毕业设计（论文）单片机电热水器控制与加热部分的设计

1、 电热水器控制与加热部分的设计摘 要：本设计说明书简述了热水器的发展历史，阐述了家用电热水器控制电路的构成及工作原理。整个控制电路主要由电源电路、按键输入电路、温度检测电路、led显示电路、单片机控制器和蜂鸣器模拟加热电路组成。其中的温度检测电路设计采用了温度/频率转换测温法，直接将温度信息转换为频率信号，用单片机测出频率大小，从而间接测出温度值，温度/频率转换电路简单可靠，成本低廉。加热电路设计由于实际加热水温难以实现，故使用蜂鸣器模拟加热，重在表现设计思路。直流稳压电源部分则是为整个控制电路提供能量。系统程序设计主要包括主函数程序、显示扫描子函数程序、按键扫描处理子程序、加热控制函数程序与

2、温度检测函数程序的设计。设计说明书着重阐述了系统的工作原理、硬件构成、各部分的主要功能和软件的结构和实现。关键词：电热水器；stc89c52；控制电路electric water heaters,controland heating part of the designabstract : the design of this statement on the water heater development history, elaborated the home electric water heater control circuit composition and working pr

3、inciple. the control circuit is mainly composed of a power supply circuit, a key input circuit, temperature detection circuit, led display circuit, single-chip computer controller and a buzzer simulation heating circuit. the temperature detection circuit design uses a temperature / frequency convers

4、ion measurement method, the temperature information is converted to frequency signal, using single chip microcomputer to measure the frequency of size, thereby indirectly measured temperature values, the temperature / frequency conversion circuit is simple and reliable, low cost. heating circuit des

5、ign due to the actual temperature of heated water is difficult to achieve, so use the buzzer simulation heating, focusing on the performance of design thinking. dc regulated power supply part is for the entire control circuit provides energy. system program design mainly includes the main function p

6、rocedures, display scanning function program, key scan processing subroutine, heating control function and temperature detecting function of program design. design focuses on the working principle of the system, hardware composition, main function of every part and the structure of software and the

7、realization of.key words: electrical water heater ; stc89c52; control circuit目 录1 概 述4 1.1 论证方案52 系统器件的选用6 2.1 单片机stc89c526 2.1.1 功能特性描述6 2.1.2 单片机的工作方式9 2.2 数码管10 2.2.1 数码管的基本组成10 2.2.2 多位数码管的显示123 系统硬件电路的设计12 3.1 直流稳压电源电路13 3.2 显示电路13 3.3 加热电路与模拟加热电路14 3.4 温度检测电路154 系统程序的设计16 4.1 主函数165 结束语18参考文献1

8、9致 谢20附 录21附录1程序清单22附录2 电路原理图27电热水器控制与加热部分的分设计1 概 述目前市场上的热水器品种主要有电热水器、太阳能热水器、燃气热水器。对中国市场的具体情况而言，由于太阳能热水器的使用受天气限制，使用范围狭窄；燃气热水器由于以天然气等为燃料，而燃料供应又难以满足人们日益增长的生活需求，且对环境不利，因此电热水器越来越受到消费者的青睐。家用电热水器就是让通过机体的水流转化成理想水温的热水器。它的问世是家用电热器领域的一次新的进步，它弥补了其它热水器的不足，使之成为传统型热水器的替代品。家用电热水器在欧美国家已经有数十年历史，省时、节能、方便、环保等特性已得到广大用户

9、认可。目前，随着全国电网的大幅改造，电价的大幅度下调，以及用电设施的完善，均为电热水器的普及提供了有利的条件。据国务院近年来发布的调查结果显示，目前电热水器取代燃气热水器已占据了国内热水器市场大约65%的市场份额，并呈现不断增长的趋势。从增长速度来看，家用电热水器年增长率高达35%。为此，进行家用电热水器的技术改进和完善，提高其能量利用率，对环境保护和节约能源，都有不可忽视的重要意义。家用电热水器无需储水罐，热水即开即用，减少了电能浪费，应用价值极高。另外还具有体积小、安装方便、水温恒定、使用寿命长等优点。其设计功能要求如下：用2位共阳数码管显示水温。温度检测显示范围为2560,精度为2。设置

