单片机的电热水箱智能控制的设计
【】单片机控制系统指的是以单片机芯片作为控制器并结合其他必要功能模块的角色而实现的一种能够实现测量、报警、显示等功能的自动控制系统，它的出现和普及大大改变了人们的生活方式，因此本次毕业设计将以单片机控制系统作为研究对象，设计了一款能够实现热水箱水温检测以及水温快速控制等功能的电子系统。在硬件系统上使用了目前在大学教学和市场上最受欢迎的51单片机作为控制器芯片，在其片外配置了DS18B20温度传感器以及LCD1602液晶屏等功能模块；在软件上通过C语言编写了程序代码，并通过Keil软件环境进行了程序代码的优化和编译。在硬件系统和软件系统都设计完毕后，对这款控制系统进行了大量的测试和优化，在测试过程中系统表现出了非常高的稳定性和使用价值，非常适合进行大量生产并逐步取代相关产品。
目 录
一、 引言 1
（一） 电热水箱系统的发展背景 1
（二） 电热水箱智能控制系统的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 常用单片机的比较与选择 3
（二） AT89C51控制芯片简介 4
（三） DS18B20温度传感器介绍 4
（四） LCD1602液晶屏幕介绍 5
（五） HK4100FDC5V继电器介绍 6
（六） 蜂鸣器简介 7
三、 硬件系统设计 8
（一） 电热水箱智能控制系统的系统原理框图设计 8
（二） AT89C51单片机最小系统设计 8
1. 晶振电路设计 8
2. 复位电路设计 9
（三） DS18B20温度传感器电路设计 9
（四） LCD1602电路设计 10
（五） 加热器开关电路设计 11
（六） 报警电路设计 11
四、 软件系统设计 12
（一） 电热水箱智能控制系统的软件工作流程设计 13
（二） DS18B20温度传感器工作流程设计 13
（三） LCD1602显示流程设计 14
（四） 加热器开关控制流程图设计 15
（五）
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报警电路工作流程设计 15
五、 实物调试与安装 16
总 结 19
参考文献 20
致 谢 21
附录一 原理图 22
附录二 PCB 23
附录三 元件列表 24
附录四 程序 25
附录五 实物图 34
引言
电热水箱系统的发展背景
本课题将要设计的这款电热水箱智能控制系统是一种使用微处理器来控制的电子系统，所谓的基于51单片机的电热水箱智能控制系统实际上指的是在硬件结构上以51单片机作为核心部分，通过单片机对芯片外部的传感器、按键模块以及显示屏等部分的驱动，实现整个系统的良好工作，这就是我们经常说的基于51单片机的电热水箱智能控制系统。最早的用于实现加热水功能的机器早在很多年前就已经出现，这类传统意义上的电热水箱智能控制系统全部采用简单的传统结构或者加热棒来完成，当单片机技术还没有实现普遍化和生活化之前，使用传统结构来实现水箱加热或者锅炉房炭烧加热是主流方式，这种传统式电热水箱智能控制系统所表现出的特点也是非常显著的，由于全部采用传统部件来组成整个系统框架，因此在外观上是非常庞大的，在使用过程中由于传统部件存在不可避免的摩擦和老损，因此需要定期地进行维护活着部件更换，另外由于大部分水箱加热采用锅炉房炭火加热方式，因此需要投入大量的人力物力来照看锅炉的运行情况，使用起来十分不便。随着科学技术的飞速发展以及电子技术的空前的全民化，人们已经越来越不能满足于这种传统电热水箱智能控制系统所能实现的功能，这时候单片机系统的出现打破了这一僵局，大部分电热水箱智能控制系统的设计师们意识到唯有采用电子技术进行自动控制才能带来这种产品的全面发展，于是诸多开发人员以及相关传统企业开始了对基于单片机的电热水箱智能控制系统的开发与设计，由于单片机具有多管脚以及可编程等重要特性，其多管脚特点使得它可以同时对多种模块（按键、报警器以及液晶屏等）进行驱动，因此这种电子式的电热水箱智能控制系统突破了传统传统式的单一功能性，不但实现了传统式热水箱的基本功能，更引入了显示、系统配置以及报警等新型功能，更加重要的是由于单片机能够实现程序编程，因此即使将产品推向市场，也不耽误电热水箱智能控制产品的再升级，只需要通过程序代码的改写以及重新烧写就可以实现电热水箱智能控制系统的二次甚至多次升级，这还传统传统式电热水箱智能控制系统所无法实现的，另外由于这种电子式电热水箱智能控制系统全部采用芯片来完成各项功能，因此在批量生产后可以大幅度地降低生产成本，使得最终推向市场后的电热水箱智能控制系统表现出非常高的性价比，本课题就将采用单片机芯片来实现一款电热水箱智能控制系统。
