【文章內(nèi)容簡介】 嵌入式家用電器由于單片機(jī)有體積小、功能強(qiáng)、可靠性高的明顯特點，因而可以構(gòu)成一個體積很小的控制器并嵌入到家用電器內(nèi)部。以單片機(jī)為核心所構(gòu)成的控制器可以看作是家用電器的一個零件，這種結(jié)構(gòu)方式就產(chǎn)生了嵌入式家用電器。嵌入式家用電器有兩種不同的類型，一種是非智能式的家用電器，一種是智能式的家用電器。嵌入式非智能家用電器也稱電腦型家用電器。在這種家用電器中 ，單片機(jī)只對家用電器進(jìn)行功能性的控制，也就是說，其控制作用只是實現(xiàn)家用電器的基本功能。過去的電腦型電熱水器，就是很典型的非智能家用電器。在這種電熱水器中，單片機(jī)是不考慮熱水器 貯水 量的多少，它只是控制電阻絲加熱，當(dāng) 貯水罐 的水溫達(dá)到一定溫度時，則馬上停止全功率加熱，進(jìn)入低功率保溫。單片機(jī)的存在，只是設(shè)置了延時開關(guān)、紅綠燈狀態(tài)顯示等一些輔助性的功能，并沒有實質(zhì)性的改進(jìn)。這類家用電器雖然有單片機(jī)這樣的嵌入式器件存在，但其控制功能未能反映人類的任何智能性活動，所以，一般稱為非智能家用電器。嵌入式智能家用電器也簡稱為智 能家用電器。在這種家用電器中，單片機(jī)不單對家用電器的基本功能進(jìn)行控制，而且還模擬人智能活動的過程對熱水器進(jìn)行溫度、水量和穩(wěn)定性進(jìn)行控制。 基于以上電熱水器特性的分析，可以從電熱水器的智能化、節(jié)能技術(shù)以及安全穩(wěn)定性等這些方面對電熱水器控制器進(jìn)行設(shè)計。 本課題研究有如下的重要意義： ① 有助于提高電熱水器整體性能； ② 可以提高電熱水器使用的安全性； ③ 現(xiàn)了電熱水器智能化的發(fā)展方向； ④ 有助于改善人們生活質(zhì)量。 第三節(jié) 本文研究的主要內(nèi)容 本設(shè)計首先介紹了電熱水器控制器的系統(tǒng)組成和工作原理；在確定工作原理的基礎(chǔ)上引出了電熱水 器控制裝置的硬件設(shè)計，主要有直流穩(wěn)壓電源設(shè)計、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計、人機(jī)交互電路設(shè)計、水位控制電路設(shè)計、水溫控制電路設(shè)計和漏電檢測電路設(shè)計，其中詳細(xì)分析了電源電路中各個器件的作用，功率器件的驅(qū)動電路設(shè)計過程和漏電檢測電路的理論計算；根據(jù)電熱水器功能實現(xiàn)的需要進(jìn)行控制器的控制策略與軟件設(shè)計，主要包括主程序設(shè)計和中斷程序設(shè)計，其中主程序設(shè)計有水位控制程序設(shè)計、水溫控制程序設(shè)計、人機(jī)交互XX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 的程序設(shè)計和漏電檢測及聲音提示程序設(shè)計；最后介紹了控制器的調(diào)試方法和調(diào)試過程，結(jié)尾論述了主要結(jié)論。 通過對各方面資料整理、分析 、總結(jié)，結(jié)合電熱水器控制原理，本論文提出了一種電熱水器控制器系統(tǒng)的設(shè)計方案。其內(nèi)容分為以下幾個方面： 第一章，結(jié)合當(dāng)前電熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，介紹了電熱水器控制器研究的目的及意義。 第二章，總體介紹了智能電熱水器控制器硬件和軟件知識，包括系統(tǒng)模塊框圖、主要元器件選型以及主程序流程圖等。 第三章，分別從硬件和軟件兩個方面詳細(xì)介紹了智能電熱水器控制器的實現(xiàn)。 第四章，通過焊接的電路，按照提出的測試方法對控制器功能進(jìn)行測試和分析，并運用仿真軟件進(jìn)行仿真演示。 第五章，總結(jié)了本次畢業(yè)設(shè)計所做的主要工作和系統(tǒng)設(shè) 計中的不足。 