基于單片機(jī)的家用熱水器控制器設(shè)計畢業(yè)設(shè)計論文

摘要我的畢業(yè)設(shè)計題目是：基于單片機(jī)的家用熱水器控制器的設(shè)計。目前熱水器已成為日常生活中不可缺少的家用電器，設(shè)計制造更實用、更方便、更安全、更節(jié)能的熱水器是產(chǎn)品設(shè)計師和生產(chǎn)廠商不斷追求的目標(biāo)[1]。家用熱水器具有體積小、使用安全、安裝方便等優(yōu)點。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計包括加熱控制、溫度檢測等電路的設(shè)計。電熱水器是一種可供洗手間、廚房、浴室使用的家用電器，具有無污染、安全、保溫時間長、使用方便等優(yōu)點。隨著人民生活水平的不斷提高和我國電力工業(yè)的不斷發(fā)展,電熱水器得到不斷普及。本文給出了一種基于51單片機(jī)實現(xiàn)的熱水器電加熱器的設(shè)計方案。本文運用以AT89S51為控制核心的方法，提出了利用DS18B20來實現(xiàn)溫度檢測，并設(shè)計一個由繼電器控制的電路，利用繼電器來改變小電流控制的電路功率，構(gòu)建了一個加熱控制電路，從而得出了可以實現(xiàn)加熱以及保溫的結(jié)論。關(guān)鍵字：熱水器，單片機(jī)，DS18B20溫度檢測器，繼電器Micro-controllerofwaterheatercontrollerdesignAbstractMygraduationprojecttopicis:thedesignofmicrocontroller-basedhomewaterheatercontroller.Waterheatershavebecomeindispensableinthedailylifeofhouseholdappliances,thedesignandmanufactureofmorepractical,moreconvenient,safer,moreenergy-efficientwaterheateriscontinuingtopursuethegoalofproductdesignersandmanufacturers.Thehardwarecircuitdesignincludingheatingcontrol,temperaturedetectioncircuitdesign.Electricwaterheaterisanavailabletoilet,kitchen,bathroomandhouseholdappliances.Hastheadvantagesofclean,safe,longholdingtime,easytouse.Withthecontinuousimprovementofpeople'slivingstandardsandthecontinuousdevelopmentofChina'spowerindustry,electricwaterheatersarebecomingmoreprevalent.Inthispaper,basedon51single-chipdesignoftheauxiliaryheatingofthewaterheater.Inthispaper,AT89S51asthecontrolcore,DS18B20temperaturedetection,andtodesignarelaycontrolcircuit,usetherelaytochangethesmall-currentcontrolcircuitpowertobuildaheatingcontrolcircuit,inordertogetconclusionofwaterheatingcanbeachievedandthekeepingoftemperature..Keywords：Waterheater,micro-controller,DS18B20temperaturedetector,relay目錄TOC\o"1-3"\h\u184281引言 1135802家用電熱水器控制器的硬件設(shè)計 2106002.1系統(tǒng)總體設(shè)計方案 2168622.1.1主要技術(shù)參數(shù) 2243942.3單片機(jī)的最小系統(tǒng) 3154342.3.1單片機(jī)的選擇 321592.3.2復(fù)位電路和晶振電路 6127392.4溫度傳感器DS18B20的選擇確定 799652.4.1DS18B20的特性 7257762.4.2DS18B20的測溫原理 8188462.5鍵盤與顯示 10270422.5.1鍵盤部分 10122702.5.2顯示電路 11202742.6溫度檢測電路的設(shè)計 12110982.7報警電路設(shè)計 13306482.8單片機(jī)與PC機(jī)的通信接口 1310402.8.1串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)RS-232C 1438052.8.2RS-232C與TTL邏輯電平的轉(zhuǎn)換 1447082.9電源電路的設(shè)計 14168222.10模式選擇電路的設(shè)計 15217552.11加熱控制電路的設(shè)計 1627323系統(tǒng)的軟件設(shè)計 17249733.1設(shè)計思想 17250233.2程序設(shè)計及流程圖 17196093.2.1初始化模塊 1771503.2.2溫度采集模塊 18183553.2.3控制按鍵設(shè)計子程序流程圖 18232373.2.4加熱控制模塊設(shè)計子程序流程圖 19295334調(diào)試部分 21136574.1proteus簡介 2121844.1.1軟件功能特點 21200364.2仿真結(jié)果 22243615結(jié)論 24262026致謝 2517044參考文獻(xiàn) 2614896附錄一原理圖 2718800附錄二PCB圖 2810410附錄三仿真圖 2922142附錄四程序 301引言當(dāng)今社會大部分人在使用熱水器時，基本上都是采用的快熱式的。