《基于单片机的智能热水器设计》6600字（论文）

基于单片机的智能热水器设计目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 11绪论 21.1研究背景及其意义 21.2国内外研究现状 21.3发展趋势 22设计任务及其设计方案 32.1设计任务 32.2设计要求 32.3系统方案设计 33系统的硬件设计 43.1系统硬件电路总体框图 43.2系统硬件选择框图 43.3中央处理器模块 53.4检测模块 63.4.1DC3V-5V水位检测传感器 63.4.2DS18B20数字温度传感器 63.5OLED显示屏 73.6报警模块 73.7水泵模块 83.8PTC加热片 84系统软件设计及其调试 94.1使用软件 94.2系统主程序设计 104.3按键子模块设计 115系统调试 125.1软件调试 125.2仿真测试 126实物调试 126.1实物演示 12结论 14参考文献 17附录 15附录1仿真图 16附录2程序代码 16摘要:DS18B20关键词:；STC12C5A60S2；DS18B20；水位监测传感器1绪论1.1研究背景及其意义。新型的太阳能热水器有更多的局限性，主要来自于安装条件和环境天气，但因其安全、环保的特点和性价比较高得到了众多的消费者的认可，发展态势良好且走势持续向好，市场占比已达到15％左右，此为城镇居民出于安全方面的考虑，更多选择电热和太阳能热水器的主要原因。当下的城市商品用房通风结构效果普遍较差，无法及时消除使用燃气热水器所带来的消防隐患，而电热水器基本避免了这些问题。电热水器的优势体现在：不受天气的影响、此外相对易安装、价格低、效果好。在技术进步的当下，新型家居产品的开发的过程中，空气能式、下置式、嵌入式等新类型的电热水器相继涌入市场，彻底开启了热水器市场的新时代。目前，在技术进步的同时，热水器技术也在快速发展，其特征是对生产热水器的技术要求越来越高。与此同时，现在的热水器也不仅仅只有一种热水器，更多的是具有高技术、高智能、现代的电器。随着人民的物质和物质条件的日益提高，人类的居住条件日益改善，对各种智能家电的要求也日益增加。市场上对热水器的更新换代的速度也逐渐加快，同时种类款式的挑选范围也在增加。基于这种大环境下，我用STC12C5A60S2单片机作为本次智能电热水器的设计的主控器件。1.2国内外研究现状在国外，家庭热水器的应用非常普遍。当前，在人们的日常生活中，热水器已经是家庭必需的电器了，而要想真正的创造出更实用，更方便，更安全，更节能的热水器，这是每一个设计师和厂家一直追求的目标。其特点是体积小、使用安全、便于安装。几年前，家用热水器还在中国市场上出现过，但因为国家技术还不够成熟，普及率不高，这就制约了它在国内的发展。近年来，随着生活水平的提高，以及国家对电网的改造，和相关法规的颁布，我国的家用电器行业得快速的发展。这也表明了智能电热水器产品在国内家庭的发展前景。随着国家住宅规范化，标准住宅用户都有条件使用上安全、家用的电热水器。热水随加随用，中途热水供应不足的现象不复存在，这样不仅省去了大量的开支，重要的是能够方便人们随时用热水。智能家电作为一种新的环境友好型产品，在国内已成为一种趋势，顺应了现代的消费趋势。1.3发展趋势从技术的发展进步到现在，潜移默化中，储水电热水器已经成作为一类智能家居广泛应用于多数消费者家中。在当前的行业内，电热水器的使用主要是采用连续流式，它的特点有：迅速制热，所占体积不大。但它的弊端在于它的耗电量较大，日常生活中家用的电源线路不能够满足要求。而且当下流行的，传统的机械式电热水器性能并不是很好，存在的问题有控制功能不完善等问题。因此电热水器的智能化是一种发展的必然。由于采用了基于单片机的电热水器，性能方面具有很强的实时性和可控性。并且具有很强的信息处理能力，能有目的性的解决有易到难等方面各类的控制任务。2设计任务及其设计方案2.1设计任务STC12C5A60S2微控制器具有低功率、高的性能.