电热水箱智能控制系统的国内外发展现状
电子式电热水箱智能控制系统在国内外目前都已实现了全面化，由于各大企业对于生产电热水箱智能控制系统产品的技术已经趋于成熟，而要实现更高的性能，还有很大的一段上升空间，因为随着微处理器技术的不断发展，64位处理器即将横空出世，一旦64位微处理器技术成熟并投向市场，将这种更高性能的微处理器替换掉目前的16位或者32位芯片，将能够快速地淘汰掉现有产品，到那时基于单片机的电热水箱智能控制系统将能够实现更好的水温控制等功能，目前国内外所能实现的最先进电热水箱智能控制系统是32位的，大多采用ARM架构来实现，前不久美国芝加哥大学的一个兴趣小组采用了CM3架构微处理器作为主控，实现了一款具有能够快速调节水温并且温度精度控制在0.05摄氏度的水温加热系统，这款系统的推出实现了水温快速响应和快速进入稳定状态等功能，同时也标志着为了实现更高性能的电热水箱智能控制系统我们有很长一段路要走。
本文主要研究内容
在对电热水箱控制系统的发展背景以及国内外的研究现状进行了简要的介绍后，下面对本文的结构安排进行阐述，以便于更加清晰的对本系统的设计过程进行展现。论文的第一章是引言章节，该章节主要对电热水箱智能控制系统的发展背景等进行了介绍，并通过对设计现状的对比确立了本系统的设计目标；在接下来的第二章，将对系统的总体设计方案进行设计，包括对几种常用控制器的对比，并对所要使用的元器件进行了简要介绍；在对主控器件以及外围元器件进行确立后，文章第三章将对硬件系统进行设计，通过Altium designer绘制了相关模块的电路原理图从而进行设计思路的讲解；硬件系统设计完毕后，第四章开始对系统的软件部分进行设计，并通过Visio软件绘制了相应的软件流程图；
课题要求重点完成以下设计内容：
1）确定电热水箱控制系统的设计参数和核心器件；
2）完成电热水箱控制系统的硬件电路设计；
3）完成电热水箱控制系统的软件部分设计；
4）能实现51单片机最小系统的设计；
5）能实现对电热水箱水温的显示，当温度过高时自动报警；
目 录
一、 引言 1
（一） 电热水箱系统的发展背景 1
（二） 电热水箱智能控制系统的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 常用单片机的比较与选择 3
（二） AT89C51控制芯片简介 4
（三） DS18B20温度传感器介绍 4
（四） LCD1602液晶屏幕介绍 5
（五） HK4100FDC5V继电器介绍 6
（六） 蜂鸣器简介 7
三、 硬件系统设计 8
（一） 电热水箱智能控制系统的系统原理框图设计 8
（二） AT89C51单片机最小系统设计 8
1. 晶振电路设计 8
2. 复位电路设计 9
（三） DS18B20温度传感器电路设计 9
（四） LCD1602电路设计 10
（五） 加热器开关电路设计 11
（六） 报警电路设计 11
四、 软件系统设计 12
（一） 电热水箱智能控制系统的软件工作流程设计 13
（二） DS18B20温度传感器工作流程设计 13
（三） LCD1602显示流程设计 14
（四） 加热器开关控制流程图设计 15
（五）
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报警电路工作流程设计 15
五、 实物调试与安装 16
总 结 19
参考文献 20
致 谢 21
附录一 原理图 22
附录二 PCB 23
附录三 元件列表 24
附录四 程序 25
附录五 实物图 34
引言
电热水箱系统的发展背景
