【正文】 張勝： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計 38 圖 中水位顯示 圖 水箱滿水位顯示 調(diào)節(jié)設(shè)置最高溫度和最低溫度的溫度值，最高溫度設(shè)置成 20 度，最低溫度設(shè)置成 18 度。 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)通上電源，在缺水的狀態(tài)下發(fā)光二極管紅燈亮，蜂鳴器報警系統(tǒng)啟動，繼電器旁的綠燈亮表示上水繼電器開始工作，溫度傳感器檢測后數(shù)碼顯示的溫度 21 度，如圖 所示。（1） 、使用菜單“Project/New Project”出現(xiàn)一個對話框，然后給將要建立的工程取一個名字，單擊保存后會出現(xiàn)另外一個對話框選擇系統(tǒng)所使用的單片機型號，本系統(tǒng)所使用的單片機型號為 80C51。 軟件調(diào)試過程本系統(tǒng)所使用的匯編軟件是 編譯器把 C 語言編寫的源程序與 Keil 內(nèi)含的庫函數(shù)裝配在一起，然后由 C51 編譯器編譯成目標文件（.OBJ） 。交互的裝置模型包括：LED 和 LCD 顯示，RS232 終端，通用鍵盤，I2C，SPI 器件。PROSPICE 仿真器的一個擴展 PROTEUS VSM:便于包括所有相關(guān)的器件的基于微處理器設(shè)計的協(xié)同仿真。此系統(tǒng)受益于 15 年來的持續(xù)開發(fā),被《電子世界》在其對 PCB 設(shè)計系統(tǒng)的比較文章中評為最好產(chǎn)品—“The Route to PCB CAD”。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。虛焊較難發(fā)現(xiàn)，可用鑷子夾住元件引腳輕輕拉動，如發(fā)現(xiàn)搖動應(yīng)立即補焊。保證傳熱的要求，在安裝中，必須考慮某些零部件在傳熱，電磁方面的要求。特別是二極管、三極管、電容等極性不要裝錯。為達到產(chǎn)品的可靠與安全，安裝時應(yīng)遵循一些基本的要求與原則。本報警器按鍵處理子程序流程圖如圖 所示。但是為了確保一次按鍵動作只確認一次按鍵，必須消除機械開關(guān)的抖動影響。主程序流程圖如 41： 報警轉(zhuǎn)換并顯示結(jié)束N 圖 主程序流程圖 開始 初始化水位溫度值與上下限比較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 32 子程序設(shè)計 溫度采集溫度采集子程序的功能是對 DS18B20 進行初始化、查詢溫度采集和轉(zhuǎn)換是否完成，并且完成對溫度數(shù)據(jù)的處理以便送 LED 顯示。 本設(shè)計包含兩個繼電器， 兩個繼電器分別是控制加熱裝置和加水裝置，用發(fā)光二極張勝： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計 30 管來代替加熱裝置和加水裝置，繼電器用三極管 9012 驅(qū)動。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。 （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。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。由于 DS18B20 是在一根 I/O 線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求。另一種是寄生電源供電方式，如圖 所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的 DS18B20 時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個 MOSFET管來完成對總線的上拉。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器１、溫度寄存器中，計數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。當符號位 S＝0 時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當符號位 S＝1 時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數(shù)值。第 9 字節(jié)讀出前面所有8 字節(jié)的 CRC 碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。低 5 位一直為 1，TM 是工作模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測試模式，DS18B20 出廠時該位被設(shè)置為 0，用戶要去改動，R1 和 R0 決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。頭 2 個字節(jié)包含測得的溫度信息，第 3 和第 4 字節(jié)ＴＨ和ＴＬ的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 圖 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)64 位 ROM 的結(jié)構(gòu)開始 8 位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48 位，最后 8 位是前面 56 位的 CRC 檢驗碼，這也是多個 DS18B20 可以采用一線進行通信的原因。