基于单片机的智能热水器系统分析研究 电子信息工程管理专业

摘要随着社会的发展和人们生活水平的提高。人们对环境的要求越来越高。也特别是环境，安全，智能，舒适，人性化的居住环境已经成为新的追求。以往的老旧的生活方式已经无法满足人们目前的需求。随着科技的发展，各个领域的发展都变得突飞猛进。在家居方面，科技使计算机技术，网络技术和电子应用技术结合在了一起，智能家居诞生了。智能电热水器的反战前景非常乐观。主要原因如下：国家城镇化建设和棚户区改造两项政策的逐步落实，将大力激发三、四级市场对热水器、特别是电热水器的刚性需求，将为未来5年电热水器的发展提供良好的空间；国家2014年开始雾霾治理措施，将进一步推广清洁能源的使用，对燃气热水器的废气排放将会进一步规范，对天然气价格将会和汽油一样进行国际接轨，势必提高目前国内总体气价较低的怪相，将会更有利于电热水器的发展。这份报告讨论的是智能家居中的智能热水器。 本设计采用AT89C52单片机作为基础。本设计在软件和硬件方面对单片机是否能够控制电热水器实现自动化进行了分析。在硬件方面主要对单片机的最小系统及其扩展、电源的设计、各种接口，数模转换电路，水位及水温检查电路，安全性保护电路等进行了详细介绍。本报告还详细介绍了所用到的芯片的性能和特点。在软件设计方面，采用汇编语言编程，采用汇编语言的主要原因是其易于被单片机所识别，执行速度相对较快。在最后也对软件做了测试分析。 该智能热水器的设计档案完备，实现条件相对宽松，采用软件控制。可以检测水温和水位，实现智能化。通过安全性设计，也提高了整机的可靠性和准确性。关键词：单片机自动控制智能开关

AbstractWiththedevelopmentofsocietyandtheimprovementofpeople'slivingstandards.Peopleareincreasinglydemandingfortheenvironment.Especiallytheenvironment,safety,intelligence,comfortandhumanizedlivingenvironmenthasbecomeanewpursuit.Theoldwayoflifeinthepasthasbeenunabletomeetpeople'scurrentneeds.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thedevelopmentofvariousfieldshasbecomerapid.Inthefieldofhome,technologyhascombinedcomputertechnology,networktechnologyandelectronicapplicationtechnology,andsmarthomewasborn.Thisreportisaboutsmartwaterheatersinsmarthomes.ThisdesignusestheproducttypeisAT89C52singlechipcomputer.Intheaspectofsoftwareandhardware,thisdesignanalyseswhethertheMCUcancontrolthewaterheatertorealizeautomation.Intheaspectofhardware,theminimalsystemanditsexpansion,powersupplydesign,variousinterfaces,digital-to-analogconversioncircuit,waterlevelandtemperaturecheckingcircuit,safetyprotectioncircuitofMCUareintroducedindetail.Thisreportalsodescribesindetailtheperformanceandcharacteristicsofthechipsused,including,butnotlimitedto,Intheaspectofsoftwaredesign,assemblylanguageisusedtoprogram.ThemainreasonforusingassemblylanguageisthatitiseasytoberecognizedbyMCU,andtheexecutionspeedisrelativelyfast.Finally,thesoftwareistestedandanalyzed.Thedesignfilesoftheintelligentwaterheaterarecomplete,therealizationconditionsarerelativelyrelaxed,andthesoftwarecontrolisadopted.Itcandetectwatertemperatureandwaterlevelandrealizeintellectualization.Throughsafetydesign,thereliabilityandaccuracyofthewholemachinearealsoimproved.Keywords:SCMautomaticcontrolintelligentswitch

目录第一章绪论41.1课题研究背景目的及意义41.2国内外研究状况和成果6第二章总体方案设计92.1设计要求92.2总体方案设想9第三章系统硬件设计3.1系统硬件设计方案113.2电源电路设计113.3温度显示电路123.4自动报警电路12第四章系统软件设计4.1系统软件设想144.2程序设计流程图15 4.2.1主程序流程图15 4.2.2按键扫描流程图15 4.2.3按键处理流程图16 4.2.4液晶显示流程图17第五章软件调试5.1FPGA软件调试、仿真和实物测试185.2软件调试、仿真和实物测试185.3调试结果18第五章结论19致谢20参考文献21

绪论随着社会的发展和人们生活水平的提高。人们对环境的要求越来越高。也特别是环境，安全，智能，舒适，人性化的居住环境已经成为新的追求。以往的老旧的生活方式已经无法满足人们目前的需求。随着科技的发展，各个领域的发展都变得突飞猛进。在家居方面，科技使计算机技术，网络技术和电子应用技术结合在了一起，智能家居诞生了。本设计主要以AT89C52单片机为核心，开发智能化的热水器系统。本课题从硬件，软件等多方面讨论。本章首先介绍为什么要研制智能电热水器系统以及智能电热水器系统的发展情况，最后介绍本设计主要的研究设计。课题研究背景目的及意义据有关单位的统计，我市城镇居民使用电热水器的用户不在少数。随着时代的发展，以前无限风光的燃气热水器逐渐被淘汰；新兴的太阳能热水器虽然有安装条件的限制，但是凭借着其安全、环保的理念深受消费者青睐，发展事态迅猛。但是由于种种方面的原因。还有相当一部分的城镇居民选用电热水器。电热水器有着诸多优点适应着当下的社会发展：容易安装，不会像太阳能热水器一样容易受到天气的影响。不会受到楼层的高度和供水管道的限制，前期投入的成本比较低等。在电热水器逐渐普及的前提下，更多新的产品进入了市场：下置式、嵌入式等多种安装形式的电热水器相继问世，这就使电热水器基本摆脱了房间大小的限制。智能化电热水器凭借着安全性高，更加的节约能源，从长久角度上想能够节约成本，能够适应快节奏的生活，节约人们的时间和经历等有点，受到越来越多消费者的追捧。在科技日新月异的今天，电热水器技术也在飞速的发展。越来越多的黑科技也在电热水器上的到了运用。现在的电热水器已经完全不是一个简单的加热工具了，而是科技含量很高的现代化家居产品。