2 4 外部配件材料的选择 5 第 3 章 硬件模块电路设计 6 3 1 硬件组成部分 6 3 2 主要模块电路设计 6 3 2 1 单片机模块 6 3 2 2 温度检测模块 7 3 2 3 液晶显示模块 8 3 2 4 按键控制模块 8 3 2 总系统电路 9 第 4 章 软件模块电路设计 10 4 1 设计总体思路 10 4 2 烧开水功能设计特点 10 4 3 控制程序工作流图 10 4 4 系统主程序 11 第 5 章 系统测试 12 5 1 硬件部分测试 12 5 1 1 热水壶功能测试 12 5 1 2 系统误差分析 12 5 2 软件部分测试 12 5 3 结果分析 12 结论 14 致谢 15 参考文献 16 附录 1 电路原理图与 PCB 图 17 附录 2 系统总程序代码 19 附录 3 元器件清单 30 附录 4 设计实物图 31 Abstract 32 1 基于单片机的智能热水壶系统设计 内容摘要 在日常生活中 热水壶有着十分广泛的应用领域 热水壶是结 合用户的实际需求和现代社会需要的一种智能产品 于是本次设计了以单片机 为核心器件 结合人性化的理念 最终实现智能的控制电路和程序设计的智能 热水壶 本设计实现了日常烧开水功能 以及通过按键设定温度加热冷水 达 到设定温度后 通过蜂鸣器提醒用户并自动断电 同时液晶显示屏显示即时温 度等拓展功能 本设计硬件部分由单片机芯片 温度检测 蜂鸣报警 液晶显 示等模块 同时利用了单片机的智能性 软件部分在 keil uvision 开发环境中使 用 C 语言编写软件程序 实现了对水温的智能控制 其具有生活化 实用性强 的特点 关键词 单片机 智能 热水壶 DS18B20 烧水 2 第 1 章 绪论 1 1 研究背景 近年来 随着单片机技术的发展 单片机的应用研究不断深入 传统控制 检测快速更新 在实时检测和自动控制的系统中 单片机通常是作为一个核心 部件 基于具体的硬件结构和应用对象的应用特点 并结合软件改进控制系统 代替复杂的电子电路或数字电路 通过软件控制外围电路 确保智能化能够实 现 单片机应用于范围广泛的智能产品中 如智能仪表 实时工业控制 通信 设备 导航系统 家用电器等 单片机应用在生产中时 其可以使产品升级换 代 常在产品名前端冠名 智能 热水壶是在日常生活中需要的实际需求和用户相关的现代社会的产物 是 一种单片机控制的智能产品 随着科技的发展和社会的进步 人们的生活质量 在逐步增加 近年来 各种智能设备不断更新 如智能手机 智能水壶走进我 们的生活 由于其自身的优点 安全 智能电水壶在生活中有着广泛的应用 1 2 研究目的与意义 目前市场上品种繁多的开水壶存在着功能比较单一 不够完善等不足 所 以我们在普通的烧水壶基础上利用所学单片机知识添加了一些方便实用的功能 如设温加热 蜂鸣提示 显示即时温度的功能 使产品更加人性化 日常使用 更加方便 随着社会的快速发展 智能新产品相继出现 比如数码相机 平板电脑等 一系列的新鲜的事物 人们的日常生活中也发生了极大的变化 本设计以探究 智能新产品工作原理为出发点 基于单片机设计了一款智能热水壶 设计过程 考查了我们综合运用所学知识的能力 包括以前学过的关于单片机编程与应用 电装实习等的知识 同时我对当前的电子产业发展的新趋势有了一定的了解 实际动手能力和模拟实际产品的开发能力也得到了锻炼 对应届大学生日后工 作能力的培养具有重要的意义 本次设计也培养了我理解工程技术的工作中需 要的整体观和经济观 同时提高掌握设计的各种方案以及技术指标 资料收集 技术文献 分析计算 描绘电路图及撰写论文等能力 3 1 3 热水壶发展现状 电热水壶在中国的发展史上虽然短暂 发展速度却很快 在早期的中国 电热水壶很早就开始了工业生产 但其主要面向出口 电热水壶具有结构简单 加热快 节约能源 操作方便 安全实用 使用寿命长等优点 近年来 国内 市场占有率开始快速增长 市场增长率超过 50 随着电热水壶产品消费者的 意识不断提高 在国内市场电热水壶的容量有明显的提升 其次 虽然饮水机 在我国的普及率很高 但由于饮水机体积大 重复加热 存在二次污染的问题 于是提供了电水壶产业发展的机会 1 4 