智能恒溫電熱水器

智能恒溫電熱水器【摘要】當今熱水器作為人們生活中不可或缺的家用電器之一，而它的節(jié)能、安全、實用對我們的生活水平有著重要的影響。本設計基于更智能化的目的。無論水位過高或過低都可以實時監(jiān)控到，避免水資源的浪費。同時恒溫控制使熱水器在一定的溫度下不工作，達到節(jié)約用電的效果。另外，智能熱水器整體防漏電，起到人身安全作用。本設計智能電熱水器主要用STC89C51單片機。主要有溫度傳感器、漏電傳感器、繼電器、水位傳感器等模塊。在軟件設計方面，采用C語言編程。本設計完善，基本操作簡單易行。采用軟件設計來控制，不但能夠智能檢測水溫，加熱，還可以提升整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性?！娟P鍵詞】溫度穿器、水位傳感器、繼電器、漏電傳感器、紅外遙控引言隨著科學技術的進步，智能家居已經進入到了的日常生活中。人們對熱水器的要求也越來越高。安全可靠性、實用性、操作便捷、節(jié)能、智能化等等都已進入人們的視野里。據不完全統(tǒng)計，之前我國大部分以燃氣熱水器為主，但燃氣資源有限并且會產生有毒氣體，故漸漸地黯然失色?，F如今我國主要以電熱水器和太陽能熱水器為居多。雖說太陽能熱水器后勁十足但電熱水器風頭正茂。相比之下，電熱水器更容易易調試裝，也不會限于天氣變化的影響，不受地方的不方便而限制，而且投入小。本文介紹一種智能熱水器的設計方案，該熱水器系統(tǒng)應用了三種傳感器，溫度穿器、水位傳感器、漏電傳感器，可以檢測缸里的水位、水溫以及整個系統(tǒng)是否存在漏電安全隱患。采用紅外遙控不僅使熱水器的控制更加簡便，而且節(jié)約電能、保護環(huán)境、提高工作效率、持續(xù)穩(wěn)定的工作讓人們洗浴時隨心所暢，放松心情對人們的身體健康有利，而且符合當今現代生活的快節(jié)奏需求。系統(tǒng)概述本設計由多個模塊組成，進行數模轉換。主要通過單片機控制繼電器切斷電源讓其電熱棒和和水泵工作。2.1設計框圖智能熱水器基本分為七個部分，分別為溫度檢測、加熱電路、按鍵電路、遙控電路、顯示電路、漏電檢測電路如圖2-1所示：漏電監(jiān)測電路按鍵電路遙控電路單片機STC89C51顯示電路加熱電路溫度檢測漏電監(jiān)測電路按鍵電路遙控電路單片機STC89C51顯示電路加熱電路溫度檢測 圖2-1硬件流程圖2.2系統(tǒng)功能智能熱水器主要有以下的功能：①采用LCD1602液晶顯示、液晶可以顯示設置溫度的上下限數值、工作的時間、還有實時的溫度；②溫度上下限值設置有兩種方法：一種是手動按鍵設置另外一種是通過紅外遙控設置③當溫度低于下限的時候，繼電器就會得電就會吸合，當溫度高于上限的時候，繼電器就會失電斷開，加熱管停止加熱。④兩個上下限水位傳感器：當下限檢測到沒水時，水泵開始抽水。熱水棒也開始加熱當上限水位檢測到水位時，水泵停止抽水。⑤可以檢測整個系統(tǒng)是否存在漏電3總體方案的選擇與論證目前市場上的熱水器有電熱水器、太陽能等節(jié)能的一系列。3.1主控芯片方案一：本設計選用STC89C51單片機芯片為核心的系統(tǒng)STC89C51芯片的結構簡單、工作穩(wěn)定、體積小、效率高、而且價格實惠等優(yōu)點，在許多高科技領域都會有它的影子。用STC89C51單片機芯片為核心，和一些基本的電路如時鐘電路、復位電路、顯示器件、按鍵等組成就可以應用很廣。方案二：本設計選用PIC16C72單片機芯片為核心的系統(tǒng)PIC16C73微控制器主要的優(yōu)越性是它的精簡指令集和所采用的哈佛結構，雖然功能很強大，但是存在一些很需要改進的地方它，中斷部分需要一段程序來實現，不過用直流控制電機是，就會導致轉速太快，容易震蕩。通過方案的對比，從實際成本角度和軟硬件實施的可行性來看，采用方案一系統(tǒng)設計可行性更高，因為方案一的熱水器智能化更高，不僅可以保證使用的時候更安全，操作更方便而且可以滿足人們日常生活的需要。