随着我国经济水平的快速发展，人民的生活水平越来越高。人们追求的已经不再是简单的温饱，而是舒适的生活。在这种大条件下，智能化电热水器所扮演的角色越来越重要。而且随着三峡工程的竣工和我国电网扩容的背景之下，大功率电器的使用已经不再受到限制，风力发电，水力发电等情节能源的发展使得能源的获取更加环保，相应的，一度电的价格也成功降低。这也从另一方面推动了智能电热水器的发展所以，才有了篇基于AT89C52单片机的智能电热水器的设计研究。本次选题是基于人们对现代的舒适，智能，安全，便利的家庭环境的需求，采用AT89C52单片机设计的智能热水器。采用AT89C52单片机作为主要控制芯片，主要目的是为了实现热水器的智能化。使热水器可以持续的稳定的提供热水，而且拥有短路保护等安全性的防范措施。使人们在洗浴时能够更加享受，更加放心。使人们能够在快节奏的生活条件下能够感受到家的舒适温馨。

1.2国内外的研究状况和成果根据对电热水器行业的了解，热水器的最关键部位使内胆，如果内胆损坏就意味着整台机器报废。电热水器不必要频繁的更新换代，这是与其他家用产品的不同点。但是出于性价比和安全的考虑，一台电热水器的寿命是消费者选择的重要依据，这也是厂家需要绞尽脑汁解决的问题。就想空调的核心是压缩机一样。内胆是热水器的核心。严格意义上讲，内胆的品质就代表了热水器的品质。但是目前的内胆技术繁多。但是这些技术的最终追求就只有：保温，耐用，不渗水等基本要求。市面上比较强奸的内胆类型有搪瓷内胆，不锈钢内胆，钛合金内胆，金圭内胆等。但是目前比较先进的内胆类型是钛合金内胆。 除了对耐用性的不懈追求，设备的智能化也是当今技术发展的一大趋势。智能化运用有诸多好处：比如更加方便，更加节能等。智能更是它的竞争优势，它可以按照用户的使用习惯设置模式，做到提前加热，恒定水温等，功能，让使用者更加省心。在非用水事件中，会启动恒温模式，根据设定的温度计算出最节能的保温温度，做到真正意义上的不拔插头更省电。在节能上已经有其他智能家居设备走在了前面，其实电热水器这种耗能更高的热水器更加应该应用上节能技术。 对于传统的电热水器行业而言，要想出现极大的技术突破是非常非常困难的。那么就智能在功能上尽可能的提升，使电热水器更加人性化，这是可行的。厂家的策略也确实是这样。阿里斯顿，斯密斯，美的就争先恐后的上市了超大液晶屏、具有电子线控等新技术的智能电热水器。海尔甚至在电热水器上增加了洗澡按摩功能，这款电热水器具有专门的喷雾按摩喷嘴，让消费者在洗澡的时候也能享受按摩的舒适。国内就电热水器的智能化研究稍逊于国外。西门子公司推出的智能电热水器产品，采用了德国的新电脑温控技术，这项技术能够确保出水的温度恒定。西门子集团还采用西门子自己的强大的放漏电保护技术，开发除了独有的ELCB德国安全专家模式功能。这项功能除了具有传统的防漏电装置外，还具备电流自检功能，随时确保防漏电系统的正常工作，杜绝发生意外，进一步确保用户的安全。樱花公司推出的IMES智能记忆节能系统，突破了传统的节能模式，在日常使用的任何阶段，都能节约能源。它提供了：1、对于不经常使用热水的家庭，一周1-2次使用热水器，使用频率不高。这样的家庭在洗澡前一个小时开始通电加热，洗完澡后关闭。平时则热水器处于关闭状态。如果是樱花热水器JR速热系列就更加方便，即开即热，不用提前开启。且能按照个人的沐浴习惯，智能供应热水。这样能使电能消耗处于最少的状态，从而最大程度上节省电费。2、对于每天都使用热水器，且仅用于洗澡，热水使用量不大的家庭，可以购买樱花热水器电脑控制的数显热水器产品，利用其定时加热功能来完成。洗澡之后关闭热水器。3、对于经常使用热水器的家庭用一台热水器，可以根据使用的频率和热水的使用量来调节热水温度，使用量不大的情况，可以把温度调低一点，使用量大的情况下可以适当提高温度。且樱花热水器的峰谷电加热模式，节电又省钱。