家用智能電熱水器控制器畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、 編編 號(hào)：號(hào)： 審定成績(jī)：審定成績(jī)： xx 大學(xué)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 設(shè)計(jì)（論文）題目：設(shè)計(jì)（論文）題目： 家用智能電熱水器控制器家用智能電熱水器控制器 學(xué)學(xué) 院院 名名 稱稱 ： 學(xué)學(xué) 生生 姓姓 名名 ： 專專 業(yè)業(yè) ： 班班 級(jí)級(jí) ： 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào) ： 指指 導(dǎo)導(dǎo) 教教 師師 ： 答辯組答辯組 負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)人 ： 填表時(shí)間：填表時(shí)間： 年年 月月 重慶郵電大學(xué)教務(wù)處制重慶郵電大學(xué)教務(wù)處制 摘摘要要 隨著人們生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)電熱水器的要求越來(lái)越趨向于智能化 和數(shù)字化。 其中，電熱水器控制器性能的好壞不僅是電熱水器性能好壞的體 現(xiàn)，更關(guān)系到人身安全等重要內(nèi)容。因此，電熱

2、水器控制器的設(shè)計(jì)是智能電 熱水器的需要，同時(shí)也是電熱水器的重要組成部分。 論文首先結(jié)合當(dāng)前電熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，介紹了電熱水器控 制器研究的目的及意義。在確定控制參數(shù)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了控制器的各 功能組成模塊及工作原理。根據(jù)電熱水器工作原理進(jìn)行控制器的硬件電路設(shè) 計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。最后深入介紹了控制器的調(diào)試方法和過(guò)程，以及對(duì)整個(gè)控制 器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)行總結(jié)。硬件電路設(shè)計(jì)中充分利用 51 單片機(jī)的特點(diǎn)， 主要對(duì)水溫控制、水位控制和漏電檢測(cè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)地分析設(shè)計(jì)。其中， 通過(guò)采用自制分段式水位傳感器，實(shí)現(xiàn)了水位測(cè)量的低成本設(shè)計(jì)；對(duì)水溫控 制進(jìn)行了完整的理論分析和算法設(shè)計(jì)，測(cè)量精度達(dá)到1

3、；通過(guò)分析漏電檢 測(cè)原理，在理論計(jì)算基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了漏電檢測(cè)電路。軟件部分在硬件平臺(tái)的基 礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電熱水器的控制工作，包括液晶顯示程序、按鍵掃描程序、水位控 制程序、溫度控制程序、漏電檢測(cè)程序以及聲音提示程序等。 本系統(tǒng)在軟硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，使用了計(jì)算機(jī)仿真演示。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿 真，該控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水位控制、溫度控制等功能，并能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)電熱水 器工作狀況，這也驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的正確性。 【關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞】電熱水器 漏電檢測(cè) 溫度控制 水位控制 abstract with the improvement of quality of peoples lives, peoples demand for wat

4、er 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 co

5、ntroller 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

6、. 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

7、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

8、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 calcul

9、ation. 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. the system use co

10、mputer 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 correctne

11、ss of this design. 【key words】electric water heater leakage detection temperature control water line control 目目 錄錄 前 言 .1 第一章 緒論 .2 第一節(jié) 電熱水器發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).2 一、電熱水器發(fā)展現(xiàn)狀 .2 二、電熱水器控制技術(shù)歷程及趨勢(shì) .2 第二節(jié) 課題研究的目的及意義.3 第三節(jié) 本文研究的主要內(nèi)容.4 第四節(jié) 本章小結(jié).5 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) .6 第一節(jié) 系統(tǒng)概述.6 第二節(jié) 硬件總體選型.7 一、主要元器件選型原則 .7 二、主要元器件選型 .7 第三節(jié) 軟

12、件總體設(shè)計(jì).8 一、單片機(jī)系統(tǒng)資源分配 .8 二、系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì) .9 第四節(jié) 本章小結(jié).10 第三章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) .11 第一節(jié) 硬件設(shè)計(jì).11 一、電源電路設(shè)計(jì) .11 二、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) .12 三、人機(jī)交互電路設(shè)計(jì) .13 四、水位控制電路設(shè)計(jì) .14 五、溫度控制電路設(shè)計(jì) .16 六、漏電檢測(cè)電路設(shè)計(jì) .17 七、聲音提示模塊 .19 第二節(jié) 軟件設(shè)計(jì).19 一、液晶顯示程序設(shè)計(jì) .19 二、按鍵掃描程序設(shè)計(jì) .22 三、水位控制程序設(shè)計(jì) .23 四、溫度控制程序設(shè)計(jì) .23 五、漏電檢測(cè)及聲音提示程序設(shè)計(jì) .26 六、控制策略程序設(shè)計(jì) .26 第三節(jié) 本章小結(jié).28 第四章

13、 系統(tǒng)測(cè)試與分析 .29 第一節(jié) 硬件調(diào)試.29 一、靜態(tài)調(diào)試 .29 二、動(dòng)態(tài)調(diào)試 .30 第二節(jié) 軟件調(diào)試.30 一、先獨(dú)立后聯(lián)機(jī) .31 二、先分塊后組合 .31 三、先單步后連續(xù) .31 第三節(jié) 仿真演示.32 一、仿真軟件簡(jiǎn)介 .32 二、系統(tǒng)仿真測(cè)試過(guò)程 .33 第四節(jié) 本章小結(jié).35 第五章 結(jié)論 .36 致 謝 .37 參考文獻(xiàn) .38 附 錄 .40 一、英文原文 .40 二、英文翻譯 .46 三、系統(tǒng)電路 .51 四、源程序 .52 五、其它 .65 前前 言言 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，熱水器已經(jīng)成為人們生活中必不可少的家用 電器之一。電熱水器具有無(wú)污染、安全、保溫時(shí)間長(zhǎng)、

