畢業(yè)設(shè)計基于單片機的家用熱水器控制器設(shè)計

1、摘 要目前熱水器已成為日常生活中不可缺少的家用電器，設(shè)計制造更實用、更方便、更安全、更節(jié)能的熱水器是產(chǎn)品設(shè)計師和生產(chǎn)廠商不斷追求的目標(biāo)1。家用熱水器具有體積小、使用安全、安裝方便等優(yōu)點。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計包括加熱控制、溫度檢測等電路的設(shè)計。電熱水器是一種可供洗手間、廚房、浴室使用的家用電器，具有無污染、安全、保溫時間長、使用方便等優(yōu)點。隨著人民生活水平的不斷提高和我國電力工業(yè)的不斷發(fā)展,電熱水器得到不斷普及。本文給出了一種基于51單片機實現(xiàn)的熱水器電加熱器的設(shè)計方案。本文運用以AT89S51為控制核心的方法，提出了利用DS18B20來實現(xiàn)溫度檢測，并設(shè)計一個由繼電器控制的電路，利用繼電器來改變小

2、電流控制的電路功率，構(gòu)建了一個加熱控制電路，從而得出了可以實現(xiàn)加熱以及保溫的結(jié)論。關(guān)鍵字：熱水器，單片機，DS18B20溫度檢測器，繼電器 Micro-controller of water heater controller designAbstractMy graduation project topic is: the design of micro controller-based home water heater controller. Water heaters have become indispensable in the daily life of household ap

3、pliances, the design and manufacture of more practical, more convenient, safer, more energy-efficient water heater is continuing to pursue the goal of product designers and manufacturers.The hardware circuit design including heating control, temperature detection circuit design.Electric water heater

4、 is an available toilet, kitchen, bathroom and household appliances. Has the advantages of clean, safe, long holding time, easy to use. With the continuous improvement of people's living standards and the continuous development of China's power industry, electric water heaters are becoming m

5、ore prevalent. In this paper, based on 51 single-chip design of the auxiliary heating of the water heater. In this paper, AT89S51 as the control core, DS18B20 temperature detection, and to design a relay control circuit, use the relay to change the small-current control circuit power to build a heat

6、ing control circuit, in order to get conclusion of water heating can be achieved and the keeping of temperature.Keywords： Water heater, micro-controller, DS18B20 temperature detector, relay目錄1 引言12 家用電熱水器控制器的硬件設(shè)計22.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案22.1.1 主要技術(shù)參數(shù)22.3 單片機的最小系統(tǒng)32.3.1 單片機的選擇32.3.2 復(fù)位電路和晶振電路62.4 溫度傳感器DS18B20的選擇

7、確定72.4.1 DS18B20的特性72.4.2 DS18B20的測溫原理82.5 鍵盤與顯示102.5.1 鍵盤部分102.5.2 顯示電路112.6 溫度檢測電路的設(shè)計122.7 報警電路設(shè)計132.8 單片機與PC機的通信接口132.8.1 串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)RS-232C142.8.2 RS-232C與TTL邏輯電平的轉(zhuǎn)換142.9 電源電路的設(shè)計142.10 模式選擇電路的設(shè)計152.11 加熱控制電路的設(shè)計163 系統(tǒng)的軟件設(shè)計173.1 設(shè)計思想173.2 程序設(shè)計及流程圖173.2.1 初始化模塊173.2.2 溫度采集模塊183.2.3 控制按鍵設(shè)計子程序流程圖183.2.4

8、 加熱控制模塊設(shè)計子程序流程圖194 調(diào)試部分214.1 proteus簡介214.1.1軟件功能特點214.2 仿真結(jié)果225 結(jié)論246 致謝25參考文獻26附錄一 原理圖27附錄二 PCB圖28附錄三 仿真圖29附錄四 程序301 引言當(dāng)今社會大部分人在使用熱水器時，基本上都是采用的快熱式的。這是因為它給人們帶來了極大的方便，人們不再為熱水器耗電量大而發(fā)愁，所以快熱式電熱水器走進千家萬戶應(yīng)經(jīng)成為必然的。我國也在不斷大力提倡家庭使用熱水器，這樣可以為國家節(jié)省很多電能。使用電熱水器的方便之處還在于我國的電力來源比較方便，電能是無污染、清潔的，很受人們歡迎。目前市場燃?xì)鉄崴?、太陽能熱水器、?/p>