它不仅与8051指令完全兼容，还内置了大量的FLASH技术，再加上STC12C5A60S2单片机本身就有60K的FLASHROM，所以我选择了STC12C5A60S2微控制器作为本设计的控制芯片。本次实验通过选用独立键盘、LED指示灯显示、水温水位检测、报警输出、OLED显示、电源等多种模块共同协作，来实现生活中的要求。2.2设计要求（1）采用OLED显示、防水性温度传感器测量温度，OLED显示当前温度、温度上下限位及预定时间。（2）按键键入设定参数。（3）能够实时的检测到水箱的水温，能够预定供热的时间，在达到预定的时间后就会自动关掉热水器的控制。（4）当温度在最低限度以下时，该继电器会对加热进行控制，当该温度高于该极限时，该继电器将会控制停止发热。（5）采用两个水位传感器检测上、下水位高度,水位低，启动水位控制继电器模拟加水,当水加至水位上限时停止加水。（6）热水器工作时加温、加水时有对应的指示灯全系统有蜂鸣声，实现声光提示。2.3系统方案设计本次设计要求实物演示，出于安全考虑，本设计采用采用低压移动电源供电。设置继电器用低压控制高压，模拟生活中安全使用220V高压电。为了提高硬件之间的通用性，该复位电路以按键重置和上电相结合的方式，通过独立按键的扫描和查询功能，分别实现水温设定、延迟设定、加、减功能。在本设计系统工作时，首先要按下水温键，对水箱内的水温进行检测，设定温度区间。利用加减按键，设定水箱内水温进行温度范围。在主机面板上按下按钮，启动软件，DS18B20感应到水温温度，发现水箱中的温度小于设定的下限，加热模块开始加热；检测温度达到预设温度上限时，停止加热。并且可以进行预定加热时长，设置的区间范围是0-999分钟，等到到达预约的时间后就会开始自动停止加热。水位传感器对储罐内部的水位进行实时监控，在储罐中的水位低于设置值时，水泵就会启动，从外部将水注入到储罐中。3系统的硬件设计3.1系统硬件电路总体框图本次设计用的单片机与51型单片机相比，其特点为，在采用的晶振相同的情况下，本设计用的单片机具有更高的运算速度，相比之下还具有较短的周期。该系统采用STC12C5A60S2作为控制单元，采用了OLED显示模块、电源模块、加热模块、按键模块、传感模块等模块协同工作，实现了生活中系统的基本功能。在此基础上，可以将传感器模块划分为：数字温度传感器、水位检测传感器。该显示模块由一块普通OLED屏幕组成，并由各模块之间的连接协作来实现。系统的功能框图如图3-1所示。图3-1系统框图当接收到外部的数据时，由ADC将其转化为数据，再发送至MCU，再由MCU进行精密的处理，最后发送至显示模块。水位检测传感器检测水位的高度变化，通过继电器和水泵来完成对水位高度的调整。本次设计使用充电宝作为电源，供给整个电子设备；按键模块有五个，第一个按键作用是开关，开启和关闭整个电路，第二个按键作用是转换OLED显示屏的显示内容使得我们可以选择所要调节的阈值，第三个按键的内容是调节设定值上升，第四个按键作用是调节设定值下降，第五个按键的作用是复位整个设备。加热模块选用的PTC加热片，电芯恒温加热更安全，当DS18B20传感器的检测数据，达到预设阈值后开始加热。并且根据实时监测到的水箱水温，可以自动的调整自身的加热功率大小。显示模块是可以直接观测的OLED显示屏，报警模块是低于设置水位就会报警的蜂鸣器，让使用者在沐浴时也可以知道水箱内水位情况。3.2系统硬件选择框图本次课题设计的传感器模块使用DS18B20作为水温的检测温度传感器装置。使用DC3V-5V作为水位检测传感器检测水位高度。使用STC12C5A60S2作为微控制器。显示模块是可以直接显示的OLED。具体的硬件结构框图如图3-2所示。图3-2系统硬件结构框图3.3中央处理器模块本设计以STC12C5A60C2为基础，在指令编码方面，它与传统的8051的完全兼容。但STC运行速度比8051更快。内置了专用的复位线路，适用于热水器、电动机等强干扰等情况。无论是速度，功耗，外设方面都比优于51。图3-3是关于主控芯片的原理图。