3.21602液晶1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用堯敏．基于單片機智能定時插座［D］．大學生論文聯合比對庫．20153.3DS18b20防水探頭DS18B20是常用的數字溫度傳感器，具有體積小，抗干擾能力強，精度高的優(yōu)點。DS18B20數字溫度傳感器接線方便，封裝成后一般適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。3.3水位傳感器水位傳感器的作用是感知水深，分別由三極管跟幾條梳狀的PCB走線構成的放大電路，并且會隨水的深度變化而變化的電阻，所以水的深度信號便轉換成電信號了，最后通過我們ADC功能就可以知道水的深度的變化了。3.4繼電器繼電器一般由鐵芯、觸點簧片、線圈、銜鐵等組成的。通常有常閉或常開兩種狀態(tài)。其原理是線圈兩端加上一定的電壓，線圈中便會有電流流過，從而產生電磁效應，銜鐵就會被電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯。郭曉航．基于STC51單片機的家用智能電熱水器［D］．大學生論文聯合比對庫．2017便會帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。郭曉航．基于STC51單片機的家用智能電熱水器［D］．大學生論文聯合比對庫．20173.5無線紅外器紅外遙控器是利用波長來傳送控制信號的遙控設備。常用的紅外遙控系統(tǒng)一般由發(fā)射和接收兩個部分組成。（1）發(fā)射部分的主要元件是紅外發(fā)光二極管。它的組成部分是一只發(fā)光二極管，因為內部材料不是普通發(fā)光二極管，所以在其兩端施加一定電壓時，射出的是紅外線電子元器件培訓電子元器件培訓-百度文庫［A］.互聯網文檔資源.2012（2）接收部分是紅外接收二極管。讓其紅外接收二極管反向偏壓，就開始工作，同時紅外接收二極管實際工作是反向運用，工作效率才會高。3.6電源STC12C5A60S2允許輸入的工作電壓范圍為3.3-5.5V，要求穩(wěn)定的輸入電壓，故直接采用移動充電寶電源外接USB可為本設計供電，方便實用。4系統(tǒng)硬件設計4.1單片機單片機顧名思義是最核心的，其又稱為單片微型計算機。主要有包括CPU、外部存儲單元、內部存儲單元、I/O接口集在同一芯片上。因為芯片功能強大、體積較小、工作穩(wěn)定和價格實惠等優(yōu)點。得到人們的認可，因而得到了廣泛的使用和推廣。圖4-1單片機4.2復位電路的設計在單片機控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)運行時有時候會出現程序跑飛等異?，F象，這時就需要對單片機進行上電復位，讓單片機重新初始化，同時為了調試的需要和系統(tǒng)的正常運行，也要有手動復位電路，單片機用的復位電路一般是輕觸開關來進行按鍵復位，電路圖如4-2圖4-2復位電路復位電路使用是5V電源，當按鍵輕觸開關時，電容C1開始放電，同時單片機RST管腳被置1，單片機被復位；當松開輕觸開關時，電容C1便會開始充電，直至電容C1充滿電，單片機進入工作狀態(tài)。4.3晶體震蕩電路本設計采用的晶振是石英晶體振蕩器，其具有非常好的抗外界干擾的能力和頻率穩(wěn)定性，因此石英晶體振蕩器可以產生基準頻率的。單片機的震蕩頻率和時間是由基準頻率精準的控制。電路如圖4-3 圖4-3晶體震蕩電路4.4按鍵電路本設計的按鍵采用獨立式按鍵，通過I/O口構成組成按鍵電路，它的優(yōu)點是每個按鍵都占用一根I/O口線，在工作的時候不會影響其它按鍵的使用。這就是獨立式按鍵如圖4-4圖4-4鍵盤接口電路圖4.5水溫檢測電路本文采用溫度傳感器DS18B20采集電熱水器的實時溫度,提供給STC89C51的P2.2口作為數據輸入。