這是因為它給人們帶來了極大的方便，人們不再為熱水器耗電量大而發(fā)愁，所以快熱式電熱水器走進(jìn)千家萬戶應(yīng)經(jīng)成為必然的。我國也在不斷大力提倡家庭使用熱水器，這樣可以為國家節(jié)省很多電能。使用電熱水器的方便之處還在于我國的電力來源比較方便，電能是無污染、清潔的，很受人們歡迎。目前市場燃?xì)鉄崴鳌⑻柲軣崴?、儲水式電熱水器遍地開花，然而燃?xì)鉄崴饕蚱浒踩[患及越來越高的使用成本正逐漸淡出熱水器市場[2]；而太陽能熱水器也因其嚴(yán)格受天氣、氣候及安裝條件影響而很難占有更大市場份額；所以電熱水器以其小巧時尚的外觀、而且加熱方便、比燃?xì)鉄崴鞲踩奶攸c橫空出世！在歐洲、東南亞市場熱水器發(fā)展歷程充分證明了這一點。普通電熱水器有如下缺點：1、熱水器長期通電，長期保持在六十度以上高溫，發(fā)熱管易結(jié)垢，內(nèi)膽易漏水，因而較易損壞；2、管道熱水熱量損耗大；3、等候用水時間太長；4、在熱水流出前都必須浪費一定量的冷水，根據(jù)管道的長短，一般家庭中冷水損耗量大，基本可達(dá)10-25升/次。而電熱水器克服了上述缺點。它有很多優(yōu)點，如：安全，干凈環(huán)保；體積小所占空間小，安裝方便，款式多樣，美觀實用，也是職工福利和客戶禮品的絕佳選擇。特別方便于洗滌，和洗漱，是為現(xiàn)代家居廚房洗滌、衛(wèi)生間洗漱專業(yè)設(shè)計生產(chǎn)的快速電熱水器，結(jié)合了燃?xì)鉄崴骱蛡鹘y(tǒng)儲水式電熱水器優(yōu)點[3]。這里之所以設(shè)計家用電熱水器正是看到了它的未來，即將來人們將越來越多的使用它。系統(tǒng)主要要求：控制器控制的熱水器功率是2000W，采用兩根加熱棒。可以顯示熱水器當(dāng)前水溫和設(shè)置水溫。可以進(jìn)行水溫設(shè)置?？梢赃M(jìn)行速熱整桶水和低功率加熱等加熱模式的選擇。5、加熱、保溫、低功率三種加熱模式進(jìn)行顯示。2家用電熱水器控制器的硬件設(shè)計對于家用電熱水器來說，硬件系統(tǒng)是它的最基本的框架，是系統(tǒng)的所有功能的叢礎(chǔ)。硬件的選擇和所選硬件的性能對系統(tǒng)的功能實現(xiàn)以及系統(tǒng)的精度都有直接的影響，系統(tǒng)的設(shè)計成功與否很大程度上取決于硬件系統(tǒng)的設(shè)汁。本系統(tǒng)硬件方案論證包括單片機(jī)、溫度檢測傳感器、加熱控制驅(qū)動電路、電源電路、及鍵盤和顯示等電路的選擇。2.1系統(tǒng)總體設(shè)計方案設(shè)計家用電熱水器控制器，使控制器控制的熱水器功率為2000W，采用兩個加熱棒?？梢燥@示熱水器當(dāng)前水溫和設(shè)置水溫；可以進(jìn)行水溫設(shè)置；設(shè)計也要實現(xiàn)可以進(jìn)行速熱整桶水、低功率等加熱模式的選擇等功能。利用發(fā)光二級管對加熱、保溫和低功率三種模式進(jìn)行顯示。系統(tǒng)硬件電路包括加熱控制、溫度檢測、報警、復(fù)位等電路的組成。利用LCD1602來顯示實時設(shè)定溫度和實際溫度[4]。2.1.1主要技術(shù)參數(shù)1溫度檢測范圍是0℃-80℃2測量精度：+1℃3鍵盤是采用撥動開關(guān)，實現(xiàn)溫度設(shè)定范圍為：0℃～80℃4參數(shù)調(diào)整：手動控制/程序控制5增加預(yù)警系統(tǒng)，當(dāng)加熱到設(shè)定的溫度時，則發(fā)出報警信號2.2電熱水器控制器系統(tǒng)組成框圖電熱水器控制電路由時鐘電路，復(fù)位電路，單片機(jī)，按鍵，LCD1602，傳感器，繼電器等部分組成。當(dāng)單片機(jī)的P22、P21口輸出低電平“0”時，兩根加熱棒都工作。當(dāng)P23輸出“0”時，報警電路工作。當(dāng)P24、P25、P26、P27口為“1”時，發(fā)光二級管亮，模式選擇顯示工作。按鍵電路中，若有鍵按下，則對應(yīng)的單片機(jī)管腳為“1”信號。熱水器控制器系統(tǒng)組成框圖如圖2-1：圖2-1熱水器控制器系統(tǒng)組成框圖2.3單片機(jī)的最小系統(tǒng)所謂最小系統(tǒng)就是指由單片機(jī)和一些基本的外圍電路所組成的一個可以工作的單片機(jī)系統(tǒng)。一般來說，它包括單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路。①晶振電路：AT89S51片內(nèi)有一個由高增益反相放大器構(gòu)成的振蕩電路。XTALl和XTAL2分別為振蕩電路的輸入輸出端。其振蕩電路有2種組成方式：片內(nèi)振蕩器和片外振蕩器。②復(fù)位電路：在RST輸入端出現(xiàn)高電平時實現(xiàn)復(fù)位和初始化[5]。2.3.1單片機(jī)的選擇單片機(jī)的全稱是微型計算機(jī)（SingleChipMicrocomputer）。我們知道8031芯片內(nèi)部無ROM，需要外擴(kuò)程序存儲器,由此造成電路焊接的困難，況且使用8031還需要另外購買其他的芯片，如A/D轉(zhuǎn)換及定時/計數(shù)器（PWM）等芯片，從而造成成本較高，不實用[6]。熱水器控制電路數(shù)控部分采用AT89S51單片機(jī)作為控制核心。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89S51具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I／0口，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，2個16位定時器／計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S51可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，單片機(jī)停止工作，允許RAM、定時器／計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止。