智能热水器系统设计大学论文.doc

xx工业应用技术学院本科生毕业设计（论文）题 目： 智能热水器系统设计 起止日期： 2016年3月6日至3月10日 指导教师： 职称： 学生姓名： 学号： 专 业： 院 （系）： 教研室主任： 20 年 月 日审查院系负责人： 20 年 月 日批准摘 要在智能热水器系统控制设计中，采用采用STC89C51单片机作为核心单元，本文对智能热水器如何实现智能化控制做了有效性分析，利用各种原件，例如：感器温度传感器、继电器来完成论文的设计。通过硬件设计和软件设计两个方面对智能热水器执行控制。在软件设计方面，采用C语言来进行编程, 在硬件设计方面通过键盘显示、接口、温度控制报警电路、电源电路、水温检测电路来构成整个单片机的控制系统，这些功能的实现主要通过对单片机最小系统进行扩展来实现。在设计方面，通过比较分析，采用最好的方案，力求设计简单易行，能够进行用软件来控制，完成水温的测试，能够进行智能加热，提高了系统设计的准确性和可靠性。关键词：STC89C51，DS18B20，智能，热水器，设计IIIABSTRACTAs technology make a good progress, the applications of single-chip microcomputer become mature all the time. The single-chip microcomputer integrates the various components in a chip, uses the internal bus structure, reduces the connection in different chips, enhanced greatly the reliability and anti-jamming capability. In the development of single-chip microcomputer, due to its excellent cost performance, high integration, small size, high reliability, it has been used as a control center all the time. Since the birth of single-chip microcomputer, it began to walk into a humans life, such as washing machines, refrigerators, electronic toys, DMB, which equipped with the single-chip microcomputer, and improved their intelligence, ability. People, who used them, will love them better. The single-chip microcomputer makes humans life more convenient, comfortable and colorful. As a result, I use single-chip microcomputer to design intelligent electric water heaters. This paper mainly discusses the intelligent electric water heater how to work. To achieve system goals, in deep analysis of the STC89C51, I made a set of simple and practical control system design. The system is mainly to use single-chip microcomputer to control centers, with specific hardware architecture and the corresponding software design, thus the intelligence of the water heater would become true.Keywords: single-chip microcomputer, controller, intelligence , water heater, design主要符号表目 录第1章 绪论1.1 选题的背景、目的及意义1.2 国内外的研究状况和成果1.3 研究设想和实验设计第2章 硬件系统设计2.1 方案验证2.2 硬件系统设计2.2.1 电源电路2.2.2 键盘/显示接口电路2.2.5 报警电路2.2.6 模数转换电路2.2.7 温度检测电路2.2.8 水位检测电路2.2.9 STC89C51功能及特性介绍第3章 软件系统设计3.1 主程序流程框图结论参考文献致谢第1章 绪论1.1 选题的背景、目的及意义随着人们生活水平的提高，越来越多的智能热水器走进了每个家庭，这种热水器使用起来比较方便，逐渐代替了燃气热水器，能热水器的市场份额已经超过了80%，随着新能源的发展，太阳能智能热水器因为安装的局限性，还没有得到普及，对我国城镇居民中，人们在使用智能热水器的时候，非常注重产品的安全，环保，随着家电的普及，人们悠闲选择，电热水器和太阳能热水器，因为燃气热水器对环境会造成污染，随着国家对环保的重视，智能热水器在人们日常生活中所占的比例越来越大，在这种市场需求下，我们开发出了智能热水器，利用单片机来进行系统控制设计，使得人们在使用的时候非常方便安全。