智能电热水器毕业设计

太原理工大学现代科技学院智能仪器课程设计

度范围调节，然后运行程序，由传感器经过模数转换，检测水温，当检测温度低于预设温度1℃时，开始加热；检测温度高于预设温度1℃时，停止加热。当温度超过65℃时，蜂鸣器报警。

太原理工大学现代科技学院智能仪器课程设计

第2章 硬件系统设计

2.1 方案验证

目前市场上的电热水器有连续水流式，虽具有加热速度快和体积小的优点，但需要的功率大，大多数家庭供电线路难以承受。而且市场上传统的机械式电热水器控制功能不完善，而且精度低、可靠性差，因此电热水器的智能化成为必然趋势。采用单片机来实现电热水器的智能化，主要是因为其采用面向控制的指令系统，实时控制功能特别强。CPU可以直接对I/O口进行输入、输出操作及逻辑运算，并且具有很强的位处理能力，能有针对性的解决由简单到复杂各类控制任务。单片机做为嵌入式应用的微型计算机，由于其出色的性价比，极强的实用性，它取得了巨大的发展。

本课题是基于AT89S51单片机的智能电热水器的控制器的设计，要达到的控制要求有：

★功能 该智能热水器具有以下功能：

⑴电热水器由800W电炉丝加热，最高温度为100°C。

⑵电热水器的温度可以设置，恒温控制过程为设置的温度，温度控制误差≤±2°C。 ⑶可以实时显示设置温度和实际温度，显示精度为1°C。 ⑷当实际温度超出设置温度±5°C时发出报警

⑸采用AT89S51单片机和12Hz的晶振；采用AD590温度传感器 。 ⑹采用比例控制、并用晶闸管移相驱动电热器（电源电压为AC220V）。

★工作原理 系统利用集成温度传感器AD590完成温度测量，并转换成模拟电压信号，经由A/D转换器ADC0804转换成数字信号，送到AT89C51单片机中，单片机将采集到的温度值与通过键盘设定的温度值进行比较，根据比较结果，控制加热器的开断，同时将温度值实时显示在LED显示器上。

方案一：以AT89S51单片机为控制中心的智能电热水器

AT89S51单片机具有结构简单、控制能力强、可靠性高、体积小、价格低等优点，在许多行业都得到了广泛的应用。以AT89S51单片机为核心，配以外围电路如时钟电路、复位电路、按键、显示器件即可构成交通灯系统，结构框图如图2.1.1：

太原理工大学现代科技学院智能仪器课程设计

方案二：PIC16C72单片机为控制器件的智能电热水器

PIC16C72是美国微芯(Microchip)公司推出的8/11位单片机，采用宽字节单周期指令，哈佛双总线和RISC结构，其数据吞吐量最高可达6MIPS，这几乎是其它大多数8位微控制器速度的4倍128脚封装的PIC16C72单片机内集成了以下主要功能：2KB片内ROM程序存储器，128KB数据存储器；22位I/O线；5路8位A/D转换器，2个8位，1个16位多功能计数器/定时器，1个捕捉/比较/脉宽调制(CCP)部件。

以PIC16C72为控制芯片的电热水器，虽然功能很强大，但是存在一些很需要改进的地方：中断的现场保护是中断应用中一个很重要的部分由PIC16C72的指令系统中没有专门的PUSH(入栈)和POP(出栈)指令，所以要用一段程序来实现该功能。对可能用到的W寄存器和STATUS寄存器内容进行现场保护1然后在中断服务程序中对马达，继电器进行控制1漏电检测报警在中断里给出，而每50ms进入一次中断，所以发生漏电时最多50ms即可切断电源1入口→中断保护→控制马达→控制继电器如果用直流对电机进行控制，其转速太快，过调量太大，容易引起震荡。

通过以上两种设计方法的比较来看，实现电热水器的智能控制可以有很多种方法。可以采用可编程序控制器PLC，各种单片机来实现。但考虑到成本控制和软硬件实现难度，采用方案一的控制系统设计，可以进一步提高电热水器的智能作用，能够保证持续的热水供应，并能够在异常情况下自动断电，可以满足人们日常生活的需要，提高了人们生活的质量。

智能电热水器将由AT89S51单片机作为控制芯片，经分析设计要求，初步确定其由8个模块组成，如下图所示：

图2.1.1 AT89S51控制的智能电热水器

漏电检测 水位检测 温度检测 电源电路 AT89S51 加热电路 显示电路

太原理工大学现代科技学院智能仪器课程设计

温度检测 电源电路 AT89S51 水位检测 加热电路 漏电检测 显示电路 加热保温指示 蜂鸣器

图2.1.2 基于AT89S51的智能电热水器

时钟电路用来产生时钟信号供单片机工作，晶振采用12MHz，平衡电容采用33pF。复位电路在系统上电或运行过程中对单片机进行初始化操作。按键采用独立式热键，用来扩展系统功能，分别可以实现电源开关、温度增加和温度减少三个功能。数码管用来显示水温和水位两组数据，所有数码管采用共阳接法，段控端接在单片机同一I/O口，位控端分别接在不同位的I/O口。发光二极管用来指示系统运行状态，电源指示灯（红）：接通220V电源，该指示灯点亮。加热指示灯（绿）：加热元件工作时，该指示灯被点亮。报警指示灯（黄）：当热水器出现异常情况时，该指示灯被点亮。ISP接口通过并口与PC机连接，实现单片机与PC机通讯，用编译器对源程序进行调试及编译，通过ISP接口将形成的二进制目标程序下载到AT89S51单片机上。

依据设计要求，系统上电复位后按默认值开始运行，然后开始检测温度按键，若无按键，则按设定温度进行工作；若温度键已按下，则开始设定温度范围，并按新的设定值开始加热。接着继续检测温度按键，若无按键，则接着上一步的执行（以新的设定值开始工作）。若有按键，则重新设定温度范围，如此循环。另外，在运行主程序的时候，首先要检测水位，若达不到预设值，则断电，蜂鸣器报警；若达到预设值,则开始检测水温。

2.2 硬件系统设计

单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设