xx學院畢業(yè)設計xx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 xx 學 生 xx 學 號 指導教師 xx xx 二一七年五月十六日- 2 -xx學院畢業(yè)設計摘 要隨著國民經濟的迅猛發(fā)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，當熱水器的水位達到水位上限時，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)能夠實現預設功能，本設計為進一步研究、應用提供了一定的數據參考。關鍵詞：單片機；傳感器；熱水器ABSTRACTWith the rapid development of the national economy, peoples quality of life requirements are getting higher and higher. As a daily household appliances, water heaters have become one of the people concerned about the object. The traditional water heater only has a simple heating, water, light instructions and other functions, it is difficult to meet peoples needs. Aiming at this problem, this design presents a intelligent control system of water heater based on single chip microcomputer.This design is divided into hardware system design and software system design. Hardware system design mainly includes the AT89S52 microcontroller, power circuit, display circuit, indicator circuit, temperature measurement circuit, water level detection circuit, alarm circuit, remote control receiver circuit, water injection relay control circuit, reset circuit, crystal circuit, key circuit. Software system design mainly uses the C language program, KEIL software and PROTEUS software joint simulation. Designed to design a free remote control can set the temperature range and appointment time, LCD1602 liquid crystal display temperature and time, and have the alarm function of intelligent water heater, water heater in the work of heating, water, water and other indicators with the corresponding, when When the water level of the water heater reaches the upper limit of the water level, the buzzer starts to alarm. Through the simulation and debugging and in-kind production, this design of the water heater control system can achieve the default function, the design for further research, application provides a certain data reference.Key words: Single-chip; sensor; water heater目 錄摘要IABSTRACTII1 前言11.1 選題背景及意義11.2 國內外研究現狀12 主要研究內容32.1 主要設計內容32.2 總體設計方案32.2.1 硬件設計方案32.2.2 軟件設計方案43 硬件系統(tǒng)設計53.1 AT89S52單片機53.2 測溫電路63.3 水位檢測電路73.4 遙控接收電路73.5 顯示電路83.6 按鍵電路93.7 報警電路93.8 電源電路103.9 指示燈電路103.10 復位電路113.11 晶振電路113.12 注水繼電器控制電路124 軟件系統(tǒng)設計134.1 編程軟件介紹134.2 主程序設計134.3 子程序設計144.3.1定時中斷子程序設計144.3.2 水位檢測子程序設計154.3.3 加熱繼電器控制子程序設計165 系統(tǒng)仿真與調試185.1 仿真軟件介紹185.1.1 Proteus軟件185.1.2 Keil軟件185.2 系統(tǒng)電路仿真185.3 PCB板設計與制作195.3.1 PCB介紹195.3.2 PCB板設計195.3.3 PCB板實現205.3.4 電路板制作205.4 系統(tǒng)調試216 結論25參考文獻26致謝27附錄1 原理圖28附錄2 實物圖29附錄3 元器件清單30附錄4 程序清單31- 49 -1 前言1.1 選題背景及意義當今社會，越來越多的科技成果被運用到熱水器的制造中。