家用智能电热水器控制器_毕业设计论文(编辑修改稿)

家用智能电热水器控制器_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

嵌入式家用电器由于单片机有体积小、功能强、可靠性高的明显特点，因而可以构成一个体积很小的控制器并嵌入到家用电器内部。 以单片机为核心所构成的控制器可以看作是家用电器的一个零件，这种结构方式就产生了嵌入式家用电器。 嵌入式家用电器有两种不同的类型，一种是非智能 式的家用电器，一种是智能式的家用电器。 嵌入式非智能家用电器也称电脑型家用电器。 在这种家用电器中，单片机只对家用电器进行功能性的控制，也就是说，其控制作用只是实现家用电器的基本功能。 过去的电脑型电热水器，就是很典型的非智能家用电器。 在这种电热水器中，单片机是不考虑热水器 贮水 量的多少，它只是控制电阻丝加热，当 贮水罐 的水温达到一定温度时，则马上停止全功率加热，进入低功率保温。 单片机的存在，只是设置了延时开关、红绿灯状态显示等一些辅助性的功能，并没有实质性的改进。 这类家用电器虽然有单片机这样的嵌入式器件存在，但其控 制功能未能反映人类的任何智能性活动，所以，一般称为非智能家用电器。 嵌入式智能家用电器也简称为智能家用电器。 在这种家用电器中，单片机不单对家用电器的基本功能进行控制，而且还模拟人智能活动的过程对热水器进行温度、水量和稳定性进行控制。 基于以上电热水器特性的分析，可以从电热水器的智能化、节能技术以及安全稳定性等这些方面对电热水器控制器进行设计。 本课题研究有如下的重要意义： ① 有助于提高电热水器整体性能； ② 可以提高电热水器使用的安全性； ③ 现了电热水器智能化的发展方向； ④ 有助于改善人们生活质量。 第三节 本文研究的主要 内容 本设计首先介绍了电热水器控制器的系统组成和工作原理；在确定工作原理的基础上引出了电热水器控制装置的硬件设计，主要有直流稳压电源设计、单片机最小系统电路设计、人机交互电路设计、水位控制电路设计、水温控制电路设计和漏电检测电路设计，其中详细分析了电源电路中各个器件的作用，功率器件的驱动电路设计过程和漏电检测电路的理论计算；根据电热水器功能实现的需要进行控制器的控制策略与软件设计，主要包括主程序设计和中断程序设计，其中主程序设计有水位控制程序设计、水温控制程序设计、人机交互XX 大学本科毕业设计（论文） 5 的程序设计和漏电检测及声音提示程 序设计；最后介绍了控制器的调试方法和调试过程，结尾论述了主要结论。 通过对各方面资料整理、分析、总结，结合电热水器控制原理，本论文提出了一种电热水器控制器系统的设计方案。 其内容分为以下几个方面： 第一章，结合当前电热水器的发展现状和发展趋势，介绍了电热水器控制器研究的目的及意义。 第二章，总体介绍了智能电热水器控制器硬件和软件知识，包括系统模块框图、主要元器件选型以及主程序流程图等。 第三章，分别从硬件和软件两个方面详细介绍了智能电热水器控制器的实现。 第四章，通过焊接的电路，按照提出的测试方法对控制器功能 进行测试和分析，并运用仿真软件进行仿真演示。 第五章，总结了本次毕业设计所做的主要工作和系统设计中的不足。 第四节 本章小结 本章首先介绍了热水器发展现状，尤其是中国电热水器的发展现状，接着又介绍了未来电热水器的发展趋势，引出了研究电热水器控制器设计的目的和意义，最后总体介绍了本论文研究的主要内容。 XX 大学本科毕业设计（论文） 6 第二章 系统总体设计 第一节 系统概述 智能电热水器控制器（以下简称控制器）用于控制热水器在安全状态下工作，控制热水器水位、水温度，并且将检测到的信号测量值通过液晶显示屏显示，实现电热水器的控制功能。 根据控制器所需完成 的控制功能， 控制 系统模块框图如图 所示。 包括电源模块、 51 单片机最小系统模块、人机交互模块、水位控制模块、温度控制模块、漏电检测以及声音提示模块等七个模块。 其中，电源模块为系统提供+12V和 +5V电源； 51 单片机最小系统模块是整个系统的核心控制部分，用于完成系统的控制功能；人机交互模块实现单片机和外部的信息传递，包括液晶显示模块和按键模块，通过这两个模块进行系统控制策略的选择；水位控制模块实现水位的检测和控制，包括水位检测电路和电磁阀控制电路；温度控制模块实现温度的检测和控制，包括温度检测电路和加热电路 ；漏电检测模块用于检测是否漏电，使热水器在安全的状态下使用；声音提示用于发音提示热水器当前状态。 