水溫主要是整個系統(tǒng)數據的采集。羅廣照．基于單片機的家用電熱水器控制系統(tǒng)［D］．大學生論文聯合比對庫．2016羅廣照．基于單片機的家用電熱水器控制系統(tǒng)［D］．大學生論文聯合比對庫．2016圖4-5水溫檢測電路4.6紅外接收電路由于紅外傳感器接收到紅外信號經BISS0001處理后輸出輸給單片機P1.0口，TEL0表示接STC89C51是的P1.0口，所以通過對P1.0電平的判斷，實現對單片機外圍電路的控制。紅外采集孫?。?1單片機的智能足浴器［D］．大學生論文聯合比對庫．2015孫?。?1單片機的智能足浴器［D］．大學生論文聯合比對庫．2015圖4-6紅外接收電路5軟件系統(tǒng)設計軟件設計主要有主程序、定時程序、紅外遙控、漏電等模塊子程序。期間主程序不斷的循環(huán)著調用子程序。定時程序、紅外遙控、漏電等不斷的檢測使能并反饋到芯片。芯片便做出相應的電信號。5.1主程序流程圖本設計主要是通過溫度的變化，讓其DS18b20防水探頭檢測到信號的變化，并將該信號傳輸到單片機。單片機收到信號后進行處理，并做出反應，水泵和熱水棒開始工作。如圖5-1按默認值運行按默認值運行是否按下溫度鍵是否按下溫度鍵設定溫度范圍以新的設定值運行開始NYYN圖5-1主程序流程框圖5.2溫度檢測流程圖當水位傳感器和DS18b20防水探頭檢測到變化時將使能信號傳送到ADC0809芯片進行A/D轉換信號，再傳送到單片機，單片機進行處理并做出反應。如圖5-2發(fā)輸出使能信發(fā)輸出使能信號發(fā)啟動A/D轉換信號轉換是否完成提取數據和查表送往P2口是否入口圖5-2溫度檢測模塊流程圖5.3溫度控制方面本設計上電后，便可以設定溫度的上下線溫度。當DS18b20檢測到溫度低于設定的下限溫度時電水棒得電開始加熱，當溫度高于設定的上限溫度時，電熱棒失電停止加熱。如圖5-3否否否是是是入口溫度是否低于某值啟動加熱停止加熱溫度是否高于某值退出圖5-3溫度控制流程圖6系統(tǒng)調試一個系統(tǒng)能否投入使用還依賴于它的硬件和軟件調試過程是否成功，經過調試以后系統(tǒng)的穩(wěn)定性才能確定，潛在問題才能被發(fā)現。6.1硬件調試采取分塊調試，是初期階段調試系統(tǒng)的基石，也是查出問題的方法之一。。6.1.1器件模塊檢測在設計完成之后，各個模塊進行連接組裝完成時必須先檢查電路連線是否有誤。同時也要檢查電路設計是否合理，對電路圖進行檢測，從頭到尾順序的逐一檢查，特別是注意電源是否接錯，電源與地是否有短接，集成電路的引腳是否接錯堯敏．基于單片機智能定時插座［D］．大學生論文聯合比對庫．2015。對制作完成的電路板進行檢測，用手輕微搖晃元器件，檢查焊點是否牢固，是否存在虛焊堯敏．基于單片機智能定時插座［D］．大學生論文聯合比對庫．20156.1.2電源調試為了保證系統(tǒng)能正常穩(wěn)定的工作系統(tǒng)，供電的電源輸出電壓范圍在4V到5.5V之間內才能確保對單片機正常供電。在電源通電之前，一定要檢查電路是否接錯，檢查電路上焊接的元器件是否焊接正確，尤其是極性電容是否有接反，是否存在虛焊、短路等問題。檢查完成之后，接通電源，并用萬用表測量電源的輸出電壓以及負載時的電壓，得到其電壓值分別為5.1V、4.8V，符合系統(tǒng)的正常工作電壓要求。堯敏．基于單片機智能定時插座［D］．大學生論文聯合比對庫．20156.1.3水位傳感器的調試將水位傳感器的下限放在杯子的底部，上限放在杯子的中間部位。使上下限有一定的高度差。當下限水位檢測沒水時，水泵進行抽水。當上限水位傳感器檢測到水位時，水泵停止抽水。如圖6-1和圖6-2圖6-1下限水位沒水時圖6-2上限水位檢測到有水6.1.4蜂鳴器電路的調試當系統(tǒng)檢測水位時，如果上限有水，下限沒水的錯誤狀態(tài)時就會報警，系統(tǒng)就會判斷出來并做出反應。