如今，熱水器已經從一個簡單的加熱產品變成了科技含量高的現代化家電產品。經過多年的發(fā)展和技術的積累，整個熱水器行業(yè)不斷涌現出新產品，熱水器種類越來越多，從最初的燃氣熱水器，發(fā)展到了現在的燃氣熱水器、電熱水器、太陽能熱水器。在熱水器的使用效果上，更加人性化，功能也越來越豐富，甚至結合了最新的智能家居理念，智能化程度大大提高，給人們的生活帶來了極大的方便。隨著國民生活水平的提高，人們的生活條件有了很大改善，智能化電器在人們日常生活中占有比重越來越大，與家庭生活密切相關的熱水器品種層出不窮，花樣翻新。據統(tǒng)計我國熱水器的銷量在最近幾年里一直以25%的增長率在增長，并且銷售總額可能在未來的5年里達到500億以上。我國約有70%的城鎮(zhèn)居民在使用熱水器，26%的城市居民有購買熱水器的計劃，市場平均一年需要1000多萬臺熱水器維持運行，中國熱水器行業(yè)有一定規(guī)模的熱水器生產企業(yè)大約就有200家1。由此可見熱水器在中國有廣闊的市場，但熱水器也衍生出了漏電，環(huán)保等一系列問題，近年來電熱水器更是多次出現漏電傷人甚至致死事件，因此熱水器的安全性一直為消費者所關注。所以對熱水器的改良是迫在眉睫。由于單片機技術的迅速發(fā)展，越來越多的家用電器采用各種型號的單片機為控制核心，來完成和人類的交互，并通過相應的程序和內部運算，實現智能化的控制，使家用電器的操作更加人性化，控制更加智能化。單片機是一種微控制器，體積小、功耗低、通過編程和外圍電路設計，可以完成多種智能控制任務。因此，在熱水器中，廣泛采用單片機作為控制核心，通過相應的溫度傳感器，在熱水器的溫度控制上達到更高的精度，完成了從最初的旋鈕調節(jié)逐漸向數字化調節(jié)方向轉變。正是在這樣的背景下，本設計選擇基于AT89S52單片機的熱水器控制系統(tǒng)進行設計研究。本設計通過溫度傳感器，讓熱水器在對溫度的控制方面有了更大的精度。通過水位傳感器，讓熱水器在對水位的檢測方面有了進一步的發(fā)展。在本設計中單片機控制并指示熱水器的各種工作狀態(tài)，當發(fā)生缺水、水溫過高或過低等情況時能夠及時給人們進行提示，從而防止了意外的發(fā)生，保障了用戶的安全。1.2 國內外研究現狀相比較國外來說，熱水器在中國的成長路程不長。但如今中國已經成長為了生產熱水器最大的國家，熱水器年產量約為全世界的總和。據了解，中國生產成功的首臺熱水器是在20世紀70年代位于江蘇省南京市的玉環(huán)廠。這臺熱水器的發(fā)明成功標志了中國人民用火燒水洗澡的年代結束了。熱水器產品種類大致分為燃氣熱水器、電熱水器、太陽能熱水器、空氣能熱水器4類熱水器。在這四類熱水器中，燃氣熱水器是發(fā)展得最早的，它主要的優(yōu)點是體積小，可以隨開隨用，且價格低廉，因為這些優(yōu)點，它霸占了熱水器銷售市場很長一段時間。但是由于它不能夠裝在浴室里，并且對安裝的環(huán)境有很大的要求且安全系數不高，有可能會引發(fā)調節(jié)水溫不便等缺點，如今的銷售量已經大不如前了。相比較而言，電熱水器的使用時間較長，并且節(jié)能環(huán)保，安全。由于我國現在極度地重視在科技的發(fā)展，并且不斷地在挖掘技術方面的頂尖人才。所以在熱水器方面的研究成果也在不斷創(chuàng)新，熱水器在經過研究后不斷完善，歷經了好幾次更新?lián)Q代，且每次更新的產品性能都有很大的提升，給人們的生活提供了很大便利。國內也相繼出現了很多熱水器品牌，如美的，海爾，萬和等等。其中，最出名的莫過于海爾最近研發(fā)出的國內第一款具有雙重功能的智能熱水器A6銀海象熱水器，它身上的超強記憶能力是其最為突出的優(yōu)點。它能夠在斷電的時候自動記憶，就算是突然斷電，系統(tǒng)也能夠自動保存設置的參數，并且在下一次開機后可以恢復到以前的樣子，不用重新輸入數值，簡單方便2。除此之外，它還能自動保存和分析使用者最近一個月用水的數據參數，然后用最節(jié)約的方法提前為使用者準備熱水，體現出了真正的節(jié)能。據了解，國外對熱水器的研發(fā)開展得比較早?？梢宰匪莸?9世紀70年代，經過了100多年的發(fā)展，涌現出了很多性能優(yōu)良的產品。國外對智能熱水器的主要研究成果有：西門子智能電熱水器，西門子家電集團采用西門子在電站技術上的強大防漏電安全技術為基礎，開發(fā)出了獨有的ELCB德國安全專家模式功能。除具有正常的防漏電裝置外，還具備安全電流自我檢測功能，可隨時檢測防漏電系統(tǒng)是否正常工作，雙重保險將個體與電源完全分開，杜絕了意外發(fā)生。