【正文】 有顯著的意義，更重要的是能系統(tǒng)地聚溫度和水位參數(shù)于一身，對于更好的掌握和認識單片機的應(yīng)用和傳感器的應(yīng)用，系統(tǒng)地深刻認識自動控制的實際應(yīng)用，掌握復(fù)雜的多子系統(tǒng)地設(shè)計起到了很強的鍛煉作用。 就中國的具體情況而言，太陽能熱水器由于安裝位置的局限性，只適用于居住在頂樓的居民，且受天氣原因的限制，使用范圍狹窄，燃氣熱水器由于必須分室安裝，且須由專業(yè)人員安裝，并且燃氣熱水器不易調(diào)溫，需定期除垢，在使用中還易產(chǎn)生有害氣體，特別是使用液化石油氣和人工煤氣型的直排式燃氣熱水器，會產(chǎn)生輕度油煙，嚴重時甚至會危及生命。其中安全技術(shù)主要體現(xiàn)在能自動檢測熱水器是否處于正常工作狀態(tài)，并具有調(diào)溫、恒溫、防干燒、防超高溫、防漏電等多項自檢功能，使用戶在使用過程中安全更有保障。張勝： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計 4 第 2 章 系統(tǒng)設(shè)計方案 設(shè)計原理 系統(tǒng)原理利用熱敏傳感器和水位傳感器檢測水溫和水位，并加以顯示。本系統(tǒng)需顯示水位，水位分低、中、高三檔，均用發(fā)光二極管來指示。 報警系統(tǒng)該系統(tǒng)利用蜂鳴器報警，系統(tǒng)故障報警和水溫水位信息報警，以便及時掌握水溫水位控制系統(tǒng)的工作狀況，系統(tǒng)自己不能處理的就可以人工輔助處理，這樣能讓系統(tǒng)更好的運行在穩(wěn)定狀況下。在模擬量輸入、輸出同時存在時，所需內(nèi)存總數(shù)=模擬量路數(shù)*250；同時，應(yīng)考慮 PLC 提供的內(nèi)部繼電器和寄存器的數(shù)量，以便節(jié)省資源。通過以上三種設(shè)計方法的比較來看，實現(xiàn)電熱水器的智能控制可以有很多種方法。方案二：采用 AT89C51 芯片，它具有 AT89C2051 芯片的所有功能，且 IO 口數(shù)相對較多，價錢相對也比較便宜，但存儲空間不是非常大。 （2）水溫檢測顯示范圍為00～99℃，精度為177。電源指示燈（紅）：接通 220V 電源，該指示燈點亮。 （7）設(shè)置一個蜂鳴器，當熱水器出現(xiàn)異常情況而報警時，由蜂鳴器發(fā)出報警聲，并自動切斷加熱元件的供電。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：張勝： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計 10 圖 總體設(shè)計方框圖單片機最小系統(tǒng)圖 單片機最小系統(tǒng)（1） 單片機 9 腳接復(fù)位電路，可按復(fù)位按鈕 S1 給單片機復(fù)位。它的應(yīng)用范圍廣，可用于解決復(fù)雜的控制問題，且成本較低。 32 個雙向 i/o 口 中斷喚醒省電模式 北京交通大學海濱學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 ①P0 端口，該口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。在對 Flash 編程和程序校驗時，P1 口接收低8 位地址。對端口寫“1”時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。DISRTO 位的默認狀態(tài)，是復(fù)位高電平輸出功能使能。 程序存儲器允許信號。在對 Flash 存儲器編程時，這條引腳接收 12V 編程電壓 Vpp。按鍵電路本畢業(yè)設(shè)計的按鍵采用獨立式按鍵，是直接用 I/O 口線構(gòu)成的單個按鍵電路，其特點是每個按鍵單獨占用一根 I/O 口線，每個按鍵的工作不會影響其它 I/O 口線的狀態(tài)。一、蜂鳴器主要分為（1）壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。有源蜂鳴器和無源蜂鳴器的差別主要差別為：有源蜂鳴器和無源蜂鳴器的根本區(qū)別是產(chǎn)品對輸入信號的要求不一樣；有源蜂鳴器工作的理想信號是直流電，通常標示為VDC、 VDD 等。有源蜂鳴器直接接上額定電源就可以連續(xù)發(fā)聲，而無源蜂鳴器則和電磁揚聲器一樣，需要接在音頻輸出電路中才能發(fā)聲。 共陽共陰張勝： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計 22 還有一種比較常用的是四位數(shù)碼管，內(nèi)部的 4 個數(shù)碼管共用 a~dp 這 8 根數(shù)據(jù)線，為人們的使用提供了方便，因為里面有 4 個數(shù)碼管，所以它有 4 個公共端，加上 a~dp，共有 12 個引腳，下面便是一個共陰的四位數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（共陽的與之相反）。開漏單總線接口引腳。高速暫存 RAM 的結(jié)構(gòu)為 8 字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。高速暫存 RAM 的第 8 字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯 1。器件中還有一個計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)進而完成溫度測量。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。