毕业设计（论文）基于AT89C51单片机的家用快热式电热水器设计

1、完整版说明书，cad电路图，联系153893706目 录摘要-3关键词-31 前言-42 设计方案的选择和论证-43 快热式家用电热水器系统设计-43.1系统总体方案设计-53.2控制系统的硬件组成及工作原理-53.3控制系统总硬件电路的设计-5 3.3.1 温度检测电路-7 3.3.2 ds18b20与单片机硬件连接电路-73.3.3 ds18b20结构-73.4 输出控制电路-83.5 过零检测电路与5v稳压电路-93.5.1 过零检测工作原理-93.5.2 5v稳压电路原理-103.6 显示及指示电路-103.7 按键及蜂鸣报警电路-103.8 单片机的选择 -124 控制系统的软件设计

2、-134.1 主程序-134.2 显示扫描处理子程序-144.3 加热控制程序-145 在调试过程中遇到的问题-146 总结-15致谢-15参考文献-16附录-17快热式家用电热水器的设计摘要: 随着生活的加快，快热式电水器省时的特性越来越被生活在忙碌的人群所接受，随着用电环境的改善，即催生了热式电热水器的快速增长。它体积小，重量轻，要使用热水时即开即用，无需等待，省去了加热多用的热水，因此它具有省时，省电，省水的优点，由于以上原因，快热式电热水器在以后有着极为广阔的发展前景。本设计采用at89c51作为核心控制器，铺以键盘，显示电路，利用温度传感器ds18b20检测出水口温度，采用双向可控硅

3、控制，单片机通过光耦给可控硅触发信号，控制可控硅的导通角，从面控制电热丝的有效加热功率。关键词: at89c51 bs18b20 加热控制 过零检测 蜂鸣报警design of fast heat household electric water heater control system (college of technology ,hunan agricultural university ,changsha 400128,china)abstract: as life speeding up ,the characteristics of electric water heater f

4、ast heat save more and more acceptable to the crowd of a busy life .it has small size ,light weight, and then you can use the hot water without any wait, therefore if has save water heater in later has a very broad development prospects .the design uses at89c51 as the detection, the outlet temperatu

5、re by bidirectional thrusters controlled by single chip computer controlled light-coupler to triggered signals, control silicon-controlled conduction angle, so as to control the resistance wire effective heating power .key words: at89c51;ds18b20;heating control; zero examination; buzz alarm1 前言 近几年来

6、,随着人们的生活水平的不断提高,热水器已成为日常生活中不可缺少的家用电器,设计制造更实用,更方便,更安全,更节能的热水器是产品设计师和生产商家不断追求的目标,快热式热水器与普通的热水器的最大区别是他取消了储水罐,热水随开随用,不需预热,减少了电能浪费,另外还具有体积小.使用安全,安装方便等优点. 根据国家住宅设计规范(gf50096-1999)现有商品住房的电器线路导线必须采用铜芯线，家庭电路设计一般是：进户线610平方，照明2.5 平方，插座4 平方，空调6 平方。所以,现购新标准住宅用户,都有条件使用上述这种安全,方便的快热式热水器,确保产品的万无一失,安全系数达100%,(如果导线不能达

7、到上述要求时,需专线供电).通过检测,快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,解决了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%,因为他不要提前预热,也不要保温,省去了大量的额外开支,给用户带来真正的实惠,快热式热水器作为新型环保产品在我国广泛使用已是大势所趋,更符合现代消费潮流.12 设计方案的选择和论证方案一:用热敏电阻组成电桥来采集信号,再经放大,a/d转换后送给单片机,再由数码管显示,通过可控硅控制发热管,这种方法,线路复杂,不直观.方案二:用ds18b20采集温度,直接将数字信号送给单片机,再由lcd数码管显示,通过可控硅控制发热管,这种方法

