基于单片机的定时电热水器控制系统

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　　电热水器是以电作为能源进行加热的热水器。是与燃气热水器、太阳能热水器并列的三大热水器之一。燃气热水器由于在使用过程中会因燃烧不充分而排出有毒气体，造成安全事故，且安装不方便，要在墙上打洞，安排气扇，目前已逐渐被新兴的电热水器和太阳能热水器所取代。而太阳能热水器作为新兴的热水器，具有安全、节能、环保等优点，但安装复杂、维护麻烦，且受天气影响较大。电热水器能适应任何天气，且随着技术的不断进步，已彻底摆脱了空间的限制。但传统电热水器加热时间太长，能耗较高。随着人们生活水平的逐渐提高，智能化电器在日常生活中的比重越来越大，利用单片机定时控制，不仅可以充分利用闲置时间，减少不必要保温，也可以更加节约电能。正是基于这样的背景下，本设计选择基于AT89C52单片机的智能电热水器的设计研究。
　　1基本设计思想
　　1.1主要功能
　　以单片机为主控芯片构成的电热水器，其主要任务是对电热水器进行水温控制。利用AT89C52现有接口组织外围硬件，且通过软件实现温度测量、加热保温、温度设定、LED显示、漏电保护等功能。
　　①测量水温，并通过LED数码管实时显示水温，其显示范围为0～99℃。
　　②具有人工设定温度功能，可在20℃～80℃范围内任意设定温度。
　　③具有漏电保护功能，当热水器出现漏电现象时能及时切断电源。
　　④具有防干烧功能，若水位低于下限水位，系统能自动停止加热。
　　⑤可定时加热：用户可以设定电热水器加热时间除上述功能外，还要求控制器有较强的抗干扰能力。
　　1.2设计思路
　　①硬件：以AT89C52为核心，由DS18B20温度测量电路、水位监测电路、独立按键、LED数码管显示电路、复位与看门狗电路、热水器加热电路、时钟电路、漏电保护电路组成。
　　②软件：采用模块化设计，在主程序下模块下分成若干彼此独立模块，包括主控模块、温度采集模块、显示模块、独立按键模块等，并通过芯片将各个模块连接构成一个完整系统。

　　2系统整体设计方案
　　系统主要采用AT89C52作为整个控制系统的主控模块，利用AT89C52的引脚连接其他外部电路。
　　2.1键盘功能
　　本系统选择五个按键完成设置和控制功能。包括“+”、“-”、启动、设定、上水功能键。加、减两个按键用于调高或调低设定温度、修改加热时间；启动按键用于控制热水器加热启动；设定按键用于控制设定温度功能及加热时间功能；上水按键用于热水器加水。由于按键数量较少，所以选择独立式按键，即直接用I/O口线构成单个按键。
　　2.2显示功能
　　显示电路采用动态扫描方式实现温度的实时显示。显示范围为0～99℃。当设定温度时，显示设定温度值，且数值闪烁，设定完成后，自动返回到正常显示测量温度。
　　2.3温度检测
　　采用DS18B20温度传感器采集热水器的实时温度，提供给单片机作为数据输入。
　　2.4加热控制
　　加热控制是通过单片机输出口控制光耦，从而控制继电器的通断即加热丝的通断来完成，并通过设定值与测量值之间比较进行水温控制。为防止加热器频繁启动停止，程序中设置回差控制，即当温度低于设定值一定的差值后，才启动加热器，知道水温达到设定值。
　　2.5水位控制
　　水位控制是通过液位传感器采集信号，由单片机控制电磁阀防止溢出。同时由下限水位监测通过单片机控制防止热水器无水干烧。
　　2.6定时控制
　　定时控制是通过单片机与时钟芯片DS1302完成定时控制，使电热水器在设定时间内进行加热，而其余时间则自动进行保温控制。
　　2.7看门狗
　　为防止单片机受到干扰出现故障从而导致系统失控，采用看门狗电路以能够及时发现故障且使系统自动恢复。
　　2.8漏电保护
　　电热水器工作在潮湿场合，为确保人身安全，系统必须具备漏电保护功能。
　　3硬件设计
　　3.1温度检测模块
　　温度检测模块采用DS18B20实现温度测量。DS18B20支持3.5～5V的电压范围，体积小，性价比出色,测量温度范围为-55℃
　　～+125℃，在-10℃～+85℃范围内，精度为±0.5℃，非常适合电热水器的温度测量。并且DS18B20现场温度直接以单总线的数字方式传输，提高了系统的抗干扰性，适配各种单片机或系统。
　　3.2数码显示模块
　　数码显示电路主要由8段数码管，74LS377芯片，和8个PNP三极管构成，通过AT89C52单片机P0口将需要显示字符的段码送到74LS377芯片输入端，数码管公共端则利用三极管的开关特性，由另一74LS377芯片和单片机端口控制。P2.6、P2.7端口连接该74LS377芯片时钟和使能端，控制单片机发出的段码和位码。
　　3.3复位模块
　　采用AT89C51单片机和MAX813L组成看门狗电路，硬件连接如图2所示。