特別是還具備體貼的停電數據保留功能，就算停電48小時，也能自動記憶所有參數，讓主人毫無后顧之憂。全新的智能中溫保溫功能，徹底彌補了傳統(tǒng)中溫保溫的缺陷，可根據設定水溫、環(huán)境、季節(jié)的不同，自動地選擇最節(jié)能的保溫狀態(tài)，縮短了加熱時間，切實做到了省電節(jié)能。2 主要研究內容2.1 主要設計內容本設計主要的控制芯片采用了AT89S52單片機，主要內容是研究設計熱水器的控制系統(tǒng)，目的是使系統(tǒng)能夠實現以下功能。（1） 用戶可自己設置預約時間和溫度上下限值，LCD1602能對當前水溫和預約時間及溫度上下限值進行顯示。（2） 具備水位檢測功能。當發(fā)現系統(tǒng)當前水位低于熱水器水位下限時，加水繼電器吸合，開始加水；當發(fā)現系統(tǒng)當前水位高于熱水器水位上限時，加水繼電器斷開，蜂鳴器開始報警。（3） 具有溫度檢測功能。當發(fā)現系統(tǒng)當前水溫低于設置的水溫下限時，加熱繼電器吸合，開始加熱；當發(fā)現系統(tǒng)當前水溫高于設置的溫度上限時，加熱繼電器斷開，加熱截止。（4） 具備聲光報警功能。黃燈亮表示系統(tǒng)需加水，紅燈亮起表示系統(tǒng)缺水，綠燈亮起表示系統(tǒng)在加熱，當檢測到當前水位高于熱水器水位上限時，蜂鳴器開始報警。（5）具備紅外遙控功能。可在遙控器可控的范圍內，利用遙控器設置溫度上下限值及預約時間，執(zhí)行與主板按鍵同樣的功能。2.2 總體設計方案本次研究設計的熱水器控制系統(tǒng)總體設計方案主要分為硬件設計方案和軟件設計方案，具體設計內容如下。2.2.1 硬件設計方案在本次硬件設計中以AT89S52單片機為核心控制芯片。在熱水器工作時，溫度上下限值及預約時間可利用遙控器或按鍵進行設置，設置完成后，LCD1602液晶顯示屏能夠將設置的數值進行顯示。采用防水型溫度傳感器DS18B20采集熱水器的實時水溫。當采集到的溫度小于設置的溫度下限時，加熱繼電器吸合，開始加熱。當采集到的水溫高于所設立的溫度上限時，加熱繼電器便自動斷開，加熱自動截止。利用水位傳感器和LM393電壓比較器檢測上下水位，當檢測到當前水位低于水位下限的時候，熱水器加熱停止，加水繼電器吸合，開始給熱水器加水，當檢測到當前水位高于水位上限的時候，加水繼電器斷開，停止加水，蜂鳴器開始報警，實現報警功能3。在本次設計中熱水器加熱、加水、缺水都有相對應的指示燈，紅燈代表缺水，黃燈代表加水，綠燈代表加熱。本次設計的具體硬件設計框圖如下圖2.1所示。圖2.1 系統(tǒng)硬件設計框圖2.2.2 軟件設計方案軟件設計是電路必不可少的一部分，同時也是整個系統(tǒng)的靈魂。只有軟硬件完美的配合才是一個完整的電路設計，在設計的時候，自己需要有一個明確的思路，知道自己需要做好那些工作，實現那些功能。下面將著重介紹系統(tǒng)軟件部分的設計方案，本次軟件設計方案里的程序主要是通過C語言來進行編寫。以下是本次軟件設計的具體思路。（1）設計并確定本次設計需要實現的功能。（2）根據功能繪制好程序流程圖。（3）依照需要實現的功能和程序流程圖用C語言編寫好程序。（4）檢查編寫的程序是否有錯誤，有，則進行修改，無，則可開始運行程序。（5）采用Keil軟件對系統(tǒng)進行調試，Proteus軟件進行仿真。3 硬件系統(tǒng)設計本次設計的單片機硬件系統(tǒng)主要包括了兩部分內容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內部的功能單元，如ROM、RAM、定時器/計數器、報警系統(tǒng)等不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當的芯片，來設計相應的電路。二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器件等，并且要設計合適的接口電路4。由于本設計中AT89S52單片機自身滿足本次設計的要求，所以不必對單片機進行額外的擴展。本次設計的硬件系統(tǒng)主要包含了AT89S52單片機、測溫電路、水位檢測電路、遙控接收電路、顯示電路、按鍵電路、報警電路、電源電路、指示燈電路、復位電路、晶振電路、注水繼電器控制電路。以上所有模塊的功能作用如下：AT89S52單片機的作用是協(xié)調模塊工作；測溫電路顧名思義是用來測量水溫；水位檢測電路是對系統(tǒng)水位進行檢測；遙控接收電路執(zhí)行的功能和按鍵一樣，接收到信號后，可對溫度和時間進行設置；顯示電路主要是用來顯示熱水器的預約時間和當前水溫及水溫上下限值；按鍵電路是用來對水溫和預約時間的數值進行設置；報警電路是當水位超過上限時，進行報警的；電源電路是為系統(tǒng)供電；指示燈電路主要負責對熱水器的各種狀態(tài)進行指示；復位電路的作用是讓系統(tǒng)回到初始狀態(tài)；晶振電路的作用是為系統(tǒng)提供時鐘信號；注水繼電器控制電路的作用是控制熱水器是否加水；本次設計的主要硬件包括AT89S52單片機、液晶顯示屏、加熱和加水繼電器、蜂鳴器、水位傳感器，DS18B20溫度傳感器等。3.1 AT89S52單片機本次設計的控制系統(tǒng)以AT89S52單片機為核心控制芯片。AT89S52是一個帶有可擦除存儲器的低電壓、高性能的微處理器，俗稱單片機。