8、,线路比前者简单,且读取温度准确度高,采用leds数码管显示,家用电热水器一般采用方便，可靠的电热丝加热方法。同时能显示当前温度,设定档位,设定温度,和当前状态,使用户一目了然.所以采用方案二.根据热水及流体力学原理，结合实际实验室测试，可以得到水温与流量，加热功率之间的关系如表1所列表1中所列水温和流量值可以满足大多数家庭用户使用要求。档最大的加热功率为7.5 kw 时，按220v供电计算，电流约为34a，所以要求专线供电。23 快热式家用电热水器系统设计3.1 系统总体方案设计在本系统中,需要检测的输入信号有出水温度和水流检测信号等,需要输出的信号主要是双向可控硅的导通时间以控制加热功率的

9、大小.led数码管的实时显示,并还要完成出水温度的设置,功率的设置,和保护功能,如温度超限报警,防干烧等等.系统总体方案设计图如图1.表1 水温与流量 、加热功率的关系3table 1 water temperature and flow,heating powe relations 水 温 流 度 量 2 2.5 3 3.5 4功 率 4.5 47 42 36 34 32 5.5 54 48 41 38 35 6.5 62 54 46 42 38 7.5 70 60 51 46 413.2 控制系统的硬件组成及工作原理 快热式电热水器控制系统主要是由5v稳压电路,显示指示电路,加热输出控制电

10、路,过零检测电路,温度检测电路和报警电路等电路组成。 控制系统的原理如图2所示,首先通过温度传感器ds18b20将出水口的温度直接变换成数字送到单片机,单片机对接收的信号与设定信号进行比较,输出一个控制量,控制可控硅的导通角,以实现对加热量的控制,同时led显示当前温度,当出现故障时,蜂鸣器报警,断开继电器,并停止对可控硅的导通信号等等。3.3 控制系统总硬件电路的设计3.3.1 温度检测电路采用了美国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+125,分辨率最大可达到0.0625.ds18b20可以直接读出被测温度值.而且只需1线与单片机相连,减少

11、了外部的硬件电路,具有低成本和易使用的特点.ds18b20的性能特点如下:1: 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通讯2: 多个ds18b20可以并联在惟一的三线上.实现多点组网功能3: 无需外部器件4: 可通过数据线供电,电压范围3.0v-5.5v4 图 1:快热式电热水器控制系统组成框图fig1 fast heat electric water heater system composition diagram 图2：系统控制原理图5fig 2 system control principle diagram 图3 系统控制电路总图 fig 3 system control circui

12、t layout5: 零待机功耗6: 温度以9或12位数字量读出7: 负电压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作3.3.2 ds18b20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3脚接地,2脚作为信号线,1脚接电源.另一种是寄生电源供电方式,1脚和3脚都接地,2脚作为信号线。这种接线可能会出现电源电流不足的现象,所以采用第一种接线方式,他不存在电源电流不足的问题,可以保证转换精度,工作稳定可靠,抗干扰能力强,同时在总线上理论可以挂接多个ds18b20传感器,组成多点测温系统。如图4:3.3.3 ds18b20结构

13、ds18b20内部结构如图5所示, ,其主要由表四部分组成：64位光刻rom、温度传感器、非易失的温度报警器触发器th和tl、高速缓存4个数据部分。64位rom序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是ds18b20的地址序列码。64位光刻rom的排列是：开始8位是产品类型标号，接着的48位是该ds18b20自身的序列号，最后8位是前面54位的循环冗余校验码。64位光刻rom的作用是使每一个ds18b20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂多个ds18b20的目的。6 图4：ds18b20与单片机硬件连接电路fig 4 ds18b20 with microcontroller hardware

14、connection circuit注意:在外部供电的方式下,ds18b20的gnd引脚不能悬空,否则不能转换温度,读取的温度总是85.3.4 输出控制电路电路图如图6，输出控制电路,主要是光电耦合器moc3023,双向可控硅,继电器,接触器,三级管和加热管器件组成.利用光耦隔离交直流信号,以保证由单片机输出信号与外部设备之间的电隔离. 20 p1.4为低电平时,继电器导通,再通过接触器接通加热控制回路,同时单片机p1.3脚输出移相控制信号,通过光耦moc3023控制双向可控硅的导通时间,以便调节输出功率大小. 其中串联在继电器线圈回路的熔丝(fuse)为105的热保险丝，当温度超过105时，

