单片机的智能电热水器控制系统设计
单片机的智能电热水器控制系统设计[20200128190855]
摘要
本文采用单片机作为核心控制器，使用C语言编写程序，设计电热水器控制系统。该系统使用矩阵型键盘设定所需的温度，用LED显示，采用DS18B20温度传感器采集温度，得到实时的水温。系统的功能是当实时水温小于设定温度时，就开始加热，当实时水温大于或等于设定温度时，就停止加热。
摘要 2
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关键字:单片机；C语言；电热水器
引言 3
一、系统原理设计 4
（一） 设计思想 4
（二）系统框图 4
二、硬件设计 4
（一） 单片机系统设计 5
（二）数码管显示设计 5
（三） 键盘输入设计 6
（四） DS18B20温度采集 7
（五） 复位电路设计 8
（六） 加热电路设计 8
三、 软件设计 9
四、 调试 10
五、总结 11
七、参考文献 12
八、附录 13
（一）原理图 13
（二） 程序 14
引言
电热水器有易安装、不受天气影响和不受楼层限制的优点，随着社会的发展和技术的进步，各种安装形式的电热水器先后上市，渐渐摆脱了房间空间的限制，中央供水和数码智能的电热水器也已进入市场。电热水器的安全问题涉及到消费者的生命，又加上近些年的能源危机，人们生活节奏的加快，智能化电热水器越来越受到消费者的青睐。在当今社会，科技日新月异，热水器技术飞速发展，越来越多的科技成果被运用到热水器的制造中。如今的热水器产品已经绝对不是一个简单的加热器，而是科技含量高的现代化家电产品。随着我国人民生活水平的逐渐提高，其生活条件有了很大的改善，智能化电器在人们日常生活中占有比重越来越大，与家庭生活密切相关的热水器品种层出不穷，花样翻新。
正是在这样的背景下，本设计选择基于AT89C51单片机的智能电热水器的设计研究，选用AT89C51单片机作为控制芯片，实现电热水器的智能化即持续稳定的热水供应和自动断电的安全功能等。
一、系统原理设计
（一）设计思想
此次设计运用了单片机和传感器等技术来完成电热水器系统，以单片机为核心，用传感器采集温度，用键盘设定温度，用LED显示，外加一个加热电路和一个复位电路。
用键盘任意设定一个温度，显示在显示屏上，温度传感器会检测水箱中的温度得到实时水温，将结果传送给单片机并与设定的水温相比较，如果实时温度小于设定温度，加热器就开始工作，直至实时温度等于设定温度为止。
（二）系统框图
系统框图见图1所示。系统以高性价比的AT89C51单片机为核心，由键盘输入、DS18B20温度采集、数码管显示电路、电源时钟复位电路、双向可控硅加热电路控制电路。
图1 系统框图
二、硬件设计
（一） 单片机系统设计
单片微型计算机是指制作在一块集成电路芯片上的计算机，简称单片机。它包括中央处理器、用RAM构成的数据存储器、用ROM构成的程序存储器、定时器/计数器、各种输入/输出接口和时钟电路，可独立地进行工作。
单片机内包含下列几个部件：
1.一个8位CPU。
2.一个片内振荡器及时钟电路。
3.4KB ROM 程序存储器。
4.256B RAM 数据存储器。
5.两个16位定时器/计数器。
6.可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器的控制电路。
7.32条可编程的I/O线。
8.一个可编程全双串行口。
9.具有5个中断源、两个优先级嵌套中断结构。
图2 AT89C51单片机
（二）数码管显示设计
数码管的显示由P0口完成控制。有两点需要注意，第一点是要哪一个数码管亮，第二点是亮的数码管显示什么数字。所以数码管有位选和段选之分，位选在程序中用wei表示，单片机上是P2^7端口，即对位选操作时使P2^7呈现高电平，这时P0的八个端口对数码管的操作决定了那几个数码管亮，P0操作完成后使P2^7呈现低电平，这样位选就已锁定。段选在程序中由duan表示，单片机上是P2^6端口，与位选相同，操作时使P2^6呈现高电平，这时P0的八个端口对数码管的操作决定了亮的几个数码管显示什么数字，P0操作完成后使P2^6呈现低电平，这样段选就已锁定。
数码管显示电路的设计是采用双向共阳极串行接口电路，用来显示加热档位，直观性更强。它的电路图如图3所示：
图3 显示驱动电路
（三） 键盘输入设计
本设计中使用的是矩阵式键盘，见图4所示。
图4 矩阵式键盘
S10到S19分别代表数字0到9。S20代表确认数字，S21代表取消数字，按下后即可确认或取消要输入数字的某一位。