直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。8位微控制器8k字節(jié)為在系統(tǒng)可編程Flash[7]。STC89C51單片機(jī)的管腳圖如圖2-2：圖2-2AT89C51單片機(jī)的管腳圖各引腳介紹如下：1．電源和晶振VCC——運行和程序校驗時加+5VGND——接地XTAL1——輸入到振蕩器的反向放大器XTAL2——反向放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時鐘發(fā)生器（當(dāng)使用外部振蕩器時，XTAL1接地，XTAL2接收振蕩器信號）RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的[8]。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。2．I/O（4個口，32根）P0口——8位、漏極開路的雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲器（ROM、RAM）時，作地址和數(shù)據(jù)分時復(fù)用。在程序校驗期間，輸出指令字節(jié)（需加外部上拉電路）。P0口（作為總線時）能驅(qū)動8個LSTTL負(fù)載。P1口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口。在編程/校驗期間，用于輸入低位字節(jié)地址。P1口可驅(qū)動4個LSTTL負(fù)載。對于80C51，P1.0——T2，是定時器的計數(shù)端且位輸入；P1.1——T2EX，是定時器的外部輸入端。這時，讀兩個特殊輸入引腳的輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。P2口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲器（ROM及RAM）時，輸出高8位地址。在編程/校驗期間，接收高位字節(jié)地址。P2口可以驅(qū)動4個LSTTL負(fù)載。P3口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路。P3口提供各種替代功能。在提供這些功能時，其輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。P3口可以輸入/輸出4個LSTTL負(fù)載。3．串行口P3.0——RXD（串行輸入口），輸入。P3.1——TXD（串行輸出口），輸出。4．中斷P3.2——INT0外部中斷0，輸入。P3.3——INT1外部中斷1，輸入。5．定時器/計數(shù)器P3.4——T0定時器/計數(shù)器0的外部輸入，輸入。P3.5——T1定時器/計數(shù)器1的外部輸入，輸入。6．?dāng)?shù)據(jù)存儲器選通P3.6——WR低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通。P3.7——RD低電平有效，輸出，片外存儲器讀選通。7．控制線(共4根)輸入：RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。EA/Vpp——片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。在編程時，其上施加21V的編程電壓。注意：在加密方式1時，EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。輸入、輸出ALE/PROG——地址鎖存允許信號，輸出。ALE以1/6的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出，可用作對外輸出的時鐘或用于定時。在EPROM編程期間，作輸入，輸入編程脈沖（PROG）。ALE可以驅(qū)動8個LSTTL負(fù)載。當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號[9]，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。注意：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。輸出：PSEN——片外程序存儲器選通信號，低電平有效。在從片外程序存儲器取址期間，在每個機(jī)器周期中，當(dāng)PSEN有效時，程序存儲器的內(nèi)容被送上P0口（數(shù)據(jù)總線）。PSEN可以驅(qū)動8個LSTTL負(fù)載。2.3.2復(fù)位電路和晶振電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動[10]。整個復(fù)位電路包括芯片內(nèi)、外兩部分。外部電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(RST)送至施密特觸發(fā)器，再由片內(nèi)復(fù)位電路在每個機(jī)器周期的S5P2時刻對施密特觸發(fā)器的輸出進(jìn)行采樣，然后才得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。并且在外圍設(shè)計晶振電路使51單片機(jī)正常工作。晶振電路：AT89S51片內(nèi)有一個由高增益反相放大器構(gòu)成的振蕩電路。XTALl和XTAL2分別為振蕩電路的輸入輸出端。本系統(tǒng)的復(fù)位和晶振電路采用圖2-3所示的復(fù)位方式。圖2-3晶振和復(fù)位電路2.4溫度傳感器DS18B20的選擇確定DS1820通過一個單線接口發(fā)送或接收信息，因此在中央微處理器和DS1820之間僅需一條連接線（加上地線）。