单片机的电热水器的设计
一、引言 4
二、电热水器控制系统整体设计方案 4
（一） 电热水器控制系统功能说明 4
（二) 系统整体设计方案 4
三、硬件设计 5
（一） 微控制器模块 5
（二） 温度测量 6
（三） 实时时钟 9
（四） 温度、时钟显示电路 11
（五）看门狗复位电路 12
四、软件设计 14
（一）整体软件设计 14
（二) 模数转换软件设计 14
五、总结 16
致辞 17
参考文献 18
附录 19
一 、引言
目前,市场上的电热水器基本采用双金属片控温。其优点是结构简单、实用,缺点是控温精度低、可靠性差、功能单一。随着微电子技术的发展,微处理器系统只需采用单片,因而价格十分低廉,功能比较多，实用也比较方便，使微处理器的应用更为广泛。对电热水器而言,采用单片机控制器完全可以实现对其功能的控制。
二、电热水器控制系统整体设计方案
（一） 电热水器控制系统功能说明
本设计采用AT89C52单片机为主控芯片设计电热水器控制系统，其作用是对电热水器进行温度测试与显示、时钟的显示、热水器的开机方式的控制等。主要功能如下：
1.测量热水器内的温度，并通过显示器实时显示水温，显示范围为0℃~70℃
2.正常状态下实时显示时钟
3.可以立即开机或在24小时内任意设定开机时间
4.自动控制温度，当温度低于70℃自动加热，温度高于70℃停止加热
（二) 系统整体设计方案
电热水器控制系统的整体设计 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
方案主要包括硬件设计方案和软件设计方案。硬件是指以AT89C52作为整个控制系统的核心，再外接加热控制开关、实时时钟电路、温度信号采集电路、复位看门狗电路、LED显示电路等等组成。根据本设计所需要的电热水器功能的需求，在节约开发成本、增加系统安全及可靠性、减小体积等原则下进行电热水器控制系统的硬件设计,其系统硬件框图如图2-1所示。
图2-1硬件框图
系统主要采用51单片机AT89C52作为整个控制系统的主控模块，利用AT89C52的引脚连接其他的外部电路。对于温度要根据其环境的不同来测量， Pt1000铂电阻温度传感器用来采集温度信号、A/D 转换电路和信号放大电路组成；对于实时时钟的实现则是采用现有的PCF8563时钟芯片，主要是取得时钟的小时和分钟；键盘主要是用来设定开机时间、设定热水温度、定时加热时间、校准时钟，因此需设定四个按键；而为了调高系统的性能，系统采用了看门狗复位电路；对于温度及实时时钟的显示选择以CH451作为驱动芯片的LED显示电路。
三、硬件设计
（一） 微控制器模块
1、AT89C52单片机简介
如图3-1所示AT89C52引脚排列，本系统主要是使用AT89C52现有的引脚连接外部的其它硬件电路，而由于对实时性和微控制器的处理速度要求不高，因此选择了具有低电压、高性能的AT89C52单片机。它是一个CMOS工艺的8位单片机，片内含有8KB的掩膜ROM和256个随机存取存储器（RAM）单元，8位的通用中央处理器（CPU）和闪速存储单元，并且与52系列的其它产品有很好的引脚兼容，因此是一种性价比较高的单片机。
图3-1 AT89C52引脚排列
AT89C52主要性能说明如下：32个I/O口线； 3个16位定时/计数器，用于实现定时或计数功能；片内有8KB闪速存储器，256B内部随机存取存储器RAM；片内振荡器及时钟电路；一个可编程全双工串行通信口；中断系统为一个6向量两级中断结构，全静态工作方式。具有全静态工作方式表明它不一定要求连续的时钟定时，在等待内部事件期间，时钟频率可降至0Hz的静态逻辑操作[1]。
2、AT89C52的功能引脚说明：
表3-1 AT89C52的功能引脚说明
P0 是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口
P1 P2 P3 是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，其输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路
RST 是复位输入
ALE/PROG 是一个复用引脚
ALE 是地址锁存允许
PROG 是输入编程脉冲
PSEN 是外部程序存储器的读选通信号
EA/VPP 是外部访问允许
XTAL1 是振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端
XTAL1 是振荡器反相放大器的输出端
表3-2 原理图中引脚、元器件的作用和说明
D0 电源指示灯
P0 连接键盘和指示灯，四个指示灯的功能分别为校准时钟、设定开机时间、设定热水温度和设定定时加热时间