9、水式電熱水器遍地開花，然而燃?xì)鉄崴饕蚱浒踩[患及越來越高的使用成本正逐漸淡出熱水器市場2；而太陽能熱水器也因其嚴(yán)格受天氣、氣候及安裝條件影響而很難占有更大市場份額；所以電熱水器以其小巧時尚的外觀、而且加熱方便、比燃?xì)鉄崴鞲踩奶攸c橫空出世！在歐洲、東南亞市場熱水器發(fā)展歷程充分證明了這一點。普通電熱水器有如下缺點：1、熱水器長期通電，長期保持在六十度以上高溫，發(fā)熱管易結(jié)垢，內(nèi)膽易漏水，因而較易損壞； 2、管道熱水熱量損耗大； 3、等候用水時間太長； 4、在熱水流出前都必須浪費一定量的冷水，根據(jù)管道的長短，一般家庭中冷水損耗量大，基本可達(dá)10-25升/次。 而電熱水器克服了上述缺點。它有很多

10、優(yōu)點，如：安全，干凈環(huán)保；體積小所占空間小，安裝方便，款式多樣，美觀實用，也是職工福利和客戶禮品的絕佳選擇。特別方便于洗滌，和洗漱，是為現(xiàn)代家居廚房洗滌、衛(wèi)生間洗漱專業(yè)設(shè)計生產(chǎn)的快速電熱水器，結(jié)合了燃?xì)鉄崴骱蛡鹘y(tǒng)儲水式電熱水器優(yōu)點3。這里之所以設(shè)計家用電熱水器正是看到了它的未來，即將來人們將越來越多的使用它。系統(tǒng)主要要求：1、 控制器控制的熱水器功率是2000W，采用兩根加熱棒。2、 可以顯示熱水器當(dāng)前水溫和設(shè)置水溫。3、 可以進行水溫設(shè)置。4、 可以進行速熱整桶水和低功率加熱等加熱模式的選擇。5、加熱、保溫、低功率三種加熱模式進行顯示。2 家用電熱水器控制器的硬件設(shè)計對于家用電熱水器來說，

11、硬件系統(tǒng)是它的最基本的框架，是系統(tǒng)的所有功能的叢礎(chǔ)。硬件的選擇和所選硬件的性能對系統(tǒng)的功能實現(xiàn)以及系統(tǒng)的精度都有直接的影響，系統(tǒng)的設(shè)計成功與否很大程度上取決于硬件系統(tǒng)的設(shè)汁。本系統(tǒng)硬件方案論證包括單片機、溫度檢測傳感器、加熱控制驅(qū)動電路、電源電路、及鍵盤和顯示等電路的選擇。2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案設(shè)計家用電熱水器控制器，使控制器控制的熱水器功率為2000W，采用兩個加熱棒?？梢燥@示熱水器當(dāng)前水溫和設(shè)置水溫；可以進行水溫設(shè)置；設(shè)計也要實現(xiàn)可以進行速熱整桶水、低功率等加熱模式的選擇等功能。利用發(fā)光二級管對加熱、保溫和低功率三種模式進行顯示。系統(tǒng)硬件電路包括加熱控制、溫度檢測、報警、復(fù)位等電路的組成

12、。利用LCD1602來顯示實時設(shè)定溫度和實際溫度4。2.1.1 主要技術(shù)參數(shù)1 溫度檢測范圍是0-802 測量精度：+13 鍵盤是采用撥動開關(guān)，實現(xiàn)溫度設(shè)定范圍為：0804 參數(shù)調(diào)整：手動控制/程序控制5 增加預(yù)警系統(tǒng)，當(dāng)加熱到設(shè)定的溫度時，則發(fā)出報警信號2.2 電熱水器控制器系統(tǒng)組成框圖電熱水器控制電路由時鐘電路，復(fù)位電路，單片機，按鍵，LCD1602，傳感器，繼電器等部分組成。當(dāng)單片機的P22、P21口輸出低電平“0”時，兩根加熱棒都工作。當(dāng)P23輸出“0”時，報警電路工作。當(dāng)P24、P25、P26、P27口為“1”時，發(fā)光二級管亮，模式選擇顯示工作。按鍵電路中，若有鍵按下，則對應(yīng)的單片機

13、管腳為“1”信號。熱水器控制器系統(tǒng)組成框圖如圖2-1： 圖2-1 熱水器控制器系統(tǒng)組成框圖2.3 單片機的最小系統(tǒng)所謂最小系統(tǒng)就是指由單片機和一些基本的外圍電路所組成的一個可以工作的單片機系統(tǒng)。一般來說，它包括單片機、晶振電路和復(fù)位電路。晶振電路：AT89S51片內(nèi)有一個由高增益反相放大器構(gòu)成的振蕩電路。XTALl和XTAL2分別為振蕩電路的輸入輸出端。其振蕩電路有2種組成方式：片內(nèi)振蕩器和片外振蕩器。復(fù)位電路：在RST輸入端出現(xiàn)高電平時實現(xiàn)復(fù)位和初始化5。2.3.1 單片機的選擇單片機的全稱是微型計算機（Single Chip Microcomputer）。我們知道8031芯片內(nèi)部無ROM，