14、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，越 來(lái)越受到消費(fèi)者的青睞。有專家預(yù)計(jì)，借家電下鄉(xiāng)等國(guó)家政策扶持，農(nóng)村三、 四級(jí)市場(chǎng)的拓展，以及行業(yè)技術(shù)升級(jí)、企業(yè)管理升級(jí)，2010 年至 2015 年我國(guó) 電熱水器的需求量將呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，市場(chǎng)保有量將呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)1。 目前市場(chǎng)上有兩種電熱水器，連續(xù)水流式和貯水式。前者雖具有加熱速 度快和體積小等優(yōu)點(diǎn)，但功率太大，大多數(shù)家庭的供電線路難以承受。而市 場(chǎng)上貯水式電熱水器大多數(shù)采用機(jī)械式控制器，存在控溫精度低、加熱時(shí)間 長(zhǎng)、可靠性差、功能單一、操作復(fù)雜、控制不方便等不足，很多控制器只具 有水位和溫度顯示功能，不具有控制功能。另外，電熱水器安全也是大問(wèn)題， 普通電熱水器多采用

15、外配漏電保護(hù)器，有漏電發(fā)生時(shí)切斷電源。但一般漏電 保護(hù)器質(zhì)量參差不齊，漏電保護(hù)可靠性差，需要用戶人工定期測(cè)試保護(hù)可靠 性，這樣用戶無(wú)法實(shí)時(shí)知道漏電保護(hù)器的可靠性。針對(duì)上述情況，利用單片 機(jī)作為控制器的核心，可設(shè)計(jì)出一種多功能的電熱水器控制器。本文設(shè)計(jì)了 一種智能電熱水器微控制器，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、水位控制、溫度控制和漏 電實(shí)時(shí)檢測(cè)，若漏電時(shí)可同時(shí)切斷加熱管及控制器電源，并發(fā)聲報(bào)警提示； 熱水器干燒報(bào)警，控制器故障指示等多種實(shí)用功能，方便用戶使用。 第一章第一章緒論緒論 第一節(jié)第一節(jié) 電熱水器發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)電熱水器發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 一、電熱水器發(fā)展現(xiàn)狀一、電熱水器發(fā)展現(xiàn)狀 經(jīng)過(guò) 20 多年

16、的發(fā)展，整個(gè)熱水器行業(yè)已經(jīng)從最初的小而少發(fā)展到現(xiàn)在的 大而多，產(chǎn)品類型也隨著技術(shù)不斷成熟，由最初的燃?xì)鉄崴鳘?dú)領(lǐng)風(fēng)騷發(fā)展 到今天的燃?xì)馐?、電熱式、太?yáng)能、空氣源熱泵等多種類型。隨著全球經(jīng)濟(jì) 快速發(fā)展，中國(guó)電器制造業(yè)的迅猛發(fā)展及城市建設(shè)步伐的不斷加快，為熱水 科技產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了無(wú)限商機(jī)。目前，創(chuàng)新、安全、節(jié)能、高效已成為熱水器行 業(yè)間競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)。 據(jù)調(diào)查，中國(guó)熱水器的普及率只有 70左右。目前，46.6的居民家庭 表示要在未來(lái) 5 年中購(gòu)買或更換熱水器。未來(lái) 5 年內(nèi)我國(guó)城市熱水器需求量 將平穩(wěn)增長(zhǎng)，達(dá)到 4660 萬(wàn)臺(tái)，熱水器行業(yè)即將迎來(lái)新一輪的消費(fèi)高峰2。據(jù) 國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)

17、研究所推出的“中國(guó)城市熱水器市場(chǎng)研究咨詢報(bào) 告”顯示，未來(lái)三年，我國(guó)熱水器市場(chǎng)將繼續(xù)保持平穩(wěn)發(fā)展的態(tài)勢(shì)，年增長(zhǎng)保 持在 6左右。 就中國(guó)的具體情況而言，太陽(yáng)能熱水器由于安裝位置的局限性，只適用 于居住在頂樓的居民，且受天氣原因的限制，使用范圍狹窄；燃?xì)鉄崴饔?于必須分室安裝，且須由專業(yè)人員安裝，并且燃?xì)鉄崴鞑灰渍{(diào)溫，需定期 除垢，在使用中還易產(chǎn)生有害氣體，特別是使用液化石油氣和人工煤氣型的 直排式燃?xì)鉄崴?，?huì)產(chǎn)生輕度油煙，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)＜吧Ｒ虼巳細(xì)鉄?水器是一種人命關(guān)天的特殊產(chǎn)品，即使有百分之一的疏忽，帶給用戶的危險(xiǎn) 將是百分之百。 根據(jù)中國(guó)商業(yè)聯(lián)合會(huì)前不久的統(tǒng)計(jì)，電熱水器的市場(chǎng)份額

18、在銷售數(shù)量和 銷售收入兩個(gè)方面都已經(jīng)超過(guò)了長(zhǎng)期以來(lái)占優(yōu)勢(shì)的燃?xì)鉄崴?。該中心預(yù)計(jì)， 在城市電網(wǎng)更大范圍改造和城市住房市場(chǎng)大規(guī)模啟動(dòng)的帶動(dòng)下，今后幾年我 國(guó)電熱水器市場(chǎng)將呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長(zhǎng)勢(shì)頭。 二、電熱水器控制技術(shù)歷程及趨勢(shì)二、電熱水器控制技術(shù)歷程及趨勢(shì) 目前市場(chǎng)上的電熱水器分連續(xù)水流式和貯水式，前者雖具有加熱速度快 和體積小的優(yōu)點(diǎn)，但需要的功率大，大多數(shù)家庭供電線路難以承受。而市場(chǎng) 上傳統(tǒng)的機(jī)械式電熱水器控制功能不完善，而且精度低、可靠性差，生活質(zhì) 量的提高使得消費(fèi)者對(duì)電熱水器功能提出延伸至全新的概念層面。熱水器技 術(shù)未來(lái)將繼續(xù)朝著以下幾個(gè)方面發(fā)展： 智能化：從最初的手動(dòng)旋鈕調(diào)節(jié)發(fā)展到如今數(shù)字化調(diào)