AT89S52具有以下標準功能：4k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I0口，看門狗定時器，2個數據指針，2個16位定時器計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路5。AT89S52單片機如下圖3.1所示。圖3.1 AT89S52單片機3.2 測溫電路測溫電路采用的主要元器件是DS18B20，DS18B20是一家名為DALLAS的公司發(fā)明生產的。它是一款體積很小的數字溫度傳感器，測量溫度范圍在55125，其測量溫度的精確度達到了0.0625，DS18B20的2腳DQ為數字信號輸入/輸出端；1腳GND為電源地；3腳VCC為外接供電電源輸入端6。在本次設計中，采用溫度傳感器DS18B20采集熱水器的實時水溫。溫度傳感器在工作的時候，如果檢測到溫度大于設置的上限溫度值，就會將檢測到的溫度傳給單片機，此時加熱的繼電器斷開，系統(tǒng)自動停止加熱；如果檢測到溫度小于設置的下限溫度值，則加熱指示燈亮，加熱的繼電器吸合，系統(tǒng)自動開始加熱，熱水器開始工作。測溫電路圖如圖3.2所示。圖3.2測溫電路3.3 水位檢測電路水位檢測電路主要用了2個水位傳感器和LM393電壓比較器一起組成，主要用來檢測熱水器的上下水位。LM393電壓比較器只要有電源就可以工作，工作時的電源電壓范圍非常廣，它是一種雙電壓比較器集成電路7。在本次設計中，當檢測到水位低于下限水位時，會將檢測的水位信息傳遞給單片機，系統(tǒng)會停止加熱并且會自動開啟加水繼電器，讓加水繼電器吸合加水，若檢測到的水位高于上限水位的時候，加水繼電器自動斷開，不再加水，蜂鳴器響應，開始報警。本次設計的水位檢測電路圖如圖3.3所示。圖3.3 水位檢測電路圖3.4 遙控接收電路BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路，本設計中紅外傳感器接收到人體紅外信號后，經過BISS0001處理，將其輸出給單片機P3.3口，通過對P3.3電平的判斷，實現對單片機外圍電路的控制，可對預約時間和溫度上下限值進行設置，與按鍵功能相同。本次設計的遙控接收電路圖如圖3.4所示。圖3.4 遙控接收電路圖3.5 顯示電路顯示電路采用了LCD1602液晶顯示來對熱水器當前溫度和溫度上下限值以及預約時間進行顯示。LCD1602液晶是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x2即32個字符。其主要的特點是功能消耗低、體積小、輕薄、模塊化。并且因為其自帶字符庫，所以在顯示方面的實現上只需要按照要求對其進行初始化、設定相關的顯示位置和顯示內容就可以了，操作簡單8。作為輸出器件，LCD1602液晶顯示屏在單片機系統(tǒng)的應用中具有以下幾個優(yōu)點。（1）顯示質量高。液晶顯示器的每一個點在收到信號后就一直保持一樣的色彩和亮度，恒定發(fā)光，不需要像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新亮點。因此，液晶顯示器的畫質高且不會閃爍。（2）數字式接口。液晶顯示器都是數字式的，和單片機系統(tǒng)的接口相接更加簡單可靠，操作更加方便。（3）體積小、重量輕。液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕。（4）功耗低。相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內部的電極和驅動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。在本設計中，LCD1602液晶顯示的原理是利用了液晶的物理特性，通過電壓對顯示區(qū)域進行控制，只要有電就可以顯示圖形。LCD1602液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅動、易于實現全彩色顯示的特點，目前已經被廣泛應用在便攜式電腦、數字攝像機、PDA移動通信工具等眾多領域。具體的顯示電路圖如圖3.5所示。圖3.5 顯示電路圖3.6 按鍵電路本次設計的按鍵電路采用了4個獨立式按鍵，獨立式按鍵的主要優(yōu)點是任何一個按鈕在工作的時候都不可能對別的I/O口線產生影響，并且所有的按鈕都獨自占據了一根I/O口線9。獨立按鍵的觸發(fā)方式為低電平有效，在系統(tǒng)開啟狀態(tài)下，單片機相應端口保持高電平狀態(tài)，當按鍵被按下，獨立按鍵兩端連通，然后接地，單片機相應的連接端口的電平被地線拉低，從而能夠被單片機捕捉到按鍵動作。4個獨立按鍵分別是設定鍵、鍵值增加、鍵值減小、確認4個功能定義，通過這4個按鍵，能夠為用戶提供完整的參數設置功能。按鍵主要用來設置水溫的上下限值和預約時間，按鍵電路圖如圖3.6所示。圖3.6 按鍵電路圖3.7 報警電路報警電路關系到使用者的生命安全，本次設計主要是通過控制蜂鳴器來進行報警，當檢測到當前水位超過水位上限的時候，單片機便會利用驅動口將驅動電平輸出，并利用三極管9012把驅動電流放大，從而驅動電流驅使蜂鳴器發(fā)出報警的聲響10。報警電路利用聲音和燈光讓人們注意到系統(tǒng)出現了問題，本次設計采用了聲光報警。