第 2 章 设计方案概述 2 1 总体设计思路 本次智能热水壶的设计方案利用单片机软件系统为工作环境 不仅实现基 本的烧开水以及烧开后断电功能 并且结合按键控制温度的设定 可加热冷水 至指定温度 蜂鸣器报警 随后热水壶断电 同时液晶显示屏显示即时温度 2 2 系统总设计框图 初步确定电路系统由以下模块组成 电路系统框图如图 2 1 所示 ST89C52RC 单 片 机 图 2 1 电路系统框图 2 3 主要模块电路功能简介 1 单片机模块 作为智能热水壶设计的控制中心 单片机用于驱动整个热水壶系统的运作 如液晶屏上的温度显示 接收传感器中的温度信号以及按键信号 LED 上显示 温度等 2 2 温度检测模块 周期性采集温度信号 判断是否达到预设温度 传送至单片机内处理 3 液晶显示模块 显示水壶内热水的即时温度 便于用户随时掌控温度变化 4 控制按键模块 温度检测 DS18B20 按键控制 电源供电 液晶显示 LM160L 蜂鸣报警器 加热装置 继电器 5 三个独立按键组成一个独立键盘 连接单片机的 I O 端口 对单片机输入 控制信号 用于设温加热模式时控制设定温度的加或减 以及单片机的启动与 停止 模式设定由一个独立按键组成 当按下按键 液晶显示屏右下角显示 1 即 为烧开水模式 再次按下按键 液晶显示屏右下角显示 2 即为设温加热模 式 显示 0 为停止加热状态 5 加热装置模块 用于加热水壶中的水 使水达到设定的温度 6 蜂鸣器模块 当冷水加热到指定温度时发出报警声提示用户 7 电源模块 用于给整个设计系统提供电 2 4 外部配件材料的选择 本热水壶采用 220V 200W 的制式 水壶的选用优先考虑耐高温的合金材料 继电器连接加热片来加热壶底来实现烧水 在水壶底部和加热片上都涂上一层 导热胶 使冷水受热均匀 加热的速度更快 减少等待时间 水壶盖上开孔一 个边长约为 40mm 的方洞 便于放入测温探头 散去蒸汽 避免暴沸 6 第 3 章 硬件模块电路设计 3 1 硬件组成部分 确定了本次设计需要实现的功能后 针对烧开水 加热冷水 显示温度的 功能 设计的硬件部分主要由单片机模块 温度控制模块 液晶显示模块 按 键控制模块构成 3 2 主要模块电路设计 3 2 1 单片机模块 相比于普通的微型计算机 单片机具有以下特点 体积小 结构简单 控 制能力强 可靠性高 集成度高 抗干扰能力强 磁屏蔽能力强 适合在恶劣 环境下工作 以及低电压 低功耗 性价比较高 开发周期短等 其中 STC89C52 是 STC 公司生产的一种 CMOS8 位微控制器 STC89C52 使用 MCS 51 内核 但做了许多改进使芯片具有传统 51 单片机不具备的功能 在单芯片上 由于灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash STC89C52 为众 多嵌入式控制应用系统提供灵活 有效的解决方案 3 STC89C52RC 芯片如图 3 1 所示 图 3 1 STC89C52RC 芯片 STC89C52 单片机系统由单片机 时钟电路 复位电路组成 其具有以下 功能 8k 字节 Flash 512 字节 RAM 32 位 I O 口线 定时器 内置 4KB EEPROM MAX810 复位电路 3 个 16 位定时器 计数器 4 个外部中断 一 个 7 向量 4 级中断结构 兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构 全双工串行口 STC89C52 也可降至 0Hz 静态逻辑操作 支持 2 种软件 还可选择节电模式 7 空闲模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中断继续工 作 掉电保护方式下 RAM 内容被保存 振荡器被冻结 单片机一切工作停止 直到下一个中断或硬件复位为止 最高运作频率 35MHz 6T 12T 可选 4 本次设计采用 STC89C52RC 型号单片机 且单片机采用内部时钟方式 在 MCS 51 电路外接晶体以及电容 C4 和 C5 组成并联谐振电路且构成一个自激振 荡器 接在放大器的反馈回路中 