用于讀寫和溫度轉(zhuǎn)換的電源可以從數(shù)據(jù)線本身獲得，無需外部電源。因為每個DS1820都有一個獨特的片序列號，所以多只DS1820可以同時連在一根單線總線上，這樣就可以把溫度傳感器放在許多不同的地方。這一特性在HVAC環(huán)境控制、探測建筑物、儀器或機(jī)器的溫度以及過程監(jiān)測和控制等方面非常有用[11]。2.4.1DS18B20的特性1、獨特的單線接口僅需一個端口引腳進(jìn)行通訊2、簡單的多點分布應(yīng)用3、無需外部器件4、可通過數(shù)據(jù)線供電5、零待機(jī)功耗6、測溫范圍-55~+125℃，以0.5℃遞增。華氏器件-67F—+2570F，以0.90F遞增溫度以9位數(shù)字量讀出7、溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間200ms（典型值）8、用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置9、報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件10、應(yīng)用包括溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費品、溫度計或任何熱感測系統(tǒng)DS18B20的管腳圖如圖2-4圖2-4芯片DS18B202.4.2DS18B20的測溫原理DS1820是這樣測溫的：用一個高溫度系數(shù)的振蕩器確定一個門周期，內(nèi)部計數(shù)器在這個門周期內(nèi)對一個低溫度系數(shù)的振蕩器的脈沖進(jìn)行計數(shù)來得到溫度值。計數(shù)器被預(yù)置到對應(yīng)于-55℃的一個值。如果計數(shù)器在門周期結(jié)束前到達(dá)0，則溫度寄存器（同樣被預(yù)置到-55℃）的值增加，表明所測溫度大于-55℃。同時，計數(shù)器被復(fù)位到一個值，這個值由斜坡式累加器電路確定，斜坡式累加器電路用來補(bǔ)償感溫振蕩器的拋物線特性。然后計數(shù)器又開始計數(shù)直到0，如果門周期仍未結(jié)束，將重復(fù)這一過程[12]。表格2-1給出了溫度和數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。表2-1溫度和數(shù)據(jù)的關(guān)系溫度數(shù)據(jù)輸出（二進(jìn)制）數(shù)據(jù)輸出（十六進(jìn)制）+125000000001111101000FA+2500000000001100100032+1/200000000000000010001000000000000000000000-1/21111111111111111FFFF-251111111111001110FFCE-551111111110010010FF92斜坡式累加器用來補(bǔ)償感溫振蕩器的非線性，以期在測溫時獲得比較高的分辨力。這是通過改變計數(shù)器對溫度每增加一度所需計數(shù)的的值來實現(xiàn)的[13]。DS1820內(nèi)部對此計算的結(jié)果可提供0.5℃的分辨力。溫度以16bit帶符號位擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式讀出，表2-2給出了溫度值和輸出數(shù)據(jù)的關(guān)系。數(shù)據(jù)通過單線接口以串行方式傳輸。DS1820測溫范圍-55℃~+125℃，以0.5℃遞增。如用于華氏溫度，必須要用一個轉(zhuǎn)換因子查找表。最高有效（符號）位被復(fù)制充滿存儲器中兩字節(jié)溫度寄存器的高M(jìn)SB位，由這種“符號位擴(kuò)展”產(chǎn)生出了16bit溫度讀數(shù)。圖2-5DS18B20方框圖圖2-5的方框圖示出了DS1820的主要部件。DS1820有三個主要數(shù)字部件：1）64位激光ROM，2）溫度傳感器，3）非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL。器件用如下方式從單線通訊線上汲取能量：在信號線處于高電平期間把能量儲存在內(nèi)部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。DS1820也可用外部5V電源供電[14]。DS1820依靠一個單線端口通訊。在單線端口條件下，必須先建立ROM操作協(xié)議，才能進(jìn)行存儲器和控制操作。因此，控制器必須首先提供下面5個ROM操作命令之一：1）讀ROM，2）匹配ROM，3）搜索ROM，4）跳過ROM，5）報警搜索。這些命令對每個器件的激光ROM部分進(jìn)行操作，在單線總線上掛有多個器件時，可以區(qū)分出單個器件，同時可以向總線控制器指明有多少器件或是什么型號的器件。成功執(zhí)行完一條ROM操作序列后，即可進(jìn)行存儲器和控制操作，控制器可以提供6條存儲器和控制操作指令中的任一條[15]。一條控制操作命令指示DS1820完成一次溫度測量。測量結(jié)果放在DS1820的暫存器里，用一條讀暫存器內(nèi)容的存儲器操作命令可以把暫存器中數(shù)據(jù)讀出。溫度報警觸發(fā)器TH和TL各由一個EEPROM字節(jié)構(gòu)成。如果沒有對DS1820使用報警搜索命令，這些寄存器可以做為一般用途的用戶存儲器使用?？梢杂靡粭l存儲器操作命令對TH和TL進(jìn)行寫入，對這些寄存器的讀出需要通過暫存器。所有數(shù)據(jù)都是以最低有效位在前的方式進(jìn)行讀寫。寄生電源寄生電源的方框圖見圖1。這個電路會在I/O或VDD引腳處于高電平時“偷”能量。當(dāng)有特定的時間和電壓需求時（見節(jié)標(biāo)題“單線總線系統(tǒng)”），I/O要提供足夠的能量。