本课题将要设计的这款电热水箱智能控制系统是一种使用微处理器来控制的电子系统，所谓的基于51单片机的电热水箱智能控制系统实际上指的是在硬件结构上以51单片机作为核心部分，通过单片机对芯片外部的传感器、按键模块以及显示屏等部分的驱动，实现整个系统的良好工作，这就是我们经常说的基于51单片机的电热水箱智能控制系统。最早的用于实现加热水功能的机器早在很多年前就已经出现，这类传统意义上的电热水箱智能控制系统全部采用简单的传统结构或者加热棒来完成，当单片机技术还没有实现普遍化和生活化之前，使用传统结构来实现水箱加热或者锅炉房炭烧加热是主流方式，这种传统式电热水箱智能控制系统所表现出的特点也是非常显著的，由于全部采用传统部件来组成整个系统框架，因此在外观上是非常庞大的，在使用过程中由于传统部件存在不可避免的摩擦和老损，因此需要定期地进行维护活着部件更换，另外由于大部分水箱加热采用锅炉房炭火加热方式，因此需要投入大量的人力物力来照看锅炉的运行情况，使用起来十分不便。随着科学技术的飞速发展以及电子技术的空前的全民化，人们已经越来越不能满足于这种传统电热水箱智能控制系统所能实现的功能，这时候单片机系统的出现打破了这一僵局，大部分电热水箱智能控制系统的设计师们意识到唯有采用电子技术进行自动控制才能带来这种产品的全面发展，于是诸多开发人员以及相关传统企业开始了对基于单片机的电热水箱智能控制系统的开发与设计，由于单片机具有多管脚以及可编程等重要特性，其多管脚特点使得它可以同时对多种模块（按键、报警器以及液晶屏等）进行驱动，因此这种电子式的电热水箱智能控制系统突破了传统传统式的单一功能性，不但实现了传统式热水箱的基本功能，更引入了显示、系统配置以及报警等新型功能，更加重要的是由于单片机能够实现程序编程，因此即使将产品推向市场，也不耽误电热水箱智能控制产品的再升级，只需要通过程序代码的改写以及重新烧写就可以实现电热水箱智能控制系统的二次甚至多次升级，这还传统传统式电热水箱智能控制系统所无法实现的，另外由于这种电子式电热水箱智能控制系统全部采用芯片来完成各项功能，因此在批量生产后可以大幅度地降低生产成本，使得最终推向市场后的电热水箱智能控制系统表现出非常高的性价比，本课题就将采用单片机芯片来实现一款电热水箱智能控制系统。
电热水箱智能控制系统的国内外发展现状
电子式电热水箱智能控制系统在国内外目前都已实现了全面化，由于各大企业对于生产电热水箱智能控制系统产品的技术已经趋于成熟，而要实现更高的性能，还有很大的一段上升空间，因为随着微处理器技术的不断发展，64位处理器即将横空出世，一旦64位微处理器技术成熟并投向市场，将这种更高性能的微处理器替换掉目前的16位或者32位芯片，将能够快速地淘汰掉现有产品，到那时基于单片机的电热水箱智能控制系统将能够实现更好的水温控制等功能，目前国内外所能实现的最先进电热水箱智能控制系统是32位的，大多采用ARM架构来实现，前不久美国芝加哥大学的一个兴趣小组采用了CM3架构微处理器作为主控，实现了一款具有能够快速调节水温并且温度精度控制在0.05摄氏度的水温加热系统，这款系统的推出实现了水温快速响应和快速进入稳定状态等功能，同时也标志着为了实现更高性能的电热水箱智能控制系统我们有很长一段路要走。
本文主要研究内容
在对电热水箱控制系统的发展背景以及国内外的研究现状进行了简要的介绍后，下面对本文的结构安排进行阐述，以便于更加清晰的对本系统的设计过程进行展现。论文的第一章是引言章节，该章节主要对电热水箱智能控制系统的发展背景等进行了介绍，并通过对设计现状的对比确立了本系统的设计目标；在接下来的第二章，将对系统的总体设计方案进行设计，包括对几种常用控制器的对比，并对所要使用的元器件进行了简要介绍；在对主控器件以及外围元器件进行确立后，文章第三章将对硬件系统进行设计，通过Altium designer绘制了相关模块的电路原理图从而进行设计思路的讲解；硬件系统设计完毕后，第四章开始对系统的软件部分进行设计，并通过Visio软件绘制了相应的软件流程图；
课题要求重点完成以下设计内容：
1）确定电热水箱控制系统的设计参数和核心器件；
2）完成电热水箱控制系统的硬件电路设计；
3）完成电热水箱控制系统的软件部分设计；
4）能实现51单片机最小系统的设计；
5）能实现对电热水箱水温的显示，当温度过高时自动报警；
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