向内部电路提供震荡时钟 在本次设计中晶 体选择 1 2MHz 频率 而电容 C4 和 C5 的选择为 30pF 的典型值 单片机中的复 位电路采用上电自动复位和按键复位的方式 3 2 2 温度控制模块 比较热电偶温度传感器 它的实现过程为 靠光敏电阻检测光照的大小 光照的大小改变电阻的大小 再给电阻一个外加电压 就改变了电压的大小 再用转换器件检测电压的变化并转换为数字信号 随后传到单片机上作一 定的处理后去控制相应的 数码管来显示当时的温度 而对 DS18B20 来说过 程则简单许多 热电偶电阻传感器一直到单片机之前的部分都可以用一个 DS18B20 来代替 从而真正的实现了数字化 5 本设计系统采用的是 DS18B20温度传感器 DS18B20是美国达拉斯公司 生产的一款产品 是一线式数字化传感器 工作电源可在远端引入 也可采用 寄生电源方式产生 低功耗 微型化 抗干扰能力很强 可根据实际要求通过 简单的编程实现数字读数方式 便于与微处理器进行接口 电路简单 实现起 来比较容易 几乎适用于所有类型的单片机 DS18B20内部结构主要由四部分组 成 64位光刻ROM 温度传感器 非挥发的温度报警触发器TH和TL 配置寄存器 6 DS18B20引脚图以及内部系统框图如图3 2 3 3所示 图 3 2 DS18B20 引脚图 8 图 3 3 DS18B20 内部系统框图 3 2 3 液晶显示模块 本次设计采用的液晶显示屏为 LM016L 除了PROTEUS中016没有显示调 亮度的两个端口 它与LCD1602具有相同的原理 它可以显示两行 每行16 个 字符 因此可相当于32 个LED 数码管 而且比数码管显示的信息还多 采用 单 5V电源供电 外围电路配置简单 价格便宜 具有很高的性价比 7 在单片机系统中应用液晶显示屏具有以下优点 显示质量高 数字式接口 体积小 重量轻 功耗低 在嵌入式应用系统中得到越来越广泛的应用 液晶 显示屏 LCD1602 管脚分布图如图 3 4 3 5 所示 图 3 4 液晶显示屏 9 图 3 5 LCD1602 管脚分布图 3 2 4 按键控制电路 三个按键构成一个独立键盘 一端分别接单片机的P0 5 P0 6和P0 7口 另 一端接地 通过单片机的扫描查询 判断按键是否按下 当没有按键按下时 P0口输入为高电平 反之则为低电平 8 3 2 5 电源供电电路 由于本设计的模块都采用直流 5V 供电 于是直接采用三端稳压器供电 省去了复杂的电源变压电路 再考虑到单片机和液晶显示屏的功耗 使用电池 供电比较费电 并且电流也达不到要求 所以也直接用三端稳压器供电 电流 大 电压稳定 3 3 总系统电路 总系统电路原理图以及PCB图详见附录1 10 第四章 软件模块电路设计 4 1 设计总体思路 本设计采用51单片机系统固件 基于keil uVision4开发环境 使用C语言 编写程序 9 程序需要实现以下需求 1 一般热水壶都具有的烧开水功能 2 指定温度加热冷水 切换模式后 按下加或减按键调节需要设定的温度 到水温到达指定温度后热水壶自动断电 3 LM016L液晶显示屏上显示即时温度 设定温度以及工作模式 4 2 烧开水功能设计特点 由于不同的地域气压差异 当温度达到100度时 水不一定能烧开 甚至在 海拔较高的地区水不能加热到100度 于是本设计中相应的在温度控制模块中采 用周期性采样温度的方式 每10s保存一次温度值 通过每次的采样进行比较进 而寻找水温的最大值 如果没有更大的水温值 则水达到沸点 若温度稳定持 续超过3分钟 并且水温超过80度 此时可判断水烧开了 随后热水壶自动断开 电源 程序执行采用定时器中断方式 提高了系统的响应速度 10 4 3 控制程序工作流图 根据设计的思路和目标功能 确立了软件的工作流图 控制程序工作流图 如图4 1所示 11 图4 1 控制程序工作流图 4 4 系统主程序 系统主程序代码详见附录2 12 第 5 章 系统测试 5 1 硬件部分测试 本设计首先在 Protel Altium Designer Summer 09 软件上绘制出原理图 并 且完成 PCB 的设计 之后送至电路板制版工厂完成主控双面电路板的制作 