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1、摘 要目前热水器已成为日常生活中不可缺少的家用电器，设计制造更实用、更方便、更安全、更节能的热水器是产品设计师和生产厂商不断追求的目标1。家用热水器具有体积小、使用安全、安装方便等优点。系统硬件电路设计包括加热控制、温度检测等电路的设计。电热水器是一种可供洗手间、厨房、浴室使用的家用电器，具有无污染、安全、保温时间长、使用方便等优点。随着人民生活水平的不断提高和我国电力工业的不断发展,电热水器得到不断普及。本文给出了一种基于51单片机实现的热水器电加热器的设计方案。本文运用以AT89S51为控制核心的方法，提出了利用DS18B20来实现温度检测，并设计一个由继电器控制的电路，利用继电器来改变小
2、电流控制的电路功率，构建了一个加热控制电路，从而得出了可以实现加热以及保温的结论。关键字：热水器，单片机，DS18B20温度检测器，继电器 Micro-controller of water heater controller designAbstractMy graduation project topic is: the design of micro controller-based home water heater controller. Water heaters have become indispensable in the daily life of household ap
3、pliances, the design and manufacture of more practical, more convenient, safer, more energy-efficient water heater is continuing to pursue the goal of product designers and manufacturers.The hardware circuit design including heating control, temperature detection circuit design.Electric water heater
4、 is an available toilet, kitchen, bathroom and household appliances. Has the advantages of clean, safe, long holding time, easy to use. With the continuous improvement of peoples living standards and the continuous development of Chinas power industry, electric water heaters are becoming more preval
5、ent. In this paper, based on 51 single-chip design of the auxiliary heating of the water heater. In this paper, AT89S51 as the control core, DS18B20 temperature detection, and to design a relay control circuit, use the relay to change the small-current control circuit power to build a heating contro
6、l circuit, in order to get conclusion of water heating can be achieved and the keeping of temperature.Keywords： Water heater, micro-controller, DS18B20 temperature detector, relay目录1 引言12 家用电热水器控制器的硬件设计22.1 系统总体设计方案22.1.1 主要技术参数22.3 单片机的最小系统32.3.1 单片机的选择32.3.2 复位电路和晶振电路62.4 温度传感器DS18B20的选择确定72.4.1 D
7、S18B20的特性72.4.2 DS18B20的测温原理82.5 键盘与显示102.5.1 键盘部分102.5.2 显示电路112.6 温度检测电路的设计122.7 报警电路设计132.8 单片机与PC机的通信接口132.8.1 串行通信接口标准RS-232C142.8.2 RS-232C与TTL逻辑电平的转换142.9 电源电路的设计142.10 模式选择电路的设计152.11 加热控制电路的设计163 系统的软件设计173.1 设计思想173.2 程序设计及流程图173.2.1 初始化模块173.2.2 温度采集模块183.2.3 控制按键设计子程序流程图183.2.4 加热控制模块设计子
8、程序流程图194 调试部分214.1 proteus简介214.1.1软件功能特点214.2 仿真结果225 结论246 致谢25参考文献26附录一 原理图27附录二 PCB图28附录三 仿真图29附录四 程序301 引言当今社会大部分人在使用热水器时，基本上都是采用的快热式的。这是因为它给人们带来了极大的方便，人们不再为热水器耗电量大而发愁，所以快热式电热水器走进千家万户应经成为必然的。我国也在不断大力提倡家庭使用热水器，这样可以为国家节省很多电能。使用电热水器的方便之处还在于我国的电力来源比较方便，电能是无污染、清洁的，很受人们欢迎。目前市场燃气热水器、太阳能热水器、储水式电热水器遍地开花