當被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。 檢測單元設(shè)計一、溫度傳感器張勝： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計 24 DS18B20 溫度傳感器是美國 DALLAS 半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 9~12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。引腳排列依然是從左下角的那個腳（1 腳）開始，以逆時針方向依次為 1~12 腳，下圖中的數(shù)字與之一一對應(yīng)。圖中的 8 個 LED 分別與上面那個圖中的 A~DP 各段相對應(yīng)，通過控制各個 LED 的亮滅來顯示數(shù)字。報警電路北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 圖 蜂鳴器電路本系統(tǒng)中采用蜂鳴器報警，由于單片機輸出電流較小，所以用三極管 9013 驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音。如果給預(yù)直流信號蜂鳴器是不響應(yīng)的，因為磁路恒定，鉬片不能振動發(fā)音。因為蜂鳴器內(nèi)部有一簡單的振蕩電路，能將恒定的電流電轉(zhuǎn)化成一定頻率的脈沖信號，從面實出磁場交變，帶動鉬片振動發(fā)音。在單片機的軟件設(shè)置中有幾個系統(tǒng)寄存器產(chǎn)生符合蜂鳴器要求的頻率的波形之后，只要打開 PWM 輸出，PWM 輸出口就能輸出該頻率的方波，這個時候利用這個波形就可以驅(qū)動蜂鳴器了。蜂鳴器的驅(qū)動由于自激蜂鳴器是直流電壓驅(qū)動的，不需要利用交流信號進行驅(qū)動，只需對驅(qū)動口輸出驅(qū)動電平并通過三極管放大驅(qū)動電流就能使蜂鳴器發(fā)出聲音，很簡單，這里就不對張勝： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計 18 自激蜂鳴器進行說明了。在陶瓷片的兩個鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹鋼片粘著一起。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。為了確保 CPU 對一次按鍵動作只確認一次按鍵，必須消除抖動的影響。當有按鍵被按下時說明用戶要手動上水。本設(shè)計中只用最小系統(tǒng)加上鍵盤、顯示、ISP 接口電路，單片機本身資源可張勝： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計 16 以滿足設(shè)計要求，所以不必對單片機進行擴展。 振蕩器的反相放大器輸入，內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。為了確保單片機從地址為 0000H～FFFFH 的外部程序存儲器中讀取代碼，故要把 EA 接到 GND 端，即地端。它用于讀外部程序存儲器。但是，在對外部數(shù)據(jù)存儲器每次存取中，會跳過一個 ALE 脈沖。在振蕩器運行時，在此腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使其單片機復(fù)位。P3 口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或 16 位的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2 口送出高 8 位地址，在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2 口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中 P2 寄存器的內(nèi)容） ，在整個訪問期間不會改變。另外， 與 可以配置成定時/計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入端（）與定時/計數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入端（） ，如表 所示。②P1 端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口，P1 口的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4 個 TTL 輸入。在作為輸出口時，每根引腳可以帶動 8 個 TTL 輸入負載。 雙數(shù)據(jù)寄存器指針引腳功能介紹按照功能，80C51 的引腳可分為主電源、外接晶體振蕩或振蕩器、多功能 I/O 口、控制和復(fù)位等。 3 級加密位 128x8bit 內(nèi)部 ram 工作電壓主要功能特性：其結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。該器件采用 Atmel 公司的高密度非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，其指令與工業(yè)標準的 80C51 指令集兼容。（2） 晶振采用 12MHZ。（5）缺水報警：出現(xiàn)缺水狀態(tài)時，蜂鳴報警，缺水指示燈亮。本系統(tǒng)需要完成的控制系統(tǒng)技術(shù)性能大致總結(jié)如下：（1）使用電源 220V AC,功耗小于 5W。低溫報警：當檢測溫度低于 0℃時，自動報警。加水指示燈（繼電器旁的綠） ，加熱指示燈（繼電器旁的紅）：加熱元件工作時，該指示燈被點亮。