基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计.doc

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1、基于单片机的电热水器水温水位控制系统设计摘 要随着人们生活水平的提高，各种热水器的使用已相当普及。与之相配套的控制仪也相继问世。然而，目前市场上的各种热水器控制电路还与理想要求相差甚远。因此我设计了新型的热水器水温水位控制系统来满足于当今的需求，该热水器智能控制系统主要由80C51单片机控制、DS18B20温度传感器、独立键盘、LED数码管和报警系统组成。该系统能测量并显示水温、设置水温范围，若水温不处于所设置的水温范围则报警，同时还能对水位进行设置及加水，先设置好需要加水的水位段数，单片机会根据这个数进行判断是否加水。通过软硬件调试使以上所述功能都能正常实现。本次设计是对水温水位控制系统的智

2、能化改进，采用单片机对其水温水位参数进行控制，提高了电器的工作稳定性，同时引进了数字传感器对水温进行数据采集，这样也就提高了系统的控制精度，以其自身的控制精度高、稳定性好和成本低的独特优点在今后将会由广泛的实用价值，其基于单片机的改进方法也具用广泛的应用意义。关键词：单片机；DS18B20；水温水位控制Electric Water Heater Water Temperature-Level Control System Based on SCMAbstractWith the improvement of peoples living standard, the use of various

3、 water heater is very popular. Control apparatus and the matched field. However, the current market on the various water heater control circuit and the ideal requirements differ very far.So i design a new type of water heater water level control system to meet the semand in nowdays. The design of so

4、lar water heaters intelligent control system is mainly composed of single-chip80C51,DS18B20 temperature sensor,an independent keyboard ,LED and alarm system.The system can measure and display water temperature ,set the range of water temperature,of the water temperature is not in the range of settin

5、g temperature is alarming.At the same time,you can set the water level and add water,first,need to set up the water level above the water,single-chip will determine whether add the water or not according to the number.Through hardware and software debugging,the above functions can be normal.For othe

6、r related parameters, it also has a certain meaning using. The revivification of the water control system is an intelligent product. To its own control of high precision, stability and low cost of the advantages, in the future there will be a wide range of practical value.The design of the water tem

7、perature control system is to improve the intellectualized. A monolithic integrated circuits is to control the level of parameter and improve the stability of the electrical work, and meantime, Whats more, its based on single ways of improvement have wide application meaning.Keywords: singlechip; wa

8、ter levels examination; water temperatures examination目 录摘 要1ABSTRACT2第1章 绪论- 1 -1.1选题的意义- 1 -1.2电热水器发展现状- 1 -1.3课题任务- 3 -第2章 系统设计方案- 4 -2.1设计原理- 4 -2.1.1系统原理- 4 -2.1.2子系统工作原理- 4 -2.2设计方案- 5 -2.2.1系统设计方案的选择- 5 -2.2.2各部件控制系统方案- 7 -第3章 系统硬件设计- 9 -3.1系统总体设计- 9 -3.2各单元电路设计- 11 -3.2.1控制单元设计- 11 -3.2.2显示单

9、元设计- 17 -3.2.3检测单元设计- 23 -第4章 系统软件设计- 31 -4.1主程序设计- 31 -4.2子程序设计- 31 -4.2.1温度采集- 31 -4.2.2控制按键设计- 32 -4.2.3读温度- 33 -第5章 系统调试- 34 -5.1硬件调试- 34 -5.1.1调试步骤- 34 -5.1.2液位检测- 34 -5.1.3温度检测- 35 -5.2 软件调试- 35 -5.2.1 Proteus仿真- 35 -5.2.2 软件调试过程- 36 -5.3系统联调- 36 -总结- 40 -参考文献- 42 -致谢- 43 -附录- 45 -word文档 可自由复制

10、编辑 第1章 绪论1.1选题的意义 随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么可编程控制器的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。在现代社会中，水位和温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了生活的各个方面。 随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到水位和温度控制的影子，水位和温度控制将更好的服务于社会目前，单片机控制器在从生活工具到工业应用的各个领域，例如生活工具的电梯、工业生产中的现场控制仪表、数控机床等。尤其是用单片机控制器改造落后的设备具有性价比高、提高设备

