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文档简介
1、目录摘 要IABSTRACTII1 引 言11.1 设计的背景和意义11.2 国内外研究现状11.3 毕业设计研究内容、拟解决的主要问题21.4 毕业设计研究方法、步骤及措施22 系统硬件方案选择32.1 硬件方案的选择32.1.1 主控芯片的选择32.1.2显示器件的选择32.1.3 温度传感器的选择42.1.4 温度设置方式的选择42.2 系统总体方案43 系统硬件设计53.1 STC89C51单片机最小系统的设计53.2 显示电路模块的设计73.3 温度采集模块的设计83.4 红外遥感电路模块的设计93.5 报警模块电路的设计103.6 继电器驱动电路设计103.7 独立按键电路的设计1
2、14 源程序代码的编写115 结论12参考文献13附录A:仿真电路图14附录B:PCB电路图15附录C:硬件实物图16附录D:C语言程序代码17II摘 要随着科学技术的不断发展,日常家用电器的不断普及,越来越多的电力电子产品开始走向智能化、自动化。在推动科学技术发展的同时,也极大方便了人们的日常生活。这些智能化、自动化电子电力产品中,大部分是以单片机为核心运作的。本次设计主要介绍一种电热水器温度智能控制系统,以STC89C51单片机为核心,DS18B20温度传感器实时采集温度,以继电器控制加热,LCD1602液晶显示屏作显示板,附几个独立按键进行设置,设计可红外遥控,并加入倒计时功能,以此得出
3、一款智能型电热水器。关键词: 智能;STC89C51单片机;电热水器ABSTRACTWith the continuous development of science and technology,the constant popularity of daily household appliances,more and more electric and electronic products are becoming intelligent and automated. While promoting the development of science and technology,i
4、t is also a great convenience to people's daily life. These intelligent, automated electronic power products,most of them operate on the core of a single chip microcomputerThis design mainly introduces a temperature intelligent control system for electric water heater,Taking STC89C51 microcontro
5、ller as the core,,DS18B20 temperature sensor real-time collection temperature, relay control heating, LCD1602 LCD display board,with a few independent buttons to set up, design infrared remote control,and add countdown function,In this way an intelligent electric water heater is obtained.Keywords:In
6、telligence;STC89C51 microcontroller;electric water heater1 引 言1.1 设计的背景和意义自19世纪末,第一台热水器诞生之后,热水器开始逐渐进入人们的视野,从最初的工业生产用途到现在的家庭中广泛使用,经过这100多年的发展,热水器进入了电气领域。如今,电热水器已成为日常生活中不可缺少的家用电器之一,怎样才能设计出更实用、更方便、更安全、更节能的热水器是电器设计师和商家所不断追求的目标。1.2 国内外研究现状目前国际市场的电热水器的发展趋势呈两个极端:一端是以中央供热系统为主的大型电器。一端是以家用供热系统为主的小巧型电热水器。随着燃料供
