电热水器温度智能控制系统的设计和实现计算机专业.docx

目录 摘 要 I ABSTRACT II 1 引 言 1 1.1 设计的背景和意义 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3 毕业设计研究内容、拟解决的主要问题 2 1.4 毕业设计研究方法、步骤及措施 2 2 系统硬件方案选择 3 2.1 硬件方案的选择 3 2.1.1 主控芯片的选择 3 2.1.2显示器件的选择 3 2.1.3 温度传感器的选择 4 2.1.4 温度设置方式的选择 4 2.2 系统总体方案 4 3 系统硬件设计 5 3.1 STC89C51单片机最小系统的设计 5 3.2 显示电路模块的设计 7 3.3 温度采集模块的设计 8 3.4 红外遥感电路模块的设计 9 3.5 报警模块电路的设计 10 3.6 继电器驱动电路设计 10 3.7 独立按键电路的设计 11 4 源程序代码的编写 11 5 结论 12 参考文献 13 附录A：仿真电路图 14 附录B：PCB电路图 15 附录C：硬件实物图 16 附录D：C语言程序代码 17 II 摘 要 随着科学技术的不断发展，日常家用电器的不断普及，越来越多的电力电子产品开始走向智能化、自动化。在推动科学技术发展的同时，也极大方便了人们的日常生活。这些智能化、自动化电子电力产品中，大部分是以单片机为核心运作的。本次设计主要介绍一种电热水器温度智能控制系统，以STC89C51单片机为核心，DS18B20温度传感器实时采集温度，以继电器控制加热，LCD1602液晶显示屏作显示板，附几个独立按键进行设置，设计可红外遥控，并加入倒计时功能，以此得出一款智能型电热水器。 关键词： 智能；STC89C51单片机；电热水器 ABSTRACT With the continuous development of science and technology，the constant popularity of daily household appliances，more and more electric and electronic products are becoming intelligent and automated. While promoting the development of science and technology，it is also a great convenience to people's daily life. These intelligent, automated electronic power products，most of them operate on the core of a single chip microcomputer．This design mainly introduces a temperature intelligent control system for electric water heater，Taking STC89C51 microcontroller as the core,，DS18B20 temperature sensor real-time collection temperature， relay control heating， LCD1602 LCD display board，with a few independent buttons to set up， design infrared remote control，and add countdown function，In this way an intelligent electric water heater is obtained. . Keywords:　Intelligence；STC89C51 microcontroller；electric water heater 1 引 言 1.1 设计的背景和意义 自19世纪末，第一台热水器诞生之后，热水器开始逐渐进入人们的视野，从最初的工业生产用途到现在的家庭中广泛使用，经过这100多年的发展，热水器进入了电气领域。如今，电热水器已成为日常生活中不可缺少的家用电器之一，怎样才能设计出更实用、更方便、更安全、更节能的热水器是电器设计师和商家所不断追求的目标。 1.2 国内外研究现状 目前国际市场的电热水器的发展趋势呈两个极端：一端是以中央供热系统为主的大型电器。一端是以家用供热系统为主的小巧型电热水器。随着燃料供应量难以满足人们日益增长的需求，且环境污染越来越严重，节约不可再生资源的呼声越来越高，电力资源的高速发展，传统燃气热水器正逐渐被淘汰，电力热水器迎来高速发展的阶段。而由于单片机的快速发展和电力系统的不断完善，传统的电热水器也逐步发展为智能化电热水器。智能化点热水器的设计采用数码管显示水温，有功率档调节，出水温度自动控制。系统硬件电路设计包括加热控制、温度检测等电路的设计，系统程序设计包括主函数程序、显示扫描子函数程序、按键扫描处理子程序、加热控制函数程序与温度检测函数程序等的设计。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但与国外的美国、日本、德国等先进国家相比，国内所生产的温度控制器仍有较大的差距，可以说并不在同一水平线。我国温度控制器的成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，但它只能适应一般的温度系统控制，难于控制非线性、大滞后、时变温度系统控制，而且随着生产的发展，对控制的实时性与精度要求越来越高，被控对象也越来越复杂，单纯采用常规PID控制器已不能满足系统的要求，适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。