基于单片机的热水器控制系统设计

济南大学泉城学院毕业设计题目基于单片机的热水器控制系统设计学院工学院专业电气工程及其自动化班级1302班学生李燕学号2023011198指导教师张兴达魏志轩二〇一七年五月十六日摘要随着国民经济的迅猛开展，人们对生活质量的要求越来越高。作为日常的家用电器，热水器成为了人们的关注对象之一。传统的热水器只具有简单的加热、加水、亮灯指示等功能，难以满足人们的需求。针对这一问题，本设计提出了一款基于单片机的热水器控制系统。本次设计主要分为硬件系统设计和软件系统设计。硬件系统设计主要包含了AT89S52单片机、电源电路、显示电路、指示灯电路、测温电路、水位检测电路、报警电路、遥控接收电路、注水继电器控制电路、复位电路、晶振电路、按键电路。软件系统设计主要运用了C语言编写程序，KEIL软件和PROTEUS软件联合进行仿真。旨在设计出一款可用遥控器自由设置温度范围和预约时间、LCD1602液晶显示温度和时间，且具备报警功能的智能热水器，热水器在工作时加热、加水、缺水等具有相应的指示灯，当热水器的水位到达水位上限时，蜂鸣器开始报警。通过仿真与调试及实物制作，本次设计的热水器控制系统能够实现预设功能，本设计为进一步研究、应用提供了一定的数据参考。关键词：单片机；传感器；热水器ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofthenationaleconomy,people'squalityofliferequirementsaregettinghigherandhigher.Asadailyhouseholdappliances,waterheatershavebecomeoneofthepeopleconcernedabouttheobject.Thetraditionalwaterheateronlyhasasimpleheating,water,lightinstructionsandotherfunctions,itisdifficulttomeetpeople'sneeds.Aimingatthisproblem,thisdesignpresentsaintelligentcontrolsystemofwaterheaterbasedonsinglechipmicrocomputer.Thisdesignisdividedintohardwaresystemdesignandsoftwaresystemdesign.HardwaresystemdesignmainlyincludestheAT89S52microcontroller,powercircuit,displaycircuit,indicatorcircuit,temperaturemeasurementcircuit,waterleveldetectioncircuit,alarmcircuit,remotecontrolreceivercircuit,waterinjectionrelaycontrolcircuit,resetcircuit,crystalcircuit,keycircuit.SoftwaresystemdesignmainlyusestheClanguageprogram,KEILsoftwareandPROTEUSsoftwarejointsimulation.Designedtodesignafreeremotecontrolcansetthetemperaturerangeandappointmenttime,LCD1602liquidcrystaldisplaytemperatureandtime,andhavethealarmfunctionofintelligentwaterheater,waterheaterintheworkofheating,water,waterandotherindicatorswiththecorresponding,whenWhenthewaterlevelofthewaterheaterreachestheupperlimitofthewaterlevel,thebuzzerstartstoalarm.Throughthesimulationanddebuggingandin-kindproduction,thisdesignofthewaterheatercontrolsystemcanachievethedefaultfunction,thedesignforfurtherresearch,applicationprovidesacertaindatareference.Keywords:Single-chip;sensor;waterheater目录24623摘要 图4.4加热继电器控制子程序流程图5系统仿真与调试5.1仿真软件介绍在本次设计中运用到了PROTEUS的ISIS电路分析实物仿真系统和KEIL单片机编程软件，通过对它们联调可以仿真出本次设计的系统。下面对这个两个软件做简单的介绍。5.1.1Proteus软件Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与仿真软件。该软件具有以下几个特点：〔1〕具有模拟电路、数字电路、单片机应用系统、嵌入式系统〔不高于ARM7〕设计与仿真功能。〔2〕具有多种形式的调试功能。〔3〕具有各种信号源和电路分析所需的虚拟仪表。〔4〕支持Keil、MPLAB等第三方的软件编译和调试环境。〔5〕具有强大的原理图到PCB板设计功能，可输出多种格式的电路设计报表[16]。5.1.2Keil软件Keil软件是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，它可以提供包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，可通过一个集成开发环境将这些部份组合在一起。另外，Keil生成目标代码的效率非常之高，编译后生成的汇编代码也很紧凑，且容易理解[17]。