19、節(jié)方式； 節(jié)能技術(shù)：從最初機(jī)械結(jié)構(gòu)上的保溫節(jié)能到控制技術(shù)上的定時(shí)加熱或 分步加熱技術(shù)轉(zhuǎn)變，由于在水溫很高時(shí)熱量流失較快，所以未采用該類技術(shù) 的產(chǎn)品需要長(zhǎng)時(shí)間在高溫區(qū)反復(fù)加熱，不僅啟動(dòng)頻繁，而且耗電量很大，如 果用戶可根據(jù)自己的實(shí)際需要設(shè)定好規(guī)定時(shí)段以進(jìn)行定時(shí)倒計(jì)時(shí)加熱，則能 將保溫耗電降至最低； 安全穩(wěn)定性：由于電熱水器不同于一般的家電產(chǎn)品，涉及到人身安全， 所以安全問(wèn)題一直是各大廠家考慮的重點(diǎn)。隨著現(xiàn)在各種安全技術(shù)在電熱水 器設(shè)計(jì)中的普遍應(yīng)用，用電環(huán)境的日益規(guī)范，以及國(guó)家對(duì)電熱水器實(shí)行強(qiáng)制 認(rèn)證，安全技術(shù)已經(jīng)成為衡量電熱水器的重要標(biāo)準(zhǔn)。其中安全技術(shù)主要體現(xiàn) 在能自動(dòng)檢測(cè)熱水器是否處于正常工作

20、狀態(tài)，并具有調(diào)溫、恒溫、防干燒、 防超高溫、防漏電等多項(xiàng)自檢功能，使用戶在使用過(guò)程中安全更有保障。 此外，隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線遠(yuǎn)程控制也將是新一代電熱水器 的發(fā)展方向，用戶可以通過(guò)任何一部雙音頻固定電話或手機(jī)遙控?zé)崴鞯拈_(kāi)/ 關(guān)、溫度設(shè)定等，并可查詢熱水器的工作狀態(tài)。現(xiàn)在市場(chǎng)上較為先進(jìn)的儲(chǔ)水 式電熱水器能實(shí)現(xiàn)上述等功能，但仍難以滿足人們對(duì)現(xiàn)代化家電的使用要求。 在現(xiàn)如今眾多的控制手段中，要滿足低價(jià)格、高性能、尤其是智能化的要求， 采用典型的嵌入式控制系統(tǒng)單片機(jī)為核心的控制器應(yīng)為首選。 第二節(jié)第二節(jié) 課題研究的目的及意義課題研究的目的及意義 傳統(tǒng)家用電器較為典型的有空調(diào)機(jī)、電冰箱、吸塵器

21、、電飯煲、洗衣機(jī)、 消毒碗柜等。新型家用電器有電磁爐、微波爐、電烤箱等。無(wú)論是新型家用 電器還是傳統(tǒng)家用電器，其整體技術(shù)都在不斷地提高，其中外觀、材料、工 藝、結(jié)構(gòu)、器件、原理、功能及微電子技術(shù)的應(yīng)用都有很大的變化。因此， 家用電器的總體水平和品質(zhì)呈不斷上升趨勢(shì)。家用電器的進(jìn)步，關(guān)鍵在于采 用了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，從而使家用電器從一種機(jī)械式的用具變成了一種具有 智能的設(shè)備。智能家用電器體現(xiàn)了家用電器目前最新的面貌和水平。 嵌入式家用電器由于單片機(jī)有體積小、功能強(qiáng)、可靠性高的明顯特點(diǎn)， 因而可以構(gòu)成一個(gè)體積很小的控制器并嵌入到家用電器內(nèi)部。以單片機(jī)為核 心所構(gòu)成的控制器可以看作是家用電器的一個(gè)零件，

22、這種結(jié)構(gòu)方式就產(chǎn)生了 嵌入式家用電器。嵌入式家用電器有兩種不同的類型，一種是非智能式的家 用電器，一種是智能式的家用電器。嵌入式非智能家用電器也稱電腦型家用 電器。在這種家用電器中，單片機(jī)只對(duì)家用電器進(jìn)行功能性的控制，也就是 說(shuō)，其控制作用只是實(shí)現(xiàn)家用電器的基本功能。過(guò)去的電腦型電熱水器，就 是很典型的非智能家用電器。在這種電熱水器中，單片機(jī)是不考慮熱水器貯 水量的多少，它只是控制電阻絲加熱，當(dāng)貯水罐的水溫達(dá)到一定溫度時(shí)，則 馬上停止全功率加熱，進(jìn)入低功率保溫。單片機(jī)的存在，只是設(shè)置了延時(shí)開(kāi) 關(guān)、紅綠燈狀態(tài)顯示等一些輔助性的功能，并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。這類家用 電器雖然有單片機(jī)這樣的嵌入式器件存

23、在，但其控制功能未能反映人類的任 何智能性活動(dòng)，所以，一般稱為非智能家用電器。嵌入式智能家用電器也簡(jiǎn) 稱為智能家用電器。在這種家用電器中，單片機(jī)不單對(duì)家用電器的基本功能 進(jìn)行控制，而且還模擬人智能活動(dòng)的過(guò)程對(duì)熱水器進(jìn)行溫度、水量和穩(wěn)定性 進(jìn)行控制。 基于以上電熱水器特性的分析，可以從電熱水器的智能化、節(jié)能技術(shù)以 及安全穩(wěn)定性等這些方面對(duì)電熱水器控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。 本課題研究有如下的重要意義： 有助于提高電熱水器整體性能； 可以提高電熱水器使用的安全性； 現(xiàn)了電熱水器智能化的發(fā)展方向； 有助于改善人們生活質(zhì)量。 第三節(jié)第三節(jié) 本文研究的主要內(nèi)容本文研究的主要內(nèi)容 本設(shè)計(jì)首先介紹了電熱水器控制器的系

24、統(tǒng)組成和工作原理；在確定工作 原理的基礎(chǔ)上引出了電熱水器控制裝置的硬件設(shè)計(jì)，主要有直流穩(wěn)壓電源設(shè) 計(jì)、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、人機(jī)交互電路設(shè)計(jì)、水位控制電路設(shè)計(jì)、水 溫控制電路設(shè)計(jì)和漏電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，其中詳細(xì)分析了電源電路中各個(gè)器件 的作用，功率器件的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)過(guò)程和漏電檢測(cè)電路的理論計(jì)算；根據(jù)電 熱水器功能實(shí)現(xiàn)的需要進(jìn)行控制器的控制策略與軟件設(shè)計(jì)，主要包括主程序 設(shè)計(jì)和中斷程序設(shè)計(jì)，其中主程序設(shè)計(jì)有水位控制程序設(shè)計(jì)、水溫控制程序 設(shè)計(jì)、人機(jī)交互的程序設(shè)計(jì)和漏電檢測(cè)及聲音提示程序設(shè)計(jì)；最后介紹了控 制器的調(diào)試方法和調(diào)試過(guò)程，結(jié)尾論述了主要結(jié)論。 通過(guò)對(duì)各方面資料整理、分析、總結(jié)，結(jié)合電熱水器