水位檢測我們把儲水箱大致分為 3 份，水位由潛入熱水器的儲水箱不同深度的水位電極和潛入儲水箱底部的公共電極（導(dǎo)線）進行檢測；由單片機依次使各水位電極呈現(xiàn)高電平，由公共電極所接的三極管進行電位轉(zhuǎn)換，水位到達的電極，轉(zhuǎn)換電位為低（0） ；水位沒有到達的電極，轉(zhuǎn)換電位為高（1） ；每檢測一位便得到一位數(shù)據(jù)，3 個電極檢測一遍以后便得到了 3 個串行數(shù)據(jù)，然后把這 3 個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字節(jié)一路送發(fā)光二極管；在這里我們北京交通大學海濱學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 可以用發(fā)光二極管亮的盞數(shù)來顯示水位的高低。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點” ；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點” 。因此，通過判斷電平的高低，就可以確 讀取溫度數(shù)據(jù) 處理數(shù)據(jù) 返回 開始 初始化 DS18B20讀 DS18B20 的序列號北京交通大學海濱學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 定是否有鍵按下。元件安裝時我們要保證導(dǎo)通與絕緣的電器性能、保證機械強度、抱著那個傳熱的要求和安裝時接地與屏蔽要充分利用。保證機械強度，電子產(chǎn)品在使用過程中，不可避免的需要運輸和搬動，會發(fā)聲各種有意或無意達到振動，沖擊，如果機械安裝不夠牢固，電氣連接不夠可靠，都有可能因為加速度的瞬間受力使裝置受到損害。 （若沒有發(fā)光二極管亮則表示箱內(nèi)沒有水或者只有少量的水，若有一個發(fā)光二極管燈亮則表示箱內(nèi)有三分之一箱的水，以此類推，若有三個發(fā)光二極管亮，則表示水箱水是滿的。 其功能模塊:—個易用而又功能強大的 ISIS 原理布圖工具；PROSPICE 混合模型SPICE 仿真；ARES PCB 設(shè)計。應(yīng)用特殊模型的 DLL界面提供有關(guān)元件庫的全部文件。北京交通大學海濱學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 37 （3）編譯連接通過“Project/Rebuild all Target Files”來實現(xiàn)（4）在 Protues 上畫出電路圖，并將 keil 所生成的 Hex 文件調(diào)入到電路中的單片機內(nèi)，點擊運行。 圖 最低溫度北京交通大學海濱學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 39 圖 最高溫度如圖 所顯示水溫度數(shù)為 攝氏度，溫度比最低溫度低所以加熱繼電器工作，繼電器旁的紅燈亮，水開始加熱，當水溫高于設(shè)定的最低溫度時，加熱繼電器停止工作，繼電器旁的紅燈滅，當高于設(shè)定的最高溫度時，蜂鳴報警器工作，發(fā)出報警聲，如圖 所示。選中后回到工程窗口的頁面打開“Tatget”的下一層，“Source Group 1”單機右鍵選中 “Add file to group ‘Source Group 1’”,出現(xiàn)對話框，選擇系統(tǒng)所用的源文件即可。強大的調(diào)試工具，包括寄存器和存儲器，斷點和單步模式。Proteus 產(chǎn)品系列也包含了我們革命性的 VSM 技術(shù),用戶可以對基于微控制器的設(shè)計連同所有的周圍電子器件一起仿真。北京交通大學海濱學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 液位檢測將自制的測水位導(dǎo)線放入水中，通電之后，顯示當前的水位。觀察有沒有焊接點短路，虛焊，多余的管腳有沒有剪去。 讀溫度NYN 圖 讀溫度流程圖 圖 鍵盤處理子程序Y發(fā) DS18B20 復(fù)位命令發(fā)跳過 ROM 命令發(fā)讀取溫度命令讀取操作，CRC 校驗9 字節(jié)完？CRC 校驗正？確？移入溫度暫存器結(jié)束　NNY 開始 掃描鍵值 是否有鍵按下 延時 10ms 去抖動是否有鍵按下 提取鍵值 調(diào)用鍵盤處理子程序 結(jié)束Y張勝： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計 34 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試 硬件調(diào)試制造電子產(chǎn)品，可靠性與安全是兩個重要因素，而零件的安裝對于保證產(chǎn)品的安全可靠是至關(guān)重要的。其程序流圖如圖所示： 檢測 DS18B20 存在？ 發(fā)送跳過 ROM 指令 溫度轉(zhuǎn)換 等待NY 圖 溫度采集程序 控制按鍵設(shè)計按鍵的確認就是判斷按鍵是否閉合，反映在電壓上就是和按鍵相連的引腳呈現(xiàn)出高電平還是低電平。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。當 DS18B20 處于寫存儲器操作和溫度 A/D 轉(zhuǎn)換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為 10us。表 是一部分溫度值對應(yīng)的二進制溫度數(shù)據(jù)。