核心部件采用STC89C51单片机。1.2 国内外研究状况和成果据了解，热水器内胆最关键，如果内胆损坏就意味着整台机器报废。市场上常见的类型有搪瓷内胆、不锈钢内胆、钛金内胆、金圭内胆等，搪瓷内胆抗疲劳性差，不锈钢内胆焊缝容易漏水，目前比较先进的内胆主要是钛金内胆。 智能化技术的运用有两个好处，一是更方便，二是更节能，按照用户的使用习惯提前预先加热，让使用者随心享用热水。而在非用水时间则启动中温保温方程式，根据设定温度计算出最节能的保温温度，减小热水器内外温差，因而大大减少保温加热次数，真正做到不拔插头更省电。在节能上冰箱等家电产品已经走在了前面，热水器这种用电量很大的产品更加应该推进节能技术的普及。在热水器研发中模拟大自然中的负离子功效，利用热水器的电能、空气气压、水压形成的势能和动能，作用于空气或水中的水分子使其发生破裂的，使空气中带负电荷的氧分子和微小的水分子结合，生成大量的负离子。1.3 研究设想和实验设计在设计中，采用STC89C51单片机作为核心控制单元，设计要求主要是来实现温度自动控制、水位自动控制、数字显示、键盘模块、编程接口、电源模块、报警模块等作为设计重点。详细的实验设计方案：STC89C51单片机供电电压为五伏，这样，就需要一个稳定的直流稳压电源来进行给它供电，因为我们家用电压为220伏，为了达到控制需求，我们对220伏电压进行了滤波、稳压方式使得输出电压为五伏，满足设计需求。因为单片机对环境的使用需要处非常高，为了不受环境的干扰，我们对单片机的供电单元进行了独立设计，别到使单片机硬件具有通用性，在系统配置上以显示器、按键等器件来构成。震荡电路选用12兆赫兹晶振和两个3030F陶瓷平衡电容组成。在硬件使用上，重点考虑了硬件的通用性，例如：复位电路，通过按键复位和上电来进行结合设计，实现加减功能、确定功能的设置。在智能系统控制中我们还采用了红外遥控的控制功能，可以远距离进行智能化热水器的控制，方便了人们的使用需求，提高了系统的安全性。智能热水器系统工作的时候，系统具有自检功能，来完成温度范围的设置，按键的设置，还可以利用，红外遥控器上的按键操作，和手动控制面板一样，来完成系统的检测设置，然后进行后台程序运行，由传感器元件进行检测水温，当水温低于设计数值的时候，系统进行自动加热，当温度高于控制设置数值的时候，系统自动停止加热，为了方便使用需求，我们在设计中还考虑了预约加热模式，预约时间范围为0-999分，设置的时间到了的时候系统进行自动加热。第2章 硬件系统设计2.1 方案验证本课题是基于STC89C51单片机的智能电热水器的控制器的设计，要达到的控制要求有：（1）用LCD1602液晶显示水温、设置上下限和定时时间，（2）水温检测显示范围为0099，精度为1。（3）温度预设范围为099，当检测温度低于预设温度时，开始加热；检测温度高于预设温度时，停止加热。（4）设置4个程序按键。分别问设置按键、加键、减键、确定。（5）可以红外遥控，通过红外一体接收探头接收遥控器信号，执行与主板按键同等功能。方案一：以STC89C51单片机为控制中心的智能电热水器STC89C51单片机具有结构简单、控制能力强、可靠性高、体积小、价格低等优点，在许多行业都得到了广泛的应用。以STC89C51单片机为核心，配以外围电路如时钟电路、复位电路、按键、显示器件即可构成交通灯系统，结构框图如图2.1.1：温度检测STC89C51电源电路加热电路显示电路图2.1.1 STC89C51控制的智能电热水器遥控电路按键电路 方案二：PIC16C72单片机为控制器件的智能电热水器以PIC16C72为控制芯片的电热水器，虽然功能很强大，但是存在一些很需要改进的地方：中断的现场保护是中断应用中一个很重要的部分由PIC16C72的指令系统中没有专门的PUSH(入栈)和POP(出栈)指令，所以要用一段程序来实现该功能。对可能用到的W寄存器和STATUS寄存器内容进行现场保护1然后在中断服务程序中对马达，继电器进行控制1漏电检测报警在中断里给出，而每50ms进入一次中断，所以发生漏电时最多50ms即可切断电源1入口中断保护控制马达控制继电器如果用直流对电机进行控制，其转速太快，过调量太大，容易引起震荡。2.2 硬件系统设计系统的硬件系统以STC89C51单片机为核心，主要分两部分：直流稳压电源和智能电热水器控制电路，其原理图见附录二。