4、各个季节的温度不同，我们所需要的洗澡温度也不一样，樱花卫厨热水器记录春夏秋冬使用习惯，实时节能。中国企业的也在努力寻找技术的突破，比如海尔。海尔电热水器具有如下优势：海尔电热水器的安装使用更加的节省电能。海尔电热水器采用了3D加热节能技术，因此在夏季洗淋浴的时候可以实现随时洗澡随时出热水的便利条件。在冬季淋浴的时候也不用等待太长时间热水器就可以加热到指定温度水平上，一般在冬季淋浴最多只需要预热二十分钟左右就可以达到温度标准。热水器所采用的3D加热节能技术可以避免预热所带来的热量损失，用户用多少水直接加热多少水就可以，可以有效的减少能源的浪费。海尔电热水器所选用的制作材质精良。海尔电热水器采用了液体膨胀式温控器，这种温控器可以深入内胆中部来探测水温，和纽扣式温控器相比反应更加的灵敏，同时所探测的水温更加的精准。海尔电热水器还采用了钢板制作内胆，这种材料属于搪瓷专用的脱碳钢板，这种材质的钢板可以承受更高强度的压力。海尔电热水器的外壳经过了酸洗以及磷化等工作步骤，制作过程经过了严格的把关，保证了产品的品质。用户在选购热水器的时候，会非常关心热水器的使用寿命。海尔电热水器采用了特质配方的镁棒，可以最大限度的降低能源的消耗，同时也起到了保护内胆的作用。特质不锈钢内心可以保证镁棒不会发生断裂。结合热水器内胆尺寸的不同，会配置合适的镁棒，让热水器的使用更加的高效，让热水器的内胆可以使用更长时间，所以热水器的使用寿命也更加的长久。海尔电热水器在工作的过程中更加的节省能源，同时热水器所选用的制作材质非常的精良，让热水器的品质更加有保证。与即开即用热水器不同的是，比佛利LQ3作为一台“有记忆的”智能电热水器，它能够准确地记录每个人的使用习惯，甚至精细到每日人使用热水的时间长短、用水温度、用水量。而且它的“记忆能力”也很持久，能记住长达49天的惊人的时间，让用户能够尽享科技带来的舒适，体验“除了接通电源，一切都交给它”的服务享受。除了拥有智能记忆外，比佛利LQ3热水器还带有手机app远程控制功能。用户只需在回家洗澡前在手机app上设定好适宜的温度，回到家后便可直接洗上热水澡，无需等待，还能够远程帮家中的老人调整洗澡的温度，减少老人洗澡不必要的麻烦，方便又快捷。电热水器是储热式工作原理，水中的杂质会随着使用时间慢慢沉淀下来，因此很多人用电热水器最担心的就是水垢的产生。比佛利LQ3热水器对此在机身内增加了前置阻垢净滤器，就相当于在进入水箱前增加了一道“过滤网”，水中的杂质都能过滤掉，这样能大大减少内部水垢的产生，快速解决用户担心水垢产生的烦恼。比佛利LQ3热水器在功能设置上注重用户体验享受外，在外形设置上也考虑到了现在大多数家庭户型面积不大，过大的热水器放置于浴室内容易压缩浴室空间的问题。为了实现容量和体积两者间的平衡，比佛利LQ3热水器被设置成圆桶形，这样既增加了储水容量，又能充分利用卫生间空间，在视觉上还显得十分可爱。一台电热水器，最重要的就是安全。在安防方面，比佛利LQ3热水器也是下了很大的功夫，尽心守护家中每个人的安全。当水量感应器检测到水量小于0.7L/min时，热水器就会自动断电;在使用热水器时，还有漏电保护设备，一旦检测有漏电，电热水器立马断电，从水火电全方位进行保护，从根源杜绝任何危险现象发生。海尔电热水器所选用特质配方的镁棒，因此可以让内胆的使用时间更长久。电热水器的行业不光有外国企业的领头作用，中国企业也对电热水器的发展做出了极大贡献