这也是我国在温度控制系统方面落后国外的直接体现。 热水器飞速发展现今，海尔、美的、西门子、阿里斯顿等品牌争先恐后推出了双管加热、3D速热、变频增容、漏电保护器、防电墙、多口出水、提前预约等新技术。电热水器在安全、节能、加热速度、出水量等方面不断改进。 就中国而言，海尔热水器拥有行业先进的节能技术,智能加热技术、智能预约技术、3D速热技术、全方位保温技术、防电墙热水器的技术等。防电墙热水器的技术也是首创。海尔电热水器安装有全而防电墙安全预警系统，安全也在真正意义上升级为全方位的、系统化的保护。其中典型的代表一一银海象A6智能专家，是国内第一款具备记忆和计算能力双重智能的热水器。 1.3 毕业设计研究内容、拟解决的主要问题 主要研究内容： 本设计以51单片机为中心，设计一个智能电力热水器的控制电路。实现的主要功能为将水加热到所设定就那个的温度时自动断开电路，电热管停止加热，当水温下降到一定温度后，电热管再次通电加热，循环往复，保证一定时间段内始终有热水供应。本设计分为控制模块、显示模块和报警模块等主要模块。控制模块有温度设置模块和加热电路；显示模块有数码显示管和指示灯；报警模块有蜂鸣器等；用于检测温度的是DS18B20温度传感器。 另外根据用户需求还可选择加装定时倒计时加热方式。 拟解决的问题： 1）焊接技巧不熟悉，硬件焊接可能达不到最佳外观效果，也有可能会发生漏焊、虚焊现象，需要多加学习。 2）在程序设计时，可能会有一些错误，导致与理论结果不符合，需要仔细的去检查。 3）程序调试涉及到的问题比较繁多，若发生错误应该按顺序仔细排查，及时纠正，以免发生连续性的错误。  4） 因为是第一次做设计，缺乏实践经验，有可能会发生设计与实际不符合的情况，应重视从实际出发，注重理论与实际的结合。 1.4 毕业设计研究方法、步骤及措施 （1）熟悉相关理论知识 对于本次设计需要有最基本的认知，对于所需要的汇编语言和程序输入系统、仿真系统要有所了解和掌握，而系统的运作原理、温度的采集、存储过程和控制也要有所了解。总而言之，对于与本次设计有关的知识都必须有所掌握，这是整个设计的基础。 （2）编制程序，绘制电路图 在将所需相关基础知识都有所掌握后，开始编写相关程序和绘制电路图。编写程序是本次设计的重中之重，编写出正确可行的程序才能使设计正常的运行。 （3）焊接硬件 在成功编写出正确的程序后，使用仿真软件测试程序的可行性，确定可行之后，就可以根据所写程序和电路图选择相关元件，选择完后到学校指定实验室进行焊接，而后录入程序，测试焊接实物是否符合本设计要求。 （4）编写毕业设计 在实物达到本设计要求，可以正常运行、功能完善后，根据在毕业设计期间所产生的灵感和思路，和在设计中所遇到的问题和解决问题的办法，写出自己的毕业设计论文。 2 系统硬件方案选择 本章节主要介绍系统所用到的器件的介绍和选择。 2.1 硬件方案的选择 在硬件电路的搭建之前必须明确设计的方案，通过各个模块之间进行比较选择出最适合本设计的硬件，以发挥器件的最大功效。 2.1.1 主控芯片的选择 采用STC89C51单片机作为主控芯片。STC89C51是宏晶科技公司生产的一款低功耗、高性能的八位CMOS微处理器，片内具有8k在线编程Flash存储器。STC89C51单片机是在MCS-51单片机的基础上增加了一个P4口，该口的使用与P1、P2、P3口一样，口地址是0XE8。STC89C51单片机继承了MCS-51单片机的所有功能，并在MCS-51单片机的基础上进行了完善，使其具备许多传统51单片机所不具备的功能，在芯片引脚和指令方面完全兼容，无需将芯片嵌入便可对其进行编程，时钟频率也比MCS-51单片机要高，达到80Hz。并且STC89C51单片机具备价格低廉、使用方便、容易编程等特点，对于我们这种做毕业设计的学生而言是极为不错的选择 2.1.2显示器件的选择 显示器件我选择的是LCD1602液晶显示屏，LCD1602液晶显示屏能够同时显示16*02即32个字符，可包括数字、字母、特殊符号等等。本设计中因为需要显示温度的上限、温度的下限及时间等数据，而LCD1602液晶显示屏属于字符型液晶显示屏，其中每个字符均由5*7的点阵组成，完全可以满足本次设计所需。并且LCD1602液晶显示模块可以和本设计中采用的STC89C51单片机直接接口，电路连接设计非常简单，控制原理与其他液晶的控制原理基本相同，可采用并行和串行数据传输方式，而且价格低廉，一定程度上降低了设计实物的制作成本。 2.1.3 温度传感器的选择 温度传感器我选择的是由DALLAS公司生产的数字式温度传感器DS18B20，其被测温度用16位补码的方式进行串行输出，CPU仅需一根数据线便可进行数据传输。测温范围为-50℃～+125℃，本设计中热水器水温正好处于该温度范围之内，并且DS18B20温度传感器易与51单片机连接，具有测量精度高、范围广等诸多优点。 2.1.4 温度设置方式的选择 温度设置方式的话，我采用的是 “机体按键+红外遥控”的控制方式，即在热水器上安装设置按键的同时外加一个无线红外遥控模块，这样可以使用户更方便的使用热水器。红外遥控是通过将发射出去的信号由红外一体接收装置接收并进行解码，从而确定使用者按下的到底是哪个按键。而红外装置广泛应用于家用电器，属于比较常见的无线控制方式，并且价格低廉，操作简单。 2.2 系统总体方案 通过上述中对于几个重要器件的选择说明，最终我采用STC89C51作为本设计的主控芯片，采用DS18B20温度传感器采集实时水温，以LCD1602液晶显示屏显示各项数据信息，温度设置方式则采用按键以及红外遥控的方式来进行设置。当热水器水温低于设置的温度下限时，继电器吸合，加热模块通电加热；当温度高于设置的温度上限时，继电器断开，加热模块停止加热，蜂鸣器报警提醒用户水温已达到所设置的最高温度，而且本次设置中，本人还加入了定时倒计时模块，用户可根据需要，提前设