11、的使用寿命、提高设备的自动化程度的特点。现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到水位和温度控制，早期水位和温度控制主要应用于工厂中，例如工厂中的大型锅炉，必须实时的掌握锅炉的水位和温度，确保系统的正常运行。因此，水温水位控制在改善人们生活质量中起到了非常重要的作用。现在市面上的电器种类繁多，它们都需要对其主要的水位和水温参数加以控制，实现电器水温水位控制的自动化。早期温度和水位的参数控制时通过模拟电路实现的，这种方式不仅电路复杂，成本高，而且误差大，系统的稳定性不好，单片机及微型计算机技术的发展和应用有效地解决了这些缺点，特别是传感器的发展，更好的提高了检测参数的精度。选择基于单片机的水

12、温水位控制系统，是因为它不仅在人们生活中具有显著的意义，更重要的是能系统地聚温度和水位参数于一身，对于更好的掌握和认识单片机的应用和传感器的应用，系统地深刻认识自动控制的实际应用，掌握复杂的多子系统地设计起到了很强的锻炼作用。1.2电热水器发展现状经过20多年的发展，整个热水器行业已经从最初的小而少发展到现在的大而多，产品类型也随着技术不断成熟，由最初的燃气热水器独领风骚发展到今天的燃气式、电热式、太阳能、空气源热泵等多种类型。随着全球经济快速发展，中国电器制造业的迅猛发展及城市建设步伐的不断加快，为热水科技产业带来了无限商机。目前，创新、安全、节能、高效已成为热水器行业间竞争的焦点及发展趋势

13、。 据调查，中国热水器的普及率只有70%左右。目前，46.6%的居民家庭表示要在未来5年中购买或更换热水器。未来5年内我国城市热水器需求量将平稳增长，达到4660万台，热水器行业即将迎来新一轮的消费高峰。据国务院发展研究中心市场经济研究所推出的“中国城市热水器市场研究咨询报告”显示，未来三年，我国热水器市场将继续保持平稳发展的态势，年增长保持在6%左右。 就中国的具体情况而言，太阳能热水器由于安装位置的局限性，只适用于居住在顶楼的居民，且受天气原因的限制，使用范围狭窄，燃气热水器由于必须分室安装，且须由专业人员安装，并且燃气热水器不易调温，需定期除垢，在使用中还易产生有害气体，特别是使用液化石

14、油气和人工煤气型的直排式燃气热水器，会产生轻度油烟，严重时甚至会危及生命。因此燃气热水器是一种人命关天的特殊产品，即使有百分之一的疏忽，带给用户的危险将是百分之百。 根据中国商业联合会前不久的统计，电热水器的市场份额在销售数量和销售收入两个方面都已经超过了长期以来占优势的燃气热水器。该中心预计，在城市电网更大范围改造和城市住房市场大规模启动的带动下，今后几年我国电热水器市场将呈现强劲增长势头。目前市场上的电热水器分连续水流式和贮水式，前者虽具有加热速度快和体积小的优点，但需要的功率大，大多数家庭供电线路难以承受。而市场上传统的机械式电热水器控制功能不完善，而且精度低、可靠性差，生活质量的提高使

15、得消费者对电热水器功能提出延伸至全新的概念层面。热水器技术未来将继续朝着以下几个方面发展： 智能化：从最初的手动旋钮调节发展到如今数字化调节方式 节能技术：从最初机械结构上的保温节能到控制技术上的定时加热或分步加热技术转变，由于在水温很高时热量流失较快，所以未采用该类技术的产品需要长时间在高温区反复加热，不仅启动频繁，而且耗电量很大，如果用户可根据自己的实际需要设定好规定时段以进行定时倒计时加热，则能将保温耗电降至最低 安全稳定性：由于电热水器不同于一般的家电产品，涉及到人身安全，所以安全问题一直是各大厂家考虑的重点。随着现在各种安全技术在电热水器设计中的普遍应用，用电环境的日益规范，以及国家