25、控制原理，本論文 提出了一種電熱水器控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。其內(nèi)容分為以下幾個(gè)方面： 第一章，結(jié)合當(dāng)前電熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，介紹了電熱水器控 制器研究的目的及意義。 第二章，總體介紹了智能電熱水器控制器硬件和軟件知識(shí)，包括系統(tǒng)模 塊框圖、主要元器件選型以及主程序流程圖等。 第三章，分別從硬件和軟件兩個(gè)方面詳細(xì)介紹了智能電熱水器控制器的 實(shí)現(xiàn)。 第四章，通過(guò)焊接的電路，按照提出的測(cè)試方法對(duì)控制器功能進(jìn)行測(cè)試 和分析，并運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行仿真演示。 第五章，總結(jié)了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所做的主要工作和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的不足。 第四節(jié)第四節(jié) 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章首先介紹了熱水器發(fā)展現(xiàn)狀，尤其是中國(guó)電熱水器的發(fā)

26、展現(xiàn)狀，接 著又介紹了未來(lái)電熱水器的發(fā)展趨勢(shì)，引出了研究電熱水器控制器設(shè)計(jì)的目 的和意義，最后總體介紹了本論文研究的主要內(nèi)容。 第二章第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 第一節(jié)第一節(jié) 系統(tǒng)概述系統(tǒng)概述 智能電熱水器控制器（以下簡(jiǎn)稱控制器）用于控制熱水器在安全狀態(tài)下 工作，控制熱水器水位、水溫度，并且將檢測(cè)到的信號(hào)測(cè)量值通過(guò)液晶顯示 屏顯示，實(shí)現(xiàn)電熱水器的控制功能。 根據(jù)控制器所需完成的控制功能，控制系統(tǒng)模塊框圖如圖 2.1 所示。包括 電源模塊、51 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、人機(jī)交互模塊、水位控制模塊、溫度控 制模塊、漏電檢測(cè)以及聲音提示模塊等七個(gè)模塊。其中，電源模塊為系統(tǒng)提 供+12v 和+5v 電

27、源；51 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分， 用于完成系統(tǒng)的控制功能；人機(jī)交互模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和外部的信息傳遞，包 括液晶顯示模塊和按鍵模塊，通過(guò)這兩個(gè)模塊進(jìn)行系統(tǒng)控制策略的選擇；水 位控制模塊實(shí)現(xiàn)水位的檢測(cè)和控制，包括水位檢測(cè)電路和電磁閥控制電路； 溫度控制模塊實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)和控制，包括溫度檢測(cè)電路和加熱電路；漏電 檢測(cè)模塊用于檢測(cè)是否漏電，使熱水器在安全的狀態(tài)下使用；聲音提示用于 發(fā)音提示熱水器當(dāng)前狀態(tài)。 52單片機(jī) 最小系統(tǒng)漏電檢測(cè)模塊 溫度控制模塊人機(jī)交互模塊 水位控制模塊 電源模塊 聲音提示模塊 圖2.1系統(tǒng)模塊框圖 本系統(tǒng)采用 51 單片機(jī)為核心控制器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，其

28、控制過(guò)程如 下：首先通過(guò)人機(jī)交互模塊設(shè)定系統(tǒng)的控制策略，接著通過(guò)水位控制模塊對(duì) 電磁閥進(jìn)行進(jìn)水控制，同時(shí)通過(guò)水位檢測(cè)模塊檢測(cè)水箱中水位，然后通過(guò)溫 度控制模塊對(duì)加熱電阻進(jìn)行控制，同時(shí)通過(guò)溫度檢測(cè)模塊檢測(cè)水箱中溫度， 并實(shí)時(shí)通過(guò)顯示模塊將水位、溫度信號(hào)測(cè)量值發(fā)送給液晶顯示屏顯示，實(shí)現(xiàn) 對(duì)熱水器的控制。 第二節(jié)第二節(jié) 硬件總體選型硬件總體選型 一、主要元器件選型原則一、主要元器件選型原則 元器件選擇必須要緊密結(jié)合功能需求和應(yīng)用對(duì)象。主要元器件的選擇在 考慮滿足功能需求的同時(shí)，還必須要保證在特定環(huán)境下的穩(wěn)定性能，同時(shí)還 必須盡量降低成本。 cpu 的選擇具備以下特點(diǎn)：存儲(chǔ)器空間至少大于 4k；具有至

29、少一個(gè)外部 中斷源；具有至少一個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器；可編程 i/o 口。 液晶顯示屏要求編程簡(jiǎn)單，能顯示溫度和水位等信息，價(jià)格低廉。水位 監(jiān)測(cè)裝置要求安裝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。 溫度傳感器要求低電壓供電、測(cè)溫范圍寬、安裝簡(jiǎn)單、還要求數(shù)據(jù)為串 行方式以節(jié)約單片機(jī)端口資源。 漏電檢測(cè)模塊中需要漏電電流互感器。由于泄漏電流通常為毫安級(jí)，且 必須用一匝穿芯的結(jié)構(gòu)，用常規(guī)互感器在如此小的安匝數(shù)下很難進(jìn)行測(cè)量。 二、主要元器件選型二、主要元器件選型 stc89c52rc：該芯片是 st 公司生產(chǎn)的基于 51 內(nèi)核的 8 位微處理器， 片內(nèi)有 8k 的 flash，3 個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；2 個(gè)外部中斷，32 個(gè)可編程 i

30、/o 線， 8 個(gè)中斷源，一個(gè)串口通信模塊等資源3，可以滿足本系統(tǒng) cpu 的要求； lcd1602：顯示 2 行，每行 16 個(gè)字符。每個(gè)字符由 57 點(diǎn)陣構(gòu)成4。 ds18b20：溫度測(cè)量范圍為-55+125，可編程為 9 位12 位轉(zhuǎn) 換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá) 0.0625，分辨率設(shè)定參數(shù)以及用戶設(shè)定的報(bào)警溫 度存儲(chǔ)在 eeprom 中，掉電后依然保存5。由于使用單總線通信方式，節(jié)省 io 口資源。 水位監(jiān)測(cè)裝置：用 8 根不銹鋼針?lè)謩e置于水箱內(nèi)的 8 種不同高度的位 置，當(dāng)某個(gè)鋼針不接觸水面時(shí)，其輸出為高電平；當(dāng)其與水面接觸時(shí)則輸出 低電平。它們的輸出接至 cpu 的引腳，cpu 對(duì)這些