5 2 单 片 机最 小 系 统漏 电 检 测 模 块温 度 控 制 模 块人 机 交 互 模 块水 位 控 制 模 块电 源 模 块声 音 提 示 模 块 图 系统模块框图 XX 大学本科毕业设计（论文） 7 本系统采用 51 单片机为核心控制器对整个系统进行控制，其控制过程如下：首先通过人机交互模块设定系统的控制策略，接着通过水位控制模块对电磁阀进行进水控制，同时通过水位检测模块检测水箱中水位，然后通过温度控制模块对加热电阻进行控制，同时通过温度检测模块检测水箱中温度，并实时通过显示模块将水位、温度信号测量值发送给液晶显示屏显示，实现对 热水器的控制。 第二节 硬件总体选型 一、主要元器件选型原则 元器件选择必须要紧密结合功能需求和应用对象。 主要元器件的选择在考虑满足功能需求的同时，还必须要保证在特定环境下的稳定性能，同时还必须尽量降低成本。 CPU 的选择具备以下特点：存储器空间至少大于 4K；具有至少一个外部中断源；具有至少一个定时计数器；可编程 I/O 口。 液晶显示屏要求编程简单，能显示温度和水位等信息，价格低廉。 水位监测装置要求安装简单，价格低廉。 温度传感器要求低电压供电、测温范围宽、安装简单、还要求数据为串行方式以节约单片机端口资源。 漏电检测模块中需要漏电电流互感器。 由于泄漏电流通常为毫安级，且必须用一匝穿芯的结构，用常规互感器在如此小的安匝数下很难进行测量。 二、主要元器件选型 ① STC89C52RC：该芯片是 ST 公司生产的基于 51 内核的 8 位微处理器，片内有 8K 的 Flash， 3 个定时器 /计数器； 2 个外部中断， 32 个可编程 I/O 线，8 个中断源，一个串口通信模块等资源 [3]，可以满足本系统 CPU的要求； ② LCD1602：显示 2 行，每行 16 个字符。 每个字符由 5 7 点阵构成 [4]。 ③ DS18B20： 温度测量范围为 55℃～ +125℃，可编程为 9 位～ 12 位转换精度，测温分辨率可达 ℃，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在 EEPROM 中，掉电后依然保存 [5]。 由于使用单总线通信方式，节省 IO 口资源。 XX 大学本科毕业设计（论文） 8 ④ 水位监测装置：用 8 根不锈钢针分别置于水箱内的 8 种不同高度的位置，当某个钢针不接触水面时，其输出为高电平；当其与水面接触时则输出低电平。 它们的输出接至 CPU 的引脚， CPU 对这些引脚进行判断后，送去显示相应的水位值，这种方法省去了传统的 A/D 转换器。 显示共分 8 档，每档为满水位的 %[6]。 ⑤ 漏电互感器简介： 漏电保护器主要由检测元件、中 间环节、执行机构及自检装置等部分组成。 漏电保护器的检测元件就是漏电电流 互感器 检测出的漏电电流信号，经中间机构放大，推动执行机构动作，切掉电源，达到安全保护的目的 [7]。 第三节 软件总体设计 从图 可以看出本应用涉及的输入输出通道较多，因此在设计中考虑到了单片机的 I/O 通道的充分利用。 对于只需要基本输入 /输出功能的模块尽量不使用单片机特殊功能模块的专用引脚。 本系统软件部分实现对热水器的控制工作，包括人机交互、水位的控制、温度的选择和安全检测等功能。 一、单片机系统资源分配 单片机系统资源分配如表 所示，列出了本系统使用 52 单片机的所有的I/O 资源。 包括人机交互模块、水位控制模块、温度控制模块、漏电检测模块以及声音提示模块等五个模块。 表 单片机系统资源分配 编号 模块名称 系统 I/O 资源占用表 接口功能定义 52 单片机接口 1 人机交互模块 液晶显示模块 、 、 按键扫描 2 水位控制模块 水位检测 电磁阀 3 温度控制模块 温度传感器 加热电路 4 漏电检测模块 外部中断 0 5 声音提示模块 蜂鸣器控制线 XX 大学本科毕业设计（论文） 9 在系统主要元器件选型确定之后，对单片机端口资源进行了定义，本系统中单片机端口主要用于五个模块，其中人机交互定义了液晶和按键扫描线，液晶显示定义了 LCD1602 控制线和数据线，需要十个端口，按键扫描需要四个按键，采用独立按键方法设计电路，因此需要四个端口；水位控制模块中定义了水位检测数据线 和电磁阀控制线；温度控制模块定义了 DS18B20 控制线和加热电路的控制线；漏电检测线接到单片机内部自带的外部中断接口；声音提示模块也定义蜂鸣器的控制线。 