基于单片机的电热水器系统完整.doc

哈 尔 滨 理 工 大 学毕 业 设 计 题 目： 电热水器水温控制系统 院、 系： 荣成学院 电气工程系 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 2013 年 06 月 14 日哈尔滨理工大学毕业设计（论文）评语学生姓名： 学号：学 院： 荣成学院 专业： 电气自动化技术任务起止时间：2013 年 03 月 25 日至 2013 年 06 月 14 日毕业设计（论文）题目：电热水器水温控制系统指导教师对毕业设计（论文）的评语：指导教师签名： 指导教师职称： 评阅教师对毕业设计（论文）的评语：评阅教师签名： 评阅教师职称： 答辩委员会对毕业设计（论文）的评语：答辩委员会评定，该生毕业设计（论文）成绩为： 答辩委员会主席签名： 职称： 年 月 日教务处制表哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名： 学号：学 院：荣成学院 专业：电气自动化技术任务起止时间：2013 年 03 月 25 日至 2013 年 06 月 14日毕业设计（论文）题目：电热水器水温控制系统毕业设计工作内容： 指导该同学选择了电热水器水温控制系统的课题。首先帮助查阅资料，阅读了关于单片机温度控制系统等相关资料，了解电热水器、单片机的相关知识以及国内外电热水器发展状况，其次分别从硬件与软件两方面对该同学进行指导。帮助该同学认识到当前电热水器的不足，然后对其进行改进，运用单片机可以对电热水器水温进行智能控制，使其学到了单片机的基本知识，最后对毕业论文的格式进行了指导。资料：1 关健成，何碧霞基于单片机的温度检测系统设计J.自动化应用,2010(10)2 张平川，许兴广基于单片机的温度检测系统设计J.2007（10）3 季晓芳，张春来家用电热水器控制系统的实验研究D.电子测试,2009(10)4 李银华家用电热水器模糊控制器的设计J.家用电器科技,1999(3)5 陈爱萍,羊四清电子显示屏的单片机控制系统M.计算机用1999(6)指导教师意见：签名：年 月 日系主任意见：签名：年 月 日教务处制表哈尔滨理工大学专科生毕业论文电热水器水温控制系统摘 要本文给出了一种基于51单片机实现的电热水器水温控制系统的设计方案。系统设计了相关的硬件电路和相关应用程序，本文运用以AT89C51控制核心的方法，提出了利用DS18B20来实时采集温度并通过LCD1602显示，设计的一个由继电器控制的电路，利用继电器来改变控制电路的通断，构建的一个加热控制电路，并且提供各种运行指示灯来指示系统所处的状态，如：加热、保温、报警等，整个系统通过四个按键来设置温度上下限，从而得出了可以实现加热以及保温的结论。采用模块化设计，在主程序模块下分成若干彼此独立的分模块，包括主控模块，温度采集模块，显示模块等，并通过单片机将各个模块连接起来，形成一个整体。该智能电热水器设计完善，实现方案简单易行。主要特点是恒温以及温度可调，采用单片机对它们进行控制，可以实现智能检测水温，智能加热，并且提高了整机的可靠性及准确性，具有简单易行，成本低，安全实用提高产品质量等特点。关键词单片机；电热水器；温度控制；继电器不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- I -目 录摘要I第1章 绪论11.1 课题背景11.2 设计目的及意义11.3 国内外研究状况及成果21.4 设计的主要内容3第2章 电热水器控制器的硬件设计42.1 系统总体设计方案42.2 电热水器控制器系统组成框图42.3 单片机52.3.1 AT89C51单片机52.3.2 复位电路和晶振电路62.4 温度传感器DS18B2072.4.1 DS18B20的特性72.4.2 DS18B20的测温原理82.5 键盘与显示电路设计102.5.1 键盘电路102.5.2 显示电路112.6 温度检测电路的设计132.7 报警电路设计142.8 单片机与PC机的通信接口电路设计142.8.1 串行通信接口标准RS-232C142.8.2 RS-232C与TTL逻辑电平的转换152.9 电源电路的设计152.10 模式选择电路的设计162.11 加热控制电路的设计162.12 整体电路172.13 本章小结18第3章 系统的软件设计193.1 程序设计及流程图193.2 主程序193.3 初始化模块203.4 温度采集模块203.5 控制按键设计子程序模块213.6 LCD显示模块223.7 加热控制模块233.8 本章小结23结论24致谢25参考文献26千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- III-第1章 绪论1.1 课题背景随着人们的生活水平提高，热水器越来越受到人们的青睐。