15、热保险丝会熔断，防止加热管干烧。与电热丝并联的led发光管用来指示电热丝的工作状态。 图 5 ds18b20内部结构框图fig 5 ds18b20 internal structure diagram 图6 输出控制电路 fig 6 heating control circuit 3.5 过零检测电路与5v稳压电路 图7过零检测与5v稳压电路 fig 7 heating control circuit3.5.1 过零检测工作原理经变压器次级得到ab两点(14v),经过d1,d2全波整流后,形成脉动直流波形,电阻分压后,再经过电容滤波,滤去高频成分;形成c点电压波形,当c点电压低于0.7v时,三

16、极管截止, d点为高电平;当c点电压大于0.7v时,三极管导通,d点为低电平;这样反复导通,截止,形成了d点电压100hz脉冲波形,通过中断,检测电压零点.c点和d点的电压波形,如图8. 73.5.2 5v稳压电路原理 如图表8所示,经变压器次级得到ab两点(14v),再经过桥堆br1,形成直流,再经过l7805稳压管u2得到5v电压8,两边的电容c4,c5是输入端和输出端滤波电容,作用是使电压更加平稳. 3.6 显示指示电路本设计显示电路采用了2个共阳led数码管，用于显示水温值及设定档位时的档位值。采用单片机i/o直接驱动数码管，另外设置3个功率档位指示灯，1-4档1个灯亮，5-8档2个灯

17、亮，9档三个灯全亮。0档无功率输出，档位灯不亮，显示及指示电路如图9193.7按键及蜂鸣报警电路 本系统设置3个轻触发按钮，分别为电源开关键、“+”和“”键。加热功率分9档，按“+”键依次递增至9档，按“”依次递减至0档。0-9档功率依次为0、1/9p、2/9p、3/9p、4/9p、5/9p、6/9p、7/9p、8/9p和p。另外设置一个蜂鸣报警器，当出水温度超过65时停止加热， 图8 电压波形图 fig 8 voltage waveform figure并蜂鸣报警，按键及蜂鸣报警电路如图109at89c51是一个低功耗，高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytesisp (in-sys

18、tem programmable)的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准mcs-51指令系统及80c51引脚结构18在本系统设计中,采用了11.0592mhz晶振,手动加上电复位.为了更好的防干扰,晶振的外壳接地,另外还在5v与地之间加一个无级电容. 主要性能特点:1、4k bytes flash片内程序存储器； 2、128 bytes的随机存取数据存储器（ram）； 3、32个外部双向输入/输出（i/o）口； 4、5个中断优先级、2层中断嵌套中断； 5、6个中断源； 6、2个16位可编程定时器/计数器； 7、2个全双工

19、串行通信口； 8、看门狗（wdt）电路； 9、片内振荡器和时钟电路； 10、与mcs-51兼容； 11、全静态工作：0hz-33mhz； 12、三级程序存储器保密锁定； 13、可编程串行通道； 14、低功耗的闲置和掉电模式。10 图9 显示指示电路 fig 9 display and instructions circuit 图10 蜂鸣及报警电路fig 10 buttons and bees alarm circuit 3.8 单片机的选择如图11 图11 at89c5111 fig 11 at89c514 控制系统的软件设计按快热式热水器的功能，系统程序必须实现显示扫描、按键扫描处理、加热

20、控制和温度检测4项任务。51系列单片机实现多项任务运行的方法就是分时复用，在程序设计时要相应地分配各任务的cpu占用时间。对于以上几个任务稍加分析可以看出，显示扫描和加热控制任务相对面言有实时要求，而温度检测任务则可用定时（0.51s）实现。174.1 主程序 整个程序的流程图如图12系统在上电复位后，先对温度寄存器、档位寄存器赋默认值，设置定时器及中断系统的工作方式等初始化工作。12由于51系列单片机没有停机指令，我们可以利用主程序设置死循环反复运行各个任务。我们把有实时要求的子程序（显示扫描、按键扫描）放在循环中。运行测温子程序的时间间隔为0.5秒，那么循环次数为100次。 图12 主程序

