智能恒温电热水器

1、智能恒温电热水器电子与信息工程学院 电子信息工程专业118552016033 林俊洪 指导老师：刘应红 【摘要】当今热水器作为人们生活中不可或缺的家用电器之一，而它的节能、安全、实用对我们的生活水平有着重要的影响。本设计基于更智能化的目的。无论水位过高或过低都可以实时监控到，避免水资源的浪费。同时恒温控制使热水器在一定的温度下不工作，达到节约用电的效果。另外，智能热水器整体防漏电，起到人身安全作用。本设计智能电热水器主要用STC89C51单片机。主要有温度传感器、漏电传感器、继电器、水位传感器等模块。在软件设计方面，采用C语言编程。本设计完善，基本操作简单易行。采用软件设计来控制，不但能够智能

2、检测水温，加热，还可以提升整个系统的可靠性和稳定性。【关键词】温度穿器、水位传感器、继电器、漏电传感器、红外遥控171. 引言随着科学技术的进步，智能家居已经进入到了的日常生活中。人们对热水器的要求也越来越高。安全可靠性、实用性、操作便捷、节能、智能化等等都已进入人们的视野里。据不完全统计，之前我国大部分以燃气热水器为主，但燃气资源有限并且会产生有毒气体，故渐渐地黯然失色。现如今我国主要以电热水器和太阳能热水器为居多。虽说太阳能热水器后劲十足但电热水器风头正茂。相比之下，电热水器更容易易调试装，也不会限于天气变化的影响，不受地方的不方便而限制，而且投入小。本文介绍一种智能热水器的设计方案，该热

3、水器系统应用了三种传感器，温度穿器、水位传感器、漏电传感器，可以检测缸里的水位、水温以及整个系统是否存在漏电安全隐患。采用红外遥控不仅使热水器的控制更加简便，而且节约电能、保护环境、提高工作效率、持续稳定的工作让人们洗浴时随心所畅，放松心情对人们的身体健康有利，而且符合当今现代生活的快节奏需求。 2. 系统概述 本设计由多个模块组成，进行数模转换。主要通过单片机控制继电器切断电源让其电热棒和和水泵工作。2.1设计框图智能热水器基本分为七个部分，分别为温度检测、加热电路、按键电路、遥控电路、显示电路、漏电检测电路如图2-1所示：漏电监测电路按键电路遥控电路单片机STC89C51显示电路加热电路温

4、度检测图2-1 硬件流程图2.2系统功能智能热水器主要有以下的功能：采用LCD1602液晶显示、液晶可以显示设置温度的上下限数值、工作的时间、还有实时的温度；温度上下限值设置有两种方法：一种是手动按键设置另外一种是通过红外遥控设置当温度低于下限的时候，继电器就会得电就会吸合，当温度高于上限的时候，继电器就会失电断开，加热管停止加热。两个上下限水位传感器：当下限检测到没水时，水泵开始抽水。热水棒也开始加热当上限水位检测到水位时，水泵停止抽水。可以检测整个系统是否存在漏电3总体方案的选择与论证目前市场上的热水器有电热水器、太阳能等节能的一系列。3.1主控芯片方案一：本设计选用STC89C51单片机

5、芯片为核心的系统 STC89C51芯片的结构简单、工作稳定、体积小、效率高、而且价格实惠等优点，在许多高科技领域都会有它的影子。用STC89C51单片机芯片为核心，和一些基本的电路如时钟电路、复位电路、显示器件、按键等组成就可以应用很广。方案二：本设计选用PIC16C72单片机芯片为核心的系统PIC16C73微控制器主要的优越性是它的精简指令集和所采用的哈佛结构，虽然功能很强大，但是存在一些很需要改进的地方它，中断部分需要一段程序来实现，不过用直流控制电机是，就会导致转速太快，容易震荡。 通过方案的对比，从实际成本角度和软硬件实施的可行性来看，采用方案一系统设计可行性更高，因为方案一的热水器智