9、，然而燃气热水器因其安全隐患及越来越高的使用成本正逐渐淡出热水器市场2；而太阳能热水器也因其严格受天气、气候及安装条件影响而很难占有更大市场份额；所以电热水器以其小巧时尚的外观、而且加热方便、比燃气热水器更安全的特点横空出世！在欧洲、东南亚市场热水器发展历程充分证明了这一点。普通电热水器有如下缺点：1、热水器长期通电，长期保持在六十度以上高温，发热管易结垢，内胆易漏水，因而较易损坏； 2、管道热水热量损耗大； 3、等候用水时间太长； 4、在热水流出前都必须浪费一定量的冷水，根据管道的长短，一般家庭中冷水损耗量大，基本可达10-25升/次。 而电热水器克服了上述缺点。它有很多优点，如：安全，干净
10、环保；体积小所占空间小，安装方便，款式多样，美观实用，也是职工福利和客户礼品的绝佳选择。特别方便于洗涤，和洗漱，是为现代家居厨房洗涤、卫生间洗漱专业设计生产的快速电热水器，结合了燃气热水器和传统储水式电热水器优点3。这里之所以设计家用电热水器正是看到了它的未来，即将来人们将越来越多的使用它。系统主要要求：1、 控制器控制的热水器功率是2000W，采用两根加热棒。2、 可以显示热水器当前水温和设置水温。3、 可以进行水温设置。4、 可以进行速热整桶水和低功率加热等加热模式的选择。5、加热、保温、低功率三种加热模式进行显示。2 家用电热水器控制器的硬件设计对于家用电热水器来说，硬件系统是它的最基本
11、的框架，是系统的所有功能的丛础。硬件的选择和所选硬件的性能对系统的功能实现以及系统的精度都有直接的影响，系统的设计成功与否很大程度上取决于硬件系统的设汁。本系统硬件方案论证包括单片机、温度检测传感器、加热控制驱动电路、电源电路、及键盘和显示等电路的选择。2.1 系统总体设计方案设计家用电热水器控制器，使控制器控制的热水器功率为2000W，采用两个加热棒。可以显示热水器当前水温和设置水温；可以进行水温设置；设计也要实现可以进行速热整桶水、低功率等加热模式的选择等功能。利用发光二级管对加热、保温和低功率三种模式进行显示。系统硬件电路包括加热控制、温度检测、报警、复位等电路的组成。利用LCD1602
12、来显示实时设定温度和实际温度4。2.1.1 主要技术参数1 温度检测范围是0-802 测量精度：+13 键盘是采用拨动开关，实现温度设定范围为：0804 参数调整：手动控制/程序控制5 增加预警系统，当加热到设定的温度时，则发出报警信号2.2 电热水器控制器系统组成框图电热水器控制电路由时钟电路，复位电路，单片机，按键，LCD1602，传感器，继电器等部分组成。当单片机的P22、P21口输出低电平“0”时，两根加热棒都工作。当P23输出“0”时，报警电路工作。当P24、P25、P26、P27口为“1”时，发光二级管亮，模式选择显示工作。按键电路中，若有键按下，则对应的单片机管脚为“1”信号。热
13、水器控制器系统组成框图如图2-1： 图2-1 热水器控制器系统组成框图2.3 单片机的最小系统所谓最小系统就是指由单片机和一些基本的外围电路所组成的一个可以工作的单片机系统。一般来说，它包括单片机、晶振电路和复位电路。晶振电路：AT89S51片内有一个由高增益反相放大器构成的振荡电路。XTALl和XTAL2分别为振荡电路的输入输出端。其振荡电路有2种组成方式：片内振荡器和片外振荡器。复位电路：在RST输入端出现高电平时实现复位和初始化5。2.3.1 单片机的选择单片机的全称是微型计算机（Single Chip Microcomputer）。我们知道8031芯片内部无ROM，需要外扩程序存储器,
14、由此造成电路焊接的困难，况且使用8031还需要另外购买其他的芯片，如A/D转换及定时/计数器（PWM）等芯片，从而造成成本较高，不实用6。热水器控制电路数控部分采用AT89S51单片机作为控制核心。AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89S51具有以下标准功能：4k字节Flash，256字节RAM，32位I0口，看门狗定时器，2个数据指针，2个16位定时器计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振
15、及时钟电路。另外，AT89S51可降至0 Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，单片机停止工作，允许RAM、定时器计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止。直到下一个中断或硬件复位为止。8位微控制器8 k字节为在系统可编程Flash7。STC89C51单片机的管脚图如图2-2：图2-2 AT89C51单片机的管脚图各引脚介绍如下：1电源和晶振VCC运行和程序校验时加+5VGND接地XTAL1输入到振荡器的反向放大器XTAL2反向放大器的输出，输入到内部时钟发生器（当使用外部振荡器时，XTAL1接地，XTAL2接收振荡器信
16、号）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的8。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。2I/O（4个口，32根）P0口8位、漏极开路的双向I/O口。当使
17、用片外存储器（ROM、RAM）时，作地址和数据分时复用。在程序校验期间，输出指令字节（需加外部上拉电路）。P0口（作为总线时）能驱动8个LSTTL负载。P1口8位、准双向I/O口。在编程/校验期间，用于输入低位字节地址。P1口可驱动4个LSTTL负载。对于80C51，P1.0T2，是定时器的计数端且位输入；P1.1T2EX，是定时器的外部输入端。这时，读两个特殊输入引脚的输出锁存器应由程序置1。P2口8位、准双向I/O口。当使用片外存储器（ROM及RAM）时，输出高8位地址。在编程/校验期间，接收高位字节地址。P2口可以驱动4个LSTTL负载。P3口8位、准双向I/O口，具有内部上拉电路。P3