7、应量难以满足人们日益增长的需求,且环境污染越来越严重,节约不可再生资源的呼声越来越高,电力资源的高速发展,传统燃气热水器正逐渐被淘汰,电力热水器迎来高速发展的阶段。而由于单片机的快速发展和电力系统的不断完善,传统的电热水器也逐步发展为智能化电热水器。智能化点热水器的设计采用数码管显示水温,有功率档调节,出水温度自动控制。系统硬件电路设计包括加热控制、温度检测等电路的设计,系统程序设计包括主函数程序、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温度检测函数程序等的设计。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,但与国外的美国、日本、德国等先进国家相比,国内所生产的温度控制器
8、仍有较大的差距,可以说并不在同一水平线。我国温度控制器的成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主,但它只能适应一般的温度系统控制,难于控制非线性、大滞后、时变温度系统控制,而且随着生产的发展,对控制的实时性与精度要求越来越高,被控对象也越来越复杂,单纯采用常规PID控制器已不能满足系统的要求,适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟,形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。这也是我国在温度控制系统方面落后国外的直接体现。热水器飞速发展现今,海尔、美的、西门子、阿里斯顿等品牌争先恐后推出了双管加热、3D速热、变频增容、漏电保护器、防电墙、多口出水、提前预约等新技术。电
9、热水器在安全、节能、加热速度、出水量等方面不断改进。就中国而言,海尔热水器拥有行业先进的节能技术,智能加热技术、智能预约技术、3D速热技术、全方位保温技术、防电墙热水器的技术等。防电墙热水器的技术也是首创。海尔电热水器安装有全而防电墙安全预警系统,安全也在真正意义上升级为全方位的、系统化的保护。其中典型的代表一一银海象A6智能专家,是国内第一款具备记忆和计算能力双重智能的热水器。1.3 毕业设计研究内容、拟解决的主要问题主要研究内容:本设计以51单片机为中心,设计一个智能电力热水器的控制电路。实现的主要功能为将水加热到所设定就那个的温度时自动断开电路,电热管停止加热,当水温下降到一定温度后,电
10、热管再次通电加热,循环往复,保证一定时间段内始终有热水供应。本设计分为控制模块、显示模块和报警模块等主要模块。控制模块有温度设置模块和加热电路;显示模块有数码显示管和指示灯;报警模块有蜂鸣器等;用于检测温度的是DS18B20温度传感器。另外根据用户需求还可选择加装定时倒计时加热方式。拟解决的问题:1)焊接技巧不熟悉,硬件焊接可能达不到最佳外观效果,也有可能会发生漏焊、虚焊现象,需要多加学习。2)在程序设计时,可能会有一些错误,导致与理论结果不符合,需要仔细的去检查。3)程序调试涉及到的问题比较繁多,若发生错误应该按顺序仔细排查,及时纠正,以免发生连续性的错误。 4) 因为是
11、第一次做设计,缺乏实践经验,有可能会发生设计与实际不符合的情况,应重视从实际出发,注重理论与实际的结合。1.4 毕业设计研究方法、步骤及措施(1)熟悉相关理论知识对于本次设计需要有最基本的认知,对于所需要的汇编语言和程序输入系统、仿真系统要有所了解和掌握,而系统的运作原理、温度的采集、存储过程和控制也要有所了解。总而言之,对于与本次设计有关的知识都必须有所掌握,这是整个设计的基础。(2)编制程序,绘制电路图在将所需相关基础知识都有所掌握后,开始编写相关程序和绘制电路图。编写程序是本次设计的重中之重,编写出正确可行的程序才能使设计正常的运行。(3)焊接硬件在成功编写出正确的程序后,使用仿真软件测
12、试程序的可行性,确定可行之后,就可以根据所写程序和电路图选择相关元件,选择完后到学校指定实验室进行焊接,而后录入程序,测试焊接实物是否符合本设计要求。(4)编写毕业设计在实物达到本设计要求,可以正常运行、功能完善后,根据在毕业设计期间所产生的灵感和思路,和在设计中所遇到的问题和解决问题的办法,写出自己的毕业设计论文。2 系统硬件方案选择本章节主要介绍系统所用到的器件的介绍和选择。2.1 硬件方案的选择在硬件电路的搭建之前必须明确设计的方案,通过各个模块之间进行比较选择出最适合本设计的硬件,以发挥器件的最大功效。2.1.1 主控芯片的选择采用STC89C51单片机作为主控芯片。STC89C51是
13、宏晶科技公司生产的一款低功耗、高性能的八位CMOS微处理器,片内具有8k在线编程Flash存储器。STC89C51单片机是在MCS-51单片机的基础上增加了一个P4口,该口的使用与P1、P2、P3口一样,口地址是0XE8。STC89C51单片机继承了MCS-51单片机的所有功能,并在MCS-51单片机的基础上进行了完善,使其具备许多传统51单片机所不具备的功能,在芯片引脚和指令方面完全兼容,无需将芯片嵌入便可对其进行编程,时钟频率也比MCS-51单片机要高,达到80Hz。并且STC89C51单片机具备价格低廉、使用方便、容易编程等特点,对于我们这种做毕业设计的学生而言是极为不错的选择2.1.2