寄生電源有兩個好處：1）進(jìn)行遠(yuǎn)距離測溫時，無需本地電源，2）可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀ROM。要想使DS1820能夠進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/O線必須在轉(zhuǎn)換期間保證供電。由于DS1820的工作電流達(dá)到1mA，所以僅靠5K上拉電阻提供電源是不行的，當(dāng)幾只DS1820掛在同一根I/O線上并同時想進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換時，這個問題變得更加尖銳。2.5鍵盤與顯示2.5.1鍵盤部分方案一：采用矩陣式鍵盤，其優(yōu)點是可以按鍵多，適合于要求使用多按鍵的場合，如計算器，電子密碼鎖等。缺點是占用較多的I/O口，軟件編程復(fù)雜，鍵盤掃描時間較長。方案二：采用獨立式按鍵，其優(yōu)點是響應(yīng)速度快，接口簡單，易于編程，使用方便。本設(shè)計需要按鍵不多，故通過上述兩個方案的比較，本設(shè)計采用方案二，使用獨立式按鍵。共設(shè)置四個按鍵，第一個按鍵為復(fù)位鍵，第二個按鍵為設(shè)置鍵，第三個按鍵為加一鍵。第四個按鍵為減一鍵。當(dāng)P13口為低電平時，則鍵K1按下，為高電平時，表示無鍵按下。同理，當(dāng)P14口為低電平時，則鍵K2按下，為高電平時，表示無鍵按下。當(dāng)P15口為低電平時，則鍵K3按下，為高電平時，表示無鍵按下。當(dāng)P16口為低電平時，則鍵K4按下，為高電平時，表示無鍵按下。鍵盤連接如圖2-6：圖2-6鍵盤連接2.5.2顯示電路方案一：LCD1602液晶顯示，具有字符發(fā)生器ROM可顯示192種字符，具有64個字節(jié)的自定義字符RAM，但是不能顯示漢字，只能顯示ASCII碼且只能顯示顯示兩行。方案二：12864是128*64點陣液晶模塊的點陣數(shù)簡稱，其是一種具有內(nèi)部含國際一級、二級簡體中文字庫的顯示模塊，分辨率為128*64，內(nèi)置8192個16*16點漢字和128個16*8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可顯示8*4行16*16點陣的漢字，也可顯示圖形。低電壓低功耗是其又一顯著特點。方案三：數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，其驅(qū)動方式分別為靜態(tài)驅(qū)動和動態(tài)驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動編程簡單，顯示亮度高，但占用的I/O端口多，在實際應(yīng)用時必須增加譯碼器，是硬件電路更復(fù)雜。針對數(shù)碼管，其顯示單調(diào)且不具備數(shù)據(jù)的直觀性。比較上面三種方案，本系統(tǒng)采用LCD1602進(jìn)行顯示。表2-2LCD1602主要技術(shù)參數(shù)顯示容量16*2個字符芯片工作電壓4.5—5.5V工作電流2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓5.0V字符尺寸2.95*4.35（WXH）mm表2-3LCD160接口信號說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2DataI/O2VDD電源正級10D3DataI/O3VL液晶顯示偏壓信號11D4DataI/O4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端12D5DataI/O5R/W讀/寫選擇端13D6DataI/O6E使能信號14D7DataI/O7D0DataI/O15BLA背光級正極8D1DataI/O16BLK背光級負(fù)極LCD1602結(jié)構(gòu)如圖2-7所示，由圖可知，LCD1602的8個輸入端DB0-DB7口與單片機(jī)的8個P0口相連。P10口接R/S（數(shù)據(jù)/命令選擇端），P11口接R/W（讀/寫選擇端），P12口接E（使能信號）。圖2-7LCD1602液晶顯示2.6溫度檢測電路的設(shè)計由于DS18B20只有一個串行接口，與單片機(jī)與單片機(jī)的連接電路和很簡單，只需與單片機(jī)的一個I/O端口連接即可。其連接圖如圖7所示，DS18B20的I/O屬于漏極開路輸出，外接上拉電阻后常態(tài)下成高電平。該器件內(nèi)含有寄生電源，其供電方式可以選擇寄生電源方式，也可以選擇外部電源。為方便起見，采用寄生電源供電。且最大特點就是不需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使硬件電路變得簡單。溫度檢測電路如下圖2-8：圖2-8溫度檢測電路2.7報警電路設(shè)計在微型計算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設(shè)有緊急狀態(tài)報警系統(tǒng)，一邊提醒操作人員注意，或采取緊急措施。其方法就是把計算機(jī)采集的數(shù)據(jù)記過計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，標(biāo)度變換以后，與該參數(shù)上下限給定值進(jìn)行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進(jìn)行報警。否則就作為正常的采樣值進(jìn)行顯示和控制。本設(shè)計采用蜂鳴報警電路。蜂鳴報警接口電路的設(shè)計只需購買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過STC89C52的1根線經(jīng)驅(qū)動器蜂鳴音發(fā)聲。如圖2-9所示，當(dāng)輸出為“0”時，晶體管導(dǎo)通，壓電蜂鳴器兩端獲得+5V電壓而鳴叫；當(dāng)輸出高電平為“1”時，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。