6、能化更高，不仅可以保证使用的时候更安全，操作更方便而且可以满足人们日常生活的需要。3.2 1602液晶 1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用 尧敏 基于单片机智能定时插座D大学生论文联合比对库20153.3 DS18b20防水探头DS18B20是常用的数字温度传感器，具有体积小，抗干扰能力强，精度高的优点。DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后一般适用于各种狭小空间设备数字测温和控

7、制领域。3.3 水位传感器水位传感器的作用是感知水深，分别由三极管跟几条梳状的PCB走线构成的放大电路，并且会随水的深度变化而变化的电阻，所以水的深度信号便转换成电信号了，最后通过我们ADC功能就可以知道水的深度的变化了。3.4 继电器继电器一般由铁芯、触点簧片、线圈、衔铁等组成的。通常有常闭或常开两种状态。其原理是线圈两端加上一定的电压，线圈中便会有电流流过，从而产生电磁效应，衔铁就会被电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯。 郭晓航 基于STC51单片机的家用智能电热水器D大学生论文联合比对库2017便会带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

8、3.5 无线红外器红外遥控器是利用波长来传送控制信号的遥控设备。常用的红外遥控系统一般由发射和接收两个部分组成。（1）发射部分的主要元件是红外发光二极管。它的组成部分是一只发光二极管，因为内部材料不是普通发光二极管，所以在其两端施加一定电压时，射出的是红外线 电子元器件培训-百度文库 A.互联网文档资源.2012是不可见光。（2）接收部分是红外接收二极管。让其红外接收二极管反向偏压，就开始工作，同时红外接收二极管实际工作是反向运用，工作效率才会高。3.6 电源STC12C5A60S2允许输入的工作电压范围为3.3-5.5V，要求稳定的输入电压，故直接采用移动充电宝电源外接USB可为本设计供电，

9、方便实用。4系统硬件设计4.1单片机 单片机顾名思义是最核心的，其又称为单片微型计算机。主要有包括CPU、外部存储单元 、内部存储单元、I/O接口集在同一芯片上。因为芯片功能强大、体积较小、工作稳定和价格实惠等优点。得到人们的认可，因而得到了广泛的使用和推广。 图 4-1单片机4.2复位电路的设计 在单片机控制系统中，系统运行时有时候会出现程序跑飞等异常现象，这时就需要对单片机进行上电复位，让单片机重新初始化，同时为了调试的需要和系统的正常运行，也要有手动复位电路，单片机用的复位电路一般是轻触开关来进行按键复位，电路图如4-2 图4-2复位电路复位电路使用是5V电源，当按键轻触开关时，电容C1

10、开始放电，同时单片机RST管脚被置1，单片机被复位；当松开轻触开关时，电容C1便会开始充电，直至电容C1充满电，单片机进入工作状态。4.3晶体震荡电路本设计采用的晶振是石英晶体振荡器，其具有非常好的抗外界干扰的能力和频率稳定性，因此石英晶体振荡器可以产生基准频率的。单片机的震荡频率和时间是由基准频率精准的控制。电路如图4-3 图4-3晶体震荡电路4.4 按键电路本设计的按键采用独立式按键，通过I/O口构成组成按键电路，它的优点是每个按键都占用一根I/O口线，在工作的时候不会影响其它按键的使用。这就是独立式按键如图4-4图 4-4 键盘接口电路图 4.5水温检测电路本文采用温度传感器DS18B2

11、0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。水温主要是整个系统数据的采集。 罗广照 基于单片机的家用电热水器控制系统D大学生论文联合比对库2016其电路原理图如图4-5图 4-5 水温检测电路4.6红外接收电路由于红外传感器接收到红外信号经BISS0001处理后输出输给单片机P1.0口，TEL0表示接STC89C51是的P1.0口，所以通过对P1.0电平的判断，实现对单片机外围电路的控制。红外采集 孙俊 基于51单片机的智能足浴器D大学生论文联合比对库2015电路如图4-6图 4-6 红外接收电路5软件系统设计软件设计主要有主程序、定时程序、红外遥控、漏电等模块