14、需要外擴程序存儲器,由此造成電路焊接的困難，況且使用8031還需要另外購買其他的芯片，如A/D轉(zhuǎn)換及定時/計數(shù)器（PWM）等芯片，從而造成成本較高，不實用6。熱水器控制電路數(shù)控部分采用AT89S51單片機作為控制核心。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89S51具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I0口，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，2個16位定時器計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全

15、雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S51可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，單片機停止工作，允許RAM、定時器計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止。直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。8位微控制器8 k字節(jié)為在系統(tǒng)可編程Flash7。STC89C51單片機的管腳圖如圖2-2：圖2-2 AT89C51單片機的管腳圖各引腳介紹如下：1電源和晶振VCC運行和程序校驗時加+5VGND接地XTAL1輸入到振蕩器的反向放大器XTAL2反向放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時鐘發(fā)生器（當(dāng)使用外部振蕩器時，XTAL1接地，X

16、TAL2接收振蕩器信號）RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的8。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。2I/O（4個口，32根）P0口8位、漏極開路

17、的雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲器（ROM、RAM）時，作地址和數(shù)據(jù)分時復(fù)用。在程序校驗期間，輸出指令字節(jié)（需加外部上拉電路）。P0口（作為總線時）能驅(qū)動8個LSTTL負(fù)載。P1口8位、準(zhǔn)雙向I/O口。在編程/校驗期間，用于輸入低位字節(jié)地址。P1口可驅(qū)動4個LSTTL負(fù)載。對于80C51，P1.0T2，是定時器的計數(shù)端且位輸入；P1.1T2EX，是定時器的外部輸入端。這時，讀兩個特殊輸入引腳的輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。P2口8位、準(zhǔn)雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲器（ROM及RAM）時，輸出高8位地址。在編程/校驗期間，接收高位字節(jié)地址。P2口可以驅(qū)動4個LSTTL負(fù)載。P3口8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具

18、有內(nèi)部上拉電路。P3口提供各種替代功能。在提供這些功能時，其輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。P3口可以輸入/輸出4個LSTTL負(fù)載。3串行口P3.0RXD（串行輸入口），輸入。P3.1TXD（串行輸出口），輸出。4中斷P3.2INT0外部中斷0，輸入。P3.3INT1外部中斷1，輸入。5定時器/計數(shù)器P3.4T0定時器/計數(shù)器0的外部輸入，輸入。P3.5T1定時器/計數(shù)器1的外部輸入，輸入。6數(shù)據(jù)存儲器選通P3.6WR低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通。P3.7RD低電平有效，輸出，片外存儲器讀選通。7控制線(共4根)輸入：RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。E

19、A/Vpp片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。在編程時，其上施加21V的編程電壓。注意：在加密方式1時，EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。輸入、輸出ALE/PROG地址鎖存允許信號，輸出。ALE以1/6的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出，可用作對外輸出的時鐘或用于定時。在EPROM編程期間，作輸入，輸入編程脈沖（PROG）。ALE可以驅(qū)動8個LSTTL負(fù)載。當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出

20、正脈沖信號9，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。注意：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。輸出：PSEN片外程序存儲器選通信號，低電平有效。在從片外程序存儲器取址期間，在每個機器周期中，當(dāng)PSEN有效時，程序存儲器的內(nèi)容被送上P0口（數(shù)據(jù)總線）。PSEN可以驅(qū)動8個LSTTL負(fù)載。2.3.2 復(fù)位電路和晶振電路復(fù)位是單片機的初始化操作。其主要功能是把PC初始化為0

21、000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動10。整個復(fù)位電路包括芯片內(nèi)、外兩部分。外部電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(RST)送至施密特觸發(fā)器，再由片內(nèi)復(fù)位電路在每個機器周期的S5P2時刻對施密特觸發(fā)器的輸出進行采樣，然后才得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。并且在外圍設(shè)計晶振電路使51單片機正常工作。晶振電路：AT89S51片內(nèi)有一個由高增益反相放大器構(gòu)成的振蕩電路。XTALl和XTAL2分別為振蕩電路的輸入輸出端。本系統(tǒng)的復(fù)位和晶振電路采用圖2-3所示的復(fù)位方式。圖2-3 晶振和復(fù)位電路2.