圖2-9報警電路2.8單片機(jī)與PC機(jī)的通信接口利用STC89C51單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)串行接口，通過簡單的外圍接口電路，可以方便的實現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。在設(shè)計硬件接口電路時，應(yīng)充分考慮到電路的電氣特性、邏輯電平以及驅(qū)動能力的匹配問題，若匹配得不好，將會導(dǎo)致通信失敗。2.8.1串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)RS-232CPc機(jī)上均帶有標(biāo)準(zhǔn)的RS一232C接口。Rs一232C是由EIA(美國電子工業(yè)協(xié)會)于1969年正式公布的、在異步串行通信中應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線接口，適合于短距離通信或帶調(diào)制解調(diào)器的通信應(yīng)用場合。采用RS一232C標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，最大傳輸速率為20kbit／s，最大距離為15m。它們之間具有相關(guān)性，適當(dāng)降低傳輸速率就可加大傳輸距離，反之，適當(dāng)減少傳輸距離就可提高傳輸速率。2.8.2RS-232C與TTL邏輯電平的轉(zhuǎn)換由于Pc機(jī)串行口使用的是RS一232C邏輯電平，而AT89C51單片機(jī)串行口的輸入輸出均為ITL電平，因此當(dāng)Pc機(jī)與單片機(jī)通信時必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。本文使用雙向電平轉(zhuǎn)換集成芯片。此方法的優(yōu)點是：只需單一+5V電源供電，可靠性高，無需增加程序設(shè)計的復(fù)雜性。如前所述，本文采用MAX232作為PC機(jī)與單片機(jī)的串行通信接口芯片。硬件連接時，可從MAX232中的2路發(fā)送器和接收器中任選一路，只要注意發(fā)送與接收的引腳對應(yīng)關(guān)系即可。接口電路如圖2-10所示。圖2-10通訊接線圖2.9電源電路的設(shè)計電源電路的設(shè)計：方案一：采用干電池進(jìn)行供電，優(yōu)點是無需進(jìn)行電路設(shè)計，適合在沒有電的情況系使用，缺點是本設(shè)計需要用到的為5V電壓，而干電池每節(jié)1.5V，采用4.5V電壓可能會使系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。方案二：采用USB供電，優(yōu)點是電路簡單，使用方便。缺點是供電電壓有時不穩(wěn)定，對系統(tǒng)運行造成影響。方案三：采用直流12V電壓,經(jīng)過穩(wěn)壓電路后，得到穩(wěn)定的+5V電壓。通過三個方案的比較，本設(shè)計采用方案三。原理圖如圖2-11所示，由圖可知，通過變壓器和整流橋，然后在經(jīng)過穩(wěn)壓電路成為輸出為+5V的直流電。圖2-11電源系統(tǒng)連接圖2.10模式選擇電路的設(shè)計本文中采用四個發(fā)光二級管串接四個電阻組成模式選擇電路。來顯示系統(tǒng)工作的狀態(tài)：加熱、保溫、低功率或復(fù)位這四個不同的狀態(tài)。電路如圖2-12所示。當(dāng)P24、P25、P25或P26口為“1”時，發(fā)光二級管導(dǎo)通，此時顯示控制器的工作狀態(tài)是加熱、保溫、低功率還是不工作。圖2-12模式選擇電路2.11加熱控制電路的設(shè)計本文采用繼電器控制的小電流電路，用來控制加熱電路，用以改變電路的電流以及功率，從而實現(xiàn)電路的低功率加熱、保溫、速效加熱等。設(shè)計電路如圖2-13所示。①當(dāng)P21、P22均為“0”時，加熱棒D8、D9工作，此時可實現(xiàn)速熱的功能。②P21為“0”，P22為“1”時，加熱棒D8工作，D9不工作，工作狀態(tài)為一根加熱棒加熱。③P21為“1”，P22為“0”時，加熱棒D8工作，D9不工作，工作狀態(tài)為一根加熱棒加熱。④P21、P22均為“1”時，加熱棒D8和D9均不工作。圖2-13加熱控制電路3系統(tǒng)的軟件設(shè)計基于單片機(jī)的家用電熱水器的設(shè)計主要包括主程序、顯示掃描、按鍵掃描子程序、加熱控制子程序和溫度檢測子程序。要想實現(xiàn)預(yù)設(shè)計的功能軟件的設(shè)計至關(guān)重要，應(yīng)認(rèn)真考慮。3.1設(shè)計思想根據(jù)實際需要，單片機(jī)軟程序有若干模塊組成：初始化模塊、LCD顯示模塊、時鐘模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。其中有些模塊還包括子模塊，使用時，下一級模塊被高一級模塊調(diào)用，各部分既相互獨立又相互聯(lián)系。3.2程序設(shè)計及流程圖3.2.1初始化模塊程序初始化如圖3-1所示。系統(tǒng)開始運行后進(jìn)行各子程序的初始化這部分實現(xiàn)的功能包括各種I/O口輸入輸出狀態(tài)的設(shè)定、寄存器的初始化、中斷使能等。3-1程序初始化流程圖3.2.2溫度采集模塊DS18B20是數(shù)字型溫度傳感器，單片機(jī)可直接采集其數(shù)據(jù)，經(jīng)過特定程序的處理即可應(yīng)用。溫度采集模塊如圖3-2所示。圖3-2溫度采集模塊3.2.3控制按鍵設(shè)計子程序流程圖按鍵設(shè)置一共有四個按鍵，功能分別為：復(fù)位鍵、設(shè)置鍵、加一鍵、減一按鍵。按鍵處理子程序流程圖如圖3-3所所示。