在完成以上端口资源定义之后就确定了核心控制器和外围设备的连接方式，下一步的工作就是进行外围电路的设计。 二、 系统软件总体设计 系统软件设计时采用模块化程序设计的方法，按照系统的结构与各部分的功能，将整个程序也划分为多个功能模块部分，分别进行编程，然后装配在一起。 系统软件部分主程序流程图如图。 初 始 化开 始开 中 断是 否 漏 电Y E SL C D 显 示 程 序按 键 处 理 程 序水 位 检 测 程 序温 度 检 测 程 序是 设 定 水 位 吗是 设 定 温 度 吗关 热 水 器N OY E SY E SN O打 开 进 水 阀加 热N O声 音 报 警 图 系统软件部分主程序流程图 XX 大学本科毕业设计（论文） 10 系统软件部分主要实现对热水器的控制工作，由液晶显示程序、按键扫描程序、水位控制程序、温度控制程序、漏电检测及声音提示程序和控制策略程序等七个部分组成。 其中，液晶显示程序显示热水器当前温度和水位；按键程序用于设置热水器状态；水位控制程序控制水箱的水位；温度控制程序控制热水器中水的温度；漏电检测及声音提示程序用于实时监测热水器安全状态，用于当热水器工作异常时声音报警提示作用。 第四节 本章小结 本章首先总体对热水器控制器系统进行了描述，在确定控制参数的基础上，详细介绍了控 制器的各功能组成模块及工作原理。 根据实现功能提出了系统硬件主要元器件选型原则，总体描述了选取的主要元器件，并对主控芯片的引脚进行定义。 最后对系统软件部分进行了总体说明，根据控制策略设计软件主程序流程图，主要包括水位控制程序设计、水温控制程序设计、人机交互程序设计和漏电检测以及声音报警提示程序设计等。 XX 大学本科毕业设计（论文） 11 第三章 系统实现 第一节 硬件设计 本系统硬件部分包括电源电路、 STC89C52 单片机最小系统电路、人机交互电路、水位控制电路、温度控制电路、漏电检测电路以及声音提示电路等七部分。 电源电路为系统提供 +12V 和 +5V 电源 ；人机交互电路负责单片机和外界信息的交流；水位控制电路实现控制水的液位；温度控制电路实现控制水温度；漏电检测电路负责检测热水器是否在安全的状态下运行；声音提示电路负责热水器在非安全状态下时发出声响提示用户。 硬件设计部分主要完成以上电路的设计，包括各个电路的理论分析以及各个电路与单片机的连接等等。 一、电源电路设计 本系统需要两种电源，分别是 +5V和 +12V。 +5V 用于 52 单片机、人机交互电路、温度检测电路、水位检测电路、漏电检测电路等； +12V 用于温度控制部分继电器线圈和水位控制部分电磁阀。 本系统 +12V电源直接通过外接 12V的电源得到； +5V电源通过 LM7805 稳压芯片将 +12V 电压变成 +5V。 图 是电源的原理图。 1 2 3 4ABCD4321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eA4D a t e : 3 J un 2 0 1 0 S he e t o f F i l e : D : \桌面 \全部原理图设计 ( 1 ) . d db D r a w n B y:P1P W I N 3 212J1C O N 2C30 .1 u FD11 N 40 0 7123V VGNDIN OUTU17 8L 0 5+ C11 00 0 u F+C22 20 u FR15 .1 kD3L E D+ 12 +5V C CD2 图 12V转 5V电源电路图 图中 D1 是防止电源正负极反接接入电路时损坏元件。 D2 的作用是当输入端对地短路时，其电位迅速接近零电位，而输出端由于有大电容，储存很多电荷而来不及释放，其电位仍接近输出电压值 VO，这时电容将通过稳压器的输XX 大学本科毕业设计（论文） 12 出调整管释放电荷，其 PN 结在高于 7V 的反向偏置电压下会被击穿。 如果有了保护二极。