12、子程序。期间主程序不断的循环着调用子程序。定时程序、红外遥控、漏电等不断的检测使能并反馈到芯片。芯片便做出相应的电信号。5.1主程序流程图 本设计主要是通过温度的变化，让其DS18b20防水探头检测到信号的变化，并将该信号传输到单片机。单片机收到信号后进行处理，并做出反应，水泵和热水棒开始工作。如图5-15.2 温度检测流程图 当水位传感器和DS18b20防水探头检测到变化时将使能信号传送到ADC0809芯片进行A/D转换信号，再传送到单片机，单片机进行处理并做出反应。如图5-2 图 5-2 温度检测模块流程图5.3 温度控制方面本设计上电后，便可以设定温度的上下线温度。当DS18b20检测到

13、温度低于设定的下限温度时电水棒得电开始加热，当温度高于设定的上限温度时，电热棒失电停止加热。如图5-3 图 5-3 温度控制流程图6系统调试一个系统能否投入使用还依赖于它的硬件和软件调试过程是否成功，经过调试以后系统的稳定性才能确定，潜在问题才能被发现。6.1硬件调试 采取分块调试，是初期阶段调试系统的基石，也是查出问题的方法之一。6.1.1器件模块检测在设计完成之后，各个模块进行连接组装完成时必须先检查电路连线是否有误。同时也要检查电路设计是否合理，对电路图进行检测，从头到尾顺序的逐一检查，特别是注意电源是否接错，电源与地是否有短接，集成电路的引脚是否接错 尧敏 基于单片机智能定时插座D大学

14、生论文联合比对库2015。对制作完成的电路板进行检测，用手轻微摇晃元器件，检查焊点是否牢固，是否存在虚焊的现象等。用万用表检测是不是有短路和断路现象。 6.1.2电源调试为了保证系统能正常稳定的工作系统，供电的电源输出电压范围在4V到5.5V之间内才能确保对单片机正常供电。在电源通电之前，一定要检查电路是否接错，检查电路上焊接的元器件是否焊接正确，尤其是极性电容是否有接反，是否存在虚焊、短路等问题。检查完成之后，接通电源，并用万用表测量电源的输出电压以及负载时的电压，得到其电压值分别为5.1V、4.8V，符合系统的正常工作电压要求。 尧敏 基于单片机智能定时插座D大学生论文联合比对库20156

15、.1.3水位传感器的调试 将水位传感器的下限放在杯子的底部，上限放在杯子的中间部位。使上下限有一定的高度差。当下限水位检测没水时，水泵进行抽水。当上限水位传感器检测到水位时，水泵停止抽水。如图6-1和图6-2 图6-1下限水位没水时 图6-2 上限水位检测到有水6.1.4蜂鸣器电路的调试 当系统检测水位时，如果上限有水，下限没水的错误状态时就会报警，系统就会判断出来并做出反应。蜂鸣器报警电路如图6-3和6-4 图6-3蜂鸣器电路 图6-4蜂鸣器模块6.1.5红外遥控的调试红外遥控接收器的主要作用是将遥控发射器发来的红外光信好转换成电信号，输出至遥控微处理器。由于红外传感器接收到红外信号经BIS

16、S0001处理后输出输给单片机P1.0口，TEL0表示接STC89C51是的P1.0口，所以通过对P1.0电平的判断，实现对单片机外围电路的控制。 孙俊 基于51单片机的智能足浴器D大学生论文联合比对库2015红外采集电路如下图：图6-5 图6-5红外器6.1.6防漏电测试当热水器在蜂鸣器鸣叫，红灯使用过程中，漏电便是一件很危险的事，本设计是采用一个继电器进行模拟是否漏电，当按下按钮表示漏电，蜂鸣器鸣叫，红灯亮，按下复位键，重新工作图6-6 图6-6防漏电模块6.1.6热水棒的测试由于不同功率的热水棒加热的时间不一样，下面是在相同的水量进行检测用的时间如下图6-7 图6-7热水棒记录 对于硬件