3-3按鍵處理子程序流程圖3.2.4加熱控制模塊設(shè)計子程序流程圖本設(shè)計利用連個繼電器控制加熱模塊的通斷，加熱控制模塊設(shè)計子程序流程圖如圖3-4所示。3-4加熱控制模塊設(shè)計子程序流程圖4調(diào)試部分整個溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計包括軟件設(shè)計。這一章的主要內(nèi)容是將軟件設(shè)計部分通過proteus軟件進(jìn)行仿真，將系統(tǒng)的設(shè)計功能通過仿真模擬體現(xiàn)出直觀的效果。4.1proteus簡介Proteus軟件是英國Labcenterelectronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。在此次畢業(yè)設(shè)計中，利用仿真軟件proteus來進(jìn)行再一次的繪圖和仿真。4.1.1軟件功能特點1）實現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。2）支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。3）提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如KeilC51uVision2等軟件。4）具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能?？傊撥浖且豢罴瘑纹瑱C(jī)和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。本章介紹ProteusISIS軟件的工作環(huán)境和一些基本操作。4.2仿真結(jié)果打開已經(jīng)設(shè)計好的電路圖文件，運行仿真。首先，液晶屏顯示的設(shè)定水溫(設(shè)置一個最高溫和一個最低水溫)。如仿真圖圖4-1和4-2所示。此時我用4個按鍵來設(shè)置溫度。設(shè)置鍵用來選擇設(shè)置的是最低溫度或者最高溫度，而加一減一鍵用來改變設(shè)置的溫度值，而復(fù)位鍵按下之后則顯示的是當(dāng)前溫度，如圖4-3所示。4-1按鍵仿真電路圖4-2設(shè)置的溫度值顯示通過上述仿真，實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)置水溫和報警等功能。當(dāng)實際水溫低于設(shè)定水溫時系統(tǒng)自動開啟加熱裝置，當(dāng)水溫上升到設(shè)定的最高溫度后系統(tǒng)會自動停止加熱并且產(chǎn)生報警信號。系統(tǒng)通過調(diào)試組裝后一般即可正常工作。根據(jù)實踐證明，接通電源后，LCD1602顯示溫度，按一下設(shè)置鍵，并可以通過“加一”“減一”鍵來調(diào)節(jié)溫度值的大小，直到到達(dá)想要設(shè)置的值為止。在調(diào)試過程中，LCD1602在正常的溫度范圍內(nèi)完全可以顯示出溫度，將DS18B20測試的當(dāng)前溫度調(diào)到設(shè)置的最高溫度之上或者最低的溫度之下時，會在仿真中聽到報警聲。5結(jié)論本系統(tǒng)歷時15周完成，通過老師的悉心指導(dǎo)以及自己的努力終于完成。本次畢業(yè)設(shè)計是對所學(xué)知識的一次綜合性運用。其中包括對模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、單片機(jī)等知識的運用。從而完成了本次設(shè)計。在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自身知識的不足，也發(fā)現(xiàn)我們必須具備專業(yè)基礎(chǔ)知識以外，才能成功的設(shè)計出一件合格的東西。對于家用電熱水器來說，硬件系統(tǒng)是它的最基本的框架，是系統(tǒng)的所有功能的叢礎(chǔ)。硬件的選擇和所選硬件的性能對系統(tǒng)的功能實現(xiàn)以及系統(tǒng)的精度都有直接的影響，系統(tǒng)的設(shè)計成功與否很大程度上取決于硬件系統(tǒng)的設(shè)汁。本系統(tǒng)硬件方案論證包括單片機(jī)、溫度檢測傳感器、加熱控制驅(qū)動電路、電源電路、及鍵盤和顯示等電路的選擇。這次畢業(yè)設(shè)計收獲很多，體會也很深刻，并且對我們所學(xué)的東西也產(chǎn)生了濃厚的興趣。在設(shè)計過程中，也學(xué)會了很多新的東西，PROTEL軟件繪制電路原理圖和PCB圖，以及一些仿真軟件的應(yīng)用，最典型的就是PROTEUS軟件的應(yīng)用，以及與KEIL軟件的聯(lián)合使用功能。當(dāng)然最重要的是學(xué)到了關(guān)于基本電子設(shè)計的一些基本方法，同時也加深了對一些常用的電子元件的理解及其基本用法的掌握。除此之外，我覺得在這次設(shè)計的過程中，我發(fā)現(xiàn)團(tuán)隊精神的重要性，很多時候一個人的力量是有限的，一個人不可能什么都會，什么都能自己解決，還是有需要他人幫助的時候，我覺得人與人之間的相互幫助很有必要，這樣不僅能幫助大家很快的解決問題，還能提高我們每個人的實際水平，也培養(yǎng)了我們的團(tuán)隊合作精神，這些能力對于我們今后的學(xué)習(xí)和工作都很有幫助。由于要兼顧畢業(yè)設(shè)計和考研復(fù)試的準(zhǔn)備，本次設(shè)計中還有不盡完善之處。希望在以后的學(xué)習(xí)生涯中不斷的完善和改進(jìn)。6致謝這次畢業(yè)設(shè)計歷時半年，中間也有在設(shè)計過程中遇到不少問題，在xx老師和同學(xué)的幫助和配合下才順利的完成了畢業(yè)設(shè)計。xx老師在我們做設(shè)計的過程中，給予了我們極大的幫助，不僅從知識方面引導(dǎo)了我們的設(shè)計思路，同時，在人生觀上也給了我們不少的啟示。在此，我對老師和同學(xué)表示深深的謝意。