22、4 溫度傳感器DS18B20的選擇確定DS1820 通過一個單線接口發(fā)送或接收信息，因此在中央微處理器和DS1820 之間僅需一條連接線（加上地線）。用于讀寫和溫度轉(zhuǎn)換的電源可以從數(shù)據(jù)線本身獲得，無需外部電源。因為每個DS1820 都有一個獨特的片序列號，所以多只DS1820 可以同時連在一根單線總線上，這樣就可以把溫度傳感器放在許多不同的地方。這一特性在HVAC 環(huán)境控制、探測建筑物、儀器或機器的溫度以及過程監(jiān)測和控制等方面非常有用11。2.4.1 DS18B20的特性1、獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行通訊2、簡單的多點分布應(yīng)用3、 無需外部器件4、可通過數(shù)據(jù)線供電5、零待機功耗6、測溫

23、范圍-55+125，以0.5遞增。華氏器件-67F+2570F，以0.90F 遞增溫度以9 位數(shù)字量讀出7、溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間200ms（典型值）8、用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置9、報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件10、應(yīng)用包括溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費品、溫度計或任何熱感測系統(tǒng)DS18B20的管腳圖如圖2-4圖2-4 芯片DS18B202.4.2 DS18B20的測溫原理DS1820 是這樣測溫的：用一個高溫度系數(shù)的振蕩器確定一個門周期，內(nèi)部計數(shù)器在這個門周期內(nèi)對一個低溫度系數(shù)的振蕩器的脈沖進行計數(shù)來得到溫度值。計數(shù)器被預(yù)置到對應(yīng)于-55的一個值。如果計數(shù)器在門

24、周期結(jié)束前到達(dá)0，則溫度寄存器（同樣被預(yù)置到-55）的值增加，表明所測溫度大于-55。同時，計數(shù)器被復(fù)位到一個值，這個值由斜坡式累加器電路確定，斜坡式累加器電路用來補償感溫振蕩器的拋物線特性。然后計數(shù)器又開始計數(shù)直到0，如果門周期仍未結(jié)束，將重復(fù)這一過程12。表格2-1給出了溫度和數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。表2-1 溫度和數(shù)據(jù)的關(guān)系溫度數(shù)據(jù)輸出（二進制）數(shù)據(jù)輸出（十六進制）+12500000000 1111101000FA+2500000000 001100100032+1/200000000 000000010001000000000 000000000000-1/211111111 11111111

25、FFFF-2511111111 11001110FFCE-5511111111 10010010FF92斜坡式累加器用來補償感溫振蕩器的非線性，以期在測溫時獲得比較高的分辨力。這是通過改變計數(shù)器對溫度每增加一度所需計數(shù)的的值來實現(xiàn)的13。DS1820內(nèi)部對此計算的結(jié)果可提供0.5的分辨力。溫度以16bit 帶符號位擴展的二進制補碼形式讀出，表2-2給出了溫度值和輸出數(shù)據(jù)的關(guān)系。數(shù)據(jù)通過單線接口以串行方式傳輸。DS1820 測溫范圍-55+125，以0.5遞增。如用于華氏溫度，必須要用一個轉(zhuǎn)換因子查找表。最高有效（符號）位被復(fù)制充滿存儲器中兩字節(jié)溫度寄存器的高MSB 位，由這種“符號位擴展”產(chǎn)生

26、出了16bit 溫度讀數(shù)。圖2-5 DS18B20方框圖圖2-5的方框圖示出了DS1820 的主要部件。DS1820 有三個主要數(shù)字部件：1）64位激光ROM，2）溫度傳感器，3）非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL。器件用如下方式從單線通訊線上汲取能量：在信號線處于高電平期間把能量儲存在內(nèi)部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。DS1820 也可用外部5V電源供電14。DS1820 依靠一個單線端口通訊。在單線端口條件下，必須先建立ROM 操作協(xié)議，才能進行存儲器和控制操作。因此，控制器必須首先提供下面5 個ROM 操作命令之一：1）讀ROM

27、，2）匹配ROM，3）搜索ROM，4）跳過ROM，5）報警搜索。這些命令對每個器件的激光ROM 部分進行操作，在單線總線上掛有多個器件時，可以區(qū)分出單個器件，同時可以向總線控制器指明有多少器件或是什么型號的器件。成功執(zhí)行完一條ROM 操作序列后，即可進行存儲器和控制操作，控制器可以提供6 條存儲器和控制操作指令中的任一條15。一條控制操作命令指示DS1820 完成一次溫度測量。測量結(jié)果放在DS1820 的暫存器里，用一條讀暫存器內(nèi)容的存儲器操作命令可以把暫存器中數(shù)據(jù)讀出。溫度報警觸發(fā)器TH 和TL 各由一個EEPROM 字節(jié)構(gòu)成。如果沒有對DS1820 使用報警搜索命令，這些寄存器可以做為一般

28、用途的用戶存儲器使用?？梢杂靡粭l存儲器操作命令對TH和TL進行寫入，對這些寄存器的讀出需要通過暫存器。所有數(shù)據(jù)都是以最低有效位在前的方式進行讀寫。寄生電源寄生電源的方框圖見圖1。這個電路會在I/O 或VDD 引腳處于高電平時“偷”能量。當(dāng)有特定的時間和電壓需求時（見節(jié)標(biāo)題“單線總線系統(tǒng)”），I/O 要提供足夠的能量。寄生電源有兩個好處：1）進行遠(yuǎn)距離測溫時，無需本地電源，2）可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀ROM。要想使DS1820 能夠進行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/O 線必須在轉(zhuǎn)換期間保證供電。由于DS1820 的工作電流達(dá)到1mA，所以僅靠5K 上拉電阻提供電源是不行的，當(dāng)幾只DS1820 掛在同一