16、对电热水器实行强制认证，安全技术已经成为衡量电热水器的重要标准。其中安全技术主要体现在能自动检测热水器是否处于正常工作状态，并具有调温、恒温、防干烧、防超高温、防漏电等多项自检功能，使用户在使用过程中安全更有保障。 此外，随着无线通信技术的发展，无线远程控制也将是新一代电热水器的发展方向，用户可以通过任何一部双音频固定电话或手机遥控热水器的开/关、温度设定等，并可查询热水器的工作状态。现在市场上较为先进的储水式电热水器能实现上述等功能，但仍难以满足人们对现代化家电的使用要求。在现如今众多的控制手段中，要满足低价格、高性能、尤其是智能化的要求，采用典型的嵌入式控制系统单片机为核心的控制器应为首选

17、。1.3课题任务 本设计主要是对市场现有产品的仿制，要能够实现电热水器的完整功能。以80C51单片机为核心配合传感器、显示器件、继电器、电加热器、报警器等外围器件，采集热水器储水箱中的水位、水温信号，通过控制电动机的运转、电加热器加热来控制储水器的水位、温度。利用键盘上开关按钮进行调节水温的最大和最小限度，手动控制上水和加热，设置水位水温功能。采集热水器储水箱中水位和水温信号，并完成水位和水温的显示，以及缺水报警系统。第2章 系统设计方案2.1设计原理2.1.1系统原理利用热敏传感器和水位传感器检测水温和水位，并加以显示。根据水位情况进行手动和自动上水控制。当水位从高到低，出现缺水状态时，蜂鸣

18、器报警，缺水指示灯亮，继电器开始工作，热水器容器上水，水位上升超过“低”水位后，缺水指示灯熄灭，蜂鸣器停止报警。水位至预置水位后继电器关闭，停止上水；当水温低于设定最低温度时，加热继电器工作，当温度加热高于设定最高温度的时候继电器停止工作。此系统是为多子系统的综合性控制系统，设计过程中也是分块实现设计调试，最后进行综合实现，以下就从各子系统的工作原理进行分别进行说明。单片机复位电路按键电路报警电路时钟振荡加水装置温度传感器水位传感器LED显示蜂鸣器报警图2.1系统原理图2.1.2子系统工作原理 1、温度控制系统 该子系统利用低功耗单线数字温度传感器DS18B20实现温度采样，将采样的温度值通过

19、单片机的P3.3口送入单片机处理，然后实现水温的控制,利用按键对水温的值进行设置，当温度高于上限或者低于下限后蜂鸣器报警，使之保持温度在一定范围内的稳定。本控制系统可以时时采集热水器内部水温通过LED显示水温，由于太阳能热水器实际温度不会超过100摄制度，所以本系统采用两位显示，测量范围为0099摄氏度，温度可以精确到小数点后两位。 2、水位控制系统该子系统能进行水位的控制，利用自制的3根导线对水位的信息进行采集，并通过单片机的P2口送入给单片机处理加工，通过发光二极管显示器显示，共有3个水位挡，没水或者系统出错后，蜂鸣器都报警，使系统的水位保持在一定的范围内。本系统需显示水位，水位分低、中、

20、高三档，均用发光二极管来指示。实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的Mg2+、Ca2+等离子，它们的存在使水导电。本控制装置就是利用水的导电性来完成的。 当水位未达到a时，即ha时、这时传感器的总阻值R为3R，对应，系统处于缺水状态。 当ahb时，传感器电阻阻值R为2R，对应，系统处于30%水位。 当bh1000次）isp flash rom 32个双向i/o口 4.5-5.5v工作电压 2个16位可编程定时/计数器 时钟频率0-33mhz 全双工uart串行中断口线 128x8bit内部ram 2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式

21、3级加密位 看门狗（wdt）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的isp字节和分页编程 双数据寄存器指针2、引脚功能介绍按照功能，80C51的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。1.多功能I/O口80C51共有四个8位的并行I/O口：P0、P1、P2、P3端口，对应的引脚分别是P0.0 P0.7，P1.0 P1.7，P2.0 P2.7，P3.0 P3.7，共32根I/O线。每根线可以单独用作输入或输出。P0端口，该口是一个8位漏极开路的双向I/O口。在作为输出口时，每根引脚可以带动8个TTL输入负载。当把“1”写入P0时，则它的引脚可用作高阻抗输入。当对外部程序

22、或数据存储器进行存取时，P0可用作多路复用的低字节地址/数据总线，在该模式，P0口拥有内部上拉电阻。在对Flash存储器进行编程时，P0用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外加上拉电阻。P1端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对Flash编程和程序校验时，P1口接收低8位地址。另外，P1.0与P1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（P1.

