基于STC89C51单片机的智能电热水器的设计--毕业设计

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STC89C51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：（1）用LCD1602液晶显示水温、设置上下限和定时时间，（2）水温检测显示范围为00～99℃，精度为±1℃。（3）温度预设范围为0～99℃，当检测温度低于预设温度时，开始加热；检测温度高于预设温度时，停止加热。（4）设置4个程序按键。分别问设置按键、加键、减键、确定。（5）可以红外遥控，通过红外一体接收探头接收遥控器信号，执行与主板按键同等功能。

方案一：以STC89C51单片机为控制中心的智能电热水器

STC89C51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STC89C51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：

图2.1.1 STC89C51控制的智能电热水器

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电源电路 温度检测 加热电路 STC89C51 遥控电路 按键电路 显示电路

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，并可以满足人们日常生活的需要，提高了人们生活的质量。

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30pF。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。显示通过LCD1602液晶显示实时温度、上下限温度值和预约功能的定时时间。报警指示灯（黄）：当热水器出现异常情况时，该指示灯被点亮。

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。

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，要设计合适的接口电路。本设计中只用最小系统加上键盘、显示、ISP接口电路，单

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片机本身资源可以满足设计要求，所以不必对单片机进行扩展。

系统的硬件系统以STC89C51单片机为核心，主要分两部分：直流稳压电源和智能电热水器控制电路，其原理图见附录二。直流稳压电源由变压器、整流桥、滤波电路、稳压电路组成。智能电热水器系统由时钟电路、复位电路、报警电路、键盘、温度检测电路和显示接口电路组成。 2.2.1 电源电路

电源电路按元件类型可分为电子管稳压电路、三极管稳压电路、可控硅稳压电路、集成稳压电路等。根据调整元件与连接方法，可分为并联型和串联型；根据调整元件工作状态不同，可分为线性和开关稳压电路。本设计中采用了线性工作状态的线性集成稳压电源。

直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，设计框图：

电源变压器 输入电压U1 整流滤波电路 稳压电路 输出电压U2 图2.2.1.1 直流稳压电源 各部分简介： （1）电源变压器

电源变压器作用是将电网220V的交流电压V1变换成整流滤波电路所需的交流电压V2。变压器副边与原边的功率比P2/P1=η，式中η为变压器的效率。

（2）整流滤波电路

整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压。滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份，合之成为平滑的直流电压。

常用的整流电路有全波整流电路、半波整流电路、桥式整流电路及倍压整流电路。小功率直流电源因功率比较小，通常采用单相交流供电。由于桥式整流电路克服了半波整流的缺点，在桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每个二极管的平均电流仅为负载电流的一半，与半波整流电路相比较，其输出电压提高，脉动成分减少。

整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。

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为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路，以滤去交流成分。滤波电路常见的有电容滤波电路、电感滤波电路及π型滤波电路。本设计采用电容滤波电路。电容滤波电路主要利用电容两端电压不能突变的特性，使负载电压波形平滑，故电容应与负载并联。桥式整流电路带电阻负载时的输出直流电压U0=0.9V，接上电容滤波后，空载时的输出直流电压U0=UC=U2。所以，接上负载时的桥式整流电容滤波电路的输出电压介于上述两者之间，其大小与放电时间常数RLC有关，RLC越大，U0越大。

（3）稳压电路

稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。由于三端式稳压器只有三个引出端子，具有应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而广泛应用。三端式稳压器有两种，一种称为固定输出三端稳压器，另一种称为可调输出三端稳压器。它们的基本组成及工作原理都相同，均采用串联型稳压电路。

（4）三端固定输出集成稳压器通用产品有CW7800T系列和CW7900系列。

1正压系列：CW7800系列，该系列稳压块有过流、过热和调整管工作保护，以防○

过载而损坏。一般不需要接元件即可工作，有时为改善性能也会加少量元件。

2负压系列：CW7900系列与CW7800系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不○

同外，其它特点都相同。

(5)稳压电源的技术指标分为两种：

一是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整流器率）、输出电阻、温度系数及纹波电压等。

（6）电路目的：给单片机及其他控制电路提供电源。

电源设计是电路设计很重要关节。它的稳定与否涉及到电路是否能稳定工作。按要求需要一个+5V电压，一个+12V左右可调电压。于是采用可调压芯片LM317，它是稳压芯片。LM317是三端稳压集成电路，最大输出电流为2.2A，输出电压范围为1.25V～37V。它具有输出电压可变、内藏保护功能、体积小、性价比高、工作稳定可靠等特点。用它制作输出电压可变稳压电源，调节可变电阻R2，便可从LM317输出端获得UO(可变输出电压)。

从电路中可以看出，LM317的输出电压(也就是稳压电源的输出电压)U0为两个电压之和，也就是R1两端电压与R2两端电压之和。而IR2实际上是两路电流之和，一路是经R1流向R2的电流IRI，其大小为URI/Rl。因URI为恒定电压1.25V，Rl是一个固定电阻，小于240欧姆。所以IRl是一个恒定的电流。另一路是LM317调整端流出的电流ID，ID的平均值是50μA左右，最大值一般不超过100μA。而且在LM317稳定工作时，ID的值基本上是

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