29、根I/O線上并同時想進行溫度轉(zhuǎn)換時，這個問題變得更加尖銳。2.5 鍵盤與顯示2.5.1 鍵盤部分方案一：采用矩陣式鍵盤，其優(yōu)點是可以按鍵多，適合于要求使用多按鍵的場合，如計算器，電子密碼鎖等。缺點是占用較多的I/O口，軟件編程復(fù)雜，鍵盤掃描時間較長。方案二：采用獨立式按鍵，其優(yōu)點是響應(yīng)速度快，接口簡單，易于編程，使用方便。本設(shè)計需要按鍵不多，故通過上述兩個方案的比較，本設(shè)計采用方案二，使用獨立式按鍵。共設(shè)置四個按鍵，第一個按鍵為復(fù)位鍵，第二個按鍵為設(shè)置鍵，第三個按鍵為加一鍵。第四個按鍵為減一鍵。當(dāng)P13口為低電平時，則鍵K1按下，為高電平時，表示無鍵按下。同理，當(dāng)P14口為低電平時，則鍵K2按

30、下，為高電平時，表示無鍵按下。當(dāng)P15口為低電平時，則鍵K3按下，為高電平時，表示無鍵按下。當(dāng)P16口為低電平時，則鍵K4按下，為高電平時，表示無鍵按下。鍵盤連接如圖2-6：圖2-6 鍵盤連接2.5.2 顯示電路方案一：LCD1602液晶顯示，具有字符發(fā)生器ROM可顯示192種字符，具有64個字節(jié)的自定義字符RAM，但是不能顯示漢字，只能顯示ASCII碼且只能顯示顯示兩行。方案二：12864是128*64點陣液晶模塊的點陣數(shù)簡稱，其是一種具有內(nèi)部含國際一級、二級簡體中文字庫的顯示模塊，分辨率為128*64，內(nèi)置8192個16*16點漢字和128個16*8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口

31、方式和簡單、方便的操作指令，可顯示8*4行16*16點陣的漢字，也可顯示圖形。低電壓低功耗是其又一顯著特點。方案三：數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，其驅(qū)動方式分別為靜態(tài)驅(qū)動和動態(tài)驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動編程簡單，顯示亮度高，但占用的I/O端口多，在實際應(yīng)用時必須增加譯碼器，是硬件電路更復(fù)雜。針對數(shù)碼管，其顯示單調(diào)且不具備數(shù)據(jù)的直觀性。比較上面三種方案，本系統(tǒng)采用LCD1602進行顯示。表2-2 LCD1602主要技術(shù)參數(shù)顯示容量16*2個字符芯片工作電壓4.55.5V工作電流2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓5.0V字符尺寸2.95*4.35（WXH）mm表2-3 LCD160接

32、口信號說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2Data I/O2VDD電源正級10D3Data I/O3VL液晶顯示偏壓信號11D4Data I/O4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端12D5Data I/O5R/W讀/寫選擇端13D6Data I/O6E使能信號14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光級正極8D1Data I/O16BLK背光級負(fù)極LCD1602結(jié)構(gòu)如圖2-7所示，由圖可知，LCD1602的8個輸入端DB0-DB7口與單片機的8個P0口相連。P10口接R/S（數(shù)據(jù)/命令選擇端），P11口接R/W（讀/寫選擇端），P12口接E（使能信號）。圖2-7 LCD

33、1602液晶顯示2.6 溫度檢測電路的設(shè)計由于DS18B20只有一個串行接口，與單片機與單片機的連接電路和很簡單，只需與單片機的一個I/O端口連接即可。其連接圖如圖7所示，DS18B20的I/O屬于漏極開路輸出，外接上拉電阻后常態(tài)下成高電平。該器件內(nèi)含有寄生電源，其供電方式可以選擇寄生電源方式，也可以選擇外部電源。為方便起見，采用寄生電源供電。且最大特點就是不需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使硬件電路變得簡單。溫度檢測電路如下圖2-8：圖2-8 溫度檢測電路2.7 報警電路設(shè)計在微型計算機控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設(shè)有緊急狀態(tài)報警系統(tǒng)，一邊提醒操作人員注意，或采取緊急措施。