目前热水器主要品种有电热水器、燃气热水器、太阳能热水器。就中国具体情况而言，燃气热水器由于以石油、天然气为燃料，而燃料供应量又难以满足人们日益增长的需求，且用起来不安全；太阳能热水器安装复杂，受天气影响，使用范围狭窄；电热水器外形小巧,安装方便,环保节能,安全等优点，因此电热水器应用更广泛1。电热水器在中国的历史已经有10多年了，期间也经历了数次起落的过程，在上个世纪的最后几年，随着国外品牌的进入和国内一些大家电厂的目光转向电热水器，智能储水式电热水器能适应任何天气变化，普通家庭可直接安装使用，长时间通电可以大流量供热水。使用时不产生废气，既安全又卫生。目前市场上销售的电热水器多数还带有防触电装置。干净卫生，不必分室安装，调温方便2。在电热水器发展到如今的水平，已经可以基本满足生产生活中的需求。但为求精益求精，当今学者将目光放在了更好的调节控制水温水位上，尽可能得使其更智能化，能够做到更加的安全稳定舒适。我国在对电热水器水温系统的研究已取得很大的成就，并在不断地完善之中。智能电热水器水温检测器是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（电信号）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表仪器。传统的电热水器水温检测器功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，然而采用单片机的电热水器水温检测器功能多样化、精度高、抗干扰能力强。本文所研究的电热水器水温检测器是以AT89C51单片机作为主控制元件来实现热水器里的水温检测并显示在液晶屏上。更进一步的采用继电器控制加热部分，是单片机应用在工业、农业、国防、医药、卫生等各行各业中的一个典型而普通的例子，随着科学技术的进一步发展，人们生活水平的不断提高，智能电热水器越来越受人们的青睐，同时安全、节能、易操作也是不可缺少的。在本设计中，研究智能电热水器的水温检测器非常有意义。1.2 设计目的及意义本课题是基于人们对现代家庭舒适、便利、安全以及多元化信息服务的需要，基于AT89C51单片机设计具有智能特征的电热水器控制器。选用AT89C51单片机作为控制芯片，就是为了实现电热水器的智能化，持续稳定的热水供应，使人们洗浴时能放心享受，利于人们的身体健康。1.3 国内外研究状况及成果智能化技术运用是今后技术发展的一个普遍趋势。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。对于传统的电热水器行业而言，要想出现本质性的突破几乎是不可能的，而在功能上不断提升，抓住人性化需求，却是一条可行之路。而事实正是如此。阿里斯顿、比利奇、史密斯、海尔、美的争先恐后推出了超大液晶屏、电子线控、超薄时尚、双管加热、漏电保护器、防电墙、多口出水等新技术，尤其是海尔，甚至在电热水器上增加了按摩功能，专门的喷雾按摩喷嘴，让消费者可以足不出户就感受按摩的快乐。国外对智能电热水器的主要研究成果有西门子智能电热水器。采用德国新电脑温控技术，确保出水温度均匀恒定，使沐浴成为真正的享受。西门子家电集团采用西门子在电站技术上的强大防漏电安全技术为基础，开发出独有的ELCB德国安全专家模式功能。除具有正常的防漏电装置外，还具备安全电流自我检测功能，随时检测防漏电系统是否正常工作，双重保险将个体与电源完全分开，杜绝意外发生。樱花IMES智能记忆节能系统，突破了传统单时段节能模式，提供了独一无二的三时段定时预热和七种供水模式，其工作过程“聪明伶俐”，它不断自动存储、分析主人近一个月用水的具体数据，以最经济的模式提前为主人准备热水，真正实现全天候节能供水。特别是还具备体贴的停电数据保留功能，就算停电48小时，也能自动记忆所有参数，让主人毫无后顾之忧。全新的智能中温保温功能，彻底弥补了传统中温保温的缺陷，根据设定水温、环境、季节的不同，自动选择最节能的保温状态，缩短加热时间，切实做到省电节能。配合特有超厚高密度聚氨脂发泡层，节能指标全面达到国家专业标准，当然倍受信赖。完美的节能系统整合，把IMES智能记忆作为系统节能的核心，将各种节能的细节整合到尽善尽美，智能记忆与自动加热技术的融合应用，自动加热、实时加热、定时加热三种工作模式任意选择。 就中国的具体情况而言, 其研究成果虽稍逊于国外，但是学者们也在努力寻求技术的突破，比如海尔就走在了同行的前面。近日，海尔推出了一款全新产品银海象A6智能专家，成为国内第一款具备记忆和计算能力双重智能的热水器。能记是A6的最大特色。它独有的断电自动记忆功能，即使突然停电，系统也会将之前设置的参数自动保存，从而在来电开机时仍保持原有设计，无需重新设置，方便简单。 会算是A6的又一特色。许多热水器也有预约功能，但预约的都是加热时间。