溫度+鍵：每按一次該鍵，預(yù)設(shè)溫度加 1℃，長按該鍵（時間超過1 秒以上） ，預(yù)設(shè)溫度快速增加，當預(yù)設(shè)溫度加到 38℃時，按該鍵不起作用。2℃。數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的設(shè)計方案討論為了能構(gòu)造一個適合的人機界面，在諸多的顯示器件中數(shù)碼管的液晶字符性顯示器非常適合運用于此控制系統(tǒng)當中的，它的功能特性也完全適用于此設(shè)計系統(tǒng)的功能要求，也不會造成資源的浪費，所以就確定數(shù)碼管作為本此設(shè)計系統(tǒng)的顯示器件。方案三：采用 80C51 芯片，它具有 AT89C2051 和 AT89C51 芯片的所有功能，且 IO 口數(shù)非常多，比 AT89C2051 和 AT89C51 多，價錢雖然比 AT89C2051 和 AT89C51 昂貴，但存儲空間非常大，可以到達 8K。單片機的選擇方案一：采用 AT89C2051 芯片，它具有體積小、功耗小?？梢圆捎每删幊绦蚩刂破?PLC，各種單片機來實現(xiàn)。而且僅顯示單元就占用了 12 個 I/O 口，同樣屬于資源浪費。系統(tǒng)控制框圖如下：圖 系統(tǒng)控制框圖 PLC 電源 16 點輸入 16 點輸出 主機自 自 溫 溫 消 手 手 自動 動 度 度 音 動 動 動/ 總 開 開 按 加 上 總手 開 關(guān) 關(guān) 鈕 熱 水 停動 選擇排 供 報 除水 水 警 塵閥 閥 器 器繼電器除塵電機北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 這種設(shè)計方法，需要使用節(jié)點數(shù)來計算一些數(shù)據(jù)比較繁瑣。也可以按照如下方法計算，再增加 25%~30%的備用量，以便隨時增加用戶程序。 設(shè)計方案 系統(tǒng)設(shè)計方案的選擇方案一：PIC16C72 單片機為控制器件的智能電熱水器 PIC16C72 是美國微芯(Microchip)公司推出的 8/11 位單片機，采用寬字節(jié)單周期指令，哈佛雙總線和 RISC 結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)吞吐量最高可達 6MIPS，這幾乎是其它大多數(shù) 8 位微控制器速度的 4 倍 128 腳封裝的 PIC16C72 單片機內(nèi)集成了以下主要功能：2KB 片內(nèi) ROM 程序存儲器，128KB 數(shù)據(jù)存儲器；22 位 I/O 線；5 路 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，2 個 8 位，1 個 16 位多功能計數(shù)器/定時器，1 個捕捉/比較/脈寬調(diào)制(CCP)部件。 當 bhc 時，傳感器電阻阻值 R 為 R，對應(yīng)，系統(tǒng)處于 50%水位。實驗證明，純凈水幾乎是不導(dǎo)電的，但自然界存在的以及人們?nèi)粘Ｊ褂玫乃紩幸欢ǖ?Mg2+、Ca2+等離子，它們的存在使水導(dǎo)電。單片機復(fù)位電路按鍵電路報警電路時鐘振蕩加水裝置溫度傳感器水位傳感器LED 顯示蜂鳴器報警圖 系統(tǒng)原理圖 子系統(tǒng)工作原理 溫度控制系統(tǒng) 該子系統(tǒng)利用低功耗單線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 實現(xiàn)溫度采樣，將采樣的溫度值通過單片機的 口送入單片機處理，然后實現(xiàn)水溫的控制,利用按鍵對水溫的值進行設(shè)置，當溫度高于上限或者低于下限后蜂鳴器報警，使之保持溫度在一定范圍內(nèi)的穩(wěn)定。根據(jù)水位情況進行手動和自動上水控制。以 80C51 單片機為核心配合傳感器、顯示器件、繼電器、電加熱器、報警器等外圍器件，采集熱水器儲水箱中的水位、水溫信號，通過控制電動機的運轉(zhuǎn)、電加熱器加熱來控制儲水器的水位、溫度。 此外，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線遠程控制也將是新一代電熱水器北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 的發(fā)展方向，用戶可以通過任何一部雙音頻固定電話或手機遙控?zé)崴鞯拈_/關(guān)、溫度設(shè)定等，并可查詢熱水器的工作狀態(tài)。而市場上傳統(tǒng)的機械式電熱水器控制功能不完善，而且精度低、可靠性差，生活質(zhì)量的提高使得消費者對電熱水器功能提出延伸至全新的概念層面。因此燃氣熱水器是一種人命關(guān)天的特殊產(chǎn)品，即使有百分之一的疏忽，帶給用戶的危險將是百分之百。目前，%的居民家庭表示要在未來5 年中購買或更換熱水器。 電熱水器發(fā)展現(xiàn)狀經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，整個熱水器行業(yè)已經(jīng)從最初的小而少發(fā)展到現(xiàn)在的大而多，產(chǎn)品類型也隨著技術(shù)不斷成熟，由最初的燃氣熱水器獨領(lǐng)風(fēng)騷發(fā)展到今天的燃氣式、電熱式、太陽能、空氣源熱泵等多種類型。因此，水溫水位控制在改善人們生活質(zhì)量中起到了非常重要的作用。在現(xiàn)代社會中，水位和溫度控制不僅應(yīng)用在工廠生產(chǎn)方面，其作用也體現(xiàn)到了生活的各個方面。關(guān)鍵詞：單片機；DS18B20；水溫水位控制張勝： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計2Electric Water Heater Water TemperatureLevel Co