34、其方法就是把計算機采集的數(shù)據(jù)記過計算機進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，標(biāo)度變換以后，與該參數(shù)上下限給定值進行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進行報警。否則就作為正常的采樣值進行顯示和控制。本設(shè)計采用蜂鳴報警電路。蜂鳴報警接口電路的設(shè)計只需購買市售的壓電式蜂鳴器， 然后通過STC89C52的1根線經(jīng)驅(qū)動器蜂鳴音發(fā)聲。如圖2-9所示，當(dāng)輸出為“0”時，晶體管導(dǎo)通，壓電蜂鳴器兩端獲得+5V電壓而鳴叫；當(dāng)輸出高電平為“1”時，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。圖2-9 報警電路2.8 單片機與PC機的通信接口利用STC89C51單片機的標(biāo)準(zhǔn)串行接口，通過簡單的外圍接口電路，可以方便的實現(xiàn)單片機與PC機之間的數(shù)

35、據(jù)通信。在設(shè)計硬件接口電路時，應(yīng)充分考慮到電路的電氣特性、邏輯電平以及驅(qū)動能力的匹配問題，若匹配得不好，將會導(dǎo)致通信失敗。2.8.1 串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)RS-232CPc機上均帶有標(biāo)準(zhǔn)的RS一232C接口。Rs一232C是由EIA(美國電子工業(yè)協(xié)會)于1969年正式公布的、在異步串行通信中應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線接口，適合于短距離通信或帶調(diào)制解調(diào)器的通信應(yīng)用場合。采用RS一232C標(biāo)準(zhǔn)進行數(shù)據(jù)傳輸時，最大傳輸速率為20k bits，最大距離為15 m。它們之間具有相關(guān)性，適當(dāng)降低傳輸速率就可加大傳輸距離，反之，適當(dāng)減少傳輸距離就可提高傳輸速率。2.8.2 RS-232C與TTL邏輯電平的轉(zhuǎn)換由于P

36、c機串行口使用的是RS一232C邏輯電平，而AT89C51單片機串行口的輸入輸出均為ITL電平，因此當(dāng)Pc機與單片機通信時必須進行電平轉(zhuǎn)換。本文使用雙向電平轉(zhuǎn)換集成芯片。此方法的優(yōu)點是：只需單一+5 V電源供電，可靠性高，無需增加程序設(shè)計的復(fù)雜性。如前所述，本文采用MAX232作為PC機與單片機的串行通信接口芯片。硬件連接時，可從MAX232中的2路發(fā)送器和接收器中任選一路，只要注意發(fā)送與接收的引腳對應(yīng)關(guān)系即可。接口電路如圖2-10所示。圖2-10 通訊接線圖2.9 電源電路的設(shè)計電源電路的設(shè)計：方案一：采用干電池進行供電，優(yōu)點是無需進行電路設(shè)計，適合在沒有電的情況系使用，缺點是本設(shè)計需要用到

37、的為5V電壓，而干電池每節(jié)1.5V，采用4.5V電壓可能會使系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。方案二：采用USB供電，優(yōu)點是電路簡單，使用方便。缺點是供電電壓有時不穩(wěn)定，對系統(tǒng)運行造成影響。方案三：采用直流12V電壓,經(jīng)過穩(wěn)壓電路后，得到穩(wěn)定的+5V電壓。通過三個方案的比較，本設(shè)計采用方案三。原理圖如圖2-11所示，由圖可知，通過變壓器和整流橋，然后在經(jīng)過穩(wěn)壓電路成為輸出為+5V的直流電。圖2-11 電源系統(tǒng)連接圖2.10 模式選擇電路的設(shè)計本文中采用四個發(fā)光二級管串接四個電阻組成模式選擇電路。來顯示系統(tǒng)工作的狀態(tài)：加熱、保溫、低功率或復(fù)位這四個不同的狀態(tài)。電路如圖2-12所示。當(dāng)P24、P25、P25或P26

38、口為“1”時，發(fā)光二級管導(dǎo)通，此時顯示控制器的工作狀態(tài)是加熱、保溫、低功率還是不工作。圖2-12 模式選擇電路2.11 加熱控制電路的設(shè)計本文采用繼電器控制的小電流電路，用來控制加熱電路，用以改變電路的電流以及功率，從而實現(xiàn)電路的低功率加熱、保溫、速效加熱等。設(shè)計電路如圖2-13所示。當(dāng)P21、P22均為“0”時，加熱棒D8、D9工作，此時可實現(xiàn)速熱的功能。P21為“0”，P22為“1”時，加熱棒D8工作，D9不工作，工作狀態(tài)為一根加熱棒加熱。P21為“1”，P22為“0”時，加熱棒D8工作，D9不工作，工作狀態(tài)為一根加熱棒加熱。P21、P22均為“1”時，加熱棒D8和D9均不工作。圖2-13