31、引腳進(jìn)行判斷后，送去顯 示相應(yīng)的水位值，這種方法省去了傳統(tǒng)的 a/d 轉(zhuǎn)換器。顯示共分 8 檔，每檔 為滿水位的 12.5%6。 漏電互感器簡(jiǎn)介：漏電保護(hù)器主要由檢測(cè)元件、中間環(huán)節(jié)、執(zhí)行機(jī)構(gòu) 及自檢裝置等部分組成。漏電保護(hù)器的檢測(cè)元件就是漏電電流互感器檢測(cè)出 的漏電電流信號(hào)，經(jīng)中間機(jī)構(gòu)放大，推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，切掉電源，達(dá)到安 全保護(hù)的目的7。 第三節(jié)第三節(jié) 軟件總體設(shè)計(jì)軟件總體設(shè)計(jì) 從圖 2.1 可以看出本應(yīng)用涉及的輸入輸出通道較多，因此在設(shè)計(jì)中考慮到 了單片機(jī)的 i/o 通道的充分利用。對(duì)于只需要基本輸入/輸出功能的模塊盡量 不使用單片機(jī)特殊功能模塊的專用引腳。本系統(tǒng)軟件部分實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水器的控

32、 制工作，包括人機(jī)交互、水位的控制、溫度的選擇和安全檢測(cè)等功能。 一、單片機(jī)系統(tǒng)資源分配一、單片機(jī)系統(tǒng)資源分配 單片機(jī)系統(tǒng)資源分配如表 2.1 所示，列出了本系統(tǒng)使用 52 單片機(jī)的所有 的 i/o 資源。包括人機(jī)交互模塊、水位控制模塊、溫度控制模塊、漏電檢測(cè) 模塊以及聲音提示模塊等五個(gè)模塊。 表2.1 單片機(jī)系統(tǒng)資源分配 系統(tǒng) i/o 資源占用表 編號(hào)模塊名稱 接口功能定義52 單片機(jī)接口 液晶顯示模塊p0.0-p0.7、p3.4、p3.5 1人機(jī)交互模塊 按鍵掃描p2.4-p2.7 水位檢測(cè)p1.0-p1.7 2水位控制模塊 電磁閥p2.2 溫度傳感器p2.0 3溫度控制模塊 加熱電路p2

33、.1 4漏電檢測(cè)模塊外部中斷 0p3.2 5聲音提示模塊蜂鳴器控制線p2.3 在系統(tǒng)主要元器件選型確定之后，對(duì)單片機(jī)端口資源進(jìn)行了定義，本系 統(tǒng)中單片機(jī)端口主要用于五個(gè)模塊，其中人機(jī)交互定義了液晶和按鍵掃描線， 液晶顯示定義了 lcd1602 控制線和數(shù)據(jù)線，需要十個(gè)端口，按鍵掃描需要四 個(gè)按鍵，采用獨(dú)立按鍵方法設(shè)計(jì)電路，因此需要四個(gè)端口；水位控制模塊中 定義了水位檢測(cè)數(shù)據(jù)線和電磁閥控制線；溫度控制模塊定義了 ds18b20 控制 線和加熱電路的控制線；漏電檢測(cè)線接到單片機(jī)內(nèi)部自帶的外部中斷接口； 聲音提示模塊也定義蜂鳴器的控制線。在完成以上端口資源定義之后就確定 了核心控制器和外圍設(shè)備的連接

34、方式，下一步的工作就是進(jìn)行外圍電路的設(shè) 計(jì)。 二、系統(tǒng)軟件二、系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化程序設(shè)計(jì)的方法，按照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與各部分 的功能，將整個(gè)程序也劃分為多個(gè)功能模塊部分，分別進(jìn)行編程，然后裝配 在一起。系統(tǒng)軟件部分主程序流程圖如圖2.2所示。 初始化 開(kāi)始 開(kāi)中斷 是否漏電 yes lcd顯示程序 按鍵處理程序 水位檢測(cè)程序 溫度檢測(cè)程序 是設(shè)定水位嗎 是設(shè)定溫度嗎 關(guān)熱水器 no yes yes no 打開(kāi)進(jìn)水閥 加熱 no 聲音報(bào)警 圖 2.2 系統(tǒng)軟件部分主程序流程圖 系統(tǒng)軟件部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水器的控制工作，由液晶顯示程序、按鍵掃 描程序、水位控制程序、溫度控制

35、程序、漏電檢測(cè)及聲音提示程序和控制策 略程序等七個(gè)部分組成。其中，液晶顯示程序顯示熱水器當(dāng)前溫度和水位； 按鍵程序用于設(shè)置熱水器狀態(tài)；水位控制程序控制水箱的水位；溫度控制程 序控制熱水器中水的溫度；漏電檢測(cè)及聲音提示程序用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱水器安 全狀態(tài)，用于當(dāng)熱水器工作異常時(shí)聲音報(bào)警提示作用。 第四節(jié)第四節(jié) 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章首先總體對(duì)熱水器控制器系統(tǒng)進(jìn)行了描述，在確定控制參數(shù)的基礎(chǔ) 上，詳細(xì)介紹了控制器的各功能組成模塊及工作原理。根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能提出了 系統(tǒng)硬件主要元器件選型原則，總體描述了選取的主要元器件，并對(duì)主控芯 片的引腳進(jìn)行定義。最后對(duì)系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行了總體說(shuō)明，根據(jù)控制策略設(shè) 計(jì)軟件主

