基于單片機的熱水器控制系統(tǒng)設計

濟南大學泉城學院畢業(yè)設計題目基于單片機的熱水器控制系統(tǒng)設計學院工學院專業(yè)電氣工程及其自動化班級1302班學生李燕學號2023011198指導教師張興達魏志軒二〇一七年五月十六日摘要隨著國民經(jīng)濟的迅猛開展，人們對生活質量的要求越來越高。作為日常的家用電器，熱水器成為了人們的關注對象之一。傳統(tǒng)的熱水器只具有簡單的加熱、加水、亮燈指示等功能，難以滿足人們的需求。針對這一問題，本設計提出了一款基于單片機的熱水器控制系統(tǒng)。本次設計主要分為硬件系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)設計。硬件系統(tǒng)設計主要包含了AT89S52單片機、電源電路、顯示電路、指示燈電路、測溫電路、水位檢測電路、報警電路、遙控接收電路、注水繼電器控制電路、復位電路、晶振電路、按鍵電路。軟件系統(tǒng)設計主要運用了C語言編寫程序，KEIL軟件和PROTEUS軟件聯(lián)合進行仿真。旨在設計出一款可用遙控器自由設置溫度范圍和預約時間、LCD1602液晶顯示溫度和時間，且具備報警功能的智能熱水器，熱水器在工作時加熱、加水、缺水等具有相應的指示燈，當熱水器的水位到達水位上限時，蜂鳴器開始報警。通過仿真與調試及實物制作，本次設計的熱水器控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)預設功能，本設計為進一步研究、應用提供了一定的數(shù)據(jù)參考。關鍵詞：單片機；傳感器；熱水器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目錄24623摘要 圖4.4加熱繼電器控制子程序流程圖5系統(tǒng)仿真與調試5.1仿真軟件介紹在本次設計中運用到了PROTEUS的ISIS電路分析實物仿真系統(tǒng)和KEIL單片機編程軟件，通過對它們聯(lián)調可以仿真出本次設計的系統(tǒng)。下面對這個兩個軟件做簡單的介紹。5.1.1Proteus軟件Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與仿真軟件。該軟件具有以下幾個特點：〔1〕具有模擬電路、數(shù)字電路、單片機應用系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)〔不高于ARM7〕設計與仿真功能?！?〕具有多種形式的調試功能。〔3〕具有各種信號源和電路分析所需的虛擬儀表?！?〕支持Keil、MPLAB等第三方的軟件編譯和調試環(huán)境?！?〕具有強大的原理圖到PCB板設計功能，可輸出多種格式的電路設計報表[16]。5.1.2Keil軟件Keil軟件是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，它可以提供包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，可通過一個集成開發(fā)環(huán)境將這些部份組合在一起。另外，Keil生成目標代碼的效率非常之高，編譯后生成的匯編代碼也很緊湊，且容易理解[17]。5.2系統(tǒng)電路仿真本設計采用Proteus軟件對電路進行仿真，首先將仿真需要的元器件找到，按照硬件設計原理圖在Proteus里面建立元器件連接關系，然后將硬件電路圖繪制在軟件中，接著新建一個工程，選擇AT89C52單片機，新建一個文本文檔，將文本文檔保存為“.c〞文件，將其添加到工程，然后對系統(tǒng)程序進行編寫，編寫完成之后通過“Optionsfortarget〞找到“creathexfile〞，找到之后選中“creathexfile〞并進行編譯，生成“.hex〞文件，然后在Proteus軟件中雙擊單片機，在“ProgramFile〞中勾選“.hex〞文件，單擊確定，接著點擊仿真界面左下角的開始按鈕，系統(tǒng)進入初始化，初始化結束后，溫度傳感器會采集當前的溫度值，LCD1602會顯示當前溫度和所設置的溫度上下值。顯示功能的仿真結果如圖5.1所示。圖5.1仿真圖5.3PCB板設計與制作5.3.1PCB介紹PCB，中文名稱為印制電路板或印刷線路板，它不僅是電子元器件的支撐體，還是電子元器件電氣連接的載體。由于它是采用電子印刷術制作的，故被稱為“印刷〞電路板，它根據(jù)電路層數(shù)分類可分為單面板、雙面板和多層板。常見的多層板一般為4層板或6層板，復雜的多層板可達幾十層[18]。5.3.2PCB板設計對于PCB板的設計，首先需要對本次設計的電路原理圖設計，設計完成后就進行繪制，繪制完成后進行檢查，確認電路原理圖正確后，進行編譯，生成網(wǎng)絡報表，然后對各個元器件進行封裝，以生成和實現(xiàn)元器件具有相同外觀和尺寸的網(wǎng)格。封裝完成之后建立一個PCB文件，根據(jù)本次設計的實際情況對板子的大小、線距、線寬等重要數(shù)據(jù)進行設置，設置完畢后，單擊設計菜單下的更新選項，此時PCB文件便開始更新，更新之后將生成PCB圖。5.3.3PCB板實現(xiàn)依照生成的PCB圖進行制作，制作的時候根據(jù)PCB面板的大小安置元件，同時，盡量保證元件之間的引線不會發(fā)生交叉。元器件擺放完后，進行DRC檢查，排除元器件在布線時引腳或引線發(fā)生交叉錯誤，錯誤排除之后，開始調整元器件的位置，調整完后開始布線，在布線時不能出現(xiàn)小于或等于90度的角，以防尖端放電和腐蝕過度。