39、 加熱控制電路3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計基于單片機的家用電熱水器的設(shè)計主要包括主程序、顯示掃描、按鍵掃描子程序、加熱控制子程序和溫度檢測子程序。要想實現(xiàn)預(yù)設(shè)計的功能軟件的設(shè)計至關(guān)重要，應(yīng)認(rèn)真考慮。3.1 設(shè)計思想根據(jù)實際需要，單片機軟程序有若干模塊組成：初始化模塊、LCD顯示模塊、時鐘模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。其中有些模塊還包括子模塊，使用時，下一級模塊被高一級模塊調(diào)用，各部分既相互獨立又相互聯(lián)系。3.2 程序設(shè)計及流程圖3.2.1 初始化模塊程序初始化如圖3-1所示。系統(tǒng)開始運行后進行各子程序的初始化這部分實現(xiàn)的功能包括各種I/O口輸入輸出狀態(tài)的設(shè)定、寄存器的初始化、中斷使能等。3-1 程序

40、初始化流程圖3.2.2 溫度采集模塊DS18B20是數(shù)字型溫度傳感器，單片機可直接采集其數(shù)據(jù)，經(jīng)過特定程序的處理即可應(yīng)用。溫度采集模塊如圖3-2所示。圖3-2 溫度采集模塊3.2.3 控制按鍵設(shè)計子程序流程圖按鍵設(shè)置一共有四個按鍵，功能分別為：復(fù)位鍵、設(shè)置鍵、加一鍵、減一按鍵。按鍵處理子程序流程圖如圖3-3所所示。3-3 按鍵處理子程序流程圖3.2.4 加熱控制模塊設(shè)計子程序流程圖本設(shè)計利用連個繼電器控制加熱模塊的通斷，加熱控制模塊設(shè)計子程序流程圖如圖3-4所示。3-4 加熱控制模塊設(shè)計子程序流程圖4 調(diào)試部分整個溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計包括軟件設(shè)計。這一章的主要內(nèi)容是將軟件設(shè)計部分通過proteu

41、s軟件進行仿真，將系統(tǒng)的設(shè)計功能通過仿真模擬體現(xiàn)出直觀的效果。4.1 proteus簡介Proteus軟件是英國Lab center electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。在此次畢

42、業(yè)設(shè)計中，利用仿真軟件proteus來進行再一次的繪圖和仿真。4.1.1軟件功能特點1）實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。2）支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。3）提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察

43、各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51 uVision2等軟件。4）具有強大的原理圖繪制功能?？傊?，該軟件是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。本章介紹Proteus ISIS軟件的工作環(huán)境和一些基本操作。4.2 仿真結(jié)果打開已經(jīng)設(shè)計好的電路圖文件，運行仿真。首先，液晶屏顯示的設(shè)定水溫(設(shè)置一個最高溫和一個最低水溫)。如仿真圖圖4-1和4-2所示。此時我用4個按鍵來設(shè)置溫度。設(shè)置鍵用來選擇設(shè)置的是最低溫度或者最高溫度，而加一減一鍵用來改變設(shè)置的溫度值，而復(fù)位鍵按下之后則顯示的是當(dāng)前

44、溫度，如圖4-3所示。4-1 按鍵仿真電路圖4-2 設(shè)置的溫度值顯示通過上述仿真，實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)置水溫和報警等功能。當(dāng)實際水溫低于設(shè)定水溫時系統(tǒng)自動開啟加熱裝置，當(dāng)水溫上升到設(shè)定的最高溫度后系統(tǒng)會自動停止加熱并且產(chǎn)生報警信號。系統(tǒng)通過調(diào)試組裝后一般即可正常工作。根據(jù)實踐證明，接通電源后，LCD1602顯示溫度，按一下設(shè)置鍵，并可以通過“加一”“減一”鍵來調(diào)節(jié)溫度值的大小，直到到達(dá)想要設(shè)置的值為止。在調(diào)試過程中，LCD1602在正常的溫度范圍內(nèi)完全可以顯示出溫度，將DS18B20測試的當(dāng)前溫度調(diào)到設(shè)置的最高溫度之上或者最低的溫度之下時，會在仿真中聽到報警聲。5 結(jié)論 本系統(tǒng)歷時15周完成，通過老師

45、的悉心指導(dǎo)以及自己的努力終于完成。本次畢業(yè)設(shè)計是對所學(xué)知識的一次綜合性運用。其中包括對模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、單片機等知識的運用。從而完成了本次設(shè)計。在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自身知識的不足，也發(fā)現(xiàn)我們必須具備專業(yè)基礎(chǔ)知識以外，才能成功的設(shè)計出一件合格的東西。對于家用電熱水器來說，硬件系統(tǒng)是它的最基本的框架，是系統(tǒng)的所有功能的叢礎(chǔ)。硬件的選擇和所選硬件的性能對系統(tǒng)的功能實現(xiàn)以及系統(tǒng)的精度都有直接的影響，系統(tǒng)的設(shè)計成功與否很大程度上取決于硬件系統(tǒng)的設(shè)汁。本系統(tǒng)硬件方案論證包括單片機、溫度檢測傳感器、加熱控制驅(qū)動電路、電源電路、及鍵盤和顯示等電路的選擇。這次畢業(yè)設(shè)計收獲很多，體會也很深刻，