10、一个工作指示灯，使加热时发亮。 设置3个轻触开关，分别表示“加热”、“+”、“”键。1.1 论证方案目前，随着全国电网的改造，电价的大幅度下调，以及用电设施的改善，均为电热水器的大幅普及提供了有利的条件。据国务院近年发布的调查结果显示，目前电热水器取代燃气热水器已经占据了国内热水器市场大约65%的市场份额，并呈现不断增长的趋势。从增长速度来看，家用电热水器年增长率高达35%。为此，进行家用电热水器的技术改进和完善，提高其能量利用率，对环境保护和节约能源，都有不可忽视的重要意义。按照快热式电热水器的设计功能要求，设计采用如图 1-1 所示的模块组成系统，即由温度检测电路、按键输入电路、电源电路、

11、单片机控制器、led显示电路和模拟加热控制电路组成，以实现设计的功能。图1-1快热式电热水器系统组成框图为了达到快热的效果，快热式电热水器取消了储水罐，使得冷水在进入加热管后立即被加热，这要求加热管有较大的功率，家用电热水器一般采用简单方便的电热丝加热。对于加热功率的控制，比较理想的方法是采用可控硅来控制功率，电路简单而且控制方便。2 系统器件的选用2.1 单片机stc89c52stc89c52是一个低电压、高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术

12、生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内内置通用8位中央处理器，内置功能强大的单片微机的stc89c52为课题的具体设计提供了高性价比的解决方案。stc89c52是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（i/o）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，stc89c52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的flash存储器可有效地降低开发成本。2.1.1 功能特性描述stc89c52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

13、，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，stc89c52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他所有部件工作直到下一个硬件复位。a) 主要功能特性 兼容mcs-51指令系统 4k可反复擦写(1000次)flash rom 32个双向i/o口 可编程uarl通道 两个16位可编程定时/计数器 全静态操作0-24mhz 1个串行中断 128x8bit内部ram 两个外部中断源 共6

14、个中断源 可直接驱动led 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能b) stc89c52单片微机内部结构stc89c52单片微机内部由cpu、4kb的fperom ，128b的ram，两个16位的定时/计数器t0和t1，4个8位的i/o端p0、p1、p2、p3等组成。单片微机内部最核心的部分是cpu，它是单片微机的大脑和心脏。cpu的主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，cpu按其功能可分为运算器和控制器两部分。控制器由程序计数器pc、指令储存器、指令译码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。它的功能是对来

15、自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。运算器由算术逻辑器部件alu、累加器acc、暂存器、程序状态字寄存器psw、bcd码运算调整电路等组成。为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器b和一些专用寄存器，还增加了位处理逻辑电路的功能。c) stc89c52单片微机引脚说明引脚功能描述：vcc：供电电压gnd：接地p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8个ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址

16、的第八位。在flash编程时，p0口作为原码输入口，当flash进行校验时，p0口输出原码，此时p0外部必须被拉高。p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4个ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘

17、故。p2口当用作外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入端时，被外部拉低p3口将将用上拉电阻输出电流。ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ale仍以时钟振荡频率的1/6输出固定

18、的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。对flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的8eh单元的d0位置位，可禁止ale操作，该位置位后，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ale无效。：程序储存允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号，当89c51由外部程序存储器取指令（数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号不出现。 ea/vp：外部访问允许。欲使cpu仅访问外部程序存储器，ea端必需保持低电

19、平（接地）。如ea端为高电平，cpu则执行内部存储器的指令。flash存储器编程时，该引脚加上+12v的编程允许电源vp，当然这必须是该器件是使用12v编程电压vp。rst：复位输入，当振荡器工作时，rst引脚上将出现2个机器周期以上高电平将使单片机复位。xtal1：振荡器的反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 xtal2：振荡器的反相放大器的输出端。图2-1 stc89c52引脚封装图d）时钟振荡器stc89c52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1和xtal2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体和陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。振荡