布線完成后，可對PCB圖進行檢查，確認無錯誤并連接完成后進行PCB板的轉印、腐蝕、鉆孔等操作。本次設計制作的PCB圖如圖5.2所示。圖5.2PCB圖5.3.4電路板制作在本次設計的電路板制作中，首先需要對PCB板進行檢查，然后對元器件的種類、型號、數(shù)量進行確認，確認完后將元器件按照從左到右，從上到下，從里到外，從小到大，從低到高的順序合理的裝置在電路板上[19]。裝置完成后用焊接工具開始進行焊接，焊接完成后，檢查焊料是否會引起焊點短路，是否存在漏焊等現(xiàn)象，焊接完成后實物圖如圖5.3所示。圖5.3焊接實物圖5.4系統(tǒng)調試本次設計系統(tǒng)調試的主要任務是排除系統(tǒng)的硬件電路故障，包括設計性錯誤和工藝性故障。當把所有的元器件焊接完成后，開始調試，首先對焊接的電路板進行檢查，查看是否焊接完整，檢測電源線，看電源電路是否能為整個系統(tǒng)正常供電，檢查完成后，翻開電源，給系統(tǒng)通電，系統(tǒng)開始工作，LCD1602顯示屏顯示當前溫度、溫度上下限值及預約時間。在這里用戶可設置加熱時間和溫度上下限值，系統(tǒng)剛翻開的時候，預約時間是默認關閉的，如圖5.4所示。圖5.4LCD1602顯示圖假設需要預約時間，需自己設置，這里隨意設置的預約時間為1分鐘，預約時間不到，熱水器不會進行加熱。當預約時間到達之后熱水器開始加熱。本次設計的時間值不是固定的，另外，假設不需要預約，可不進行設置，在本次設計調試的時候，用熱水進行加熱。預約時間示意圖如圖5.5所示,圖5.5預約時間示意圖當檢測到熱水器當前溫度低于設置的溫度下限時，加熱繼電器吸合，開始加熱，加熱指示燈亮。溫度檢測示意圖如圖5.6所示。圖5.6溫度檢測示意圖當系統(tǒng)檢測到熱水器當前的溫度高于設置的溫度上限值時，加熱繼電器會自動斷開，停止加熱，加熱指示燈關閉。如圖5.7所示。圖5.7溫度檢測示意圖當水位傳感器檢測到熱水器當前水位低于水位下限時，缺水指示燈亮起，加水繼電器吸合，開始加水，直到加至水位上限時，加水繼電器關閉。水位檢測示意圖如圖5.8所示。圖5.8水位檢測示意圖當檢測到熱水器當前水位高于水位上限時，加水繼電器斷開停止加水。且報警指示燈亮，蜂鳴器開始報警，直到人為按下取消報警鍵，報警停止，報警示意圖如圖5.9所示。圖5.9報警示意圖6結論本設計針對功能單一的熱水器控制系統(tǒng)，提出了解決的方案。通過對方案確實定、硬件系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)設計，繪制了電路原理圖，PCB圖，利用系統(tǒng)仿真與調試制作了電路板。本次設計的熱水器控制系統(tǒng)根本能完成預期的定時加熱、自動檢測水溫水位及智能報警功能。解決了熱水器功能單一的問題。但是，在本次設計中還存在很多缺乏之處。例如在控制方面可以讓水位傳感器實時對水位進行檢測，確保全天水位都處在正常狀態(tài)，用戶可以不用因為缺水的問題，不能正常使用熱水器。在溫度的加熱方面可以讓系統(tǒng)實時記錄用戶每一次淋浴時的溫度，然后對采集到的溫度數(shù)據(jù)進行分析，得出用戶淋浴時最常用的溫度，了解到用戶的習慣后可智能化安排預熱功能，這樣不但節(jié)約了用戶自己設置的時間，還非常節(jié)能。在這次設計的過程中，我清楚的認識到自己以前所學習的單片機和編程根底是遠遠不夠的，所有我還需要認真地去學習。參考文獻[1]羅運俊.太陽能熱水器開展概況及根底知識[J].太陽能熱水器技術講座〔一〕2004,1(1):58-61.[2]焦青太.當今世界太陽能熱水器的開展概況[J].建筑節(jié)能;2007,4(8):59-62.[3]胡潤青.蓬勃開展的太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)[J].建設科技;2006,2(12):58-60.[4]汪銘東,梅廣輝.基于單片機與DS18B20的機柜溫度控制器設計[J].現(xiàn)代電子技術;2023,4 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write_data(Init1[i]);}write_com(0x80+40);//設置位置for(i=0;i<16;i++){ write_data(Init2[i]);}}顯示時間溫度數(shù)據(jù)程序voidDisplay_1602(uintaa,uchardss,ucharsxx,ucharxxx){ //溫度顯示 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); //定時顯示 write_com(0x80+13); write_data('0'+dss/100); write_data('0'+dss/10%10); write_data('0'+dss%10); //上限顯示 write_com(0x80+40+4); write_data('0'+sxx/10%10); write_data('0'+sxx%10); //下限顯示 write_com(0x80+40+13); write_data('0'+xxx/10%10); write_data('0'+xxx%10); }字符顯示程序voidDisplay_wd(){ //溫度顯示 