左侧键盘的引脚由上至下分别是P3^0到P3^7，第一行暂时不用，从第二行开始使用，每一行如P3^1都与P3^4、 P3^5、 P3^6 、P3^7，他们是线与的关系。因此可以如此操作，对图中第二行、第三行、第四行诸行进行扫描。扫描第一行时P3口赋值为0xfd，即为P3^1口赋“0”，P3的其他口赋“1”，当第二行没有按键按下时P3^4、 P3^5、 P3^6 、P3^7将都是高电平“1”，一旦有按键按下时，由于线与关系，P3^4、 P3^5、 P3^6 、P3^7必定有一个为“0”，它们之中那一个为“0”依次代表S10到S13哪个键被按下。依次循环扫描三行即可时时检测是否有键按下。
（四） DS18B20温度采集
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20使电压、特性有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。
本文采用温度传感器DS18B20采集电热水器的实时温度, 提供给AT89C51的P3.3口作为数据输入。在本次设计中我们所控的对象为水温。其电路原理框图如下：
图5 温度检测电路
如图5所示，该电路主要由AT89C51、DS18B20和外接电源构成，其中DS18B20的8脚DQ为数字信号输入/输出端，当采集到实时水温就通过8脚传输给C51；9脚GND为电源地；7脚VDD为外接供电电源输入端。
（五）复位电路设计
单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件恢复为初始状态，就像计算机的重启，并从这个状态开始工作。要实现复位操作，必须使RES引脚至少保持两个机器周期的高电平。CPU在第二个机器周期内执行内部复位操作，以后每一个机器周期重复一次，直至RES端电平变低。当RES引脚返回低电平以后，CPU从0000H地址开始执行程序。
时钟复位电路见图6所示，RET连接单片机的RESET接口，主要完成单片机的复位功能。当按下S22后，电流经过电阻R16流向RES引脚，因为单片机本身输出电流小，RST引脚电流小，所以RES引脚就出现了高电平，从而完成复位。
摘要
本文采用单片机作为核心控制器，使用C语言编写程序，设计电热水器控制系统。该系统使用矩阵型键盘设定所需的温度，用LED显示，采用DS18B20温度传感器采集温度，得到实时的水温。系统的功能是当实时水温小于设定温度时，就开始加热，当实时水温大于或等于设定温度时，就停止加热。
摘要 2
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:单片机；C语言；电热水器
引言 3
一、系统原理设计 4
（一） 设计思想 4
（二）系统框图 4
二、硬件设计 4
（一） 单片机系统设计 5
（二）数码管显示设计 5
（三） 键盘输入设计 6
（四） DS18B20温度采集 7
（五） 复位电路设计 8
（六） 加热电路设计 8
三、 软件设计 9
四、 调试 10
五、总结 11
七、参考文献 12
八、附录 13
（一）原理图 13
（二） 程序 14
引言
电热水器有易安装、不受天气影响和不受楼层限制的优点，随着社会的发展和技术的进步，各种安装形式的电热水器先后上市，渐渐摆脱了房间空间的限制，中央供水和数码智能的电热水器也已进入市场。电热水器的安全问题涉及到消费者的生命，又加上近些年的能源危机，人们生活节奏的加快，智能化电热水器越来越受到消费者的青睐。在当今社会，科技日新月异，热水器技术飞速发展，越来越多的科技成果被运用到热水器的制造中。如今的热水器产品已经绝对不是一个简单的加热器，而是科技含量高的现代化家电产品。随着我国人民生活水平的逐渐提高，其生活条件有了很大的改善，智能化电器在人们日常生活中占有比重越来越大，与家庭生活密切相关的热水器品种层出不穷，花样翻新。
正是在这样的背景下，本设计选择基于AT89C51单片机的智能电热水器的设计研究，选用AT89C51单片机作为控制芯片，实现电热水器的智能化即持续稳定的热水供应和自动断电的安全功能等。
一、系统原理设计
（一）设计思想
此次设计运用了单片机和传感器等技术来完成电热水器系统，以单片机为核心，用传感器采集温度，用键盘设定温度，用LED显示，外加一个加热电路和一个复位电路。
用键盘任意设定一个温度，显示在显示屏上，温度传感器会检测水箱中的温度得到实时水温，将结果传送给单片机并与设定的水温相比较，如果实时温度小于设定温度，加热器就开始工作，直至实时温度等于设定温度为止。