14、显示器件的选择显示器件我选择的是LCD1602液晶显示屏,LCD1602液晶显示屏能够同时显示16*02即32个字符,可包括数字、字母、特殊符号等等。本设计中因为需要显示温度的上限、温度的下限及时间等数据,而LCD1602液晶显示屏属于字符型液晶显示屏,其中每个字符均由5*7的点阵组成,完全可以满足本次设计所需。并且LCD1602液晶显示模块可以和本设计中采用的STC89C51单片机直接接口,电路连接设计非常简单,控制原理与其他液晶的控制原理基本相同,可采用并行和串行数据传输方式,而且价格低廉,一定程度上降低了设计实物的制作成本。2.1.3 温度传感器的选择温度传感器我选择的是由DALLAS公
15、司生产的数字式温度传感器DS18B20,其被测温度用16位补码的方式进行串行输出,CPU仅需一根数据线便可进行数据传输。测温范围为-50+125,本设计中热水器水温正好处于该温度范围之内,并且DS18B20温度传感器易与51单片机连接,具有测量精度高、范围广等诸多优点。2.1.4 温度设置方式的选择温度设置方式的话,我采用的是 “机体按键+红外遥控”的控制方式,即在热水器上安装设置按键的同时外加一个无线红外遥控模块,这样可以使用户更方便的使用热水器。红外遥控是通过将发射出去的信号由红外一体接收装置接收并进行解码,从而确定使用者按下的到底是哪个按键。而红外装置广泛应用于家用电器,属于比较常见的无
16、线控制方式,并且价格低廉,操作简单。2.2 系统总体方案通过上述中对于几个重要器件的选择说明,最终我采用STC89C51作为本设计的主控芯片,采用DS18B20温度传感器采集实时水温,以LCD1602液晶显示屏显示各项数据信息,温度设置方式则采用按键以及红外遥控的方式来进行设置。当热水器水温低于设置的温度下限时,继电器吸合,加热模块通电加热;当温度高于设置的温度上限时,继电器断开,加热模块停止加热,蜂鸣器报警提醒用户水温已达到所设置的最高温度,而且本次设置中,本人还加入了定时倒计时模块,用户可根据需要,提前设置时间,确认后系统开始进行倒计时,倒计时结束开始加热,而倒计时期间,系统是处于关闭状态
17、的,即使是温度低于下限值时继电器也不会吸合加热。本设计的具体的系统方案如下图所示。3 系统硬件设计本章节主要介绍本次设计中各个电路模块的设计原理,并了解它们的工作原理及其在本次设计中所起到的功能和作用。3.1 STC89C51单片机最小系统的设计说到最小系统,指的是一个真正可以使用的单片机最小的配置系统,也就是说所谓的单片机最小系统,通熟易懂的话就是以最少的元器件组成能让单片机工作起来的系统,下面开始介绍组成STC89C51单片机最小系统所需要的各个元器件及它们所组成的模块会构成怎样的作用STC89C51单片机最小系统由电源模块、晶振电路模块以及复位电路模块组成首先是电源模块,对于任何电子产品
18、而言,电源是必不可少的一个模块,至少我还没听说过有什么电子产品是不需要供给电源的。STC89C51单片机的VCC一般选择5V,所以在本次设计中,我选择使用USB数据线连接移动电源的方式给STC89C51单片机进行供电。其次是晶振电路模块,晶振电路连接在STC89C51单片机XTAL1和XTAL2引脚上,XTAL1为芯片内部振荡电路输入端,XTAL2为输出端,属于独立的输入和输出反相放大器。在XTAL1、XTAL2 的引脚上外接一个石英晶体和两个电容,它们的作用相当于时钟模式下的定时元件,如此内部振荡器便能产生自激振荡。在本次设计中,我采用的是11.0592MHz石英晶振,并联两个30PF的瓷片
19、电容对晶振起到微调的作用。而采用石英晶振时,理论上晶振的大小可以在1.2到12MHz之间任意选择,甚至是可以高达24MHz,并联的电容也可以在20PF到40PF之间任意选择,所以在本次设计中我采用的是比较常见的30PF瓷片电容。晶振电路模块电路图如下图所示再来就是复位电路,复位电路分为:上电自动复位和开关复位。上电瞬间,电容两端电压不能突变, 复位电路的工作原理是单片机上RST引脚接收到2US以上的电平信号,只要保证电容的充放电时间大于2US,即可实现复位,故而可以适当改变复位电路中电容值大小来使充放电时间达到本设计的需求。本次设计中采用的电容值大小为10UF的电解电容。复位电路模块电路图如下