報警電路圖如圖3.7所示。圖3.7 報警電路圖3.8 電源電路電源電路按元件類型可分為電子管穩(wěn)壓電路、三極管穩(wěn)壓電路、可控硅穩(wěn)壓電路、集成穩(wěn)壓電路。根據調整元件與鏈接方法，可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型；根據調整元件工作狀態(tài)不同，可分為線性和開關穩(wěn)壓電路。電源電路主要的功能是為本系統(tǒng)的熱水器供電，使系統(tǒng)能夠正常工作，實現本次設計的功能。本次設計的電源電路圖如圖3.8所示。圖3.8 電源電路圖3.9 指示燈電路本次設計的系統(tǒng)采用了LED指示燈對系統(tǒng)出現的各種狀態(tài)進行指示。LED是英文light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫，LED指示燈是一種能夠將電能轉化為可見光的固態(tài)半導體器件，它可以直接把電轉化為光，發(fā)出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。它的基本結構是一塊電致發(fā)光的半導體材料芯片，如果用銀膠或白膠把它固化到支架上，然后用銀線或金線連接芯片和電路板，四周用環(huán)氧樹脂密封起來，可以起到保護內部芯線的作用，所以LED燈的抗震性能好11。LED的運用領域涉及到手機、臺燈、家電等日常家電和機械生產方面。LED燈是一種新型的照明光源，以節(jié)能、健康、環(huán)保及壽命長的顯著特點，受到了廣大人民的青睞以及國家的大力扶持。LED燈的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端連接電源負極，另一端連接電源正極，整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在P型半導體里空穴占主導地位，另一部分是N型半導體，在N型半導體里電子占主導地位。當這兩種半導體連接起來的時候，它們之間會形成一個P-N結。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復合，然后會以光子的形式發(fā)出能量，以上是LED燈發(fā)光的原理。本次設計的指示燈電路圖如圖3.9所示。圖3.9 指示燈電路圖3.10 復位電路本次設計的復位電路主要是利用了手動的方法完成。當按下按鍵時RST直接與VCC相連，為高電平形成復位，同時電解電容C1被短路放大，按鍵松開時，VCC對電容充電，充電電流在電阻R7上，RST依然為高電平，仍然復位，充電完成后，電容相當于開路，RST為低電平，正常工作。單片機復位電路的作用就跟我們使用的計算器里的歸零按鍵相同。主要是把系統(tǒng)的電路進行初始化，使系統(tǒng)電路回到初始狀態(tài)。除此之外，當單片機處于運行狀態(tài)時，復位電路能夠根據系統(tǒng)的需求自動地開始電路運行，若在電路運行的時候出現少許的干擾信號，導致程序發(fā)出的指令錯誤或使系統(tǒng)開始無序的運行時，展開復位操作，就可讓單片機回到初始狀態(tài)12。本次設計的具體復位電路圖如圖3.10所示：圖3.10 復位電路3.11 晶振電路本設計采用了12MHz的晶振為系統(tǒng)產生所需的時鐘信號，單片機所需要的時鐘頻率是由晶振和單片機內部的電路結合在一起產生出來的，所產生的時鐘頻率越高，單片機運行的速度越快。任何一個單片機系統(tǒng)里都有晶振，通常來說晶振電路都接在反相放大器的兩端13。一般情況下，一個系統(tǒng)為了讓各部分都保持一致，整個系統(tǒng)共用一個晶振。本次設計的晶振電路圖如圖3.11所示。圖3.11 晶振電路圖3.12 注水繼電器控制電路繼電器是一種經常應用在通訊設備、控制設備、機電一體化設備和電力電子設備中的電控制器件，它的被控制系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩者之間可以進行互動。繼電器里大電流的工作主要是通過小電流來進行控制的，在電路中主要作用是保護、調節(jié)和轉換電路，它是非常重要的控制元件14。本次設計采用了5V的繼電器，用來控制水位，主要由繼電器、三極管和發(fā)光二極管組成。當檢測當前水位低于水位下限時，JDQ2輸出高電平，三極管Q4導通，加水繼電器吸合，指示燈亮，開始加熱或加水。當水位達到水位上限時，JDQ2輸出低電平，三極管截止，繼電器斷開，停止加水和關閉指示燈。注水繼電器控制電路原理圖如圖3.12所示。圖3.12 注水繼電器控制電路圖4 軟件系統(tǒng)設計4.1 編程軟件介紹軟件系統(tǒng)的設計對整個系統(tǒng)來說是不可或缺的，系統(tǒng)有了軟件設計的程序，才能夠執(zhí)行指令，設計的硬件系統(tǒng)才能得到實現，完整的完成本次設計需要實現的功能，一個可靠安全的軟件設計可以最大程度的發(fā)揮出硬件的作用。本次設計的軟件系統(tǒng)中的所需程序主要是采用C語言來進行的，C語言具有以下優(yōu)點。（1）簡潔緊湊、靈活方便。C語言一共只有32個關鍵字，9種控制語句，程序書寫形式自由，區(qū)分大小寫。（2）可把高級語言的基本結構和語句與低級語言的實用性結合起來。