自 行动手完成元器件的焊接和测试 焊接过程需要谨慎认真的态度 先焊好主控 芯片 最后焊接其它元器件 焊接结束后用万用表欧姆档对照原理图进行电路 检测 检测其导通情况以及是否有短路或虚焊现象并及时修正 确保一切正常 后 下载测试程序检测主控核心板是否能正常工作 经检测 主控核心板能达 到预期的工作效果 可以作为本系统的主控部件 5 1 1 热水壶功能测试 在水壶内盛上大约 100ml 的冷水 放置在涂上一层导热胶的加热板上 将 1 个 DS18B20 温度传感器探头放进水中用于检测实时温度 再将程序下载至主控 板内后接通电源 选择 1 模式开始烧水 观察并记录如下 1 独立按键设定工作模式 在液晶显示屏上正常显示实时水温和工作模式 2 大约 10 分钟后 水烧开 蜂鸣器报警 显示屏上显示 Boiling 随后 断电 重复测烧开水时的温度和所用时间 5 次 得到的结果如表 5 1 所示 12345 开水温度 度99 5199 4999 5299 5199 50 所用时间9 分 58 秒9 分 56 秒9 分 58 秒9 分 57 秒9 分 58 秒 重新在水壶内盛上大约 100ml 的冷水 重复烧开水前的准备步骤 接通电 源 按两下模式按键 选择 2 模式 起始水温为 26 41 度 再通过温度加减 按键调节设定温度 设定 50 度后 等待大约 5 分钟后到达设定温度 蜂鸣器报 警 随后断电 重复测设定温度 50 度时的实际断电温度和所用时间 5 次 得到的结果如表 5 2 所示 12345 实际温度 度51 2250 9951 1851 2351 21 13 所用时间4 分 44 秒4 分 40 秒4 分 41 秒4 分 42 秒4 分 45 秒 5 1 2 系统误差分析 分析整个测试过程 总结出有几点误差 1 温度检测引起的误差 本设计温度检测中存在的误差是在可以接受的范围 内的 由于 DS18B20 本身存在一定的系统误差 以及检测过程中温度环境不均 匀 水流滚动影响等因素 因此设计采用周期采样温度的方法测定温度 2 继电器引起的误差 随着继电器对电热管的加热 水温升高 电流流经 SSR 减小 因此交流的负载增加干扰信号也就不足为奇 SSR 误导通 3 电压波动引起的误差 5 2 软件部分测试 本设计使用C语言在keil uvision开发环境下进行编程 该软件兼容单片机C 语言软件开发系统 编译过程中对于出错的地方给出清楚的位置 方便开发者 改进错误 在编程的基础上 整个调试的工作包括工程的建立和函数的调用 检查包含的头文件是否正确 分模块检查 根据设计的要求检查初始化程序 以及优化程序结构 经过反复的测试后 确定系统能够正常工作 系统功能得 到了良好的实现 设计的软件部分测试完成 5 3 结果分析 经过对系统的硬件以及软件部分的反复测试 在两种功能模式下 系统各 模块都能够正常工作 总体来说 这些功能的实现达到了毕业设计题目上的要 求 并且本设计的外形设计提高了安全性和灵活性 具有操作简单 实用等特 点 本设计的成本较低 便于进行工业生产 投入日常生活中使用 从这个角 度来说 本设计具有一定的实用意义 14 结论 通过硬件和软件的设计 我制作了 智能热水壶 本次设计的各项目标功 能都已实现 包括用烧开水 按键设置温度 指定温度加热冷水 达到设定温 度时自动断电等 通过这次设计 自己努力学习 认真设计 从搜集资料 分析和确定方案 我学习到了电路板的制作与程序的编写等操作技能 通过单 片机编程和焊接电路板等实践方面的学习积累了自己的动手经验 在此期间 我充分的锻炼了我的自学能力 明白了学习生活中要有不轻言放弃的毅力 同 时也领悟到不要在乎作品完成得是否完美 重要的是自己所学的在实践中如何 应用以及怎样应用到最好 本次设计的硬件模块电路部分比较简单 大部分热水壶功能是由软件程序 实现 在编程过程中 我重新复习了许多汇编语言的编程技巧 最终编写的程 序更加灵活 另外我还学习了代码的优化技巧 逐渐养成了良好的编程习惯 写出了高质量的程序代码 为今后的学习工作打下了良好的基础 15 致谢 经过三个月的忙碌和工作 我的毕业设计已经接近尾声 由于经验的匮 乏 本次毕业设计难免有许多考虑不周和制作不好的地方 