20、图所示最后,综上所述,完整的STC89C51单片机最小系统电路图如下图所示3.2 显示电路模块的设计LCD1602液晶显示的基本原理点阵图形式液晶由M&TImes;N个显示组成的单元个数,屏的个个点的亮暗由RAM区的内容决定。因为本次设计仅需在LCD1602显示屏上显示数字和字符,不需要显示汉字,所以操作相对比较简单,在编写程序时,采用“0”为不亮,“1”为亮的方式,组成所需要显示的字符、数字;并且LCD1602显示屏本身自带字符发生器的控制器,操作就更简单了,只需要在设立光标的时候,根据在LCD1602显示屏上所需要显示的行列号找出对应的RAM显示地址,输入对应的代码即可。控制LCD
21、1602液晶显示器对应的引脚图如下图所示,可进行读状态操作、写指令操作以及读数据操作、写数据操作等相关动作。读状态写指令读数据写数据输入RS=L,R/W=H,E=HRS=L,R/W=L,D0-D7=指令码,E=高脉冲RS=H,R/W=H,E=HRS=H,R/W=L,D0-D7=数据,E=高脉冲输出D0-D7=状态无D0-D7=数据无上表中E为使能输入端;RS为寄存器选择,当RS=L时会选择指令寄存器,RS=H时则表示选择数据寄存器,;R/W为信号线,R/W=H时执行的是读操作,而R/W=L时执行的则是写操作。连接在51单片机时,将LCD1602显示屏的D0D7的引脚连接到51单片机的P0引脚上
22、,方便数据的传输,而因为P0端没有上拉电阻,可能驱动不了液晶显示屏,所以需要并联一个10K的排阻;而V0口接一个可调电位器,电位器的主要作用是用来调节显示屏的清晰度,当调节电位器位置改变时接入V0的电压也随之变化进行显示的清晰度也随之变化,之所以采用可调电位器便是因为可以根据不同的电压来调节使显示屏显示清晰。具体LCD1602液晶显示屏的电路图如下图所示。3.3 温度采集模块的设计本设计采用DS18B20温度传感器来完成温度的采集,DS18B20温度传感器内部主要有四个部分组成,分别是温度传感器、64位只读ROM、高低温报警触发器TH和TL、配置寄存器等。64位只读ROM的地址序列号是出厂前已
23、将其刻好的,温度传感器负责采集温度。温度值格式表如下图所示D15D14D13D12D11D10D9D8SSSSS262524D7D6D5D4D3D2D1D0232221202-12-22-32-4部分温度值与采样数据的相对应的关系如下图所示温度/16位二进制编码十六进制数字输出+1250000 0111 1101 00000X07D0+850000 0101 0101 00000X0550+25.06250000 0001 1001 00010X0191+10.1250000 0000 1010 00100X00A2+0.50000 0000 0000 10000X000800000 0000
24、 0000 00000X0000-0.51111 1111 1111 10000XFFF8-10.1251111 1111 0101 11100XFF5E-25.06251111 1110 0110 11110XFE6F-551111 1100 1001 00000XFC90DS18B20温度传感器在连接单片机时需要在其I/O 接上一个10K的电阻,具体电路图如下图所示3.4 红外遥感电路模块的设计本次设计中采用的是HX1838红外一体接收头,而遥控器方面,市面上比较常见的两种遥控器根据其编码格式不同分别NEC标准和PHILIPS标准,本次设计采用的是标准版NEC红外遥控器。NEC标准版遥控载
25、波的频率为38KHz(占空比为1:3);当遥控器上某个按键按下时,系统会发射出去一个完整的全码,等待一段时间之后系统会再发射一系列简码,直到按下的按键完全松开才会停止。而一个全码分为引导码、系统码和数据码,与简码一起完成整个红外接收的过程。3.5 报警模块电路的设计本设计采用的蜂鸣器为5V电磁式有源蜂鸣器,用一个8550三极管作为开关电路来驱动,因为蜂鸣器的工作电流一般会比较大,可能导致单片机的I/O口不能直接驱动。在基极串联一个1K的电阻连接到单片机的I/O口。当I/O口输出低电平时,三极管导通,蜂鸣器响声报警;而当I/O口输出高电平时,三极管截止,蜂鸣器停止鸣叫。蜂鸣器报警模块电路图如下所
26、示3.6 继电器驱动电路设计继电器是一个由电控制的元器件。通常,被用在需要自动控制的电路中。简单的说,继电器就是一个通过输入的小电流来控制大电流的输出的一个“自动开关”。因此在电路中继电器起着自动调节电路、转换电路、保护电路等作用。继电器驱动电路如下图所示3.7 独立按键电路的设计本次设计中设有独立按键电路,主要用于设置温度上限值和下限值,以及倒计时的时间,由四个按键组成,通过四个按键来达成用户设置热水器的功能。四个按键的功能分别为:第一个按键:按下后系统进入设置模式,连续按下即可选择设置温度的上限值、下限值以及倒计时加热的倒计时间。第二个按键:仅能在设置模式下使用,按下后,数值+1。第三个按