（二）系统框图
系统框图见图1所示。系统以高性价比的AT89C51单片机为核心，由键盘输入、DS18B20温度采集、数码管显示电路、电源时钟复位电路、双向可控硅加热电路控制电路。
图1 系统框图
二、硬件设计
（一） 单片机系统设计
单片微型计算机是指制作在一块集成电路芯片上的计算机，简称单片机。它包括中央处理器、用RAM构成的数据存储器、用ROM构成的程序存储器、定时器/计数器、各种输入/输出接口和时钟电路，可独立地进行工作。
单片机内包含下列几个部件：
1.一个8位CPU。
2.一个片内振荡器及时钟电路。
3.4KB ROM 程序存储器。
4.256B RAM 数据存储器。
5.两个16位定时器/计数器。
6.可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器的控制电路。
7.32条可编程的I/O线。
8.一个可编程全双串行口。
9.具有5个中断源、两个优先级嵌套中断结构。
图2 AT89C51单片机
（二）数码管显示设计
数码管的显示由P0口完成控制。有两点需要注意，第一点是要哪一个数码管亮，第二点是亮的数码管显示什么数字。所以数码管有位选和段选之分，位选在程序中用wei表示，单片机上是P2^7端口，即对位选操作时使P2^7呈现高电平，这时P0的八个端口对数码管的操作决定了那几个数码管亮，P0操作完成后使P2^7呈现低电平，这样位选就已锁定。段选在程序中由duan表示，单片机上是P2^6端口，与位选相同，操作时使P2^6呈现高电平，这时P0的八个端口对数码管的操作决定了亮的几个数码管显示什么数字，P0操作完成后使P2^6呈现低电平，这样段选就已锁定。
数码管显示电路的设计是采用双向共阳极串行接口电路，用来显示加热档位，直观性更强。它的电路图如图3所示：
图3 显示驱动电路
（三） 键盘输入设计
本设计中使用的是矩阵式键盘，见图4所示。
图4 矩阵式键盘
S10到S19分别代表数字0到9。S20代表确认数字，S21代表取消数字，按下后即可确认或取消要输入数字的某一位。
左侧键盘的引脚由上至下分别是P3^0到P3^7，第一行暂时不用，从第二行开始使用，每一行如P3^1都与P3^4、 P3^5、 P3^6 、P3^7，他们是线与的关系。因此可以如此操作，对图中第二行、第三行、第四行诸行进行扫描。扫描第一行时P3口赋值为0xfd，即为P3^1口赋“0”，P3的其他口赋“1”，当第二行没有按键按下时P3^4、 P3^5、 P3^6 、P3^7将都是高电平“1”，一旦有按键按下时，由于线与关系，P3^4、 P3^5、 P3^6 、P3^7必定有一个为“0”，它们之中那一个为“0”依次代表S10到S13哪个键被按下。依次循环扫描三行即可时时检测是否有键按下。
（四） DS18B20温度采集
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20使电压、特性有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。
本文采用温度传感器DS18B20采集电热水器的实时温度, 提供给AT89C51的P3.3口作为数据输入。在本次设计中我们所控的对象为水温。其电路原理框图如下：
图5 温度检测电路
如图5所示，该电路主要由AT89C51、DS18B20和外接电源构成，其中DS18B20的8脚DQ为数字信号输入/输出端，当采集到实时水温就通过8脚传输给C51；9脚GND为电源地；7脚VDD为外接供电电源输入端。
（五）复位电路设计
单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件恢复为初始状态，就像计算机的重启，并从这个状态开始工作。要实现复位操作，必须使RES引脚至少保持两个机器周期的高电平。CPU在第二个机器周期内执行内部复位操作，以后每一个机器周期重复一次，直至RES端电平变低。当RES引脚返回低电平以后，CPU从0000H地址开始执行程序。
时钟复位电路见图6所示，RET连接单片机的RESET接口，主要完成单片机的复位功能。当按下S22后，电流经过电阻R16流向RES引脚，因为单片机本身输出电流小，RST引脚电流小，所以RES引脚就出现了高电平，从而完成复位。
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