C語言可以像匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進行操作。（3）運算符豐富。C語言的運算符包含的范圍很廣泛，共有34種運算符。C語言把括號、賦值、強制類型轉換等都作為運算符處理。從而使C語言的運算類型極其豐富，表達式類型多樣化。靈活使用各種運算符可以實現在其它高級語言中難以實現的運算。（4）數據類型豐富。C語言的數據類型有：整型、實型、字符型、數組類型、指針類型、結構體類型、共用體類型等。能用來實現各種復雜的數據結構的運算。并引入了指針概念，使程序效率更高。（5）表達方式靈活實用。C語言提供多種運算符和表達式值的方法，對問題的表達可通過多種途徑獲得，其程序設計更主動、靈活。它語法限制不太嚴格，程序設計自由度大，如對整型量與字符型數據及邏輯型數據可以通用等15。4.2 主程序設計本次設計的軟件系統(tǒng)主要由主程序、定時子程序、水位檢測子程序、繼電器控制子程序及其它的功能模塊子程序共同組成。主程序的主要任務是通過控制系統(tǒng)的各個功能模塊去控制整個系統(tǒng)。主程序運行時需要將整個系統(tǒng)先進行初始化，使系統(tǒng)的工作參數回到初始值，然后用戶自己進行參數設置，設置好參數之后，系統(tǒng)主程序可開始下一步工作。本次軟件主程序設計主要的步驟如下：（1）當系統(tǒng)開始運行之后，首先將系統(tǒng)內所有的參數初始化，顯示當前溫度和時間，設置溫度上下限值，并可根據需要設置預約時間，溫度上下限值和預約時間可利用按鍵或遙控器進行設置。若設置了預約時間，則判斷預約時間是否完成，是，則開始加熱，否，則繼續(xù)等待，接著判斷水溫狀態(tài)，當檢測到系統(tǒng)當前水溫低于設置的水溫下限時，則開始加熱，當檢測到當前水溫高于設置的水溫上限時，加熱繼電器斷開，停止加熱。（2）判斷熱水器當前水位，當檢測到當前水位低于系統(tǒng)水位下限時，加水繼電器吸合，開始加水，當檢測到當前水位高于水位上限時，加水繼電器斷開，停止加水，并且蜂鳴器響應，開始報警，直至人為按下取消報警鍵,報警停止。本次設計的軟件主程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1 系統(tǒng)軟件結構流程圖4.3 子程序設計4.3.1定時中斷子程序設計當系統(tǒng)打開以后，先程序初始化，如果想預約加熱時間，則允許中斷，允許中斷之后，輸入需要設置的預約時間，輸入完成后，開啟定時器0，液晶會將輸入的數值進行顯示，當預約時間完成后，中斷關閉，系統(tǒng)返回原來的狀態(tài)，進行下一步工作。定時中斷子程序流程圖如圖4.2所示。圖4.2 定時子程序流程圖4.3.2 水位檢測子程序設計系統(tǒng)運行時，首先進行初始化，單片機會對當前水位進行檢測，檢測完成后會將檢測到的實際水位與系統(tǒng)本身的水位上下限值進行比較，當檢測到當前水位小于熱水器水位下限時，加水繼電器自動吸合，開始加水。當檢測當前水位不小于熱水器水位下限時，則判斷當前水位是否大于熱水器水位上限，若當前水位大于熱水器水位上限，則加水繼電器自動斷開，停止加水，蜂鳴器響應，開始報警。若當前水位不大于水位上限時，則返回繼續(xù)加水，本次設計的水位檢測子程序流程圖如圖4.3所示。圖4.3 水位檢測子程序流程圖4.3.3 加熱繼電器控制子程序設計當系統(tǒng)開始運行后，首先開始初始化，系統(tǒng)會對當前的水溫進行初步判斷。若檢測實際的水溫小于下限值時，則加熱繼電器吸合，開始加熱；若不小于下限值，則檢測水溫是否大于上限值，當檢測到實際水溫大于設置的上限值時，加熱繼電器斷開，不再加熱。本次設計的加熱繼電器控制子程序流程圖如圖4.4所示。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。5.1.1 Proteus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。（2）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。（4）支持Keil、MPLAB等第三方的軟件編譯和調試環(huán)境。（5）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。5.1.2 Keil軟件Keil軟件是美國Keil Software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“Options for target”找到“creat hex file”，找到之后選中“creat hex file”并進行編譯，生成“.hex”文件，然后在Proteus軟件中雙擊單片機，在“Program File”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5.3 PCB板設計與制作5.3.1 PCB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，它根據電路層數分類可分為單面板、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。