如果没有导师的 指导与督促 以及一起制作设计的同学们支持 要去完成这个设计是难上加 难的 在这里首先要感谢我的导师 她平日里工作繁多 但在我做毕业设计的 过程中 从设计方案的确定和修改 中期检查指导 后期完善修改 论文的 规范修改等方面都给予了我耐心的指导 其次还要感谢所有帮助过我的老师 感谢电子工程学院所提供的实验室 在焊接和调试电路时给我们带来了极大的方便 在这里 我要再一次对我的导师以及电子工程学院的全体老师们表示深深 的谢意 在你们的支持与帮助下我顺利的完成了此次毕业设计 16 参考文献 1 中国行业研究网 电水壶发展的三大趋势 2007 2 吉林工程技术师范学院 智能水壶 2009 3 周鹏 基于STC89C52单片机的温度检测系统设计 现代电子技术 2012 4 STC89C51RC 单片机官方技术资料 STC 官网 5 南京航空航天大学金城学院 一个单片机实现温度传感网络并用数码管显示 的设计 2013 6 王欢 王忠庆 岳利维 基于STC89C52RC单片机的温度报警系统的设计与实 现 晋城职业技术学院学报 2011 7 赵亮 跟我学51单片机 七 LCD1602液晶显示模块 2011 8 吉小辉 陈育中 电水壶自动断电控制器的研究与设计 电子设计工程 2013 9 谭浩强 C语言程序设计 第二版 清华大学出版社 1999 10 薛江玉 张鹏 冀鹏 宋玉倩 基于单片机的智能烧水壶 2011 17 附录1 电路原理图 PCB图 18 19 附录2 系统主程序代码 main c include include STC89C52RC h include Lm016l h include DS18B20 h define TIMER0TIMEH0 x3C define TIMER0TIMEL0 xB0 define HEATON0 define HEATOFF1 define BUZZERON0 define BUZZEROFF1 define SETTEMPUPLMT100 define SETTEMPDOWNLMT30 sbit Buzzer P3 7 sbit KeyMode P0 5 sbit KeyUp P0 6 sbit KeyDown P0 7 sbit Heat P3 6 加热控制 sbit Reserve P2 3 20 sbit BackLight P4 3 测试用 sbit Test1 P3 2 sbit Test2 P3 3 sbit Test3 P3 4 sbit Test4 P3 5 定义几个全局变量 unsigned char timeflag int RlTemp 这里定义为int 比较时也用int型比较 int svRlTemp 保存一次温度值 int pvTemp 前两秒的温度值 int MaxTemp 用于寻找最大温度值 初始化定时器0 这里设置50ms定时 void ConfigTimer0 TMOD 0 x01 TH0 TIMER0TIMEH TL0 TIMER0TIMEL ET0 1 TR0 1 EA 1 21 void SysInit InitLCDLm016l InitDs18b20 ConfigTimer0 void delay unsigned int x unsigned int y for x 0 x for y 110 y 0 y void GetAndDisplay stt GetDs18b20Temperature if stt WriteLm016lString 0 0 error else Integer2String temp str WriteLm016lString 0 0 str fttp Ds18b20Convert2Temperature temp n Float2String fttp 2 str WriteLm016lString 0 1 str WriteLm016lChar n 1 0 x08 这里0 x08为第一个自造字符 22 unsigned int abs int a int b unsigned int rlt if a b rlt a b else rlt b