參考文獻(xiàn)[1]關(guān)健成,何碧霞.基于單片機(jī)的溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化應(yīng)用,2010(10):64-68[2]張平川,許興廣.基于單片機(jī)電熱水器模糊控制系統(tǒng)設(shè)計[J].2007（10）：145-146[3]季曉芳,張春來.家用電熱水器控制系統(tǒng)的實驗研究[J].電子測試,2009(10):77-81[4]李銀華.家用電熱水器模糊控制器的設(shè)計[J].家用電器科技,1999(3):23-24[5]董萬春.家用燃?xì)鉄崴髦悄芄嵯到y(tǒng)[J].信息技術(shù),2001(2):8-10[6]譚樹龍,王瑞玲.家用太陽能熱水器控制器[J].單片機(jī)及應(yīng)用,1994(9):31[7]周云龍.家用太陽能熱水器自動進(jìn)水控制器的研究[J].電子儀器儀表用戶,1999(6):8-10[8]鄭權(quán).可靠適用的溫度控制器[J].電子制作,2000(1):17-19[9]徐鵬,譚智,但遠(yuǎn)宏.雙功能燃?xì)鉄崴髂：刂葡到y(tǒng)設(shè)計[J].Automation＆Instrumentation,2010(7):24-27[10]李章勇,官方勇.太陽能熱水器智能控制器研制[J].2008年家用自動控制器技術(shù)國際研討會,2008（11):177-180[11]苗紅蕾.一款新型的智能家用電熱水器[J].邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2005(11):60-63[12]郁玉龍,趙寧盧,洪武.用AT89C51單片機(jī)設(shè)計智能家用電熱水器[J].實用電子制作,2007(10):33-35[13]蔡滿軍,吳磊.智能溫度控制器的設(shè)計[J].自動化儀表,2010(10):68-75[14]HuangDinpjin,FeiHan，LiLiang，ZhuYunzhou.DesignforN+IFault-tolerantIntegratedSolarController[J].Automation＆Instrumentation,2010(10):151-154[15]SurachaiPanich.DevelopmentofFuzzyControllerforWaterLevelinStreamBoilerTank[J].JournalofComputerScience,2010(11):1233-1236附錄一原理圖附錄二PCB圖、附錄三仿真圖附錄四程序/*頭文件*/#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#definenop()_nop_()#define_Nop()_nop_()sbitDQ=P1^5;//定義DS18B20通信端口sbitlcdrs=P2^0;/*定義LCD控制端口*/sbitrw=P2^1;/*定義LCD控制端口*/sbitlcden=P2^2;/*定義LCD控制端口*/bitflag=0;sbitp15=P1^5;sbitp16=P1^6;sbitp30=P3^0;sbitp31=P3^1;sbitk0=P1^0;sbitk1=P1^1;sbitk2=P1^2;sbitk3=P1^3;uchartable1[]="chenbeibei";uchartable2[]="TEMP:00.0C";uchartable3[]="SETTEMP:";uchartable4[]="H:60CL:40C";uchartable[];ucharH=60,L=40;/*1MS為單位的延時程序*/voiddelay_1ms(uintx){ucharj;while(x--){for(j=0;j<125;j++){;}}}/*1602函數(shù)*/voidwrite_com(uintcom){ lcdrs=0;rw=0; P0=com; delay_1ms(1); lcden=1; delay_1ms(1); lcden=0;}voidwrite_date(uintdate){ lcdrs=1;rw=0; P0=date; delay_1ms(1); lcden=1; delay_1ms(1); lcden=0;}voidlcd_init(){ lcden=0; write_com(0x38); write_com(0x0c); write_com(0x06); write_com(0x01); write_com(0x80);}voidset(ucharadd,uchardat){ucharshi,ge; shi=dat/10; ge=dat%10; write_com(0x80+0x40+add); write_date(0x30+shi);write_date(0x30+ge);}//延時函數(shù)voiddelay(unsignedinti){ while(i--);}voidkeyscan(){uchari,j; write_com(0x80); for(i=0;i<16;i++) { write_date(table3[i]); delay_1ms(2); } write_com(0x80+0x40); for(i=0;i<16;i++) { write_date(table4[i]); delay_1ms(2); } while(1) { if(k0==0) { delay_1ms(2); if(k0==0) { while(!k0); while(1) { if(k0==0) { delay_1ms(2); if(k0==0) { j++; } while(!k0); } if((j%2)==0) { if(k1==0) { delay_1ms(2); if(k1==0) { H++; } while(!k1); } if(k2==0) { delay_1ms(2); if(k2==0) { H--; } while(!k2); } } if((j%2)==1) { if(k1==0) { delay_1ms(2); i