K1 公共功能键
K2 加键
K3 减键
K4 开关按键
P1.0~P1.2 引脚与模数转换芯片CS5513相连
P1.5~p1.7 引脚与LED驱动芯片CH451相连
P1.3、P1.4 控制实时时钟的读写
P2.0 通过光耦控制电磁阀开关，用于启动和加热设备
P2.2~P2.7 控制LED八段数码的片选[2]
（二） 温度测量模块
温度测量是电热水器控制系统中一个至关重要的部分，其测量过程是比较复杂的。测量温度的标尺是温度计，测量的方式分为非接触式和接触式。接触式测量的仪表可靠、测量的精度很高，简单，由于测量温度的元器件与水需要进行很充分热量交换，要一段时间达到热的平衡，存在测量温度的延迟，还有耐低温和耐高温材料的不足，不能用于这些精确度高的温度的测量。非接触式仪表是通过热辐射原理来测温仪测量温度，测量温度的元件可以不和水接触，测量温度范围很大，对于测温上限没有限制，同时不会破坏被测的物体的温度的场，有很快的反应速度[3]，比较适合此系统控制要求。。
1.铂电阻温度传感器
温度传感器就是利用各种物理性质随温度变化的规律把温度信号转换为电量的仪器。热电阻式温度传感器最常用的一种是Pt1000电阻温度传感器。
PCF8563芯片引脚排列及功能说明如表3-5所示。
表3-5 PCF8563芯片引脚排列及功能说明
OSCI 振荡器输入
OSCO 振荡器输出
中断输出，开漏输出模式（获得更大的驱动），低电平有效
Vss 接地
SDA 串行数据I/O接口
SCL 串行时钟输入
CLKOUT 时钟输出，开漏模式
Vdd 正电源
2．实时时钟电路
实时时钟的缩写是RTC（Real-Time Clock）。RTC是集成电路，通常称为时钟芯片。本设计采用PCF8563时钟芯片实现，它是一款工业级低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片。它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过IC总线接口串行传递。最大总线速度为400Kb/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量[9]。实时时钟电路如图3-4所示。
二、电热水器控制系统整体设计方案 4
（一） 电热水器控制系统功能说明 4
（二) 系统整体设计方案 4
三、硬件设计 5
（一） 微控制器模块 5
（二） 温度测量 6
（三） 实时时钟 9
（四） 温度、时钟显示电路 11
（五）看门狗复位电路 12
四、软件设计 14
（一）整体软件设计 14
（二) 模数转换软件设计 14
五、总结 16
致辞 17
参考文献 18
附录 19
一 、引言
目前,市场上的电热水器基本采用双金属片控温。其优点是结构简单、实用,缺点是控温精度低、可靠性差、功能单一。随着微电子技术的发展,微处理器系统只需采用单片,因而价格十分低廉,功能比较多，实用也比较方便，使微处理器的应用更为广泛。对电热水器而言,采用单片机控制器完全可以实现对其功能的控制。
二、电热水器控制系统整体设计方案
（一） 电热水器控制系统功能说明
本设计采用AT89C52单片机为主控芯片设计电热水器控制系统，其作用是对电热水器进行温度测试与显示、时钟的显示、热水器的开机方式的控制等。主要功能如下：
1.测量热水器内的温度，并通过显示器实时显示水温，显示范围为0℃~70℃
2.正常状态下实时显示时钟
3.可以立即开机或在24小时内任意设定开机时间
4.自动控制温度，当温度低于70℃自动加热，温度高于70℃停止加热
（二) 系统整体设计方案
电热水器控制系统的整体设计 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
方案主要包括硬件设计方案和软件设计方案。硬件是指以AT89C52作为整个控制系统的核心，再外接加热控制开关、实时时钟电路、温度信号采集电路、复位看门狗电路、LED显示电路等等组成。根据本设计所需要的电热水器功能的需求，在节约开发成本、增加系统安全及可靠性、减小体积等原则下进行电热水器控制系统的硬件设计,其系统硬件框图如图2-1所示。
图2-1硬件框图
系统主要采用51单片机AT89C52作为整个控制系统的主控模块，利用AT89C52的引脚连接其他的外部电路。对于温度要根据其环境的不同来测量， Pt1000铂电阻温度传感器用来采集温度信号、A/D 转换电路和信号放大电路组成；对于实时时钟的实现则是采用现有的PCF8563时钟芯片，主要是取得时钟的小时和分钟；键盘主要是用来设定开机时间、设定热水温度、定时加热时间、校准时钟，因此需设定四个按键；而为了调高系统的性能，系统采用了看门狗复位电路；对于温度及实时时钟的显示选择以CH451作为驱动芯片的LED显示电路。