第四節(jié) 本章小結(jié) 本章首先介紹了熱水器發(fā)展現(xiàn)狀，尤其是中國電熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀，接著又介紹了未來電熱水器的發(fā)展趨勢，引出了研究電熱水器控制器設(shè)計的目的和意義，最后總體介紹了本論文研究的主要內(nèi)容。 XX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計 第一節(jié) 系統(tǒng)概述 智能電熱水器控制器（以下簡稱控制器）用于控制熱水器在安全狀態(tài)下工作，控制熱水器水位、水溫度，并且將檢測到的信號測量值通過液晶顯示屏顯示，實現(xiàn)電熱水器的控制功能。 根據(jù)控制器所需完成的控制功能， 控制 系統(tǒng)模塊框圖如圖 所示。包括電源模塊、 51 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、人機(jī)交互模塊 、水位控制模塊、溫度控制模塊、漏電檢測以及聲音提示模塊等七個模塊。其中，電源模塊為系統(tǒng)提供+12V和 +5V電源； 51 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊是整個系統(tǒng)的核心控制部分，用于完成系統(tǒng)的控制功能；人機(jī)交互模塊實現(xiàn)單片機(jī)和外部的信息傳遞，包括液晶顯示模塊和按鍵模塊，通過這兩個模塊進(jìn)行系統(tǒng)控制策略的選擇；水位控制模塊實現(xiàn)水位的檢測和控制，包括水位檢測電路和電磁閥控制電路；溫度控制模塊實現(xiàn)溫度的檢測和控制，包括溫度檢測電路和加熱電路；漏電檢測模塊用于檢測是否漏電，使熱水器在安全的狀態(tài)下使用；聲音提示用于發(fā)音提示熱水器當(dāng)前狀態(tài) 。 5 2 單 片 機(jī)最 小 系 統(tǒng)漏 電 檢 測 模 塊溫 度 控 制 模 塊人 機(jī) 交 互 模 塊水 位 控 制 模 塊電 源 模 塊聲 音 提 示 模 塊 圖 系統(tǒng)模塊框圖 XX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 本系統(tǒng)采用 51 單片機(jī)為核心控制器對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制，其控制過程如下：首先通過人機(jī)交互模塊設(shè)定系統(tǒng)的控制策略，接著通過水位控制模塊對電磁閥進(jìn)行進(jìn)水控制，同時通過水位檢測模塊檢測水箱中水位，然后通過溫度控制模塊對加熱電阻進(jìn)行控制，同時通過溫度檢測模塊檢測水箱中溫度，并實時通過顯示模塊將水位、溫度信號測量值發(fā)送給液晶顯示屏顯示，實現(xiàn)對熱水器的控制。 第二節(jié) 硬件總體選型 一、主要元器件選型原則 元器件選擇必須要緊密結(jié)合功能需求和 應(yīng)用對象。主要元器件的選擇在考慮滿足功能需求的同時，還必須要保證在特定環(huán)境下的穩(wěn)定性能，同時還必須盡量降低成本。 CPU 的選擇具備以下特點：存儲器空間至少大于 4K；具有至少一個外部中斷源；具有至少一個定時計數(shù)器；可編程 I/O 口。 液晶顯示屏要求編程簡單，能顯示溫度和水位等信息，價格低廉。水位監(jiān)測裝置要求安裝簡單，價格低廉。 溫度傳感器要求低電壓供電、測溫范圍寬、安裝簡單、還要求數(shù)據(jù)為串行方式以節(jié)約單片機(jī)端口資源。 漏電檢測模塊中需要漏電電流互感器。由于泄漏電流通常為毫安級，且必須用一匝穿芯的結(jié)構(gòu)，用常規(guī)互感 器在如此小的安匝數(shù)下很難進(jìn)行測量。 二、主要元器件選型 ① STC89C52RC：該芯片是 ST 公司生產(chǎn)的基于 51 內(nèi)核的 8 位微處理器，片內(nèi)有 8K 的 Flash， 3 個定時器 /計數(shù)器； 2 個外部中斷， 32 個可編程 I/O 線，8 個中斷源，一個串口通信模塊等資源 [3]，可以滿足本系統(tǒng) CPU的要求； ② LCD1602：顯示 2 行，每行 16 個字符。每個字符由 5 7 點陣構(gòu)成 [4]。 ③ DS18B20： 溫度測量范圍為 55℃～ +125℃，可編程為 9 位～ 12 位轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá) ℃，分辨率設(shè)定參數(shù)以及用戶設(shè)定的報警溫度存儲在 EEPROM 中，掉電后依然保存 [5]。由于使用單總線通信方式，節(jié)省 IO 口資源。 XX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 ④ 水位監(jiān)測裝置：用 8 根不銹鋼針分別置于水箱內(nèi)的 8 種不同高度的位置，當(dāng)某個鋼針不接觸水面時，其輸出為高電平；當(dāng)其與水面接觸時則輸出低電平。它們的輸出接至 CPU 的引腳， CPU 對這些引腳進(jìn)行判斷后，送去顯示相應(yīng)的水位值，這種方法省去了傳統(tǒng)的 A/D 轉(zhuǎn)換器。顯示共分 8 檔，每檔為滿水位的 %[6]。 ⑤ 漏電互感器簡介： 漏電保護(hù)器主要由檢測元件、中間環(huán)節(jié)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及自檢裝置等部分組成。漏電保護(hù)器的檢測元件就是漏電電流 互感器 檢測出的漏電電流信號，經(jīng)中間機(jī)構(gòu)放大，推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，切掉電源，達(dá)到安全保護(hù)的目的 [7]。 第三節(jié) 軟件總體設(shè)計 從圖 可以看出本應(yīng)用涉及的輸入輸出通道較多，因此在設(shè)計中考慮到了單片機(jī)的 I/O 通道的充分利用。對于只需要基本輸入 /輸出功能的模塊盡量不使用單片機(jī)特殊功能模塊的專用引腳。本系統(tǒng)軟件部分實現(xiàn)對熱水器的控制工作，包括人機(jī)交互、水位的控制、溫度的選擇和安全檢測等功能。 一、單片機(jī)系統(tǒng)資源分配 單片機(jī)系統(tǒng)資源分配如表 所示，列出了本系統(tǒng)使用 52 單片機(jī)的所有的I/O 資源。包括人機(jī)交互模塊、水位控制模塊、溫度控制模塊、漏電檢測模塊以及聲音提示模塊等五個模塊。 表 單片機(jī)系統(tǒng)資源分配 編號 模塊名稱 系統(tǒng) I/O 資源占用表 接口功能定義 52 單片機(jī)接口 1 人機(jī)交互模塊 液晶顯示模塊 、 、 按鍵掃描 2 水位控制模塊 水位檢測 電磁閥 3 溫度控制模塊 溫度傳 感器 加熱電路 4 漏電檢測模塊 外部中斷 0 5 聲音提示模塊 蜂鳴器控制線 XX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 在系統(tǒng)主要元器件選型確定之后，對單片機(jī)端口資源進(jìn)行了定義，本系統(tǒng)中單片機(jī)端口主要用于五個模塊，其中人機(jī)交互定義了液晶和按鍵掃描線，液晶顯示定義了 LCD1602 控制線和數(shù)據(jù)線，需要十個端口，按鍵掃描需要四個按鍵，采用獨立按鍵方法設(shè)計電路，因此需要四個端口；水位控制模塊中定義了水位檢測數(shù)據(jù)線和電磁閥控制線；溫度控制模塊定義了 DS18B20 控制線和加熱電路的控制線；漏電檢測線接到單片機(jī) 內(nèi)部自帶的外部中斷接口；聲音提示模塊也定義蜂鳴器的控制線。在完成以上端口資源定義之后就確定了核心控制器和外圍設(shè)備的連接方式，下一步的工作就是進(jìn)行外圍電路的設(shè)計。 二、 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計時采用模塊化程序設(shè)計的方法，按照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與各部分的功能，將整個程序也劃分為多個功能模塊部分，分別進(jìn)行編程，然后裝配在一起。系統(tǒng)軟件部分主程序流程圖如圖 。 