用户一般不知道该提前多长时间加热，因此不是早了就是晚了。而A6产品只需设定好你的洗浴时间即可。它会自动根据当前的室温及水温计算好所需的加热时间，并自动提前加热，从而可以最大限度的减少用电损耗。 除了能记会算， A6的外观也独具一格。它使用LED超大显示屏，清晰明了；同时，A6引入无线智能遥控技术，不仅使热水器安装彻底摆脱了高度的限制，操作更自由方便。另外，A6采用了下倾式控制面板，实现半隐藏式安装，使浴室装修更完美。此外，A6的节能效果同样出色，智能预约、中温保温、分层加热等让您省钱到家。实验证明，仅中温保温一项技术，就能在24小时内节能约0.33度。如深圳市明佳实业发展有限公司获得了19项热水器发明专利的授权。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，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。1.4 设计的主要内容系统主要采用51单片机AT89C51作为整个系统的主控模块，利用AT89C51的引脚连接其它外部电路。温度信号的采集采用DS18B20温度传感器，键盘用来设计水温的上限和下限值，本设计采用了四个按键，显示模块采用LCD1602，加热模块由继电器控制加热电阻的通断，采用继电器控制电路，具有安全可靠的特点，并且设计了四个发光二极管显示电路的不同工作状态。第2章 电热水器控制器的硬件设计2.1 系统总体设计方案设计家用电热水器控制器，使控制器控制的热水器功率为2000W，采用一个加热棒。可以显示热水器当前水温和设置水温。利用发光二级管对电源、加热、保温和报警四种模式进行显示。系统硬件电路包括加热控制、温度检测、报警、复位等电路的组成。利用LCD1602来显示实时设定温度和实际温度3。1温度检测范围是0802测量精度：13键盘是采用拨动开关，实现温度设定范围为：0804参数调整：手动控制/程序控制5增加预警系统，当加热到设定的温度时，则发出报警信号2.2 电热水器控制器系统组成框图电热水器控制电路由时钟电路，复位电路，单片机，按键，LCD1602，传感器，继电器，报警器等部分组成。热水器控制器系统组成框图如图2-1所示。图2-1 热水器控制器系统组成框图2.3 单片机单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能，集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。2.3.1 AT89C51单片机热水器控制电路数控部分采用AT89C51单片机作为控制核心。AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51具有以下标准功能：4k字节Flash，256字节RAM，32位I/0口，看门狗定时器，2个数据指针，2个16位定时器/计数器，一个2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C51可降至0 Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，单片机停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止。直到下一个中断或硬件复位为止。8位微控制器8 k字节为在系统可编程Flash4。AT89C51单片机的管脚图如图2-2所示。图2-2 AT89C51单片机的管脚图各引脚介绍如下：1电源和晶振VCC运行和程序校验时加+5VGND接地XTAL1反向放大器的输入，输入到振荡器的反向放大器XTAL2反向放大器的输出，输入到内部时钟发生器（当使用外部振荡器时，XTAL1接地，XTAL2接收振荡器信号）2I/O（4个口，32根）P0、P1、P2、P3口8位、准双向I/O口。3串行口P3.0RXD（串行输入口）。P3.1TXD（串行输出口）。4中断P3.2INT0外部中断0。P3.3INT1外部中断1。5定时器/计数器P3.4T0定时器/计数器0的外部输入。P3.5T1定时器/计数器1的外部输入。6数据存储器选通P3.6WR低电平有效，片外存储器写选通。P3.7RD低电平有效，片外存储器读选通。7控制线(共4根)RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。EA/Vpp片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。在编程时，其上施加21V的编程电压。ALE/PROG地址锁存允许信号，输出5。PSEN片外程序存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器取址期间，在每个机器周期中，当PSEN有效时，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）。