18、口提供各种替代功能。在提供这些功能时，其输出锁存器应由程序置1。P3口可以输入/输出4个LSTTL负载。3串行口P3.0RXD（串行输入口），输入。P3.1TXD（串行输出口），输出。4中断P3.2INT0外部中断0，输入。P3.3INT1外部中断1，输入。5定时器/计数器P3.4T0定时器/计数器0的外部输入，输入。P3.5T1定时器/计数器1的外部输入，输入。6数据存储器选通P3.6WR低电平有效，输出，片外存储器写选通。P3.7RD低电平有效，输出，片外存储器读选通。7控制线(共4根)输入：RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。EA/Vpp片外程序存
19、储器访问允许信号，低电平有效。在编程时，其上施加21V的编程电压。注意：在加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。输入、输出ALE/PROG地址锁存允许信号，输出。ALE以1/6的振荡频率稳定速率输出，可用作对外输出的时钟或用于定时。在EPROM编程期间，作输入，输入编程脉冲（PROG）。ALE可以驱动8个LSTTL负载。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号9，此频率
20、为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。注意：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。输出：PSEN片外程序存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器取址期间，在每个机器周期中，当PSEN有效时，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）。PSEN可以驱动8个LSTTL负载。2.3.2 复位电路和晶振电路复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从
21、0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动10。整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。并且在外围设计晶振电路使51单片机正常工作。晶振电路：AT89S51片内有一个由高增益反相放大器构成的振荡电路。XTALl和XTAL2分别为振荡电路的输入输出端。本系统的复位和晶振电路采用图2-3所示的复位方式。图2-3 晶振和复位电路2.4 温度传感器DS1
22、8B20的选择确定DS1820 通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS1820 之间仅需一条连接线（加上地线）。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。因为每个DS1820 都有一个独特的片序列号，所以多只DS1820 可以同时连在一根单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。这一特性在HVAC 环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用11。2.4.1 DS18B20的特性1、独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯2、简单的多点分布应用3、 无需外部器件4、可通过数据线供电5、零待机功耗6、测温范围-55+125，
23、以0.5递增。华氏器件-67F+2570F，以0.90F 递增温度以9 位数字量读出7、温度数字量转换时间200ms（典型值）8、用户可定义的非易失性温度报警设置9、报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件10、应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统DS18B20的管脚图如图2-4图2-4 芯片DS18B202.4.2 DS18B20的测温原理DS1820 是这样测温的：用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于-55的一个值。如果计数器在门周期结束前到达0，则
24、温度寄存器（同样被预置到-55）的值增加，表明所测温度大于-55。同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程12。表格2-1给出了温度和数据之间的关系。表2-1 温度和数据的关系温度数据输出（二进制）数据输出（十六进制）+12500000000 1111101000FA+2500000000 001100100032+1/200000000 000000010001000000000 000000000000-1/211111111 11111111FFFF-25111
25、11111 11001110FFCE-5511111111 10010010FF92斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期在测温时获得比较高的分辨力。这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的的值来实现的13。DS1820内部对此计算的结果可提供0.5的分辨力。温度以16bit 带符号位扩展的二进制补码形式读出，表2-2给出了温度值和输出数据的关系。数据通过单线接口以串行方式传输。DS1820 测温范围-55+125，以0.5递增。如用于华氏温度，必须要用一个转换因子查找表。最高有效（符号）位被复制充满存储器中两字节温度寄存器的高MSB 位，由这种“符号位扩展”产生出了16bit 温度
