智能电热水器

智 能 家 用 电 热 水 器 控

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孙飞虎陶贻林 赵书杰

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第一章 系统总体设计 ..................................................................................................................... 3

第一节 系统概述 ..................................................................................................................... 3 第二节 硬件总体选型 ............................................................................................................. 4

一、主要元器件选型原则 ............................................................................................... 4 二、主要元器件选型 ....................................................................................................... 4 第三节 软件总体设计 ............................................................................................................. 5

一、单片机系统资源分配 ............................................................................................... 5 二、系统软件总体设计 ................................................................................................... 6 第四节 本章小结 ..................................................................................................................... 7 第二章 系统实现 ............................................................................................................................. 9

第一节 硬件设计 ..................................................................................................................... 9

一、电源电路设计 ........................................................................................................... 9 二、单片机最小系统电路设计 ..................................................................................... 10 三、人机交互电路设计 ................................................................................................. 11 四、水位控制电路设计 ................................................................................................. 13 五、温度控制电路设计 ................................................................................................. 14 六、漏电检测电路设计 ................................................................................................. 16 七、声音提示模块 ......................................................................................................... 17 第二节 软件设计 ................................................................................................................... 18

一、液晶显示程序设计 ................................................................................................. 18 二、按键扫描程序设计 ................................................................................................. 20 三、水位控制程序设计 ................................................................................................. 21 四、温度控制程序设计 ................................................................................................. 21 五、漏电检测及声音提示程序设计 ............................................................................. 24 六、控制策略程序设计 ................................................................................................. 24 第三节 本章小结 ................................................................................................................... 25 第三章 系统测试与分析 ............................................................................................................... 26

第一节 硬件调试 ................................................................................................................... 26

一、静态调试 ................................................................................................................. 26 二、动态调试 ................................................................................................................. 27 第二节 软件调试 ................................................................................................................... 28

一、先独立后联机 ......................................................................................................... 28 二、先分块后组合 ......................................................................................................... 28 三、先单步后连续 ......................................................................................................... 29 第三节 仿真演示 ................................................................................................................... 29

一、仿真软件简介 ......................................................................................................... 29 二、系统仿真测试过程 ................................................................................................. 31 第四节 本章小结 ................................................................................................................... 33 五、其它 ................................................................................................................................. 52

第一章 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2.1所示。包括电源模块、52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+9V；52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。

电源模块人机交互模块温度控制模块漏电检测模块52单片机最小系统水位控制模块声音提示模块

图1.1系统模块框图

本系统采用52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

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

① STC89C52RC：该芯片是

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0.0625℃，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。

④ 水位监测装置：用3根导线和一根地线，导线分别置于水箱内的3种不同高度的位置，当某根导线不接触水面时，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决定是否继续上水，这种方法省去了传统的A/D转换器。

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2.1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2.1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2.1 单片机系统资源分配

编号 模块名称 系统I/O资源占用表

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