46、并且對我們所學(xué)的東西也產(chǎn)生了濃厚的興趣。在設(shè)計過程中，也學(xué)會了很多新的東西，PROTEL軟件繪制電路原理圖和PCB圖，以及一些仿真軟件的應(yīng)用，最典型的就是PROTEUS軟件的應(yīng)用，以及與KEIL軟件的聯(lián)合使用功能。當(dāng)然最重要的是學(xué)到了關(guān)于基本電子設(shè)計的一些基本方法，同時也加深了對一些常用的電子元件的理解及其基本用法的掌握。除此之外，我覺得在這次設(shè)計的過程中，我發(fā)現(xiàn)團隊精神的重要性，很多時候一個人的力量是有限的，一個人不可能什么都會，什么都能自己解決，還是有需要他人幫助的時候，我覺得人與人之間的相互幫助很有必要，這樣不僅能幫助大家很快的解決問題，還能提高我們每個人的實際水平，也培養(yǎng)了我們的團隊合

47、作精神，這些能力對于我們今后的學(xué)習(xí)和工作都很有幫助。由于要兼顧畢業(yè)設(shè)計和考研復(fù)試的準(zhǔn)備，本次設(shè)計中還有不盡完善之處。希望在以后的學(xué)習(xí)生涯中不斷的完善和改進。6 致謝這次畢業(yè)設(shè)計歷時半年，中間也有在設(shè)計過程中遇到不少問題，在xx老師和同學(xué)的幫助和配合下才順利的完成了畢業(yè)設(shè)計。xx老師在我們做設(shè)計的過程中，給予了我們極大的幫助，不僅從知識方面引導(dǎo)了我們的設(shè)計思路，同時，在人生觀上也給了我們不少的啟示。在此，我對老師和同學(xué)表示深深的謝意。參考文獻1 關(guān)健成,何碧霞.基于單片機的溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計J.自動化應(yīng)用,2010(10):64-682 張平川,許興廣.基于單片機電熱水器模糊控制系統(tǒng)設(shè)計J.200

48、7（10）：145-1463 季曉芳,張春來.家用電熱水器控制系統(tǒng)的實驗研究J.電子測試,2009(10):77-814 李銀華.家用電熱水器模糊控制器的設(shè)計J.家用電器科技,1999(3):23-245 董萬春.家用燃?xì)鉄崴髦悄芄嵯到y(tǒng)J.信息技術(shù),2001(2):8-106 譚樹龍,王瑞玲.家用太陽能熱水器控制器J.單片機及應(yīng)用,1994(9):31 7 周云龍.家用太陽能熱水器自動進水控制器的研究J.電子儀器儀表用戶,1999(6):8-108 鄭權(quán).可靠適用的溫度控制器J.電子制作,2000(1):17-199 徐鵬,譚智,但遠(yuǎn)宏.雙功能燃?xì)鉄崴髂：刂葡到y(tǒng)設(shè)計J.Automati

49、onInstrumentation,2010(7):24-2710 李章勇,官方勇.太陽能熱水器智能控制器研制J.2008年家用自動控制器技術(shù)國際研討會,2008（11):177-18011 苗紅蕾.一款新型的智能家用電熱水器J.邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2005(11):60-6312 郁玉龍,趙寧盧,洪武.用AT89C51單片機設(shè)計智能家用電熱水器J.實用電子制作,2007(10):33-3513 蔡滿軍,吳磊.智能溫度控制器的設(shè)計J.自動化儀表,2010(10):68-7514 Huang Dinp jin,Fei Han，Li Liang，Zhu Yun zhou.Design for N

50、+I Fault-tolerant Integrated Solar ControllerJ.AutomationInstrumentation,2010(10):151-154 15 Surachai Panich.Development of Fuzzy Controller for Water Level in Stream Boiler TankJ.Journal of Computer Science,2010(11):1233-1236附錄一 原理圖附錄二 PCB圖、附錄三 仿真圖附錄四 程序/*頭文件*/#include <reg52.h> #include <

51、intrins.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define nop() _nop_()#define _Nop() _nop_()sbit DQ =P15; /定義DS18B20通信端口sbit lcdrs = P20; /*定義LCD控制端口*/sbit rw = P21; /*定義LCD控制端口*/sbit lcden = P22; /*定義LCD控制端口*/bit flag=0;sbit p15 = P15; sbit p16 = P16; sbit p30 = P30; sbit p31 = P31;

52、 sbit k0 = P10; sbit k1 = P11; sbit k2 = P12; sbit k3 = P13; uchar table1 =" chen bei bei "uchar table2 =" TEMP:00.0C "uchar table3 =" SET TEMP: "uchar table4 ="H:60C L:40C"uchar table;uchar H = 60,L = 40;/*1MS為單位的延時程序*/void delay_1ms(uint x) uchar j; while(x-) for