20、电路见图2-2所示。 (a)内部振荡电路 (b) 外部振荡电路图2-2 振荡电路外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容c1、c2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容c1、c2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，应选30pf10pf，而如选择陶瓷谐振器应选择40pf10pf。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大低电平持续的时间应符合技术条件的要求。2.1.2 单片机的工作方式单片机的工作方式包括：复位方

21、式、程序执行方式、单步执行方式、低功耗操作方式以及eprom编程和校验方式。a) 复位方式rst引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间应为24个振荡周期以上。若时钟频率为6mhz，则复位信号至少持续4s以上，才可以使单片机复位。单片机的复位方式有上电自动复位和手工复位两种。b) 程序执行方式程序执行方式是单片机的基本工作方式，所执行的程序可以放在内部rom、外部rom，或者同时放在内、外rom中。则应使 =0；否则，可令=1。由于复位之后 pc=0000h，所以程序的执行总是从地址0000h开始的。但真正的程序一般不可能从 0000h 开始存放，因此，需要在 000

22、0h 单元存放一条转移指令，从而使程序转移到真正的程序入口地址。c) 单步执行方式单步执行方式是使程序的执行处于外加脉冲（通常用一个按键产生）的控制下，一条指令一条指令的执行，即按一次键，执行一条指令。单步执行方式可以利用8051的中断控制实现。其中断系统规定：从中断服务程序返回以后，至少要执行一条指令后才能重新进入中断。将外加脉冲加到int0输入，平时为低电平。通过编程规定int0信号是低电平有效，因此不来脉冲时总是处于响应中断的状态。因此，只有int0上来一个正脉冲，才能通过第一、第二两条指令返回主程序并执行一条指令。由于int0此时已回到0，故重新进入中断，在第一条指令处等待正脉冲的到来

23、，从而实现来一个脉冲执行一条指令的单步操作。d) 低功耗操作方式cmos型单片机有两种低功耗操作方式：节电方式和掉电方式。在节电方式下，cpu停止工作，而ram、定时器、串行口和中断系统继续工作；在掉电方式下，仅给片内ram供电，片内所有其它的电路均不工作。2.2 数码管2.2.1 数码管的基本组成在各种数字系统中都需要将数字直观的显示出来。设计采用两位的led数码管来实时的来显示温度。数码管中的每一段都当于一个发光二极管，8段数码管则具有8个发光二极管。对于“共阳极”的数码管，内部每个发光二极管的阳极被接在一起，成为该各段的公共选通线；发光二极管的阴极则成为段选线。对于“共阴极”数码管，则正

24、好相反，内部发光二极管的阴极接在一起，阳极成为段选线。这两种数码管的驱动方式是不同的。当需要点亮“共阳极”数码管的一段时，公共段需接高电平（即写逻辑1）、该段的段选线接低电平（即写逻辑0），从而该段被点亮。当需要点亮“共阴极”数码管的一段时，公共段需接低电平（即写逻辑0）、该段的段选线接高电平（即写逻辑1），该段被点亮。这样每一个字符对应一个7位二进制码(若包括小数点,就是8位二进制码,这种代码称为显示代码)。各发光二极管的排列顺序为g、f、e、d、b、c、a,与显示的各位一一对应。一般来说在一个字节中按照a、b、c、d、e、f、g、dp的顺序放置字型码，比如在一个“共阴极”数码管上要显示“1

25、”，则b、c段需被点亮，因此在段选线中写入60h。 7段数码管的段位顺序及引脚图如2-3图所示。 图2-3 7段led数码管的内部结构图8数码管的段位顺序及引脚图如2-4图所示。 图2-4 8段led数码管的内部结构图2.2.2 多位数码管的显示利用多个数字led显示器可显示多位数字。一个n位的led显示器有n根位选线和8n根段选线。根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方式也不同。段选线控制显示字符的字形，位选线控制显示位的亮、暗。多位数字led显示器的显示控制方式有静态显示方式和动态显示方式两种形式。本设计需要实时显示温度，故采用动态显示方式。在多位led显示时，为了简化硬件电路，通常将