36、程序流程圖，主要包括水位控制程序設(shè)計(jì)、水溫控制程序設(shè)計(jì)、人 機(jī)交互程序設(shè)計(jì)和漏電檢測(cè)以及聲音報(bào)警提示程序設(shè)計(jì)等。 第三章第三章系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 第一節(jié)第一節(jié) 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)硬件部分包括電源電路、stc89c52 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、人機(jī)交 互電路、水位控制電路、溫度控制電路、漏電檢測(cè)電路以及聲音提示電路等 七部分。電源電路為系統(tǒng)提供+12v 和+5v 電源；人機(jī)交互電路負(fù)責(zé)單片機(jī)和 外界信息的交流；水位控制電路實(shí)現(xiàn)控制水的液位；溫度控制電路實(shí)現(xiàn)控制 水溫度；漏電檢測(cè)電路負(fù)責(zé)檢測(cè)熱水器是否在安全的狀態(tài)下運(yùn)行；聲音提示 電路負(fù)責(zé)熱水器在非安全狀態(tài)下時(shí)發(fā)出聲響提示用戶。 硬件設(shè)計(jì)部分主要完

37、成以上電路的設(shè)計(jì)，包括各個(gè)電路的理論分析以及 各個(gè)電路與單片機(jī)的連接等等。 一、電源電路設(shè)計(jì)一、電源電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)需要兩種電源，分別是+5v 和+12v。+5v 用于 52 單片機(jī)、人機(jī) 交互電路、溫度檢測(cè)電路、水位檢測(cè)電路、漏電檢測(cè)電路等；+12v 用于溫度 控制部分繼電器線圈和水位控制部分電磁閥。本系統(tǒng)+12v 電源直接通過(guò)外接 12v 的電源得到；+5v 電源通過(guò) lm7805 穩(wěn)壓芯片將+12v 電壓變成+5v。圖 3.1 是電源的原理圖。 1234 a b c d 4321 d c b a title numberrevisionsize a4 date:3-jun-2010 sh

38、eet 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 圖 3.1 12v 轉(zhuǎn) 5v 電源電路圖 圖中 d1 是防止電源正負(fù)極反接接入電路時(shí)損壞元件。d2 的作用是當(dāng)輸 入端對(duì)地短路時(shí)，其電位迅速接近零電位，而輸出端由于有大電容，儲(chǔ)存很 多電荷而來(lái)不及釋放，其電位仍接近輸出電壓值 vo，這時(shí)電容將通過(guò)穩(wěn)壓器 的輸出調(diào)整管釋放

39、電荷，其 pn 結(jié)在高于 7v 的反向偏置電壓下會(huì)被擊穿。如 果有了保護(hù)二極管，就能及時(shí)將電容的電荷釋放，從而保護(hù)了穩(wěn)壓器。發(fā)光 二極管 d3 起到指示燈的作用。在安裝時(shí)，要盡量使濾波電容 c1 和 0.1uf 電 容 c3 靠近穩(wěn)壓芯片，這樣可以有效地防止瞬態(tài)過(guò)電壓。c2 用于濾除穩(wěn)壓芯 片輸出處的紋波8。 二、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)二、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) stc89c52rc 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括 52 單片機(jī)芯片、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。 本系統(tǒng) 52 單片機(jī)芯片采用 stc89c52rc，該芯片內(nèi)部有 2 個(gè) 16 位向上計(jì)數(shù) 定時(shí)/計(jì)數(shù)器，有四種工作方式；5 個(gè)中斷源；一個(gè)串口通信接口

40、；32 個(gè) i/o 口；內(nèi)部 ram 有 256 字節(jié)；內(nèi)部 rom 有 8k 字節(jié)9。時(shí)鐘電路通過(guò)內(nèi)部時(shí) 鐘源提供時(shí)鐘，外部只需要接一個(gè)振蕩電路，振蕩電路中的晶振頻率是 12mhz。復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位方式，當(dāng)單片機(jī)復(fù)位引腳檢測(cè)到至少 24 個(gè)時(shí) 鐘周期的高電平時(shí)會(huì)自動(dòng)復(fù)位系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)重新啟動(dòng)10。stc89c52 單片機(jī) 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖 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: v

41、cc 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 i

42、nt0 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 圖 3.2 stc89c52 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖 三、人機(jī)交互電路設(shè)計(jì)三、人機(jī)交互電路設(shè)計(jì) 鍵盤與顯示部分是用戶和熱水器之間進(jìn)行信

43、息傳遞的界面，用戶主要通 過(guò)鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水器的控制操作，并通過(guò)顯示界面了解熱水器的工作參數(shù)與 狀態(tài)。用戶通過(guò)鍵盤進(jìn)行的操作主要有設(shè)定水位和水溫度。顯示部分顯示設(shè) 定水位和水溫度，和當(dāng)前熱水器工作狀態(tài)。另外在用戶查看或進(jìn)行操作設(shè)定 時(shí)提示用戶當(dāng)前顯示的是什么數(shù)值項(xiàng)。 1、液晶顯示電路、液晶顯示電路 液晶顯示屏采用 lcd1602。由于不需要從 lcd1602 讀取數(shù)據(jù)，直接將液 晶屏的讀/寫選擇端（rw）接地，表示始終選擇寫數(shù)據(jù)狀態(tài)。所以該電路中 需要引出 10 根線控制 lcd1602，這 10 根線分別是數(shù)據(jù)/命令選擇端（rs） 、 使能端（en）以及 8 根數(shù)據(jù)線。圖 3.3 是 lcd1

44、602 的控制電路。接口說(shuō)明如 下： 液晶1，2端為電源；15，16為背光電源； 液晶3端為液晶對(duì)比度調(diào)節(jié)端，通過(guò)一個(gè)10k電阻接地來(lái)調(diào)節(jié)液晶顯示 對(duì)比度。 液晶4端為向液晶控制器寫數(shù)據(jù)/寫命令選擇端，接單片機(jī)的p3.5口。 液晶5端為讀/寫選擇端，因?yàn)椴粡囊壕ёx取任何數(shù)據(jù)，只向其寫入命 令和顯示數(shù)據(jù)，因此此端始終選擇為寫狀態(tài)，即低電平接地。 液晶6端為使能信號(hào)，是操作時(shí)必需的信號(hào)，接單片機(jī)的p3.4口。 其余714為數(shù)據(jù)口，接單片機(jī)p0口11。 1234 a b c d 4321 d c b a title numberrevisionsize a4 date:3-jun-2010 shee