2、总体方案设计2.1设计要求制作一款以单片机为核心的的电热水器控制系统，目的在于能够使电热水器能够快速，稳定的达到沐浴时的合适温度，以体现电热水器所具有的能够快速提供热水的优势。要求设计的电路包括温度传感器转换电路，自动调节水温和设置水温电路，单片机输入输出接口电路以及提供显示的电路设计。其中较难实现的使PID控制温度。2.2总体方案设想我所设想的方案过程如下：首先通过键盘设定一个需要的温度值，然后通过传感器采集当前水温，然后与设定的水温进行比较，水温如果小于设定值，那么电热水器开始工作加热热水，当加热水温至设定值时，则停止加热，设定水温和当前水温通过LED数码管显示。而当水温超过设置的临界温度时，报警器开始工作发出报警，同时电热水器停止工作。电路以单片机为基础，整个电路包括温度设定按键模块，数码管显示模块，报警模块和输入输出电路等模块组成。其系统模块框图见图2.1图2.1系统模块框图温度设定电路。通过安东按键产生的脉冲传递到单片机来设定水温。温度测定电路，通过温度传感器来测量当前水温。单片机，是整个电路的控制核心，实现PID模糊控制。数码管显示，单片机接受温度传感器的水温并利用数显管显示设定温度和当前水温。报警电路，当实际水温高于设定水温时，报警电路工作，基于以上多个模块设计出了整块控制电路的基本结构图，如图2.2图2.2系统结构图结构图中以单片机为基础进行了简单系统设计。通过单片机对偏差进行PID运算，输出占空比可变的PWM波形，从而控制固态继电器的导通时间，即通过调节加热功率即可达到控制温度恒定的目的。

3、系统硬件设计3.1系统硬件设计方案硬件系统主要由AT89C52单片机和其他外围电路构成。外围电路主要有：信号采集电路、时钟模块、加热控制模块、数码显示模块、键盘模块、复位电路。依据本论文所能实现的智能电热水器功能的需求，在节约成本、增加系统安全系数及保障可靠性、减小体积等原则下进行设计。如本文开篇所讲的一样AT89C52是该系统的核心，其他外围电路通过引脚与AT89C52进行连接。由Pt1000铂电阻温度传感器采集当前水温、经过专用的信号放大电路和模数转换电路，将信号输入芯片AT89C52中；而实时时钟的实现则是采用PCF8563时钟芯片，该芯片的主要功能使取得时钟的小时和分钟；键盘模块的主要目的使为了设定开机时间、所需水温、加热定时、时钟校准，因此还需要四个独立按键；为了调高整套系统的性能，系统专门采用了看门狗复位电路；对于温度及实时时钟的显示则选择以CH451作为驱动芯片的LED显示电路。图3.1硬件设计框架图3.2电源电路设计想要该系统能够稳定工作，则需要5V的稳定电源，因此在电源设计时无比采用能够供给整套系统稳定工作电压和电流的可靠电源。本设计中则使用了型号为LM7505的三端集成稳压器电源，此电源的优势在于没有过多的其他电子元件，只有输入、输出以及公共端三个引脚，因此其不必要连接过多的外部电子元件，因为其方便、可靠、能够提供稳定的性能所以选为该系统的电源。图3.2电源电路连接图3.3温度显示电路在本设计中有两个显示电路，共用到六个共阴极八段码数码管两组，一组显示设定的水温，一组显示测量的当前水温。每组显示管中前两位显示0-99，最后一位为小数点后一位数据。两组共用能够达到动态显示。图3.3温度显示电路3.4自动报警电路本设计中另外的一个重要组成部分使自动报警电路。在生活中，常常会有人被电热水器里的热水烫伤的声音。于是，产生了通过单片机控制蜂鸣器的设想。当加热水温达到预设的温度时，单片机对驱动口输出电平驱动，并通过三极管增强电流驱动，就使蜂鸣器发出声音。电路图如图3.4。图3.4自动报警电路设计图

4、系统软件设计4.1系统软件设想在程序中使用的判断方式是死循环，去扫描按键，看是否有键被按下产生脉冲并对其结果进行处理。同时这套程序还会完成当前水温的采集、转换和对当前水温和设定水温的对比等。在编写采集DS18B20数据的函数时运用了DS18B20的单总线协议，在读写DS18B20协议时，I/O口的电平时序尽可能做到与资料上提供的数据相一致。作为只要控制器的STC89C52单片机，能够根据收到的数据判断是否启动测量电路，或者是否设置温度值，或者是否关闭显示与声光报警。测量时还一并读取DS18B20发出的信号并进行相应的地址计算，同时比较测量值与设定值，如果在设定范围内把水温在数显管上显示。同时如果当前水温低于设定水温，则启动加热功能。系统程序结构图如图4.1所示。图4.1系统程序结构图