　　CPU复位信号共有3个：①上电复位（C3和R25kuohao通电时，电容C3两端相当于短路，通过或门（74LS32)加到RST端，RST引脚为高电平，单片机复位，然后通过电阻R25对电容C3充电，RST端电压慢慢下降，降到一定电压值以下即为低电平，单片机开始正常工作。
　　②手动复位（S0、R24和R25kuohaoS0松开，由于C3充电后断开，通过或门加到RST端为低电平，单片机正常工作；按下S0，将R24、R25构成回路，通过或门加到RST端变为高电平，单片机复位。
　　③看门狗复位（C10和R26kuohao看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则MAX813L将从RST输出一个高电平信号，经过微分电路C10、R26输出一个正脉冲，使CPU复位。
　　3.4键盘电路
　　由于按键数量不多，因此键盘电路采用独立按键。AT89C52单片机I/0口默认为高电平，当某一按键按下时，该端口被下拉为低电平，此时利用单片机程序查询该端口是否为低电平即可判断按键是否按下。此外，由于CPU反应速度很快，因此会产生按键抖动，需要在程序中增加消抖以防止出现误操作。
　　3.5时钟电路
　　DS1302时钟芯片能独立于单片机计时，因此在提高计时精度的同时也增强了系统的抗干扰能力。DS1302通过SCLK、I/O、RES端口和AT89C52单片机通信，SCLK在读写操作时给DS1302提供相应时钟脉冲，I/O用来实现数据传送，RES用于控制单片机和时钟芯片数据传送的开始与结束。
　　4软件设计
　　4.1主程序设计
　　主程序初始化完成后首先进行预设时间判断，若在设定时间按内，则进行相应处理。在时间判断或相应处理结束后，再判断有无按键，没有则返回继续时间判断，若有按键按下则进行相应按键处理程序。主程序流程如图3所示。

　　4.2中断服务程序
　　数码管显示、独立按键、时间查询作为后台程序，置于中断中，与系统流程无冲突，其工作流程如图4所示。

　　中断相应后首先重置中断时间，然后依次实现数码显示、按键查询和时间查询程序，结束后退出中断服务。
　　5结束语
　　通过以AT89C52单片机为核心辅以外围电路的设计，实现了低成本的要求。本控制器为定时控制并显示有关参数，能够满足系统要求的同时，又具有简单、经济之特点。灵活的键盘输入方式设定参数，增加了系统的灵活性。本课题设计完成后经模拟设备调试能正常工作，但并未真正开发进行工作，因此，在设计过程中可能还存在缺陷，需在以后的调试、运行过程中进一步改进，以进一步适应实际需求。
　　参考文献[1]潘彩霞.基于AVR单片机的家用电热水器智能温度控制器设计[J].中国制造业信息,2012年,19期[2]陈明，邱超凡.基于DS18B20数字温度传感器的设计与实现[J].现代电子技术,2008年,08期[3]周坚.单片机轻松入门[a].北京:航空航天大学出版社,2004[4]周兴华.手把手教你学单片机C程序设计[a].北京：北京航空航天大学出版社，2007_
　　
　　

李小路

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