26、读数。图2-5 DS18B20方框图图2-5的方框图示出了DS1820 的主要部件。DS1820 有三个主要数字部件：1）64位激光ROM，2）温度传感器，3）非易失性温度报警触发器TH和TL。器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量：在信号线处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。DS1820 也可用外部5V电源供电14。DS1820 依靠一个单线端口通讯。在单线端口条件下，必须先建立ROM 操作协议，才能进行存储器和控制操作。因此，控制器必须首先提供下面5 个ROM 操作命令之一：1）读ROM，2）匹配ROM，3
27、）搜索ROM，4）跳过ROM，5）报警搜索。这些命令对每个器件的激光ROM 部分进行操作，在单线总线上挂有多个器件时，可以区分出单个器件，同时可以向总线控制器指明有多少器件或是什么型号的器件。成功执行完一条ROM 操作序列后，即可进行存储器和控制操作，控制器可以提供6 条存储器和控制操作指令中的任一条15。一条控制操作命令指示DS1820 完成一次温度测量。测量结果放在DS1820 的暂存器里，用一条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中数据读出。温度报警触发器TH 和TL 各由一个EEPROM 字节构成。如果没有对DS1820 使用报警搜索命令，这些寄存器可以做为一般用途的用户存储器使用
28、。可以用一条存储器操作命令对TH和TL进行写入，对这些寄存器的读出需要通过暂存器。所有数据都是以最低有效位在前的方式进行读写。寄生电源寄生电源的方框图见图1。这个电路会在I/O 或VDD 引脚处于高电平时“偷”能量。当有特定的时间和电压需求时（见节标题“单线总线系统”），I/O 要提供足够的能量。寄生电源有两个好处：1）进行远距离测温时，无需本地电源，2）可以在没有常规电源的条件下读ROM。要想使DS1820 能够进行精确的温度转换，I/O 线必须在转换期间保证供电。由于DS1820 的工作电流达到1mA，所以仅靠5K 上拉电阻提供电源是不行的，当几只DS1820 挂在同一根I/O线上并同时想
29、进行温度转换时，这个问题变得更加尖锐。2.5 键盘与显示2.5.1 键盘部分方案一：采用矩阵式键盘，其优点是可以按键多，适合于要求使用多按键的场合，如计算器，电子密码锁等。缺点是占用较多的I/O口，软件编程复杂，键盘扫描时间较长。方案二：采用独立式按键，其优点是响应速度快，接口简单，易于编程，使用方便。本设计需要按键不多，故通过上述两个方案的比较，本设计采用方案二，使用独立式按键。共设置四个按键，第一个按键为复位键，第二个按键为设置键，第三个按键为加一键。第四个按键为减一键。当P13口为低电平时，则键K1按下，为高电平时，表示无键按下。同理，当P14口为低电平时，则键K2按下，为高电平时，表示
30、无键按下。当P15口为低电平时，则键K3按下，为高电平时，表示无键按下。当P16口为低电平时，则键K4按下，为高电平时，表示无键按下。键盘连接如图2-6：图2-6 键盘连接2.5.2 显示电路方案一：LCD1602液晶显示，具有字符发生器ROM可显示192种字符，具有64个字节的自定义字符RAM，但是不能显示汉字，只能显示ASCII码且只能显示显示两行。方案二：12864是128*64点阵液晶模块的点阵数简称，其是一种具有内部含国际一级、二级简体中文字库的显示模块，分辨率为128*64，内置8192个16*16点汉字和128个16*8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操
31、作指令，可显示8*4行16*16点阵的汉字，也可显示图形。低电压低功耗是其又一显著特点。方案三：数码管显示，数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，其驱动方式分别为静态驱动和动态驱动。静态驱动编程简单，显示亮度高，但占用的I/O端口多，在实际应用时必须增加译码器，是硬件电路更复杂。针对数码管，其显示单调且不具备数据的直观性。比较上面三种方案，本系统采用LCD1602进行显示。表2-2 LCD1602主要技术参数显示容量16*2个字符芯片工作电压4.55.5V工作电流2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压5.0V字符尺寸2.95*4.35（WXH）mm表2-3 LCD160接口信号说明编号符号引
32、脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data I/O2VDD电源正级10D3Data I/O3VL液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS数据/命令选择端12D5Data I/O5R/W读/写选择端13D6Data I/O6E使能信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光级正极8D1Data I/O16BLK背光级负极LCD1602结构如图2-7所示，由图可知，LCD1602的8个输入端DB0-DB7口与单片机的8个P0口相连。P10口接R/S（数据/命令选择端），P11口接R/W（读/写选择端），P12口接E（使能信号）。图2-7 LCD1602液晶显示2.