4.2程序设计流程图4.2.1主程序流程图根据系统设计指标，绘制出主程序流程图，如图4.2所示图4.2主程序流程图由程序工作的流程可知，首先系统进行初始化操作，然后对按键进行扫描判断。如果有按键产生按压脉冲，则进行相应的处理子程序，并重新扫描DS18B20。下一步进行数显管显示温度操作。如果温度低于设定值，则吸合继电器，继续启动加热。否则释放继电器，停止加热。4.2.2按键扫描流程图开始测温时要设置DS18B20的I/O口为高电平，然后对DS18B20进行初始化操作，初始化成功后DS18B20接收单片机发除的控制信息，为了节约操作步骤跳过ROM命令，然后设置匹配过程，然后再次对DS18B20进行初始化操作。在成功后启动测温程序，然后将温度保存并返回数值。图4.3键盘扫描流程图4.2.3按键处理流程图按键处理部分，即读取用户操作了哪个按键，判断按键值。如果发除脉冲的的是增加按键，则温度设置值增加1度。否则温度设置值减少1度。如果SET按键产生脉冲，则程序返回。按键处理流程图如图4.4所示。图4.4按键处理流程图4.2.4液晶显示流程图液晶初始化子程序流程图如图4.5所示。液晶初始化部分，完全按照1062液晶的PDF手册时序图进行编写。首先运行开显示指令，进行页面地址设置。设置显示起始行，列地址设置，结束。图4.5液晶初始化子程序流程图5、软件调试5.1FPGA软件调试、仿真和实物测试VHDL语言编程采取的是自上而下的设计思路5.2软件调试、仿真和实物测试这是对于单片机能否正确读写DS1302的数据的仿真图形的测试：5.3调试结果打开已经设计好的电路图文件，运行仿真。首先，设置数显管的设定水温（设置最高水温为60℃和最低水温为35℃）。此时用3个按键来进行温度的设置。设置键用来选择设置的是最低温度﹑还是最高水温或现在水温，而“加一”、“减一”键用来改变设置的水温值。通过这种模式的水温调节程序，该系统实现了需求水温设置和系统自动报警功能。系统可以通过水温变化来调节加热进度，在当前水温超过设定范围时会自动报警以示提醒。系统通过调试组装夫人工作状态正常。实验结果显示，接通电源后，数码管正常显示温度，按一下设置键，并可以通过“加一”和“减一”键来调节需要设定的水温的高低，直到到达想要设置的值为止。

结论本文详细的介绍了基于单片机的智能电热水器的设计。在本设计的撰文过程中，完全按照要求的标准进行实验，验收。指标都已经达到了要求。在经过实际的应用之后，效果也达到了预期，说明该套以同的实际是无误且合理的。 本设计选用单片机作为基础来设计智能电热水器。同时也对单片机控制电热水器以达到实现智能化的目的进行了合理分析。实际上我们可以利用温度传感器，水位检测器以及数模转换装置来完成本次实验。在硬件的使用方面，主要对芯片类型，电源电路，键盘接口设计，温度显示电路设计和自动报警电路进行了详细说明。还介绍了在本设计中所用到的芯片的名称和特点。而在软件设计这方面，我们用了汇编语言进行编程。汇编语言的易于被单片机识别，执行速度快等特点是我们选用它的依据。在最后还进行了误差分析。 在1987年随着鼎新生产出第一代热水器的雏形的出现，“过热宝”成为了中国的第一代电热水器，这也是首次把电热水器的概念引入中国，这使得鼎新成为最早的一批生产电热水器的厂家之一；1988年中鼎新研制除了第一台可以提供热水洗澡的电热水器，成为当时各家媒体争相报道的焦点。电热水器已经从第一代的燃气热水器发展到现在家用多功能智能热水器。理论上已经相当成熟了。但是，还是由很多点需要注意：电热水器的安全问题同样不容忽视，它直接关系到消费者的生命安全，再加上最近能源紧缺，人们的生活节奏日渐加快，所以智能化电热水器越