PSEN可以驱动8个LSTTL负载。2.3.2 复位电路和晶振电路复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动6。整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。并且在外围设计晶振电路使51单片机正常工作。晶振电路：AT89C51片内有一个由高增益反相放大器构成的振荡电路。XTALl和XTAL2分别为振荡电路的输入输出端。本系统的复位和晶振电路采用图2-3所示。图2-3 晶振和复位电路2.4 温度传感器DS18B20在传统的模拟信号远距离的温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术。另外考虑到一般的测量现场的电磁环境非常的恶劣，各种干扰信号较强，模拟信号很容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力较强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效的方案。在实际的温度测量过程中被广泛应用，同时也取得了良好的测量效果。DS18B20 通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS18B20 之间仅需一条连接线（加上地线）。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。因为每个DS18B20 都有一个独特的片序列号，所以多只DS18B20 可以同时连在一根单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。这一特性在HVAC 环境控制、探测建筑物、仪器或的温度以及过程监测和控制等方面非常有用7。2.4.1 DS18B20的特性1独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯同时，在使用过程中，它不需要任何的外围的元件，全部的传感元件和转换电路集成在形状如一只三极管的集成电路。2简单的多点分布应用。3可通过数据线供电，DS18B20的适应电压范围更宽，其范围为：3.0-5.5V，而且它能够直接由数据线获取电源(寄生电源)，无需外部工作电源。4零待机功耗。5测温范围-55+125，以0.5递增，在-10C至+85C温度范围内精度为0.5C，温度以9 位数字量读出。6温度数字量转换时间200ms（典型值）。7用户可定义的非易失性温度报警设置。8报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件。9应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统。DS18B20的管脚图如图2-4所示。图2-4 芯片DS18B202.4.2 DS18B20的测温原理DS18B20 是这样测温的：用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于-55的一个值。如果计数器在门周期结束前到达0，则温度寄存器（同样被预置到-55）的值增加，表明所测温度大于-55。同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程8。表格2-1给出了温度和数据之间的关系。表2-1 温度和数据的关系温度数据输出（二进制）数据输出（十六进制）+12500000000 1111101000FA+2500000000 0011001000321/200000000 000000010001000000000 000000000000-1/211111111 11111111FFFF-2511111111 11001110FFCE-5511111111 10010010FF92访问DS18B20必须严格遵守这一命令序列，如果丢失任何一步或序列混乱，DS18B20都不会响应主机（除了Search ROM 和Alarm Search这两个命令，在这两个命令后，主机都必须返回到第一步）。初始化：DS18B20所有的数据交换都由一个初始化序列开始。由主机发出的复位脉冲和跟在其后的由DS18B20发出的应答脉冲构成。当DS18B20发出响应主机的应答脉冲时，即向主机表明它已处在总线上并且准备工作。ROM命令：ROM命令通过每个器件64-bit的ROM码，使主机指定某一特定器件（如果有多个器件挂在总线上）与之进行通信。功能命令：主机通过功能命令对DS18B20进行读/写Scratchpad存储器，或者启动温度转换。