图3-3STC12C5A60C2引脚图3.4检测模块3.4.1DC3V-5V水位传感器图3-4水位检测传感器实物展示图图3-5DC3V-5V电路图DC3V-5V水位传感器利用一系列平行的导线，通过测定导线之间有没有液体，来测量出水位的高低，并能准确地判断出水位，实现水位高度与信号的转换。它的特点是：使用方便，价格低廉。3.4.2DS18B20数字温度传感器图3-6DS18B20温度传感器图3-7DS18B20传感器电路图DS18B20是日常生活中常用的温度传感器。它的特点有所占空间小，单价成本低，对于液体的抗干扰能力强，测量精度高。此外DS18B20型温度传感器，连接方便，在经包装后可广泛的进行使用。3.5OLED显示屏图3-8OLED显示屏OLED最大的优点在于不需要背光的支撑，在充满电的情况下，可以自动产生光，具有较高的视角、高对比度、低功耗、快速反应、色域宽、制程简单等优点。对比OLED屏幕和传统的LCD屏幕，它的特点在于：1、OLED屏幕可以自身发光，所以OLED屏幕的亮度要比LCD屏幕高得多，并且色彩效果更加好。2、OLED显示屏显示内容更多，3、OLED屏幕得可视角度更宽，可以达到160°左右。4、OLED屏幕更加轻薄，且成本更低，并且OLED屏幕柔性好，易弯曲。因此，本实验采取OLED显示屏。3.6报警模块图3-9蜂鸣器模块接口图本设计报警模块的选择是有源蜂鸣器。与被动式的有源蜂鸣相比，有源式的蜂鸣机可以让它的声音变得更准确，也可以制造出更多的声音。3.7水泵器件图3-10水泵展示图水泵特点：一是使用寿命长、基本不需要维护、实体体积小、功率低、抗干扰性强、运转稳定、无碳刷、使用寿命长。3.8PTC加热片图3-11PTC加热片展示图这种PTC发热体突出特点在于安全性能上，不会产生加热过度的情况，避免了水箱内水位低时，加热片空烧的情况，从而能够避免烫伤，火灾等安全隐患。具有较低的热阻和较高的传热效率，具有自动恒温和节能的特点。

4系统软件设计及其调试4.1使用软件图4-1Keil5软件图4-2Proteus8.11软件Keil作为一个传统的程序编程测试用软件，兼有编程，测试，是设计之初必不可少的一个软件而Keil5在Keil4的基础上更新了新的功能，使运行测试更加便捷，功能更加多样化。Proteus8.11它是一个能够将各种模拟软件集成到一起的设计平台，原理图仿真的不二之选，它的操作简单，并且支持此次使用STC12C5A60C2处理器，在编译方面它也支持Keil这种大家常用的编译器。

4.2系统主程序设计0图4-3程序设计流程图本设计按下电源按键即开启设备，通电后，OLED显示屏显示当前温度和水位。按下按键即可以设定温度，独立按键可以更改设定温度上限或下限。程序会自动检测出水箱内的水温是否到达设定好的温度。如果没有到达之前设定温度，PTC加热片会持续对进行加热，然后温度检测传感器继续重复检测，是否到达设定的温度。当水箱中的水达到预设的温度时，水位检测器就会自动监测水位，以确定是否有必要开启水泵向下注入新的水。如果水箱内的水位低于设定水位，则水泵模块会开启，向水箱内注水，这时蜂鸣器发出报警，告知使用者水位较低，如果水箱内水位不低事先设定的低水位，则会可以使用，同时水泵继续向下注水，让水位到达预先设定的最低值。4.3按键子模块设计0图4-4按键子模块流程图首先按下电源，这时OLED显示屏会显示此时水箱里面的温度。键盘模块会检测独立按键是否被按下，然后一直对独立按键进行扫描。如果扫描到有按键被按下，则进行调节水温这一步骤，它会检测是调节水温的上升还是下降，如果调节水温的上升，则增加加热管的加热功率，如果检测到调节水温的下降，则降低加热管的功率，然后将这些信息传给加热模块。