三、硬件设计
（一） 微控制器模块
1、AT89C52单片机简介
如图3-1所示AT89C52引脚排列，本系统主要是使用AT89C52现有的引脚连接外部的其它硬件电路，而由于对实时性和微控制器的处理速度要求不高，因此选择了具有低电压、高性能的AT89C52单片机。它是一个CMOS工艺的8位单片机，片内含有8KB的掩膜ROM和256个随机存取存储器（RAM）单元，8位的通用中央处理器（CPU）和闪速存储单元，并且与52系列的其它产品有很好的引脚兼容，因此是一种性价比较高的单片机。
图3-1 AT89C52引脚排列
AT89C52主要性能说明如下：32个I/O口线； 3个16位定时/计数器，用于实现定时或计数功能；片内有8KB闪速存储器，256B内部随机存取存储器RAM；片内振荡器及时钟电路；一个可编程全双工串行通信口；中断系统为一个6向量两级中断结构，全静态工作方式。具有全静态工作方式表明它不一定要求连续的时钟定时，在等待内部事件期间，时钟频率可降至0Hz的静态逻辑操作[1]。
2、AT89C52的功能引脚说明：
表3-1 AT89C52的功能引脚说明
P0 是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口
P1 P2 P3 是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，其输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路
RST 是复位输入
ALE/PROG 是一个复用引脚
ALE 是地址锁存允许
PROG 是输入编程脉冲
PSEN 是外部程序存储器的读选通信号
EA/VPP 是外部访问允许
XTAL1 是振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端
XTAL1 是振荡器反相放大器的输出端
表3-2 原理图中引脚、元器件的作用和说明
D0 电源指示灯
P0 连接键盘和指示灯，四个指示灯的功能分别为校准时钟、设定开机时间、设定热水温度和设定定时加热时间
K1 公共功能键
K2 加键
K3 减键
K4 开关按键
P1.0~P1.2 引脚与模数转换芯片CS5513相连
P1.5~p1.7 引脚与LED驱动芯片CH451相连
P1.3、P1.4 控制实时时钟的读写
P2.0 通过光耦控制电磁阀开关，用于启动和加热设备
P2.2~P2.7 控制LED八段数码的片选[2]
（二） 温度测量模块
温度测量是电热水器控制系统中一个至关重要的部分，其测量过程是比较复杂的。测量温度的标尺是温度计，测量的方式分为非接触式和接触式。接触式测量的仪表可靠、测量的精度很高，简单，由于测量温度的元器件与水需要进行很充分热量交换，要一段时间达到热的平衡，存在测量温度的延迟，还有耐低温和耐高温材料的不足，不能用于这些精确度高的温度的测量。非接触式仪表是通过热辐射原理来测温仪测量温度，测量温度的元件可以不和水接触，测量温度范围很大，对于测温上限没有限制，同时不会破坏被测的物体的温度的场，有很快的反应速度[3]，比较适合此系统控制要求。。
1.铂电阻温度传感器
温度传感器就是利用各种物理性质随温度变化的规律把温度信号转换为电量的仪器。热电阻式温度传感器最常用的一种是Pt1000电阻温度传感器。
PCF8563芯片引脚排列及功能说明如表3-5所示。
表3-5 PCF8563芯片引脚排列及功能说明
OSCI 振荡器输入
OSCO 振荡器输出
中断输出，开漏输出模式（获得更大的驱动），低电平有效
Vss 接地
SDA 串行数据I/O接口
SCL 串行时钟输入
CLKOUT 时钟输出，开漏模式
Vdd 正电源
2．实时时钟电路
实时时钟的缩写是RTC（Real-Time Clock）。RTC是集成电路，通常称为时钟芯片。本设计采用PCF8563时钟芯片实现，它是一款工业级低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片。它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过IC总线接口串行传递。最大总线速度为400Kb/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量[9]。实时时钟电路如图3-4所示。
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