a return rlt 判断水是否开了 unsigned char IsWaterBoiling static unsigned char stb 0 if abs RlTemp pvTemp MaxTemp MaxTemp RlTemp stb 0 else stb 23 判断 if stb 120 return 1 else return 0 void BuzzerLight unsigned char n for n 0 n Buzzer BUZZERON delay 50 Buzzer BUZZEROFF delay 30 初始化定时器0 这里设置50ms定时 void main int temp float fttp 24 unsigned char stt unsigned char str 16 unsigned char i n unsigned char mode unsigned char settp int settpint unsigned char blflag 0 SysInit i 0 settp 50 settpint settp settpint 10 每10s保存一次温度值 i 0 pvTemp temp svRlTemp RlTemp 这里不需要了 RlTemp temp 显示 if stt WriteLm016lString 0 0 No Ds18b20 else n String2StringArray T 0 str fttp Ds18b20Convert2Temperature temp n Float2String fttp 2 str n 0 x08 n 1 n String2StringArray 0 清除后面字符 WriteLm016lString 0 0 str WriteLm016lChar n 0 0 x08 这里0 x08为第一个自造字符 if mode 0 x02 26 显示设定温度值 n String2StringArray Set str n Integer2String settp str n 0 x08 n 1 n String2StringArray 0 清除后面字符 WriteLm016lString 0 1 str WriteLm016lChar n 1 0 x08 模式切换 switch mode case 0 x00 关闭模式 Heat HEATOFF Buzzer BUZZEROFF blflag 0 MaxTemp 0 break case 0 x01 烧开水模式 if timeflag Test2 Test2 if blflag Buzzer BUZZERON Heat HEATOFF BuzzerLight 3 WriteLm016lString 0 1 Boiling 27 else Heat HEATON blflag IsWaterBoiling break case 0 x02 指定加热模式 if timeflag Test3 Test3 if RlTemp settpint Heat HEATOFF Buzzer BUZZERON BuzzerLight 3 else Heat HEATON Buzzer BUZZEROFF break default mode 0 break 28 按键监测 if KeyMode delay 10 while KeyMode 等待释放 if stt mode 如果18b20不存在 则不能切换模式 if mode 2 mode 0 String2StringArray str WriteLm016lString 0 1 str WriteLm016lChar 15 1 mode 0 if KeyUp delay 10 while KeyUp 等待释放 settp if settp SETTEMPUPLMT settp SETTEMPDOWNLMT settpint settp settpint 4 if KeyDown delay 10 while KeyDown 等待释放 settp if settp SETTEMPDOWNLMT settp SET