5.2系统电路仿真本设计采用Proteus软件对电路进行仿真，首先将仿真需要的元器件找到，按照硬件设计原理图在Proteus里面建立元器件连接关系，然后将硬件电路图绘制在软件中，接着新建一个工程，选择AT89C52单片机，新建一个文本文档，将文本文档保存为“.c〞文件，将其添加到工程，然后对系统程序进行编写，编写完成之后通过“Optionsfortarget〞找到“creathexfile〞，找到之后选中“creathexfile〞并进行编译，生成“.hex〞文件，然后在Proteus软件中双击单片机，在“ProgramFile〞中勾选“.hex〞文件，单击确定，接着点击仿真界面左下角的开始按钮，系统进入初始化，初始化结束后，温度传感器会采集当前的温度值，LCD1602会显示当前温度和所设置的温度上下值。显示功能的仿真结果如图5.1所示。图5.1仿真图5.3PCB板设计与制作5.3.1PCB介绍PCB，中文名称为印制电路板或印刷线路板，它不仅是电子元器件的支撑体，还是电子元器件电气连接的载体。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷〞电路板，它根据电路层数分类可分为单面板、双面板和多层板。常见的多层板一般为4层板或6层板，复杂的多层板可达几十层[18]。5.3.2PCB板设计对于PCB板的设计，首先需要对本次设计的电路原理图设计，设计完成后就进行绘制，绘制完成后进行检查，确认电路原理图正确后，进行编译，生成网络报表，然后对各个元器件进行封装，以生成和实现元器件具有相同外观和尺寸的网格。封装完成之后建立一个PCB文件，根据本次设计的实际情况对板子的大小、线距、线宽等重要数据进行设置，设置完毕后，单击设计菜单下的更新选项，此时PCB文件便开始更新，更新之后将生成PCB图。5.3.3PCB板实现依照生成的PCB图进行制作，制作的时候根据PCB面板的大小安置元件，同时，尽量保证元件之间的引线不会发生交叉。元器件摆放完后，进行DRC检查，排除元器件在布线时引脚或引线发生交叉错误，错误排除之后，开始调整元器件的位置，调整完后开始布线，在布线时不能出现小于或等于90度的角，以防尖端放电和腐蚀过度。布线完成后，可对PCB图进行检查，确认无错误并连接完成后进行PCB板的转印、腐蚀、钻孔等操作。本次设计制作的PCB图如图5.2所示。图5.2PCB图5.3.4电路板制作在本次设计的电路板制作中，首先需要对PCB板进行检查，然后对元器件的种类、型号、数量进行确认，确认完后将元器件按照从左到右，从上到下，从里到外，从小到大，从低到高的顺序合理的装置在电路板上[19]。装置完成后用焊接工具开始进行焊接，焊接完成后，检查焊料是否会引起焊点短路，是否存在漏焊等现象，焊接完成后实物图如图5.3所示。图5.3焊接实物图5.4系统调试本次设计系统调试的主要任务是排除系统的硬件电路故障，包括设计性错误和工艺性故障。当把所有的元器件焊接完成后，开始调试，首先对焊接的电路板进行检查，查看是否焊接完整，检测电源线，看电源电路是否能为整个系统正常供电，检查完成后，翻开电源，给系统通电，系统开始工作，LCD1602显示屏显示当前温度、温度上下限值及预约时间。在这里用户可设置加热时间和温度上下限值，系统刚翻开的时候，预约时间是默认关闭的，如图5.4所示。图5.4LCD1602显示图假设需要预约时间，需自己设置，这里随意设置的预约时间为1分钟，预约时间不到，热水器不会进行加热。当预约时间到达之后热水器开始加热。本次设计的时间值不是固定的，另外，假设不需要预约，可不进行设置，在本次设计调试的时候，用热水进行加热。预约时间示意图如图5.5所示,图5.5预约时间示意图当检测到热水器当前温度低于设置的温度下限时，加热继电器吸合，开始加热，加热指示灯亮。温度检测示意图如图5.6所示。图5.6温度检测示意图当系统检测到热水器当前的温度高于设置的温度上限值时，加热继电器会自动断开，停止加热，加热指示灯关闭。如图5.7所示。图5.7温度检测示意图当水位传感器检测到热水器当前水位低于水位下限时，缺水指示灯亮起，加水继电器吸合，开始加水，直到加至水位上限时，加水继电器关闭。水位检测示意图如图5.8所示。图5.8水位检测示意图当检测到热水器当前水位高于水位上限时，加水继电器断开停止加水。且报警指示灯亮，蜂鸣器开始报警，直到人为按下取消报警键，报警停止，报警示意图如图5.9所示。图5.9报警示意图6结论本设计针对功能单一的热水器控制系统，提出了解决的方案。通过对方案确实定、硬件系统设计和软件系统设计，绘制了电路原理图，PCB图，利用系统仿真与调试制作了电路板。本次设计的热水器控制系统根本能完成预期的定时加热、自动检测水温水位及智能报警功能。解决了热水器功能单一的问题。但是，在本次设计中还存在很多缺乏之处。例如在控制方面可以让水位传感器实时对水位进行检测，确保全天水位都处在正常状态，用户可以不用因为缺水的问题，不能正常使用热水器。在温度的加热方面可以让系统实时记录用户每一次淋浴时的温度，然后对采集到的温度数据进行分析，得出用户淋浴时最常用的温度，了解到用户的习惯后可智能化安排预热功能，这样不但节约了用户自己设置的时间，还非常节能。在这次设计的过程中，我清楚的认识到自己以前所学习的单片机和编程根底是远远不够的，所有我还需要认真地去学习。参考文献[1]罗运俊.太阳能热水器开展概况及根底知识[J].太阳能热水器技术讲座〔一〕2004,1(1):58-61.[2]焦青太.当今世界太阳能热水器的开展概况[J].建筑节能;2007,4(8):59-62.[3]胡润青.蓬勃开展的太阳能热水器产业[J].建设科技;2006,2(12):58-60.[4]汪铭东,梅广辉.基于单片机与DS18B20的机柜温度控制器设计[J].