5系统调试05.1软件调试0Keil5环境下的软件设计00图5-1keil5环境下的软件设计5.2仿真测试图5-2初始仿真图由图5-2可知信息预设温度是0摄氏度，实时温度为20摄氏度。由仿真可以得知此次测量时水箱水温已经超过了设定的阈值；预设水位高度是0cm，实时水位高度为1.29cm。由仿真可以得知此次测量时，水箱水位已经超过了设定水位高度，而因此蜂鸣器和水泵没有发生反应。按键的作用是负责调节OLED显示器的预设数值，这里的两个按键是负责调节预定阈值的，点击“加”按键，经过系统处理后对，对应温度预定的值就会增大1摄氏度，对应水位预定的值就会增大1cm；按下“减”按键，经过系统处理后,对温度预定的值就会减少1摄氏度,对水位预定的值就会减少1cm。因为使用水泵进行仿真图片无法被直接观测，所以在这里使用了LED作为替代。从图中可以看出，在实际水位低于设定值的情况下，指示灯将会点亮，并开始泵的启动，往里面注水。当实际水位到达预先设定的水位时，这时指示灯就会熄灭，与此同时，水泵断电，停止注水。图5-3调节预设温度的仿真图由图5-3可知通过DS18B20可以调节检测的温度，调节之后的温度数据为温度是20摄氏度，而此时的预设温度被设定为21摄氏度，所以加热指示灯开始亮起，并且此时的加热模块开始工作。直到水箱内水温被加热到设定的21摄氏度。0图5-4调节水位的仿真图（1）0图5-5调节水位的仿真图（2）在已经到达预设温度的仿真图的基础上，此次调试我们通过改变水位检测模块的可调电阻，改变水箱内水位对应高度值，对比图5-4和5-5，此次我们把水位设定为2cm，当测量数值超过了预设的水位高度值时，此时LED指示灯会熄灭，水泵没有工作。当测量得到的结果没有达到预设的水位高度时，此时示灯亮起，并且蜂鸣器开始发出警报声，与此同时水泵也开始工作。6实物调试6.1实物调试图6-1整体实物图由图6-1观察可以用外置电源作为整个系统的供电，在板子上的器件由上到下，由左到右，分别为外部电源，总体开关，LED灯，OLED显示屏幕，电源指示灯，水位检测器，STM12主控，温度检测器，蜂鸣器，抽水系统，四个按键模块。由预先画好原理图交给专业厂家定制PCB板子。图6-2实物图开启状态按下开关键，系统初始化之后OLED屏显示出所设定的数值和实时检测的水温水位数值。根据图6-2所显示内容，在系统上电开始工作时，电源LED指示灯亮起，先进行初始化，初始化完成后OLED屏幕显示出所需要观测的数据，此时正处于自动模式，水箱内的温度是25.0摄氏度，预定时间20分钟，加热已经关闭，指示灯熄灭，水泵也已经关闭，指示灯熄灭，高位和地位水位检测都是有水的。图6-3高水位无水状态图6-4高水位无水状态OLED显示信息结合图6-3和图6-4，这里使用浸水的湿纸团模拟水位情况，可以看见，当高水位检测的纸团被拿走时，水泵指示灯亮起，OLED显示水泵开启，水泵开始注水。而在正常情况下，水泵指示灯熄灭，OLED显示水泵关闭，水泵停止注水。图6-5电脑实时显示可以从图6-5处看到，这里通过按键模块，将预设最低温度改为30摄氏度，而实时检测温度为28度，未能达到预设温度，所以OLED显示屏显示加热开启，并且加热指示灯亮起，加热片开始加热。图6-6开始使用后进入倒计时图6-7更改倒计时时间为30分钟当本设计被使用后，进入延迟模式，综合常人一般的洗澡时间，预定时间为20分钟，并且可以根据自己的喜好，改变倒计时时长，由图6-6OLED显示屏可以得知，此时还有17分钟的工作时间。倒计时结束后，则水泵，加热都会停止工作，以防在非人为的情况下造成资源浪费。图6-7将时间设定为30分钟。结论在科学技术的日益计步中，人们对生活品质的要求越来越高。随之而来的是，智能家居已经成为我们生活中的一部分。在此基础上，人们不再满足于旧时的物质标准，而是花费时间与开发新的技术来满足人们和市场的需要。本课题就从实际生活出发，以与生活密切相关的家电行业为切入点，来进行本次具有现实意义的毕业设计。市面上的热水器在使用的过程中，经常会出现忽冷忽热，水温保持时间短的缺陷。由此，我们通过这次设计向人们阐述传统热水器带来的不便。并且我们以STC12C5A60C2为主控芯片，外接继电器，蜂鸣器，按键以及温度和水位传感器，以此来实现恒温加热，实时注水等功能。最终经过不懈的努力,在Keil5和Proteus开发环境下设计了一套贴近人民生活,方便、快捷、实用的智能热水器系统。