2.2.1 电源电路电源电路按元件类型可分为电子管稳压电路、三极管稳压电路、可控硅稳压电路、集成稳压电路等。根据调整元件与连接方法，可分为并联型和串联型；根据调整元件工作状态不同，可分为线性和开关稳压电路。本设计中采用了线性工作状态的线性集成稳压电源。直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，设计框图：电源变压器整流滤波电路稳压电路输入电压U1输出电压U2图2.2.1.1 直流稳压电源各部分简介：（1）电源变压器电源变压器作用是将电网220V的交流电压V1变换成整流滤波电路所需的交流电压V2。变压器副边与原边的功率比P2/P1=，式中为变压器的效率。（2）整流滤波电路接上负载时的桥式整流电容滤波电路的输出电压介于上述两者之间，其大小与放电时间常数RLC有关，RLC越大，U0越大。（3）稳压电路稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。由于三端式稳压器只有三个引出端子，具有应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而广泛应用。三端式稳压器有两种，一种称为固定输出三端稳压器，另一种称为可调输出三端稳压器。它们的基本组成及工作原理都相同，均采用串联型稳压电路。（6）电路目的：给单片机及其他控制电路提供电源。电源设计是电路设计很重要关节。它的稳定与否涉及到电路是否能稳定工作。按要求需要一个+5V电压，一个+12V左右可调电压。于是采用可调压芯片LM317，它是稳压芯片。LM317是三端稳压集成电路，最大输出电流为2.2A，输出电压范围为1.25V37V。它具有输出电压可变、内藏保护功能、体积小、性价比高、工作稳定可靠等特点。用它制作输出电压可变稳压电源，调节可变电阻R2，便可从LM317输出端获得UO(可变输出电压)。既然ID和IRl对调节输出电压UO都起到了一定作用，并且IR1是由R1提供，IRI大小也没有任何限制，LM317输出电压服从1.25+IDR2=UO关系。可调稳压电路原理图如图2.4所示。图2.2.1.2 可调稳压电路原理图+5V电压也是利用三端稳压集成电路得到的，采用7805芯片。其用法和LM317差别不大，如下图所示。LM7805的1端是电源的输入端，3端是输出端，2端是接地端。图2.2.1.3 7805三端稳压电源电路本设计电源电路原理图见附录3。2.2.2 键盘接口电路本毕业设计的按键采用独立式按键，是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。独立式按键的典型应用如图： 按键输入均采用低电平有效，此外，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。当I/O口线内部有上拉电阻时，外电路不可接上拉电阻。独立式按键的软件常采用查询式结构。先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序，具体编程见程序清单。2.2.3 报警电路当温度超过上限是电路会报警，提示水温过高，注意安全。图下面位报警电路： 图2.2.3.1 报警电路2.2.5温度检测电路本文采用温度传感器DS18B20采集电热水器的实时温度, 提供给STC89C51的P2.2口作为数据输入。在本次设计中我们所控的对象为水温。其电路原理框图如下： 图2.2.5.1 温度检测电路当传感器工作时，如果水温超过60，将温度传给单片机，蜂鸣器报警，并断电；如果水温低于30，热水器开始工作，加热指示灯亮。2.2.7 红外一体接收模块红外传感器接收到人体红外信号经BISS0001处理后输出输给单片机P1.0口，TEL0表示接STC89C52是的P1.0口，通过对P1.0电平的判断，实现对单片机外围电路的控制，如电磁阀控制水阀电路，液晶显示淋浴时间等。红外采集电路7如图3-5：3.3显示电路设计在本系统中，用LCD液晶屏来构成显示部分，主要在人来时对淋浴计时时间和定时时间的显示。LCD液晶显示器具有功耗低、寿命长、无辐射、不易引起视疲劳等优点，正在被广泛应用于仪表、家用电器、计算机、医疗仪器及交通和通信领域8。本系统中，选择JHD162A作为液晶屏的显示驱动控制器。3.3.1 1602液晶模块JHD162A 简介字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD 目前常用16*1 16*2 20*2和40*2行等的模块。是一种很常用的小型液晶显示模块 在单片机系统、嵌入式系统等的人机界面中得到了广泛的应用。