图2-5的方框图给出了DS18B20 的主要部件。图2-5 DS18B20方框图DS18B20 有三个主要数字部件：64位激光ROM；温度传感器；非易失性温度报警触发器TH和TL。器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量：在信号线处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。DS18B20 也可用外部5V电源供电。DS18B20 依靠一个单线端口通讯。在单线端口条件下，必须先建立ROM 操作协议，才能进行存储器和控制操作。因此，控制器必须首先提供下面5 个ROM 操作命令之一：读ROM；匹配ROM；搜索ROM；跳过ROM；报警搜索。这些命令对每个器件的激光ROM 部分进行操作，在单线总线上挂有多个器件时，可以区分出单个器件，同时可以向总线控制器指明有多少器件或是什么型号的器件。成功执行完一条ROM 操作序列后，即可进行存储器和控制操作，控制器可以提供6 条存储器和控制操作指令中的任一条。一条控制操作命令指示DS18B20 完成一次温度测量。测量结果放在DS18B20 的暂存器里，用一条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中数据读出。温度报警触发器TH 和TL 各由一个EEPROM 字节构成。如果没有对DS18B20 使用报警搜索命令，这些寄存器可以作为一般用途的用户存储器使用。可以用一条存储器操作命令对TH和TL进行写入，对这些寄存器的读出需要通过暂存器。所有数据都是以最低有效位在前的方式进行读写。寄生电源电路会在I/O 或VDD 引脚处于高电平时“偷”能量。当有特定的时间和电压需求时（见节标题“单线总线系统”），I/O 要提供足够的能量。寄生电源有两个好处：1）进行远距离测温时，无需本地电源，2）可以在没有常规电源的条件下读ROM。要想使DS18B20 能够进行精确的温度转换，I/O 线必须在转换期间保证供电。由于DS18B20 的工作电流达到1mA，所以仅靠5K 上拉电阻提供电源是不行的，当几只DS18B20 挂在同一根I/O线上并同时想进行温度转换时，这个问题变得更加尖锐9。2.5 键盘与显示电路设计键盘模块用来设定水温的上限和下限值，显示模块用来显示设定的温度上下限值和当前水温。2.5.1 键盘电路方案一：采用矩阵式键盘，其优点是可以按键多，适合于要求使用多按键的场合，如计算器，电子密码锁等。缺点是占用较多的I/O口，软件编程复杂，键盘扫描时间较长。方案二：采用独立式按键，其优点是响应速度快，接口简单，易于编程，使用方便。本设计需要按键不多，故通过上述两个方案的比较，本设计采用方案二，使用独立式按键。共设置四个按键，第一个按键为设置键，第二个按键为加一键，第三个按键为减一键。第四个按键为复位键。当P1.3口为低电平时，则按键S1按下，为高电平时，表示无键按下。S1按下一次，设置温度上限，按下两次，设置温度下限。同理，当P1.4口为低电平时，则按键S2按下，为高电平时，表示无键按下。S2为加一键。当P1.5口为低电平时，则按键S3按下，为高电平时，表示无键按下。S3为减一键。当P1.6口为低电平时，则按键S4按下，为高电平时，表示无键按下。S4按下，S2，S3不起作用键盘连接示意图如图2-6所示。图2-6 键盘连接示意图2.5.2 显示电路方案一：LCD1602液晶显示，具有字符发生器ROM可显示192种字符，具有64个字节的自定义字符RAM，但是不能显示汉字，只能显示ASCII码且只能显示两行。方案二：12864是128*64点阵液晶模块的点阵数简称，其是一种具有内部含国际一级、二级简体中文字库的显示模块，分辨率为128*64，内置8192个16*16点汉字和128个16*8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可显示8*4行16*16点阵的汉字，也可显示图形。低电压低功耗是其又一显著特点。方案三：数码管显示，数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，其驱动方式分别为静态驱动和动态驱动。静态驱动编程简单，显示亮度高，但占用的I/O端口多，在实际应用时必须增加译码器，是硬件电路更复杂。针对数码管，其显示单调且不具备数据的直观性10。比较上面三种方案，本系统采用LCD1602进行显示。LCD1602的主要技术参数如表2-2所示。表2-2 LCD1602主要技术参数显示容量16*2个字符芯片工作电压4.55.5V工作电流2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压5.0V字符尺寸2.95*4.35（WXH）mmLCD1602的接口信号说明如表2-3所示。