45、t 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 圖 3.3 lcd1602 的控制電路 2、按鍵電路、按鍵電路 本設(shè)計(jì)中的鍵盤采用獨(dú)立式鍵盤，每個(gè)按鍵占用單片機(jī)一個(gè)i/o口。本系 統(tǒng)有4個(gè)獨(dú)立的按鍵，用于用戶向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。這四個(gè)按鍵的功能分別是 功能選擇

46、按鍵、加1按鍵、減1按鍵和確認(rèn)按鍵。按鍵電路原理圖如圖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 圖 3.4 按鍵電路圖 四、水位控制電路設(shè)計(jì)四、水位控制電路設(shè)計(jì) 根據(jù)電熱水器功能需要，

47、將水位控制電路分為水位檢測(cè)電路和電磁閥進(jìn) 水電路兩部分進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)。其中水位檢測(cè)電路采用自制傳感器，實(shí)現(xiàn)低成 本水位檢測(cè)；由于電磁閥的工作電壓為12v（功率為3w），單片機(jī)的工作電 壓為5v，電源不兼容且單片機(jī)端口輸出電流無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，所以需要 一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)連接單片機(jī)和電磁閥。 1、水位檢測(cè)電路、水位檢測(cè)電路 水位檢測(cè)電路如圖3.5所示。水位傳感器可以自制，用8根不銹鋼針?lè)謩e置 于水箱容積的8平分位置，在電極間加電流，電路簡(jiǎn)單，直流電壓通過(guò)470k電 阻和鋼針（無(wú)水開(kāi)路，有水側(cè)有十幾k電阻）分壓，鋼針上的壓降不大，當(dāng)某 個(gè)鋼針不接觸水面時(shí)，其輸出為高電平；當(dāng)鋼針與水面接觸時(shí)則輸出為低電

48、 平。分別接入cpu的p1.0-p1.7引腳，cpu對(duì)這些引腳進(jìn)行判斷后，送去顯示 相應(yīng)的水位值，這種方法省去了傳統(tǒng)的a/d轉(zhuǎn)換器。顯示共分8檔，每檔為滿 水位的12.5%。 圖 3.5 水位檢測(cè)電路 2、電磁閥進(jìn)水電路、電磁閥進(jìn)水電路 電磁閥進(jìn)水電路如圖 3.6 所示。驅(qū)動(dòng)電路采用達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)繼電器，實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)端口控制電磁閥電路。其中繼電器選用 jqc-16f，線圈電壓為 12v， 觸點(diǎn)部分可以承受 14v20a 的直流電13。圖中的 q1 是達(dá)林頓管，型號(hào)是 tip12214，進(jìn)行強(qiáng)弱電的隔離實(shí)現(xiàn)繼電器的控制，其中 d5 是二極管起續(xù)流 保護(hù)作用。r19 起到提高單片機(jī)端口驅(qū)動(dòng)能力。該電

49、路的工作過(guò)程如下，當(dāng) p22 端口為高電平時(shí)，npn 達(dá)林頓三極管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)繼電器線圈產(chǎn)生電磁場(chǎng)， 此時(shí)繼電器的銜鐵被吸下，使得電磁閥接入 12v 電源，電磁閥電路處于導(dǎo)通 狀態(tài)，電磁閥工作打開(kāi)進(jìn)水口。反之，p22 為低電平時(shí)，電磁閥電路處于斷 開(kāi)狀態(tài)，進(jìn)水口關(guān)閉15。 電磁閥通電時(shí)，處于導(dǎo)通狀態(tài)；電磁閥斷電時(shí)，處于關(guān)斷狀態(tài)。 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 v

50、alv ep22 r19 10k vcc u5 rel ay-12v agnd d5 q1 圖 3.6 電磁閥進(jìn)水電路 五、溫度控制電路設(shè)計(jì)五、溫度控制電路設(shè)計(jì) 在傳統(tǒng)的溫度測(cè)量系統(tǒng)中，一般采用熱電偶或鉑電阻進(jìn)行溫度測(cè)量。在 這些電路中，有這樣一些問(wèn)題必須解決:為了進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度測(cè)量，必須給鉑 電阻提供一個(gè)良好的恒流源；由于熱電偶出來(lái)的信號(hào)是模擬信號(hào)，所以此信 號(hào)在送給 cpu 之前必須先進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換，然后再送給 cpu 進(jìn)行處理;并且熱 電偶的信號(hào)很微弱，只有十幾毫安，因此在 a/d 轉(zhuǎn)換之前通常還需要進(jìn)行增 益放大，因此，采用熱電偶和鉑電阻進(jìn)行溫度測(cè)量，需要考慮很多問(wèn)題，構(gòu) 成的系統(tǒng)

51、也比較復(fù)雜。 dallas 公司推出的數(shù)字式溫度傳感器 ds18b20 很好地解決了這樣一些 問(wèn)題，ds18b20 采用單總線接口，只需占用單片機(jī)的一個(gè) i/o 口，其外圍電 路也非常簡(jiǎn)單。并且 ds18b20 將測(cè)得的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，可以與 單片機(jī)直接相連，而不需進(jìn)行信號(hào)放大和 a/d 轉(zhuǎn)換，大大簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)， 因此系統(tǒng)采用了 ds18b20 作為溫度傳感器進(jìn)行溫度采集。 1、溫度檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路 使用 ds18b20 溫度傳感器采集溫度，ds18b20 最大的特點(diǎn)是單總線數(shù)據(jù) 傳輸方式，ds18b20 的數(shù)據(jù) i/o 均由同一條線來(lái)完成。ds18b20 的電源供電 方式

52、有 2 種：外部供電方式和寄生電源方式。外部電源供電方式是 ds18b20 最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，而且電路也比較簡(jiǎn)單，可 以開(kāi)發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。在外接電源方式下，可以充分發(fā)揮 ds18b20 寬電源電壓范圍的優(yōu)點(diǎn)，即使電源電壓 vcc 降到 3v 時(shí)，依然能夠 保證溫度量精度。無(wú)論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，i/o 口線要接 10k 左右的上拉電16。在這里采用外部供電方式供電。ds18b20 與芯片連接電路 如圖 3.7 所示： 1234 a b c d 4321 d c b a title numberrevisionsize a4 date:3-jun