1、 1602LCD主要技术参数如下：(1)显示容量：162个字符(2)芯片工作电压：4.5-5.5V(3)工作电流：2.0mA(5.0V)(4)模块最佳工作电压：5.0V(5)字符尺寸：2.954.35(WH)mm2、 引脚功能说明：1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表3.3所示：表3.3 引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极3、 1602LCD的指令说明及时序1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表3.4所示：表3.4 指令说明序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）。指令1：清显示 指令码01H，光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位 光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向 高电平右移 低电平左移 S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效 低电平则无效。指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关 高电平表示开显示 低电平表示关显示 C：控制光标的开与关 高电平表示有光标 低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁 高电平闪烁 低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位S/C：高电平时移动显示的文字 低电平时移动光标。指令6：功能设置命令DL：高电平时为4位总线 低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示 高电平时双行显示 F： 低电平时显示57的点阵字符 高电平时显示510的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位 高电平表示忙 此时模块不能接收命令或者数据 如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。读操作时序如图3-6所示：图3-6读操作时序图写操作时序如图3-7所示：图3-7 写操作时序图3.3.2单片机与1062LCD接口电路设计根据1062LCD的工作原理，我们可以设计单片机与1062LCD的接口电路图如3-8所示：图3-8 单片机与LCD1602的应用电路2.2.7 STC89C51功能特点介绍 (1)主要性能参数：与 MCS-51 产品指令系统完全兼容4k字节在线系统编程（ISP）Flash 闪速存储器1000次擦写周期 3.35.5V 的工作电压范围全静态工作模式：0Hz33MHz三级程序加密锁1288字节内部RAM32个可编程I/O口线 2个16位定时/计数器6个中断源全双工串行UART通道低功耗空闲和掉电模式看门狗（WDT）及双数据指针掉电标识和快速编程特性灵活的在线系统编程（ISP字节或页写模式）(2)串行编程指令设置：串行编程指令设置为一个4字节协议。(3)并行编程接口：采用控制信号的正确组合可对Flash闪速存储阵列中的每一代码字节进行写入和存储器的整片擦除，写操作周期是自身定时的，初始化后，它将自动定时到操作完成。(4)功能特性概述：STC89C51 提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，STC89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。(5)芯片擦除：在并行编程模式，利用控制信号的正确组合并保持ALE/PROG引脚200ns500ns的低电平脉冲宽度即可完成擦除操作。在串行编程模式，芯片擦除操作是利用擦除指令进行。在这种方式，擦除周期是自身定时的，大约为500ms。擦除期间，用串行方式读任何地址数据，返回值均为00H。(6)Flash闪速存储器的串行编程：将RST接至Vcc，程序代码存储阵列可通过串行ISP接口进行编程，串行接口包含SCK线、MOSI（输入）和MISO（输出）线。将RST拉高后，在其它操作前必须发出编程使能指令，编程前需将芯片擦除。芯片擦除则将存储代码阵列全写为FFH。外部系统时钟信号需接至XTAL1端或在XTALl和XTAL2接上晶体振荡器。最高的串行时钟（SCK）不超过l/16晶体时钟，当晶体为33MHz时，最大SCK频率为2MHz。Flash闪速存储器的串行编程方法： (7)数据校验：数据校验也可在串行模式下进行，在这个模式下，在一个写周期中，通过输出引脚MISO串行回读一个字节数据的最高位将作为最后写入字节的反码。(8)STC89C51单片机最小系统STC89C51单片机最小系统由STC89C51单片机及其外围电路组成，外围电路包括时钟电路和复位电路两部分。时钟电路：时钟电路为单片机产生时序脉冲，单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的驱动下的进行的，时钟电路就好比人的心脏。