26、所有位的段选线相应地并联在一起，由一个单片机的8位i/o口控制，形成段选线的多路复用。而各位数码管的共阳极或共阴极分别由单片机独立的i/o口线控制，顺序循环地点亮每位数码管，这样的数码管驱动方式就称为“动态扫描”。在这种方式中，虽然每一时刻只选通一位数码管，但由于人眼具有一定的“视觉残留”，只要延时时间设置恰当，便会感觉到多位数码管同时被点亮。3 系统硬件电路的设计快热式热水器控制系统电路框图如图1-1所示，由7部分电路组成：单片机系统及外围电路、电源电路、按键输入电路、led显示电路、加热控制电路和温度检测电路。控制器采用采用成本低廉且工作可靠的stc89c52，采用12mhz晶振。stc8

27、9c52对电源要求并不严格，电源电路采用普通的市电降压整流，然后经稳压器稳压输出+5v电压。按键采用轻触小按钮。显示电路采用两位共阳数码管，1个led指示灯用于指示加热状态。3.1 直流稳压电源电路直流稳压电源一般由电源变压器、整流、滤波及稳压电路所组成。基本电路如图3-1所示。电源变压器的作用是将电网220v的交流电压变换成整流滤波电路所需的交流电压；整流电路的作用是将交流电压变成单向脉动的直流电压，该电路采用单相桥式整流电路，由整流二极管d2、d3、d4、d5组成，这样由于d3、d5和d2、d4两对二极管交替导通，致使负载上在电压的整个周期内都有电流流过，而且方向不变；滤波电路由电容、电感

28、等储能元件组成。它的作用是尽可能地将单向脉动电压中的交流成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压，由于经整流电路后输出的波形中含有的交流分量，会影响负载电路的正常工作，这里采用截止频率低于整流输出电压基波频率的低通滤波电路；稳压部分选用输出电压固定的三端集成稳压器lm7805，利用三端固定输出电压集成稳压器可以使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。本设计采用的是市售成品+5v电源，此稳压电源仅作解释说明作用。图3-1 电源电路3.2 显示电路显示电路采用8段led显示器，由于led导通电压在1.5v左右，工作电流每段约为10ma，直接接在+5v电平上会使数码管过亮导致损坏，

29、需接一个100300的限流电阻。段选线占用一个8位i/o口，由于各位的段选线并联,段线码的输出对各位来说都是相同的。因此，同一时刻，如果各位的位选线都处于选通状态的话，2位led将显示相同的字符。若要各位led能够显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一位的位选线处于选通状态时，其他各位的位选线处于关闭状态，这样。两位led中只有选通的那一位显示出字符，而其它各位则是熄灭的。同样，在下一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其它的位选线处于关闭状态。如此循环下去，就可以使各位“同时”显示出将要显示的字符。由于人眼有视觉暂留现象，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮

30、的假象，达到显示的目的。led数码管工作在动态显示方式时，段选码端口用来输出显示字符的段选码， 输出位选码。 不断送待显示字符的段选码，不断送出不同的位扫描码，并使每位显示字符停留显示一段时间，一般为15ms。利用眼睛的视觉惯性，从显示器上便可以见到相当稳定的数字显示。显示电路图如图3-2所示。图3-2 数码管显示电路3.3 加热电路与模拟加热电路一般来说，加热电路中的电加热丝的加热功率由双向可控硅来控制，单片机通过光耦给可控硅触发信号，控制可控硅的导通角，从而控制电热丝的有效加热功率。为了在关机和超温保护的状态下能可靠地关断加热电源，电路中还要加入继电器来控制加热电源，继电器是一种当输入量达