33、6 温度检测电路的设计由于DS18B20只有一个串行接口，与单片机与单片机的连接电路和很简单，只需与单片机的一个I/O端口连接即可。其连接图如图7所示，DS18B20的I/O属于漏极开路输出，外接上拉电阻后常态下成高电平。该器件内含有寄生电源，其供电方式可以选择寄生电源方式，也可以选择外部电源。为方便起见，采用寄生电源供电。且最大特点就是不需要A/D转换电路，使硬件电路变得简单。温度检测电路如下图2-8：图2-8 温度检测电路2.7 报警电路设计在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，一边提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采
34、集的数据记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换以后，与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警。否则就作为正常的采样值进行显示和控制。本设计采用蜂鸣报警电路。蜂鸣报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器， 然后通过STC89C52的1根线经驱动器蜂鸣音发声。如图2-9所示，当输出为“0”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得+5V电压而鸣叫；当输出高电平为“1”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。图2-9 报警电路2.8 单片机与PC机的通信接口利用STC89C51单片机的标准串行接口，通过简单的外围接口电路，可以方便的实现单片机与PC机之间的数据通信。在设计硬件接
35、口电路时，应充分考虑到电路的电气特性、逻辑电平以及驱动能力的匹配问题，若匹配得不好，将会导致通信失败。2.8.1 串行通信接口标准RS-232CPc机上均带有标准的RS一232C接口。Rs一232C是由EIA(美国电子工业协会)于1969年正式公布的、在异步串行通信中应用最为广泛的标准总线接口，适合于短距离通信或带调制解调器的通信应用场合。采用RS一232C标准进行数据传输时，最大传输速率为20k bits，最大距离为15 m。它们之间具有相关性，适当降低传输速率就可加大传输距离，反之，适当减少传输距离就可提高传输速率。2.8.2 RS-232C与TTL逻辑电平的转换由于Pc机串行口使用的是R
36、S一232C逻辑电平，而AT89C51单片机串行口的输入输出均为ITL电平，因此当Pc机与单片机通信时必须进行电平转换。本文使用双向电平转换集成芯片。此方法的优点是：只需单一+5 V电源供电，可靠性高，无需增加程序设计的复杂性。如前所述，本文采用MAX232作为PC机与单片机的串行通信接口芯片。硬件连接时，可从MAX232中的2路发送器和接收器中任选一路，只要注意发送与接收的引脚对应关系即可。接口电路如图2-10所示。图2-10 通讯接线图2.9 电源电路的设计电源电路的设计：方案一：采用干电池进行供电，优点是无需进行电路设计，适合在没有电的情况系使用，缺点是本设计需要用到的为5V电压，而干电
37、池每节1.5V，采用4.5V电压可能会使系统运行不稳定。方案二：采用USB供电，优点是电路简单，使用方便。缺点是供电电压有时不稳定，对系统运行造成影响。方案三：采用直流12V电压,经过稳压电路后，得到稳定的+5V电压。通过三个方案的比较，本设计采用方案三。原理图如图2-11所示，由图可知，通过变压器和整流桥，然后在经过稳压电路成为输出为+5V的直流电。图2-11 电源系统连接图2.10 模式选择电路的设计本文中采用四个发光二级管串接四个电阻组成模式选择电路。来显示系统工作的状态：加热、保温、低功率或复位这四个不同的状态。电路如图2-12所示。当P24、P25、P25或P26口为“1”时，发光二
38、级管导通，此时显示控制器的工作状态是加热、保温、低功率还是不工作。图2-12 模式选择电路2.11 加热控制电路的设计本文采用继电器控制的小电流电路，用来控制加热电路，用以改变电路的电流以及功率，从而实现电路的低功率加热、保温、速效加热等。设计电路如图2-13所示。当P21、P22均为“0”时，加热棒D8、D9工作，此时可实现速热的功能。P21为“0”，P22为“1”时，加热棒D8工作，D9不工作，工作状态为一根加热棒加热。P21为“1”，P22为“0”时，加热棒D8工作，D9不工作，工作状态为一根加热棒加热。P21、P22均为“1”时，加热棒D8和D9均不工作。图2-13 加热控制电路3 系
39、统的软件设计基于单片机的家用电热水器的设计主要包括主程序、显示扫描、按键扫描子程序、加热控制子程序和温度检测子程序。要想实现预设计的功能软件的设计至关重要，应认真考虑。3.1 设计思想根据实际需要，单片机软程序有若干模块组成：初始化模块、LCD显示模块、时钟模块、数据采集模块、数据处理模块。其中有些模块还包括子模块，使用时，下一级模块被高一级模块调用，各部分既相互独立又相互联系。3.2 程序设计及流程图3.2.1 初始化模块程序初始化如图3-1所示。系统开始运行后进行各子程序的初始化这部分实现的功能包括各种I/O口输入输出状态的设定、寄存器的初始化、中断使能等。3-1 程序初始化流程图3.2.