21、流程图 fig 12 main program flow chart4.2 显示温度程序包括了读温度,控制总中断,超温报警,led数码管显示当前温度等,如图13 4.3 加热控制程序这里面包括了三个中断子程序,分别是外部中断int0,和定时器t0,定时器t1,他们在时序上有非常严格的要求,不可能在同一时刻发生两个中断,如图1413 图13 显示扫描子程序流程图fig 13 shows scanning subroutines flow chart5 调试及性能分析快热式热水器硬件电路不包含任何可调元件，因此只要器件质量可靠，引脚焊接正确，硬件电路无须调试。 该电路中测温部分的振荡电路对电容c1

22、的容量比较敏感，若此电路要批量生产，可在热敏电阻r22上再串一个可变电阻，以补偿c1的容量变化。在初次试做本电路或关键硬件参数有调整时，应对系统软件中控制加热功率的可控硅导通角的延时参数表和温度/频率转换表这两部分进行调试。15可控硅导通角延时参数主要由市电的频率和过零检测电路的脉冲宽度决定，可以先更具市电频率，按等功率的要求计算理论值，再根据过零检测电路的脉冲宽度可以调整。用这个方案设计的快热式家用电热水器，电路简单，成本较低，经试验运行证明工作稳定、可靠，在无需改变硬件的条件下，如加入pid等自动控制程序还可以升级成自动控温的电热水器图14 加热控制程序流程图 fig 14 heating

23、 control program flow chart6 总结在克服种种困难之后，我终于完成了毕业设计，所设计的电路在通电的情况下能正常完成温度，加热控制电路在出水温度超过65停止加热并蜂鸣报警，温度降至45时恢复。继电保护内胆温度超过105时停止加热，防止干烧。这次完成论文的经历,我便深深地感受到了理论和实际结合的重要性,在整个过程中,我的动手能力和专业知识的运用能力得到了加强,同时,也从中学习到如何去思考和解决问题,以及如何灵活的改变方法去实现设计方案,通过此次设计,用所学的专业基础知识 ,解决了实际工程问题的能力，使我的人生又得到了一次很好的锻炼机会。致谢 本人的毕业设计论文一直都是在导

24、师蔡培中教授的悉心指导下进行的。蔡培中教授治学态度严谨，学识渊博，为人和蔼可亲。并且在整个毕业设计过程中，蔡教授不断对我得到的结论进行总结，并提出新的问题，使我的毕业设计课题能够深入进行下去，也使我接触到了许多理论和实际上的新问题，使我做了许多有益的思考。在此表示诚挚的感谢和由衷的敬意。 此次设计我还得感谢班上的同学们，谢谢李胜同学在我不知道如何动手给我提出方案和方法，还有刘小龙，李文超同学跟我在一起讨论如何修正设计中出现在问题，我们一起查找资料，共同完成彼此的毕业设计，大家互相帮助，让我感觉同学们之间的那份情谊，马上面临毕业了，我衷心的祝福曾对我教育我的老师们，还有那陪伴我大学四年美好时光的

25、同学们，祝愿你们身体健健康康，生活 、工作事事顺心如意。参考文献1 张大明主编.单片机微机控制应用技术.北京：机械工业出版社.2009年1月:8-12.2 胡斌,胡松主编.图表细说元器件及实用电路.第二版.北京:电子工业出版社.2011年1月:6-9.3 张大明主编. 单片机微机控制应用技术实操指导书.北京：机械工业出版社.2007年5月:16-18.4 来清民主编.传感器与单片机接口实例.北京：北京航空航天大学出版社.2008年1月:26-38.5 张宏：单片机原理及应用， 中国电力出版社，2008:42-53.6 求是科技：单片机典型模块设计实例导航， 人民邮电出版社，2004:29-32

26、.7 周航慈：单片机程序设计基础， 北京航天航空大学出版社，2004:48-49.8 王福瑞：单片微机测控系统设计大全，北京航空航天大学出版社，1997:36-43.9 孙涵芳：mcs-51/96系列单片机原理及应用，北京航空航天大学出版社，1996:58.10 吴金戊 沈庆阳：8051单片机实践与应用，清华大学出版社,2002:24-25.11 徐惠民、安德宁：单片微型计算机原理接口与应用第1版，北京邮电大学出版社，1996:24-2812 冯建华 赵亮 ：单片机应用系统与产品开发，人民邮电出版社 2004:4-7.13 王效华 张咏梅 ：单片机原理与应用，北京交通大学出版社2007:6-1