现代电子技术;2023,4 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write_data(Init1[i]);}write_com(0x80+40);//设置位置for(i=0;i<16;i++){ write_data(Init2[i]);}}显示时间温度数据程序voidDisplay_1602(uintaa,uchardss,ucharsxx,ucharxxx){ //温度显示 write_com(0x80+3); write_data('0'+aa/100); write_data('0'+aa/10%10); write_data('.'); write_data('0'+aa%10); write_data(0xdf); //定时显示 write_com(0x80+13); write_data('0'+dss/100); write_data('0'+dss/10%10); write_data('0'+dss%10); //上限显示 write_com(0x80+40+4); write_data('0'+sxx/10%10); write_data('0'+sxx%10); //下限显示 write_com(0x80+40+13); write_data('0'+xxx/10%10); write_data('0'+xxx%10); }字符显示程序voidDisplay_wd(){ //温度显示 write_com(0x80); write_data('S'); write_data('e'); write_data('t'); write_data(''); write_data('s'); write_data('t'); write_data('a'); write_data('t'); write_data('e'); }//程序头函数#include<reg52.h>//显示函数#include<display.h>//宏定义#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar//LCD管脚声明sbitjdq=P1^0; //加热继电器sbitshui=P1^3;//加水继电器sbitFeng=P2^6;//蜂鸣器//按键sbitKey1=P1^4; //设置sbitKey2=P1^5; //加sbitKey3=P1^6; //减sbitKey4=P1^7; //确定 sbitshang=P3^7;//上限sbitxia=P3^6;//下限sbitDQ=P2^2; //定义DS18B20总线I/Osignedcharw,bj,bjx,bjd; //温度值全局变量ucharc; //温度值全局变量bitbdataflag=0,flag_BJ,flag_off=1,que;//时间计算#defineImax14000//此处为晶振为11.0592时的取值,#defineImin8000//如用其它频率的晶振时,#defineInum1145//要改变相应的取值。#defineInum2700#defineInum33000//解码变量unsignedcharIm[4]={0x00,0x00,0x00,0x00};//全局变量ucharf;unsignedcharm,Tc;unsignedcharIrOK;//设置变量ucharxx=29;//下限ucharsx=35;//上限intds=0;ucharMode=0;voiddelay(uintz){ uinti,j; for(i=0;i<z;i++) for(j=0;j<121;j++);}温度工作程序/*****延时子程序*****/voidDelay_DS18B20(intnum){while(num--);}/*****初始化DS18B20*****/voidInit_DS18B20(void){unsignedcharx=0;DQ=1;//DQ复位Delay_DS18B20(8);//稍做延时DQ=0;//单片机将DQ拉低Delay_DS18B20(8);//精确延时，大于480usDQ=1;//拉高总线Delay_DS18B20(14);x=DQ;//稍做延时后，如果x=0那么初始化成功，x=1那么初始化失败Delay_DS18B20(20);}/*****读一个字节*****/unsignedcharReadOneChar(void){unsignedchari=0;unsignedchardat=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;//给脉冲信号dat>>=1;DQ=1;//给脉冲信号if(DQ)dat|=0x80;Delay_DS18B20(4);}return(dat);}/*****写一个字节*****/voidWriteOneChar(unsignedchardat){unsignedchari=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=1;DQ=dat&0x10;Delay_DS18B20(5);DQ=0;dat>>=1;}}/*****读取温度*****/unsignedintReadTemperature(void){unsignedchara=0;unsignedcharb=0;unsignedintt=0;floattt=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xC1);//跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0x44);//启动温度转换Init_DS18B20();WriteOneChar(0xC1);//跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0xBE);//读取温度存放器a=ReadOneChar();//读低8位b=ReadOneChar();//读高8位t=b;t<<=8;t=t|a;tt=t*0.00625;t=tt*10+0.5;//放大10倍输出并四舍五入return(t);}/*****读取温度*****/voidcheck_wendu(void){ c=ReadTemperature()-5; //获取温度值并减去DS18B20的温漂误差 w=c/10; //计算得到整数位 if(w<0){w=0;} //设置温度显示上限 if(w>99){w=99;} //设置温度显示上限}按键工作程序voidKey(){ //模式选择 if(Key1==0) { while(Key1==0); Feng=0; Mode++; Display_wd(); if(Mode==4) { Mode=1; Feng=1; } write_com(0x38);//屏幕初始化 write_com(0x0d);//翻开显示无光标光标闪烁 write_com(0x06);//当读或写一个字符是指针后一一位 switch(Mode) { case1: { write_com(0x80+15);//位置 Feng=1; break; } case2: { write_com(0x80+0x40+5);//位置 Feng=1; break; } case3: { write_com(0x80+0x40+14);//位置 Feng=1; break; } } } if(Key2==0&&Mode!