5.3.2 PCB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，生成網絡報表，然后對各個元器件進行封裝，以生成和實現元器件具有相同外觀和尺寸的網格。封裝完成之后建立一個PCB文件，根據本次設計的實際情況對板子的大小、線距、線寬等重要數據進行設置，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。5.3.3 PCB板實現依照生成的PCB圖進行制作，制作的時候根據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5.2 PCB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，打開電源，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)剛打開的時候，預約時間是默認關閉的，如圖5.4所示。圖5.4 LCD1602顯示圖 若需要預約時間，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，若不需要預約，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。通過對方案的確定、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)基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不足之處。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據進行分析，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基礎是遠遠不夠的，所有我還需要認真地去學習。參 考 文 獻1 羅運俊. 太陽能熱水器發(fā)展概況及基礎知識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發(fā)展概況J.建筑節(jié)能;2007,4(8):59-62.3 胡潤青. 蓬勃發(fā)展的太陽能熱水器產業(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.現代電子技術;2014,4(12):8-10.5 顧涵. 基于51單片機的小型溫度采集系統(tǒng)設計D.常熟理工學院;2012.6 韓婷婷. 基于單片機和PID控制的即熱式熱水器的研制J.工業(yè)控制計算機;2010,5(6):2-18.7 孟偉, 方世巍. 基于單片機的智能家用熱水控制系統(tǒng)的設計J.微型機與應用;2011,2(12):5-15.8 李美鳳, 賈偉偉. 基于單片機的熱水器智能控制系統(tǒng)設計J.電子質量;2012,6(4):3-10.9 趙君. 基于單片機的溫度控制系統(tǒng)D.吉林大學;2012.10 翟敏煥. 基于單片機的即熱式電熱水器控制系統(tǒng)的設計J.現代計算機;2012,3(10):20-26.11 盧晶晶. 基于單片機的測控系統(tǒng)的設計與實現J.單片機應用;2011,8(9):13-16.12 趙齊, 宋蕊. 基于單片機的熱水器溫度智能控制設計J.微型機與應用;2012,5(8):2-7.13 朱桂霞, 尹飛. 太陽能熱水器的智能控制J.硅谷;2011,7(10):12-18.14 孫先波, 譚建軍. 太陽能熱水器防凍智能測控儀設計J.湖北民族學院學報(自然科學版);2011,9(2):5-10.15 劉國鈺. 太陽能熱水器的檢測控制系統(tǒng)的設計J.科技致富向導;2012,3(10):15-20.16 李青霖, 王棟殷, 瑩瑩. 現代家庭新型全自動太陽能熱水中心研究J.科技創(chuàng)新導報;2011,6(26):5-8.17 霍震宇, 馬永強, 楊駐. 智能化太陽能熱水器控制系統(tǒng)設計J.煤炭技術;2011,9(12):35-40.18 Consumer preferences for improvements in mobile telecommunication servicesJ. Orhan Dagli,Glenn P. Jenkins.Telematics and Informatics. 2016,8(1):45-50.19 Measuring the Foreign Exchange Premium and the Premium for NonTradable Outlays for 20 Countries in A fricaJ. Yan Kuo,Sener Salci,Glenn P. Jenkins.S Afr J Econ. 2015,8(2):65-70.致 謝首先，衷心感謝我的兩位指導老師xx老師和xx老師。本次設計是在張老師、魏老師的指導下完成的。在完成畢業(yè)設計的這段時間里，不管是寫論文還是制作實物，我都受到了兩位老師很多的幫助。從設計的選題、研制計劃的安排到設計的具體過程，兩位老師都給予了悉心的指導。張老師嚴謹的治學態(tài)度、開明的學術思想，魏老師事必躬親的工作精神、寬人律己的高尚品德深深打動著我，使我倍受教育，讓我收獲頗多。