27、2.14 王迎旭 ：单片机原理及应用，机械工业出版社 2004:35-37.15 夏继强：单片机实验与实践教程，北京航空航天大学出版社,2001:7-13.16 张义和：例说8051，人民邮电出版社,2006:41-44.17 彭为：单片机典型系统设计，电子工业出版社,2005:19-23.18 . coms 4_/8_ channel analog multiplexers ad7501 :20-5519 . monolithic sample and hold ciranits lf198/298/398 :32-43.附录附录1 程序清单：#include#define uint uns

28、igned int#define uchar unsigned charsbit rs12=p10; /12864rssbit e12=p11; /12864esbit rw12=p12; /12864rwsbit moc30=p13; /moc3023,低电平有效sbit jdq=p14; /继电器,低电平有效sbit szj=p15; /设置键 低电平有效sbit xxt=p16; /向下调 低电平有效sbit xst=p17; /向上调 低电平有效sbit kgj=p20; /电源开关键 低电平有效sbit glgc=p32; /过零检测,要开中断sbit fmq=p21; /蜂明器低电

29、平有效sbit dykg=p22; /电源开关低电平有效sbit dcf=p24; /电磁阀输出低电平有效sbit dq18=p23; /18b20dqchar wdbj=37,i=0,dw=5,q=0,w,e,r;/q为温度,w为档位,e为四行提示,r为设定报警char dqwd=当前温度;char sdwd=设定温度;char dqdw=当前档位;char yxzt=运行状态;char yq1=温度 ;char yq2=按上下键调;char yq3=档位 ;char yq5=常;char yq6=故障;char yq4=停止;void ms(uint mms)/1:0.98ms100:96

30、.91ms200:193.81uint x,y;for(x=mms;x0;x-)for(y=110;y0;y-);void us(char uus)/1:7.6us5:16.28us10:27.13us50:113.93us100:222.44us200:439.46us/延时n微秒时,(n-5)/2while(-uus);void w12864dz(uchar dz) /写地址 rw12=0; rs12=0; /写指令rs为低 e12=0; /写之前e为低 p0=dz; /准备好指令 e12=1; /上升沿将指令写进去 ms(10); /等他忙完 e12=0; /将他拉低,准备下次再写入 m

31、s(10); /还是等他忙完,安全起见 rw12=1; void w12864sj(uchar sj) /写数据 rw12=0; rs12=1; /写数据时rs为高电平 e12=0; /拉低 p0=sj; /准备好要显示的数据 e12=1; /拉高,上升沿时将数据写入 ms(10); /等他忙完,省去检查忙标志 e12=0; /拉低,做准备写下一位 ms(10); /等他忙完,安全 rw12=1;void init () /初始化uchar a;w12864dz(0x30);/基本指令操作us(4);/要大于100us以上w12864dz(0x30);/基本指令操作us(2);/要大于37us

32、以上w12864dz(0x0c);/设置打开屏幕显示,光标显示,光标闪us(4);/要大于100us以上w12864dz(0x01);/清屏ms(20);/要大于10ms以上w12864dz(0x06); /指定在写入或读取时，光标的移动方向us(4);/这个延时随意,可以不要,安全w12864dz(0x80);/以下是不要动的数据写上去for (a=0;a8;a+)w12864sj(dqwda); /显示当前温度w12864sj(0xa1); w12864sj(0xc3);w12864dz(0x85);w12864sj(-);w12864sj(-);w12864dz(0x86);w12864

33、sj(0xa1);w12864sj(0xe6);w12864dz(0x90);for (a=0;a8;a+)wsj(dqdwa); /显示当前档位wsj(0xa1); /:w12864sj(0xc3);w12864dz(0x96);w12864sj(0xb5); /档w12864sj(0xb5);w12864dz(0x88);for (a=0;a8;a+)wsj(sdwda); /显示设定温度wsj(0xa1);w12864sj(0xc3);w12864dz(0x8e);w12864sj(0xa1);w12864sj(0xe6);w12864dz(0x98);for (a=0;a8;a+)w1