I/OC64 位ROM和單線接口高速緩存存儲器與控制邏輯溫度傳感器高溫觸發(fā)器 TH低溫觸發(fā)器 TL配置寄存器8 位 CRC 發(fā)生器Vdd張勝： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計 26 TM R1 1R0 1 1 1 1....圖 　DS18B20 字節(jié)定義 由表 可見，DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換的時間比較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間越長。溫度報警觸發(fā)器ＴＨ和ＴＬ，可通過軟件寫入戶報警上下限。 TO－92 封裝的 DS18B20 的引腳排列見圖 ，其引腳功能描述見表 。北京交通大學海濱學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 圖 共陽數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 共陰數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)對于單個數(shù)碼管來說，從它的正面看進去，左下角那個腳為 1 腳，以逆時針方向依次為 1`10 腳，左上角那個腳便是 10 腳了，上面兩個圖中的數(shù)字分別與這 10 個管腳一一對應(yīng)。這里說的“源”不是指電源，而是指振蕩源。而利用 I/O 定時翻轉(zhuǎn)電平來產(chǎn)生驅(qū)動波形的方式會比較麻煩一點，必須利用定時器來做定時，通過定時翻轉(zhuǎn)電平產(chǎn)生符合蜂鳴器要求的頻率的波形，這個波形就可以用來驅(qū)動蜂鳴器了。（2）電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。北京交通大學海濱學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 圖 按鍵電路 報警溫度用按鍵 S2，S3，S4 來設(shè)置，S2 為調(diào)整鍵，按一次可調(diào)整報警上限溫度值，按兩次可調(diào)整報警下限溫度值，按三次數(shù)碼管恢復(fù)到正常溫度顯示。 復(fù)位電路雖然簡單，但其作用非常重要。但是，如果鎖定位 1 被編程，則 EA在復(fù)位時被鎖存。在需要時，可以把地址 8EH 中的 SFR 寄存器的 0 位置為“1” ，從而屏蔽 ALE 的工作；而只有在 MOVX 或 MOVC 指令執(zhí)行時 ALE 才被激活?？撮T狗定時器（Watchdog）溢出后，該引腳會保持 98 個振蕩周期的高電平。在對 Flash 編程和程序校驗期間，P2 口也接收高位地址或一些控制信號。對端口寫“1”時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。 I/O 口80C51 共有四個 8 位的并行 I/O 口：P0、PPP3 端口，對應(yīng)的引腳分別是 ～ ， ～ ， ～ ， ～ ，共 32 根 I/O 線。 2 個外部中斷源 兼容 mcs51 指令系統(tǒng) 片內(nèi)程序存儲器允許重復(fù)在線編程，允許程序存儲器在系統(tǒng)內(nèi)通過 SPI 串行口改寫或用同用的非易失性存儲器改寫。高溫報警：當溫度高于設(shè)定溫度時，蜂鳴報警系統(tǒng)開啟。缺水報警：當儲水箱內(nèi)缺水時，自動報警。溫度－鍵：每按一次該鍵，預(yù)設(shè)溫度減 1℃，長按該鍵（時間超過 1 秒以上） ，預(yù)設(shè)溫度快速減小，當預(yù)設(shè)溫度減到 05℃時，按該鍵不起作用。為了配合顯示器件，就需設(shè)置按鍵，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和單片機的口線資源，為系統(tǒng)配制了 3 個獨立式鍵盤，用來調(diào)節(jié)溫度報警值。含有中斷、定時/計數(shù)器。在電機電路設(shè)計方面，采用的三極管的導(dǎo)通截止來控制點擊的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，雖然設(shè)計簡單，但是過多的使用三極管以及二極管類的元器件，也會使成本升高。一種方法是根據(jù)編程實際使用的節(jié)點數(shù)計算，即編完程序之后，根據(jù)節(jié)點數(shù)計算出實際使用容量。 當 h=c 時，傳感器電阻阻值 R 為 0，對應(yīng)，系統(tǒng)處于 100%水位。北京交通大學海濱學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 本控制系統(tǒng)可以時時采集熱水器內(nèi)部水溫通過 LED 顯示水溫，由于太陽能熱水器實際溫度不會超過 100 攝制度，所以本系統(tǒng)采用兩位顯示，測量范圍為 00~99 攝氏度，溫度可以精確到小數(shù)點后兩位。利用鍵盤上開關(guān)按鈕進行調(diào)節(jié)水溫的最大和最小限度，手動控制上水和加熱，設(shè)置水位水溫功能。熱水器技術(shù)未來將繼續(xù)朝著以下幾個方面發(fā)展： ① 智能化：從最初的手動旋鈕調(diào)節(jié)發(fā)展到如今數(shù)字化調(diào)節(jié)方式 ② 節(jié)能技術(shù)：從最初機械結(jié)構(gòu)上的保溫節(jié)能到控制技術(shù)上的定時加熱或分步加熱技術(shù)轉(zhuǎn)變，由于在水溫很高時熱量流失較快，所以未采用該類技術(shù)的產(chǎn)品需要長時間在高溫區(qū)反復(fù)加熱，不僅啟動頻繁