在畢業(yè)設計完成之際，謹向張老師、魏老師致以誠摯的謝意！再一次向他們表示衷心的感謝，感謝他們?yōu)閷W生營造了良好的學習氛圍，以及學習、生活上的無私幫助！ 同時，感謝xx學院電氣工程及其自動化所有教師對我在學業(yè)和成長上付出的寶貴時間和辛勤汗水，感謝13級電氣二班的同學們在學習和生活上給我的大力支持和幫助。我衷心的祝愿你們身體健康，工作順利！附錄1 原理圖圖附錄1.1原理圖附錄2 實物圖圖附錄2.1 實物圖圖附錄2.2 實物圖附錄3 元器件清單表3.1 元器件清單元器件名稱型號數量/個萬用板9*151個液晶16021個單片機AT89S521個IC座40腳1個母座16p1個排針16p1個排針3p2個防水探頭DS18b201個繼電器5v2個電阻1.5k2個電阻10k5個電阻1k3個電阻2.2k4個排阻1031個三極管90123個蜂鳴器5v1個晶振12MHz1個電解電容10uf1個瓷片電容30pf2個按鍵RST5個LED5mm3個接線端子2p2個電源接口DC1個自鎖開關1個電源線USB1個水位傳感器2個電壓比較器LM3931個IC座8腳1個藍白電位器1032個電阻30k1個電阻1001個電解電容100uf1個紅外一體接收頭1個紅外遙控器1個獨石電容1041個附錄4 程序清單/宏定義#define uint unsigned int #define uchar unsigned char/LCD管腳聲明sbit LCDRS = P11;sbit LCDEN= P12;/初始化時顯示的內容uchar code Init1=Tp:00.0 C Ti:000;uchar code Init2= Up:00 Down:00 ;液晶的基本操作程序/LCD延時void LCDdelay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=10;y0;y-);/寫命令void write_com(uchar com) LCDRS=0; P0=com; LCDdelay(5); LCDEN=1; LCDdelay(5); LCDEN=0;/寫數據void write_data(uchar date) LCDRS=1; P0=date; LCDdelay(5); LCDEN=1; LCDdelay(5); LCDEN=0;1602初始化程序/1602初始化void Init1602() uchar i=0; write_com(0 x01);/清屏 write_com(0 x38);/屏幕初始化 write_com(0 x0c);/打開顯示 無光標 無光標閃爍 write_com(0 x06);/當讀或寫一個字符是指針后一一位 write_com(0 x80);/設置位置 for(i=0;i16;i+) write_data(Init1i); write_com(0 x80+40);/設置位置 for(i=0;i16;i+) write_data(Init2i); 顯示時間溫度數據程序void Display_1602(uint aa,uchar dss,uchar sxx,uchar xxx)/溫度顯示write_com(0 x80+3);write_data(0+aa/100);write_data(0+aa/10%10);write_data(.);write_data(0+aa%10);write_data(0 xdf);/定時顯示write_com(0 x80+13);write_data(0+dss/100);write_data(0+dss/10%10);write_data(0+dss%10);/上限顯示write_com(0 x80+40+4);write_data(0+sxx/10%10);write_data(0+sxx%10);/下限顯示write_com(0 x80+40+13);write_data(0+xxx/10%10);write_data(0+xxx%10);字符顯示程序void Display_wd()/溫度顯示write_com(0 x80);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#include /顯示函數#include /宏定義#define uint unsigned int #define uchar unsigned char/LCD管腳聲明sbit jdq= P10;/加熱繼電器sbit shui=P13;/加水繼電器sbit Feng = P26; /蜂鳴器/按鍵sbit Key1=P14; /設置sbit Key2=P15; /加sbit Key3=P16; /減sbit Key4=P17; /確定 sbit shang=P37;/上限sbit xia=P36;/下限sbit DQ=P22; /定義DS18B20總線I/Osigned char w,bj,bjx,bjd; /溫度值全局變量uchar c;/溫度值全局變量bit bdata flag=0,flag_BJ,flag_off=1,que;/時間計算#define Imax 14000 /此處為晶振為11.0592時的取值, #define Imin 8000 /如用其它頻率的晶振時,#define Inum1 145 /要改變相應的取值。#define Inum2 7