34、2864sj(yxzta);/显示运行状态wsj(0xa1); /显示:wsj(0xc3); /for (a=0;a4;a+)wsj(yq4a); /显示停止void fwds18()/1820复位dq18= 1; /先拉高dq18= 0; /再拉低us(247); /延时dq18=1; /放开dq18us(27); /延时if(dq18= 0) /判断是否复位成功while(dq18 = 0);/ 复位成功后 等他自动拉高void wds18(uchar xs)/写1820数据uchar g;for(g=0;g=1;/准备写入下一位uint rds18()/读1820数据uint r18sj

35、;uchar z,x=0;fwds18(); / 复位18wds18(0xcc); /跳过romwds18(0x44); /开始温度转换us(372); /等温度转换完fwds18(); /再次复位18wds18(0xcc); /再次跳过romwds18(0xbe); /下面是读16位数的温度r18sj=0x00;/for(z=0;z=1; /小延时dq18=0; /us(1); /延时 dq18=1;/放开dq18us(1); /延时 if(dq18) /读1位数据 r18sj|=0x8000; /把读到这位数据放到ds里us(17); /延时dq18=1; /放开dq18x+; /小延时r

36、eturn r18sj; /返回读到数据void cs18wd() /显示18温度uchar b=0,c=0,d=0;while(glgc=0); /与中断时间分开b=rds18()/16;q=b; /把温度送给全局变量qif(b99)c=(b-100)/10;d=(b-100)%10;if(b100)c=b/10;d=b%10;if(q69) /故障情况下显示当前温度w12864dz(0x85);w12864sj(0x30+c);w12864sj(0x30+d);if(bwdbj)/设定温度到了,停掉发热管,ea=0;moc30=1;if(b2)/i=0;if(szj=0)/fmq=0; /

37、蜂明器低电平有效ms(6);while(szj=0);i+;if(i=1)/if(xxt=0)fmq=0;/蜂明器低电平有效ms(6);while(xxt=0);wdbj+;if(xst=0)fmq=0;/蜂明器低电平有效ms(6);while(xst=0);wdbj-;if(i=2) /if (xxt=0)fmq=0; /蜂明器低电平有效ms(6);while(xxt=0);dw+ ;if(xst=0)fmq=0; /蜂明器低电平有效ms(6);while(xst=0);dw-;if(wdbj65) /最高温度65最低1wdbj=65;if(wdbj1)wdbj=1;/以下是显示设定温度值i

38、f(r!=wdbj)w12864dz(0x8d);w12864sj(0x30+wdbj/10);w12864sj(0x30+wdbj%10);r=wdbj;/根据档位,显示档位if(dw6)dw=6; /以下是显示对应该的大写if(w!=dw) /判断档位没有改变 有就显示否则不显示w12864dz(0x95);if(dw=1)w12864sj(0xd2);w12864sj(0xbb);if(dw=2)w12864sj(0xb6);w12864sj(0xfe);if(dw=3)w12864sj(0xc8);w12864sj(0xfd);if(dw=4)w12864sj(0xcb);w12864

39、sj(0xc4);if(dw=5)w12864sj(0xce);w12864sj(0xe5);if(dw=6)w12864sj(0xc1);w12864sj(0xf9);if(dw=0)w12864sj(0xc1);w12864sj(0xe3);w=dw;/以下是第四行的显示if(q70)if(i=2)if(e!=1) /当i=2时,提示只显示一次w12864dz(0x98);for (f=0;f10;f+)w12864sj(yq2f);/显示按上下键调for (f=0;f4;f+)w12864sj(yq3f); /档位e=1;if(q70)if(i=1)if(e!=2) /当i=1时,提示只显示一次w12864dz(0x98);for (f=0;f10;f+)w12864sj(yq2f);/显示按上下键调for (f=0;f4;f+)w12864sj(yq1f); /显示温度e=2;/只有在继电器导通下,和i=0没有设置的时候要显示的提示if(q70)if