23、0/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P1.0/T2EX），如表3.1所示。表3.1 P1口管脚复用功能端口引脚复用功能P1.0T2（定时器/计算器2的外部输入端）P1.1T2EX（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制）P1.5MOSI（用于在线编程）P1.6MISO（用于在线编程）P1.7SCK（用于在线编程） P2端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P2口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外

24、部程序存储器或16位的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash编程和程序校验期间，P2口也接收高位地址或一些控制信号。 P3端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P3口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P3口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在80C51中，同样P3口还用于一些复用功能，如表3.2所列。在对F

25、lash编程和程序校验期间，P3口还接收一些控制信号。表3.2 P3端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器0的外部输入）P3.5T1（定时器1的外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）表3.2（续）2.RST 复位输入端。在振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。看门狗定时器（Watchdog）溢出后，该引脚会保持98个振荡周期的高电平。在SFR AUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以

26、用于屏蔽这种功能。DISRTO位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。3.ALE/PROG 地址锁存允许信号。在存取外部存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。在对Flash存储器编程时，这条引脚用于输入编程脉冲PROG。一般情况下，ALE是振荡器频率的6分频信号，可用于外部定时或时钟。但是，在对外部数据存储器每次存取中，会跳过一个ALE脉冲。在需要时，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置为“1”，从而屏蔽ALE的工作；而只有在MOVX或MOVC指令执行时ALE才被激活。在单片机处于外部执行方式时，对ALE屏蔽位置“1”并不起作用。4.PSEN 程序存储器允许信号。它用于读外部程序存储器

27、。当80C51在执行来自外部存储器的指令时，每一个机器周期PSEN被激活2次。在对外部数据存储器的每次存取中，PSEN的2次激活会被跳过。5.EA/Vpp 外部存取允许信号。为了确保单片机从地址为0000HFFFFH的外部程序存储器中读取代码，故要把EA接到GND端，即地端。但是，如果锁定位1被编程，则EA在复位时被锁存。当执行内部程序时，EA应接到Vcc。在对Flash存储器编程时，这条引脚接收12V编程电压Vpp。6.XTAL1 振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。7.XTAL2 振荡器的反相放大器输出。3、复位电路设计单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，

28、即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。本设计中只用最小系统加上键盘、显示、ISP接口电路，单片机本身资源可以满足设计要求，所以不必对单片机进行扩展。 复位电路虽然简单，但其作用非常重要。一个单片机系统能恢复正常运行，首先要检查是否能复位成功，其中手动复位开关比较常用，如图所示：图3.5 手动开关复位电路手动开关未按下之前，电容正极处于充电状态，当按键按下去后，VC

29、C与GND导通，电容放电，从而实现放电。4、按键电路本毕业设计的按键采用独立式按键，是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。当有按键被按下时说明用户要手动上水。按键使用上拉电阻方式接入单片机。未按下时对单片机输入一个高电平，按下后输入一个低电平。键的闭合与否，反映在行线输出电压上就是呈现出高电平或低电平，如果高电平表示断开的话，那么低电平则表示闭合，所以通过对行线电平的高低状态的检测，便可以确认按键按下与否。为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。图3.6 按键电路 报警温度用按键S2，S

30、3，S4来设置，S2为调整键，按一次可调整报警上限温度值，按两次可调整报警下限温度值，按三次数码管恢复到正常温度显示。3.2.2显示单元设计1、报警电路的设计蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中发生器。一、蜂鸣器主要分为（1）压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡由晶体管或集成电路构成。当接通电源后，多谐振荡器起振，输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣器发声。压电蜂鸣器片由锆钛酸铅或

31、铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两个镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘着一起。（2） 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。二、 蜂鸣器的驱动由于自激蜂鸣器是直流电压驱动的，不需要利用交流信号进行驱动，只需对驱动口输出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音，很简单，这里就不对自激蜂鸣器进行说明了。这里只对必须用1/2duty的方波信号进行驱动的他激蜂鸣器进行说明。单片机驱动他激蜂鸣器的方式有两种：一种是PWM输出口直接驱动，另一种是利用I/O定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器