40、2 温度采集模块DS18B20是数字型温度传感器，单片机可直接采集其数据，经过特定程序的处理即可应用。温度采集模块如图3-2所示。图3-2 温度采集模块3.2.3 控制按键设计子程序流程图按键设置一共有四个按键，功能分别为：复位键、设置键、加一键、减一按键。按键处理子程序流程图如图3-3所所示。3-3 按键处理子程序流程图3.2.4 加热控制模块设计子程序流程图本设计利用连个继电器控制加热模块的通断，加热控制模块设计子程序流程图如图3-4所示。3-4 加热控制模块设计子程序流程图4 调试部分整个温度控制系统的设计包括软件设计。这一章的主要内容是将软件设计部分通过proteus软件进行仿真，将系
41、统的设计功能通过仿真模拟体现出直观的效果。4.1 proteus简介Proteus软件是英国Lab center electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。在此次毕业设计中，利用仿真软
42、件proteus来进行再一次的绘图和仿真。4.1.1软件功能特点1）实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。2）支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。3）提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的
43、当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。4）具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。本章介绍Proteus ISIS软件的工作环境和一些基本操作。4.2 仿真结果打开已经设计好的电路图文件，运行仿真。首先，液晶屏显示的设定水温(设置一个最高温和一个最低水温)。如仿真图图4-1和4-2所示。此时我用4个按键来设置温度。设置键用来选择设置的是最低温度或者最高温度，而加一减一键用来改变设置的温度值，而复位键按下之后则显示的是当前温度，如图4-3所示
44、。4-1 按键仿真电路图4-2 设置的温度值显示通过上述仿真，实现了系统设置水温和报警等功能。当实际水温低于设定水温时系统自动开启加热装置，当水温上升到设定的最高温度后系统会自动停止加热并且产生报警信号。系统通过调试组装后一般即可正常工作。根据实践证明，接通电源后，LCD1602显示温度，按一下设置键，并可以通过“加一”“减一”键来调节温度值的大小，直到到达想要设置的值为止。在调试过程中，LCD1602在正常的温度范围内完全可以显示出温度，将DS18B20测试的当前温度调到设置的最高温度之上或者最低的温度之下时，会在仿真中听到报警声。5 结论 本系统历时15周完成，通过老师的悉心指导以及自己的
45、努力终于完成。本次毕业设计是对所学知识的一次综合性运用。其中包括对模拟电子技术基础、和数字电子技术基础、单片机等知识的运用。从而完成了本次设计。在设计的过程中发现了自身知识的不足，也发现我们必须具备专业基础知识以外，才能成功的设计出一件合格的东西。对于家用电热水器来说，硬件系统是它的最基本的框架，是系统的所有功能的丛础。硬件的选择和所选硬件的性能对系统的功能实现以及系统的精度都有直接的影响，系统的设计成功与否很大程度上取决于硬件系统的设汁。本系统硬件方案论证包括单片机、温度检测传感器、加热控制驱动电路、电源电路、及键盘和显示等电路的选择。这次毕业设计收获很多，体会也很深刻，并且对我们所学的东西
46、也产生了浓厚的兴趣。在设计过程中，也学会了很多新的东西，PROTEL软件绘制电路原理图和PCB图，以及一些仿真软件的应用，最典型的就是PROTEUS软件的应用，以及与KEIL软件的联合使用功能。当然最重要的是学到了关于基本电子设计的一些基本方法，同时也加深了对一些常用的电子元件的理解及其基本用法的掌握。除此之外，我觉得在这次设计的过程中，我发现团队精神的重要性，很多时候一个人的力量是有限的，一个人不可能什么都会，什么都能自己解决，还是有需要他人帮助的时候，我觉得人与人之间的相互帮助很有必要，这样不仅能帮助大家很快的解决问题，还能提高我们每个人的实际水平，也培养了我们的团队合作精神，这些能力对于我们今后的学习和工作都很有帮助。由于要兼顾毕业设计和考研复试的准备，本次设计中还有不尽完善之处。希望在以后的学习生涯中不断的完善和改进。6 致谢这次毕业设计历时半年，中间也有在设计过程中遇到不少问题，在xx老师和同学的帮助和配合下才顺利的完成了毕业设计。xx老师在我们做设计的过程中，给予了我们极大的帮助，不仅从知