蜂鳴器報警電路如圖6-3和6-4圖6-3蜂鳴器電路圖6-4蜂鳴器模塊6.1.5紅外遙控的調試紅外遙控接收器的主要作用是將遙控發(fā)射器發(fā)來的紅外光信好轉換成電信號，輸出至遙控微處理器。由于紅外傳感器接收到紅外信號經BISS0001處理后輸出輸給單片機P1.0口，TEL0表示接STC89C51是的P1.0口，所以通過對P1.0電平的判斷，實現對單片機外圍電路的控制。孫?。?1單片機的智能足浴器［D］．大學生論文聯合比對庫．2015紅外采集電路如下圖：孫俊．基于51單片機的智能足浴器［D］．大學生論文聯合比對庫．2015圖6-5紅外器6.1.6防漏電測試當熱水器在蜂鳴器鳴叫，紅燈使用過程中，漏電便是一件很危險的事，本設計是采用一個繼電器進行模擬是否漏電，當按下按鈕表示漏電，蜂鳴器鳴叫，紅燈亮，按下復位鍵，重新工作圖6-6圖6-6防漏電模塊6.1.6熱水棒的測試由于不同功率的熱水棒加熱的時間不一樣，下面是在相同的水量進行檢測用的時間如下圖6-7圖6-7熱水棒記錄對于硬件調試，有時候一個小小很明顯的東西，只是沒注意到。你就得花好長的一段時間苦苦追尋原因。本設計在調試的時候，水位傳感器就被短路點，導致整個系統(tǒng)運行不起來?？上攵?，硬件調試有多重要。6.2軟件調試一個系統(tǒng)的特性和功能能否按期望的方式運行，要求進行軟件調試。6.2.1主程序調試軟件調試主要是對源程序語法和設計功能實現的調試。程序用KeileC軟件寫好后，用該軟件的編譯功能檢測代碼是否有語法錯誤或其他的錯誤。當程序中出現錯誤時編譯結果就會出錯同時會提示錯誤的地方及錯誤的原因，根據錯誤提示修改完善程序。在編譯軟件上完成對程序的調試后，在根據作品的功能要求按照流程圖分別測試各個功能。首先，測試紅外遙控器部分功能，確認程序能否實現設計的要求。然后，對水位傳感器檢測到的水位單片機做出反應，水泵抽水或不抽水。并對溫度進行控制。6.2.水位上下限調試本次設計的水位傳感器通過一個LM393雙電壓比較器連接到單片機的P3.7口。6.3.漏電報警調試由繼電器和按鍵組成，連接在單片機的P2.1軟件調試是基于發(fā)現錯誤，是開發(fā)整個系統(tǒng)的前者。7.本設計思路資料:先在網上查找資料，篩選有用的信息。起初查找的時候很吃力，因為剛開始，范圍很大，閱讀信息量也很大。就有點不知所措。好在去圖書館借了專業(yè)相關的資料書才有了眉緒。程序:編程其實對于我來說很難，因為我本身就不怎么會，剛開始的時候我都有點打退堂鼓。編到第137行代碼時，就碰到問題比如確實定義了,

但是引用的時候拼寫錯了,

或者大小寫錯了。

沒有聲明的標識符，卻給用了。所以有時候找了一天的bug，也找不出所以然來。畫原理圖:先得下載仿真圖軟件，再根據本設計所需的的器件，一一對應畫出來，雖然有些不懂的畫，嘗試了很多次沒能畫出來。但請教了一些學長。最終還是畫出來。期間也碰到了不少難題。有時放置元件時，光標在圖紙中心，元件卻在圖紙外、柵格選項設置不當導導致繪制導線時，在導線端點與管腳間留下難以察覺的間隙。元器件的標注過多，導致混亂等焊接電路板:先得把所需的元器件和工具準備好，再仔細根據電路圖一一對應焊接。剛開始焊的時候，由于不熟練。焊的比較慢，導致一些元器件燒壞掉。在此期間也碰到了不少問題。比如說假焊、虛焊等得拿萬用表測，要不然發(fā)現不了，還有時候對這原理圖焊，結果焊錯了8.結論本次畢業(yè)設計智能熱水器，基本實現最終的功能和要求。在選材方面向著最實用為目的。同時在本次畢業(yè)設計最終形成包括下面幾個過程:（1）明確畢業(yè)設計題目及意義。（2）在畢業(yè)設計開始階段查找有關的資料，大量閱讀為設計打下基礎。（3）查找畢業(yè)實物要用的相關各個模塊元器件，并與其功能相同的進行比較，最終選出最優(yōu)的。（4）根據畢業(yè)設計要輸寫出相應的代碼，并進行調試。（5）根據畢業(yè)設計相應的畫出原理圖，燒入程序進行模擬調試修改，最終導出PCB圖