27、键:仅能在设置模式下使用,按下后,数值-1。第四个按键:退出键,退出设置模式并保存已设置的内容。独立按键电路图如下图所示综合之前的系统硬件的设计,作出系统完整电路图(详见附录A)。然后在老师和舍友的帮助下制作出热水器自动控制电路PCB图(详见附录B),之后在网上找商家制作覆铜板,拿到覆铜板后将各个元器件依照电路所示用电烙铁焊接上去(实物图详见附录C)。焊接完成后,用万用表检查电路是否虚焊、短路、断路等。检测时,将万用表调到蜂鸣档,两表笔直接连接会使万用表响声报警,随后松开则停止响声报警,依次原理即可检测出电路是否虚焊、短路、断路,以达到检测的目的。4 源程序代码的编写本次设计是在Keil Vi
28、sion4软件中完成自动控制的核心C语言程序代码编程的,该软件相对于其他软件来说,在51单片机C语言开发系统上有着明显的优势,这个软件也是我所接触过的不多的C语言软件开发系统。程序编写过程中,按照电路各个模块、元器件所需完成的动作,依次编写好相关程序。编写完成后,利用Keil软件生成hex文件,载入已完成电路图的Professional单片机仿真软件中的51单片机,测试是否符合本设计的要求。确定符合要求后,再用PL2303下载器给单片机烧录程序,烧录完成后,测试焊接好的硬件实物各个模块是否达到设计所需要的效果,确定达成效果,则表示本次设计是成功的。具体C语言程序代码详见附录D。5 结论经过这段
29、时间对毕业设计的制作,再到现在设计论文编写完成,本人付出了足够的努力,也得到了足够的收获。虽然作品还有些不足之处,但大体上还是完成了的,基本达到了本设计的要求。在这次毕业设计中,本人学到了许多东西,从设计初期的懵懵懂懂,再到恍然大悟的喜悦,本人收获的不只是毕业设计和论文,还是本人人生中的一次宝贵经历。在设计过程中,亲身实践增强了直接的动手能力。“纸上谈兵终觉浅,绝知此事要躬行”自己动手实践后,才知道书本上的知识和实际应用起来还是有很大差别的,而处理这些差别的过程,就是我收获经验的过程。参考文献1 侯殿有 葛海淼.嵌入式系统开发基础基于8位单片机的C语言程序设计M.第二版.北京:清华大学出版社,
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32、include<reg52.h>#include<DS18B20.h>#include<HW.h>ude<LCD1602.h>#include<INTERRUPT.h>#include<EEPROM.h>sbit key_set = P10; sbit key_jia = P11; sbit key_jian = P12; sbit key_ok = P13 sbit buzz = P24; sbit relay = P36; uchar Temperature_up,Temperature_down;uchar set_
33、f=0; uchar num=99;/*蜂鸣器*/void didi()buzz=0;delayms(5);buzz=1;/*LCD显示部分*/void display()if(presence=0)if(fuhao=0)LCD_disp_char(0,1,'+'); elseLCD_disp_char(0,1,'-');lcd1602_write_character(1,1,temp_t);LCD_disp_char(8,1,0);LCD_disp_char(9,1,'C');if(fen=0) if(wendu<Temperature_
34、down)relay=0;buzz=1; elseif(wendu>=Temperature_up)relay=1;buzz=0;elsebuzz=1;elsebuzz=1;relay=1;lcd1602_write_character(0,1," NOT ");lcd1602_write_character(11,1,"T:");LCD_disp_char(13,1,ASCIIfen/100);LCD_disp_char(14,1,ASCIIfen%100/10);LCD_disp_char(15,1,ASCIIfen%10);lcd1602_w
35、rite_character(0,2,"Up:");LCD_disp_char(3,2,ASCIITemperature_up/100);LCD_disp_char(4,2,ASCIITemperature_up%100/10);LCD_disp_char(5,2,ASCIITemperature_up%10);lcd1602_write_character(8,2,"Down:"); LCD_disp_char(13,2,ASCIITemperature_down/100);LCD_disp_char(14,2,ASCIITemperature_dow