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'); }//程序頭函數(shù)#include<reg52.h>//顯示函數(shù)#include<display.h>//宏定義#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar//LCD管腳聲明sbitjdq=P1^0; //加熱繼電器sbitshui=P1^3;//加水繼電器sbitFeng=P2^6;//蜂鳴器//按鍵sbitKey1=P1^4; //設置sbitKey2=P1^5; //加sbitKey3=P1^6; //減sbitKey4=P1^7; //確定 sbitshang=P3^7;//上限sbitxia=P3^6;//下限sbitDQ=P2^2; //定義DS18B20總線I/Osignedcharw,bj,bjx,bjd; //溫度值全局變量ucharc; //溫度值全局變量bitbdataflag=0,flag_BJ,flag_off=1,que;//時間計算#defineImax14000//此處為晶振為11.0592時的取值,#defineImin8000//如用其它頻率的晶振時,#defineInum1145//要改變相應的取值。#defineInum2700#defineInum33000//解碼變量unsignedcharIm[4]={0x00,0x00,0x00,0x00};//全局變量ucharf;unsignedcharm,Tc;unsignedcharIrOK;//設置變量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++);}溫度工作程序/*****延時子程序*****/voidDelay_DS18B20(intnum){while(num--);}/*****初始化DS18B20*****/voidInit_DS18B20(void){unsignedcharx=0;DQ=1;//DQ復位Delay_DS18B20(8);//稍做延時DQ=0;//單片機將DQ拉低Delay_DS18B20(8);//精確延時，大于480usDQ=1;//拉高總線Delay_DS18B20(14);x=DQ;//稍做延時后，如果x=0那么初始化成功，x=1那么初始化失敗Delay_DS18B20(20);}/*****讀一個字節(jié)*****/unsignedcharReadOneChar(void){unsignedchari=0;unsignedchardat=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;//給脈沖信號dat>>=1;DQ=1;//給脈沖信號if(DQ)dat|=0x80;Delay_DS18B20(4);}return(dat);}/*****寫一個字節(jié)*****/voidWriteOneChar(unsignedchardat){unsignedchari=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=1;DQ=dat&0x10;Delay_DS18B20(5);DQ=0;dat>>=1;}}/*****讀取溫度*****/unsignedintReadTemperature(void){unsignedchara=0;unsignedcharb=0;unsignedintt=0;floattt=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xC1);//跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0x44);//啟動溫度轉換Init_DS18B20();WriteOneChar(0xC1);//跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0xBE);//讀取溫度存放器a=ReadOneChar();//讀低8位b=ReadOneChar();//讀高8位t=b;t<<=8;t=t|a;tt=t*0.00625;t=tt*10+0.5;//放大10倍輸出并四舍五入return(t);}/*****讀取溫度*****/voidcheck_wendu(void){ c=ReadTemperature()-5; //獲取溫度值并減去DS18B20的溫漂誤差 w=c/10; //計算得到整數(shù)位 if(w<0){w=0;} //設置溫度顯示上限 if(w>99){w=99;} //設置溫度顯示上限}按鍵工作程序voidKey(){ //模式選擇 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);//翻開顯示無光標光標閃爍 write_com(0x06);//當讀或寫一個字符是指針后一一位 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); 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case2: { write_com(0x80+0x40+5);//位置 Feng=1; break; } case3: { write_com(0x80+0x40+14);//位置 Feng=1; break; } } } //+鍵 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; } } } } //-鍵 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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