=0) { while(Key2==0); Feng=0; switch(Mode) { case1: { if(ds<999) { ds++; write_com(0x80+13); write_data('0'+ds/100); write_data('0'+ds/10%10); write_data('0'+ds%10); write_com(0x80+15);//位置 } Feng=1; break; } case2: { if(sx<99-1) { sx++; write_com(0x80+0x40+4); write_data('0'+sx/10%10); write_data('0'+sx%10); write_com(0x80+0x40+5);//位置 } Feng=1; break; } case3: { if(xx<sx-1) { xx++; write_com(0x80+0x40+13); write_data('0'+xx/10%10); write_data('0'+xx%10); write_com(0x80+0x40+14);//位置 } Feng=1; break; } } } if(Key3==0&&Mode!=0) { while(Key3==0); Feng=0; switch(Mode) { case1: { if(ds>0) { ds--; write_com(0x80+13); write_data('0'+ds/100); write_data('0'+ds/10%10); write_data('0'+ds%10); write_com(0x80+15);//位置 } Feng=1; break; } case2: { if(sx>xx+1) { sx--; write_com(0x80+0x40+4); write_data('0'+sx/10%10); write_data('0'+sx%10); write_com(0x80+0x40+5);//位置 } Feng=1; break; } case3: { if(xx>0) { xx--; write_com(0x80+0x40+13); write_data('0'+xx/10%10); write_data('0'+xx%10); write_com(0x80+0x40+14);//位置 } Feng=1; break; } } } if(Key4==0) { while(Key4==0); Feng=0; Mode=0; // write_com(0x38);//屏幕初始化 // write_com(0x0c);//翻开显示无光标无光标闪烁 Init1602(); if(ds>0) { flag=1; jdq=1; TR1=1; } Feng=1; } if(IrOK==1) { if(Im[2]==0x0d) //遥控设置键 { Feng=0; Mode++; Display_wd(); if(Mode==4) { Mode=1; Feng=1; } write_com(0x38);//屏幕初始化 write_com(0x0d);//翻开显示无光标光标闪烁 write_com(0x06);//当读或写一个字符是指针后一一位 switch(Mode) { case1: { write_com(0x80+15);//位置 Feng=1; break; } case2: { write_com(0x80+0x40+5);//位置 Feng=1; break; } case3: { write_com(0x80+0x40+14);//位置 Feng=1; break; } } } //+键 elseif(Im[2]==0x40) { if(Mode!=0) { Feng=0; switch(Mode) { case1: { if(ds<999) { ds++; write_com(0x80+13); write_data('0'+ds/100); write_data('0'+ds/10%10); write_data('0'+ds%10); write_com(0x80+15);//位置 } Feng=1; break; } case2: { if(sx<99-1) { sx++; write_com(0x80+0x40+4); write_data('0'+sx/10%10); write_data('0'+sx%10); write_com(0x80+0x40+5);//位置 } Feng=1; break; } case3: { if(xx<sx-1) { xx++; write_com(0x80+0x40+13); write_data('0'+xx/10%10); write_data('0'+xx%10); write_com(0x80+0x40+14);//位置 } Feng=1; break; } } } } //-键 elseif(Im[2]==0x19) { if(Mode!=0) { Feng=0; switch(Mode) { case1: { if(ds>0) { ds--; write_com(0x80+13); write_data('0'+ds/100); write_data('0'+ds/10%10); write_data('0'+ds%10); write_com(0x80+15);//位置 } Feng=1; break; } case2: { if(sx>xx+1) { sx--; write_com(0x80+0x40+4); write_data('0'+sx/10%10); write_data('0'+sx%10); 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