36、n%100/10);LCD_disp_char(15,2,ASCIITemperature_down%10);/*设置模式*/void display2()num+;EX0=0;DS18B20_Read_Temperature(); DS18B20_Temperature();EX0=1;if(fuhao=0)LCD_disp_char(0,1,'+'); elseLCD_disp_char(0,1,'-');lcd1602_write_character(1,1,temp_t)LCD_disp_char(8,1,0);LCD_disp_char(9,1,
37、9;C');lcd1602_write_character(11,1,"T:");lcd1602_write_character(0,2,"Up:");lcd1602_write_character(8,2,"Down:");if(num%2=0)LCD_disp_char(13,1,ASCIIfen/100); LCD_disp_char(14,1,ASCIIfen%100/10);LCD_disp_char(15,1,ASCIIfen%10); LCD_disp_char(3,2,ASCIITemperature_up/1
38、00); LCD_disp_char(4,2,ASCIITemperature_up%100/10); LCD_disp_char(5,2,ASCIITemperature_up%10); LCD_disp_char(13,2,ASCIITemperature_down/100);LCD_disp_char(14,2,ASCIITemperature_down%100/10); LCD_disp_char(15,2,ASCIITemperature_down%10); else switch(set_f) case 1: lcd1602_write_character(13,1,"
39、"); break;case 2: lcd1602_write_character(3,2," "); break;case 3: lcd1602_write_character(13,2," "); break;default: break;/*按键处理*/void scan(void)if(key_set=0|rec=1) delayms(7);if(key_set=0|rec=1) didi(); buzz=1; relay=1; set_f+; if(set_f=4)set_f=0;EEPROM_delete(0x2002); EEPR
40、OM_write(0x2002,Temperature_up);EEPROM_delete(0x2202); EEPROM_write(0x2202,Temperature_down);if(fen!=0) TR0=1;while(!key_set);if(key_ok=0|rec=4)&&set_f!=0) delayms(7);if(key_ok=0|rec=4) didi(); set_f=0;EEPROM_delete(0x2002);EEPROM_write(0x2002,Temperature_up); EEPROM_delete(0x2202); EEPROM_w
41、rite(0x2202,Temperature_down); if(fen!=0) TR0=1;while(!key_ok); if(key_jia=0|rec=2)&&set_f!=0)delayms(3);if(key_jia=0|rec=2)didi(); if(set_f=1) fen+; if(fen>999) fen=0;if(set_f=2)if(Temperature_up<125)Temperature_up+;if(set_f=3) if(Temperature_down<125&&Temperature_down+1<Temperature_up) Temperature_down+;if(key_jian=0|rec=3)&&set_f!=0)delayms(3);if(key_jian=0|rec=3)didi(); if(set_f=1) if(fen=0) fen=999;elsefen-; if(set_f=2)if(Temperature_up!=0&&am
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