31、到一定值时输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。图3-3 加热控制电路图由于实际加热时电加热丝的功率非常小，难以使水有快速明显的温度变化，所以本设计的实物采用蜂鸣器来模拟电路正在加热的状态，即蜂鸣器常响时表明电路正在加热。图3-4 加热控制电路图3.4 温度检测电路温度检测电路如图3-5所示。本设计采用市面上通用的ds18b20温度传感器来组成温度检测电路。ds18b20的技术特点是ds18b20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与ds18b20的双向通讯。他的测温范围达到了 55+125，固有测温分辨率0.5。工作电压35v/dc。在使用中不需要任何外围元件。测量结果以912位

32、数字量方式串行传送。图3-5 温度检测电路图4 系统程序的设计按快热式热水器的功能，系统程序必须实现以下的任务：显示扫描、按键扫描处理、加热控制、温度检测。51系列单片机实现多任务的方法就是分时复用，在程序设计时要相应地分配好各任务的cpu占用时间。对以上几个任务稍加分析可以看出，显示扫描和加热控制任务相对而言有实时要求，而温度检测任务则可定时（ 0.5 1 s ）实现。4.1 主函数系统在上电复位后，先对温度寄存器赋默认值，并进行消除超温标志，设置定时器及中断的工作方式等初始化工作。检测k2是否按下，按下预期值加一程序初始化flag为默认值0检测flag的值若未到预期值则加热检测k3是否按下

33、，按下预期值减一flag为0执行检测程序flag为0执行检测程序开始检测k1是否按下，若有flag赋0值检测k1是否按下，若有flag赋1值图4-1 频率测试函数程序流程图5 结束语经过了长时间的设计，终于完成了这次毕业设计课题，这次毕业设计是对以前知识的重温。更是对我四年来所学知识最全面的一次考查。这次设计使我从理论学习的轨道上引向到实际工作上来，把过去所学的模拟电子线路，数字电子线路和单片机原理等课程知识结合起来，使我掌握了单片机设计的基本步骤和方法。这对我以后的工作生活也是一次具有实践意义的训练。本次设计主要运用单片机stc89c52基本上实现了课题的设计要求。设计中时采用数码管显示水温

34、，设置温度调节，水温模拟加热。系统硬件电路设计包括模拟加热控制、温度检测等电路的设计。在设计中过程中，遇到不懂的地方，就及时的向老师和同学请教，以确保设计工作顺利进行。经过本次的设计，本人体会到综合运用学习知识的重要，并且也了解到丰富的知识经验和技能是日积月累的结果。参考文献 1史久贵 主编，基于altium designer的原理图与pcb设计北京：机械工业出版社 2009.112胡汉才主编，单片机原理及其界面技术，（第2版）北京：清华大学出版社20043清华大学电子教研组编，童诗白主编 模拟电子技术基础，修订4版，北京： 高等教 育出版社 2006.54清华大学电子教研组编，阎石主编 数字

35、电子技术基础，修订3版，北京：高等教育出版社 2006.55何道清、张禾主编，传感器与传感器技术 m,科学出版社 2008年。6赵亮、候国锐主编，单片机c语言编程与实例 m，北京人民邮电出版社 2003年。7谭浩强主编，c程序设计（第3版），北京：清华大学出版社，2005年。8李凤霞：c语言程序设计教程m,北京理工大学出版社 2001年。致 谢在本次的毕业设计过程中我要衷心地感谢我的指导老师*老师！从毕业设计开始到结束，无论是在学习还是在工作上龚老师都给予我无微不至的关心和精心的指导。在整个毕业设计过程中每当我遇到困难他都细心的给我讲解。龚老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、孜孜以求的

36、工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。同时，在此次毕业设计过程中我也学到了许多了关于单片机方面的知识，得到了实验实践的机会，更使我学到了许多课本上学不到的东西。另外，我还要特别感谢我的同学对我论文和电路图方面的指导，使我得以顺利完成毕业设计说明书的撰写。最后，也要感谢百忙之中抽空评阅设计说明书和参加答辩的各位老师。 2012年5月附 录附录1 程序清单附录2 电路原理图附录1 程序清单#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar code table=