17、调试，有时候一个小小很明显的东西，只是没注意到。你就得花好长的一段时间苦苦追寻原因。本设计在调试的时候，水位传感器就被短路点，导致整个系统运行不起来。可想而知，硬件调试有多重要。6.2软件调试 一个系统的特性和功能能否按期望的方式运行，要求进行软件调试。6.2.1主程序调试软件调试主要是对源程序语法和设计功能实现的调试。程序用Keile C软件写好后，用该软件的编译功能检测代码是否有语法错误或其他的错误。当程序中出现错误时编译结果就会出错同时会提示错误的地方及错误的原因，根据错误提示修改完善程序。在编译软件上完成对程序的调试后，在根据作品的功能要求按照流程图分别测试各个功能。首先，测试红外遥控

18、器部分功能，确认程序能否实现设计的要求。然后，对水位传感器检测到的水位单片机做出反应，水泵抽水或不抽水。并对温度进行控制。6.2.水位上下限调试本次设计的水位传感器通过一个LM393双电压比较器连接到单片机的P3.7口。6.3.漏电报警调试 由继电器和按键组成，连接在单片机的P2.1软件调试是基于发现错误，是开发整个系统的前者。7.本设计思路 资料:先在网上查找资料，筛选有用的信息。起初查找的时候很吃力，因为刚开始，范围很大，阅读信息量也很大。就有点不知所措。好在去图书馆借了专业相关的资料书才有了眉绪。 程序:编程其实对于我来说很难，因为我本身就不怎么会，刚开始的时候我都有点打退堂鼓。编到第1

19、37行代码时，就碰到问题比如确实定义了, 但是引用的时候拼写错了, 或者大小写错了。 没有声明的标识符，却给用了。所以有时候找了一天的bug，也找不出所以然来。 画原理图:先得下载仿真图软件，再根据本设计所需的的器件，一一对应画出来，虽然有些不懂的画，尝试了很多次没能画出来。但请教了一些学长。最终还是画出来。期间也碰到了不少难题。有时放置元件时，光标在图纸中心，元件却在图纸外、栅格选项设置不当导导致绘制导线时，在导线端点与管脚间留下难以察觉的间隙。元器件的标注过多，导致混乱等 焊接电路板:先得把所需的元器件和工具准备好，再仔细根据电路图一一对应焊接。刚开始焊的时候

20、，由于不熟练。焊的比较慢，导致一些元器件烧坏掉。在此期间也碰到了不少问题。比如说假焊、虚焊等得拿万用表测，要不然发现不了，还有时候对这原理图焊，结果焊错了8.结论本次毕业设计智能热水器，基本实现最终的功能和要求。在选材方面向着最实用为目的。同时在本次毕业设计最终形成包括下面几个过程:（1）明确毕业设计题目及意义。（2）在毕业设计开始阶段查找有关的资料，大量阅读为设计打下基础。（3）查找毕业实物要用的相关各个模块元器件，并与其功能相同的进行比较，最终选出最优的。（4）根据毕业设计要输写出相应的代码，并进行调试。（5）根据毕业设计相应的画出原理图，烧入程序进行模拟调试修改，最终导出PCB图。（6）对元器件进行焊接，然后对各模块功能进行调试修改。（7）最终完成毕业设计的效果和要求。同时在本次毕业设计也碰到了不少的疑问和困难。如下:（1）安装相关软件一直出问题，不能使用。（2）程序在软件上模拟可以，烧到单片机上的时候就不行