初 始 化開 始開 中 斷是 否 漏 電Y E SL C D 顯 示 程 序按 鍵 處 理 程 序水 位 檢 測 程 序溫 度 檢 測 程 序是 設(shè) 定 水 位 嗎是 設(shè) 定 溫 度 嗎關(guān) 熱 水 器N OY E SY E SN O打 開 進(jìn) 水 閥加 熱N O聲 音 報 警 圖 系統(tǒng)軟件部分主程序流程圖 XX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 系統(tǒng)軟件部分主要實現(xiàn)對熱水器的控制工作，由液晶顯示程 序、按鍵掃描程序、水位控制程序、溫度控制程序、漏電檢測及聲音提示程序和控制策略程序等七個部分組成。其中，液晶顯示程序顯示熱水器當(dāng)前溫度和水位；按鍵程序用于設(shè)置熱水器狀態(tài)；水位控制程序控制水箱的水位；溫度控制程序控制熱水器中水的溫度；漏電檢測及聲音提示程序用于實時監(jiān)測熱水器安全狀態(tài)，用于當(dāng)熱水器工作異常時聲音報警提示作用。 第四節(jié) 本章小結(jié) 本章首先總體對熱水器控制器系統(tǒng)進(jìn)行了描述，在確定控制參數(shù)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了控制器的各功能組成模塊及工作原理。根據(jù)實現(xiàn)功能提出了系統(tǒng)硬件主要元器件選型原則，總體描述了選取的 主要元器件，并對主控芯片的引腳進(jìn)行定義。最后對系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行了總體說明，根據(jù)控制策略設(shè)計軟件主程序流程圖，主要包括水位控制程序設(shè)計、水溫控制程序設(shè)計、人機(jī)交互程序設(shè)計和漏電檢測以及聲音報警提示程序設(shè)計等。 XX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 第三章 系統(tǒng)實現(xiàn) 第一節(jié) 硬件設(shè)計 本系統(tǒng)硬件部分包括電源電路、 STC89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、人機(jī)交互電路、水位控制電路、溫度控制電路、漏電檢測電路以及聲音提示電路等七部分。電源電路為系統(tǒng)提供 +12V 和 +5V 電源；人機(jī)交互電路負(fù)責(zé)單片機(jī)和外界信息的交流；水位控制電路實現(xiàn)控制水的液位；溫度控制電路實現(xiàn)控制水 溫度；漏電檢測電路負(fù)責(zé)檢測熱水器是否在安全的狀態(tài)下運行；聲音提示電路負(fù)責(zé)熱水器在非安全狀態(tài)下時發(fā)出聲響提示用戶。 硬件設(shè)計部分主要完成以上電路的設(shè)計，包括各個電路的理論分析以及各個電路與單片機(jī)的連接等等。 一、電源電路設(shè)計 本系統(tǒng)需要兩種電源，分別是 +5V和 +12V。 +5V 用于 52 單片機(jī)、人機(jī)交互電路、溫度檢測電路、水位檢測電路、漏電檢測電路等； +12V 用于溫度控制部分繼電器線圈和水位控制部分電磁閥。本系統(tǒng) +12V電源直接通過外接 12V的電源得到； +5V電源通過 LM7805 穩(wěn)壓芯片將 +12V 電壓變成 +5V。圖 是電源的原理圖。 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 \全部原理圖設(shè)計 ( 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 圖 12V轉(zhuǎn) 5V電源電路圖 圖中 D1 是防止電源正負(fù)極反接接入電路時損壞元件。 D2 的作用是當(dāng)輸入端對地短路時，其電位迅速接近零電位，而輸出端由于有大電容，儲存很多電荷而來不及釋放，其電位仍接近輸出電壓值 VO，這時電容將通過穩(wěn)壓器的輸XX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 出調(diào)整管釋放電荷，其 PN 結(jié)在高于 7V 的反向偏置電壓下會被擊穿。如果有了保