表2-3 LCD1602接口信号说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data I/O2VDD电源正极10D3Data I/O3VL液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS数据/命令选择端12D5Data I/O5R/W读/写选择端13D6Data I/O6E使能信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光级正极8D1Data I/O16BLK背光级负极LCD1602的基本操作时序：读状态 输入：RS=L，RW=H，E=H 输出：DB0DB7=状态字写指令 输入：RS=L，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0DB7=指令码 输出：无读数据 输入：RS=H，RW=H，E=H 输出：DB0DB7=数据写数据 输入：RS=H，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0DB7=数据 输出：无LCD1602结构如图2-7所示，由图可知，LCD1602的8个输入端DB0-DB7口与单片机的8个P0口相连。P1.0口接R/S（数据/命令选择端），P1.1口接R/W（读/写选择端），P1.2口接E（使能信号）。图2-7 LCD1602结构图2.6 温度检测电路的设计由于DS18B20只有一个串行接口，与单片机的连接电路和很简单，只需与单片机的一个I/O端口连接即可。其连接图如图2-8所示。DS18B20的I/O属于漏极开路输出，外接上拉电阻后常态下成高电平。该器件内含有寄生电源，其供电方式可以选择寄生电源方式，也可以选择外部电源。为方便起见，采用寄生电源供电11。且最大特点就是不需要A/D转换电路，使硬件电路变得简单。温度检测电路如下图2-8所示。图2-8 温度检测电路2.7 报警电路设计在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，一边提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换以后，与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限（或低于下限值）则进行报警。否则就作为正常的采样值进行显示和控制12。本设计采用蜂鸣报警电路。蜂鸣报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器， 然后通过AT89C51的1根线经驱动器蜂鸣音发声。如图2-9所示，当输出为“0”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得+5V电压而鸣叫；当输出高电平为“1”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。图2-9 报警电路2.8 单片机与PC机的通信接口电路设计利用AT89C51单片机的标准串行接口，通过简单的外围接口电路，可以方便的实现单片机与PC机之间的数据通信。在设计硬件接口电路时，应充分考虑到电路的电气特性、逻辑电平以及驱动能力的匹配问题，若匹配得不好，将会导致通信失败。2.8.1 串行通信接口标准RS-232CRS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行接口标准。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。2.8.2 RS-232C与TTL逻辑电平的转换由于PC机串行口使用的是RS-232C逻辑电平，而AT89C51单片机串行口的输入输出均为TTL电平，因此当PC机与单片机通信时必须进行电平转换。本文使用双向电平转换集成芯片。此方法的优点是：只需单一+5 V电源供电，可靠性高，无需增加程序设计的复杂性。如前所述，本文采用MAX232作为PC机与单片机的串行通信接口芯片。硬件连接时，可从MAX232中的2路发送器和接收器中任选一路，只要注意发送与接收的引脚对应关系即可，接口电路如图2-10所示。图2-10 通讯接线图2.9 电源电路的设计电源电路的设计：方案一：采用干电池进行供电，优点是无需进行电路设计，适合在没有电的情况系使用，缺点是本设计需要用到5V的电压，而干电池每节1.5V，采用4.5V电压可能会使系统运行不稳定。方案二：采用USB供电，优点是电路简单，使用方便。缺点是供电电压有时不稳定，对系统运行造成影响。方案三：采用交流220V电压供电，经过变压稳压后，得到稳定+5V电压。