同样，如果单片机的时钟电路停止工作（晶振停振），那么单片机也就停止运行了。当采用内部时钟时，连接方法如下图所示，在晶振引脚XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）引脚之间接入一个晶振，两个引脚对地分别再接入一个电容即可产生所需的时钟信号，电容的容量一般在几十皮法，如30PF。复位电路：单片机的复位电路分上电复位和按键手动复位。它是利用外部复位电路来实现的。当Vcc上升时间不超过1ms（RC=），振荡器启动时间不超过10ms。在加电情况下，这个电路可以使单片机复位。在加电开机时，RST上的电压从Vcc逐渐下降，RST引脚的电位是Vcc与电容电压的差，RST上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间，以满足复位操作的要求。在设计过程中，注重系统电路的简化和方便使用，在元件的选用上优先使用具有按键电平复位相和电复位互相结合的方式，复位后，单片机中的指令从000H单元最先开始运行程序，在这个过程中，一部分专用寄存器是复位状态数值，一些受到影响的专用寄存器统计如下： 表2.2.7.1 专用寄存器状态表寄存器状态寄存器状态TCON00HPC0000HTL000HACC00HTH000HPSW00HTL100HSP07HTH100HDPTR0000HSCON00HP0 - P3 FFHSBUF不确定IPxxx00000HPCON0xxx0000HIE0xx00000HTMOD00H 图2.2.7.1 单片机最小系统 17第3章 软件系统设计在智能热水器系统设计中，软件设计的组成分别为模块子程序、键扫描子程序和主程序组成，在系统中，主控制器的子程序包含有A/D(水温、水位)转换功能的子程序，控制加热功能的子程序(具有输出比较的功能)，具有漏电保护功能的子程序等构成。系统工作参数由主程序初始化功能完成，主要是单片机的端口、定时器、A/D转化、COP模块和键中断等相关的工作模式参数来设定。完成这些程序后，各个功能的子程序模块通过主程序来循环调用，依靠判断标志位和依靠标志位来处理完成。3.1 主程序流程框图按默认值运行温度键按了吗？温度键按了吗？设定温度范围以新的设定值运行开始NYYN图3.1.1 主程序流程框图结论功率小耗能低是型号为STC89C51单片机的主要特点，对于CMOS8位高性能的单片机来说，4kb能够系统编程的Flash只读的程序式存储器，通过高技术的非易失性的存储方式生产，密度系数高。与8051指令系统和引脚兼容。在智能热水器系统设计中，我们采用的改款单片机，可以在线编程，它有Flash程序存储器的存储功能，同时也可以用传统方式编程，这样为用户提供了方便，在单片机的芯片中，采用了最常用的8位微处理器，其特点是灵活性高，功能多，可满足各种控制系统的需求。致 谢首先，衷心感谢我的指导师。本课题是在导师师的指导下完成的。在我整个的毕业设计制作过程中，受到导师很多的帮助。从设计的选题、研制计划的安排到设计的具体过程，导师都给予了悉心的指导。导师严谨的治学态度、开明的学术思想，谢老师事必躬亲的工作精神、和宽人律己的高尚品德深深打动着我，使我倍受教育。值此毕业设计完成之际，谨向我的导师致以诚挚的谢意！再一次向他们表示衷心的感谢，感谢他们为学生营造的浓郁学习氛围，以及学习、生活上的无私帮助！同时感谢母校的所有教师对我的学业和成长付出宝贵的时间和辛勤的汗水；感谢同学们在学习、生活上给我大力的支持和帮助。在此论文完成之际，我衷心的祝愿你们身体健康，工作顺利！学生签名：日 期：参考文献1 吴国经单片机应用技术北京：中国电力出版社2004：10.2 张振荣MCS-51单片机原理及实用技术北京：人民邮电出版社2000：10-13.3 沈红卫基于单片机的智能系统设计与实现北京：电子工业出版社2005：30-35.4 肖洪兵跟我学用单片机北京：北京航空航天大学出版社2002：100-103.5 楼然苗51系列单片机设计实例北京：北京航空航天大学出版社2003：50-60.6 李光飞单片机课程设计实例指导北京：北京航空航天大学出版社2004：14-177 张丰电子开发论坛EB/OL8 徐惠民、安德宁单片微型计算机原理接口与应用北京：北京邮电大学出版社1996：80-889 夏继强单片机实验与实践教程北京：北京航空航天大学出版社2001：71-7610 何立民单片机高级教程北京：北京航空航天大学出版社2001：51-5911 张友德，涂时亮，陈章龙MC68HC08系列单片机原理与应用上海：复旦大学出版社2001：16-1813 刘筱明电脑电热水器继电器非正常状态下的保护措施广东顺德万和电器有限公司. 199914 李建事陈刚. 家用电器单片机控制系统的制作与检修. 上海：上海交通大学出版社1998：22-3015 杨宁. 单片机与控制技术. 北京：北京航空航天大学出版社2005：33-3616 付家才单片机控制工程实践技术北京：化学工业出版社2004：42-45