53、-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 圖 3.7 ds18b20 溫度檢測(cè)電路圖 2、加熱電路、加熱電路 由于單片機(jī)端口驅(qū)動(dòng)能力很弱，加熱電路采用繼電器控制方式，操作方 便。其中加熱器件參數(shù)是 12v/45w（實(shí)際加熱棒為 220v/1.5kw） ，由外部 12v 電源直接給加熱器件提供電壓。加熱電路如圖 3.8 所示，原理同電磁閥控 制電路。 1234 a b c d 4321 d c b a title numberrevisionsize a4 dat

54、e: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 圖 3.8 加熱器件控制電路圖 六、漏電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)六、漏電檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 1、漏電檢測(cè)原理、漏電檢測(cè)原理 熱水器工作環(huán)境潮濕，為了保證使用者安全，控制器應(yīng)具備漏電檢測(cè)功 能。檢測(cè)原理如圖 3.9 所示，將火線和中線同時(shí)穿過(guò)一個(gè)環(huán)形磁芯，作為漏電 互感器的初級(jí)線圈，次級(jí)線圈數(shù)百匝輸出漏電信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有漏電時(shí)，電 源輸入線中的火線電流與中線電流完全平衡，次級(jí)漏電信

55、號(hào)為零。當(dāng)系統(tǒng)發(fā) 生漏電現(xiàn)象時(shí)，火線電流與中線電流將失去平衡，其合成電流就是漏電電流， 次級(jí)漏電信號(hào)的大小和漏電程度成正比24。 圖 3.9 漏電檢測(cè)原理 2、漏電檢測(cè)電路、漏電檢測(cè)電路 漏電檢測(cè)電路如圖 3.10 所示，設(shè)計(jì)使用一片 lm358（雙運(yùn)放） 。第一個(gè) 運(yùn)放作放大器，第二個(gè)運(yùn)放作比較器。為了在 5v 電源下正常工作，將比較器 的參考電平（d 點(diǎn)）選定為 2.5v 左右，運(yùn)放的參考電平（b 點(diǎn)）選定為 3v 左右，這可以通過(guò) r19=3.9k，r15=1k，r2=5.1k 來(lái)實(shí)現(xiàn)。漏電互感器輸出 的信號(hào)加在 a 和 b 兩點(diǎn)。當(dāng)沒(méi)有漏電時(shí)，a、b、c 三點(diǎn)電位相同（3v 左右） ，

56、 比較器輸出高電平。當(dāng)有漏電現(xiàn)象時(shí)，c 點(diǎn)出現(xiàn)放大的漏電信號(hào)，信號(hào)的負(fù) 半波將 c 點(diǎn)的電位從 3v 向下拉低，只要漏電到達(dá)一定的程度，就可以使 c 點(diǎn)的電位在某時(shí)刻低于 d 點(diǎn)的電位，使比較器輸出低電平，其下降沿就可以 作為單片機(jī)的外部中斷信號(hào)，使系統(tǒng)及時(shí)做出反映，切斷電源，避免出現(xiàn)嚴(yán) 重后果。 定量分析：設(shè)允許最大漏電流為 il（通常為數(shù)毫安，具體數(shù)據(jù)可查閱相 關(guān)） ，規(guī)定漏電互感器次級(jí)的匝數(shù)為 n，則次級(jí)電流為 il/n，產(chǎn)生的信號(hào)電壓 為 r11il/n，放大器的放大倍數(shù)為，則 c 點(diǎn)最大下拉幅度 cb1516 ab15 v -vr +r k= v -vr 為，產(chǎn)生漏電中斷的條件是26

57、： 11 l 2kr i n 1511 l cc 191512 r2kr i =v nr +r +r 實(shí)驗(yàn)調(diào)試用一根導(dǎo)線穿過(guò)漏電互感器，從中通過(guò)數(shù)毫安的交流電流（不 必用 220v 高壓，只需用幾伏特的低壓交流電源串聯(lián)一個(gè)電阻就可以） 。r11可 選擇 1k。左右調(diào)節(jié)可調(diào)電位器 r18，可調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)或 r15，直到出 現(xiàn)中斷信號(hào)為止。 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 u

58、3b 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 圖 3.10 漏電檢測(cè)電路 七、聲音提示模塊七、聲音提示模塊 蜂鳴器發(fā)聲驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3.11所示。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的i/o口驅(qū)動(dòng)能力 弱，所以采用pnp三極管擴(kuò)流電路驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，當(dāng)p23口輸出低電平時(shí)，q3導(dǎo) 通，蜂鳴器發(fā)出聲音。反之，蜂鳴器不發(fā)聲。 1234 a b c d 4321 d c b a title numberrevisionsize

59、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 圖 3.11 聲音提示電路圖 第二節(jié)第二節(jié) 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化程序設(shè)計(jì)的方法，按照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與各部分 的功能，將整個(gè)程序也劃分為多個(gè)功能模塊部分，分別進(jìn)行編程，然后裝配 在一起。系統(tǒng)軟件部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水器的控制工作，由液晶顯示程序、按 鍵掃描程序、水位控制程序、溫度控制程序、漏電檢測(cè)及聲音提示程序和控 制策略程序等七個(gè)部分組成。 一、液晶顯示程序設(shè)計(jì)一、液晶顯示程序設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)使

60、用的 1602 液晶為 5v 電壓驅(qū)動(dòng)，帶背光，可顯示兩行，每行 16 個(gè)字符，不能顯示漢字，內(nèi)置 128 個(gè)字符的 ascii 字符集字庫(kù)，只有并行接 口，無(wú)串行接口。液晶屏 lcd1602 的顯示模式一般設(shè)置為 162 顯示，57 點(diǎn)陣，8 位數(shù)據(jù)接口顯示狀態(tài)；光標(biāo)顯示可按實(shí)際需要和個(gè)人偏好設(shè)定。 1、寫操作時(shí)序圖、寫操作時(shí)序圖 圖3.13是lcd1602寫操作時(shí)序圖，分析可知操作lcd1602液晶的流程如下： 通過(guò) rs 確定是寫數(shù)據(jù)還是寫命令。寫命令包括使液晶的光標(biāo)顯示/不 顯示、光標(biāo)閃爍/不閃爍、需/不需要移屏、在液晶的什么位置顯示等等。寫數(shù) 據(jù)是指要顯示的內(nèi)容。 讀/寫控制端設(shè)置為