通过三个方案的比较，本设计采用方案三。原理图如图2-11所示，由图可知，通过变压器和整流桥，然后再经过稳压电路成为输出为+5V的直流电。图2-11电源电路2.10 模式选择电路的设计本文中采用四个发光二级管串接四个电阻组成模式选择电路。来显示系统不同的工作的状态。电路如图2-12所示。当P2.4、P2.5、P2.5或P2.6口为“1”时，发光二级管导通，此时显示控制器的工作状态分别是电源、加热、保温、报警。图2-12 模式选择电路2.11 加热控制电路的设计继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)继电器及非电气量(如温度、压力、速度等)继电器两大类。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。 继电器的输入信号从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值,继电器的输出信号立刻跳跃,即常开触点从断导通。一旦触点闭合，输入量继续增大，输出信号将不再起变化。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”本文采用继电器控制的小电流电路，用来控制加热电路，从而实现电路的加热、保温等。加热控制电路如图2-13所示，当P2.1为“0”时，加热棒工作；P2.1为“1”时，加热棒不工作。图2-13 加热控制电路2.12 整体电路将单片机与按键模块、显示模块、温度采集模块报警模块等连接起来组成整体电路。本次设计的整体电路图如图2-14所示。图2-14 整体电路图2.13 本章小结对于家用电热水器来说，硬件系统是它的最基本的框架，是系统的所有功能的基础。硬件的选择和所选硬件的性能对系统的功能实现以及系统的精度都有直接的影响，系统的设计成功与否很大程度上取决于硬件系统的设汁。系统的硬件系统以AT89C51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。直流稳压电源由变压器、整流桥、滤波电路、稳压电路组成。智能电热水器系统由时钟电路、复位电路、报警电路、键盘电路、显示电路、接口电路等组成。第3章 系统的软件设计3.1 程序设计及流程图根据实际需要，单片机软件程序有若干模块组成：主程序、初始化模块、数据采集模块、按键处理模块、LCD显示模块、加热控制模块。其中有些模块还包括子模块，使用时，下一级模块被高一级模块调用，各部分既相互独立又相互联系。3.2 主程序此系统由众多单元组成，为了便于修改，采用模块化分层管理。主程序中应该包含单片机初始化，数据、地址传入模块，显示采集温度，显示设定的初始温度，报警等单元，主程序流程图如图3-1所示。图3-1主程序流程图3.3 初始化模块程序初始化如图3-2所示。系统开始运行后进行各子程序的初始化这部分实现的功能包括各种I/O口输入输出状态的设定、寄存器的初始化、中断使能等。图3-2 程序初始化流程图3.4 温度采集模块DS18B20的数据读写是通过时序处理位来确认信息交换的。当总线控制器发起读时DS18B20仅被用来传输数据给控制器。因此，总线控制器在发出读暂存器指令或读电源模式指令后必须立刻开始读时序，DS18B20可以提供请求信息。所有读时序必须最少60us,包括两个读周期间至少1us的恢复时间。当总线控制器把数据线从高电平拉到低电平时，读时序开始，数据线必须至少保持1us，然后总线被释放在总线控制器发出读时序后，DS18B20通过拉高或拉低总线上来传输1或0。当传输逻辑0结束后，总线将被释放，通过上拉电阻回到上升沿状态。从DS18B20输出的数据在读时序的下降沿出现后15us内有效。因此，总线控制器在读时序开始后必须停止把I/O脚驱动为低电平15us,以读取I/O脚状态。温度采集流程图如图3-3所示。图3-3温度采集流程图3.5 控制按键设计子程序模块按键设置一共有四个按键，功能分别为：设置键、加一键、减一键、复位键。按键处理子程序流程图如图3-4所所示。图3-4 按键处理子程序流程图3.6 LCD显示模块本设计采用LCD1602显示当前热水器的温度以及设定的温度上限和下限值。液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。LCD1602显示模块子程序流程图如图3-5所示。图3-5显示模块子程序流程图3.7 加热控制模块本设计利用继电器控制加热模块的通断，加热控制模块设计子程序流程图如图3-6所示。图3-6 加热控制模块设计子程序流程图3.8 本章小结基于单片机的家用电热水器的设计主要包括主程序、显示扫描、按键扫描子程序、加热控制子程序和温度检测子程序。主程序主要完成硬件初始化、子程序调用以及显示、报警等功能。数据处理子程序主要完成采集当前水温