河南理工大学电子设计大赛--智能家用电热水器控制系统设计总结报告

河南理工大学第四届电子设计大赛 设 计 报 告 C1 ：智能家用电热水器控制系统 参赛队员： 学  院：    电气学院 目录 摘要    .................................................  3 一、设计与论证......................................  3   1.1、  液位的检测功能的方案设计与论证................  3 1.2、加热电路的设计及温度传感器的选择的方案设计与论证  3   1.3、 预热时间的设定的方案设计与比较 ................  4              二、理论分析与参数计算................................... 4 三、 电路的设计与实现.....................................5 3.1 液位的检测与小水泵的加水模块电路设计................5 3.2 温度的测控功能实现模块.............................6 3.3 电源的设计模块.....................................8 3.4 时钟电路设计.......................................8 3.5 单片机最小系统单元的设计...........................8 四、 软件流程功能的设计..................................9 4.1 主程序.............................................9 4.2  时间显示和调整设置程序............................10 4.3  温度的读取和设置程序..............................10 4.4 液位检测和自动上水功能的实现模块...................10 五、 测试方法与实验数据.................................11 5.1 硬件和软件调试.....................................11 5.2 实验数据和误差分析.................................11 六、 结束语..............................................12 参考文献.............................................. .12 智能家用电热水器控制系统 摘  要 电热水器是我们日常生活中必不可少的一种常用家用电器，方便，快捷，卫生。随着社会的发展，热水器也在朝着智能化方向发展。本设计基于单片机最小系统，最大限度的实现其智能化和安全性。主要由漏电保护、液位检测、自动上水、加热等部分组成一个既独立又完整的系统，整个系统模块化程度好、集成度高、具有友好的人机交互界面且易于外部功能的扩展。 关键词：单片机    电热水器    智能化  Abstract Electric water heater is necessary in our daily life is a common household appliances, convenient, quick, health. With the development of society, the water heater also in the intelligent direction. This design based on single-chip smallest system, realize the maximum its intelligent and safety. Mainly by leakage protection, liquid level detection, automatic sheung shui, heating parts a both independent and complete system, the whole system modular degree good, and integration of high, possesses friendly man-machine interface and easy to external function expansion. 一、方案设计与论证 本次设计的主要任务有：液位的检测及其自动上水；加热到设定的温度值；设定预约时间；并且保证加热时间和系统的误差。 针对以上目标，我们对系统各部分设计做了仔细的论证和比较。 1. 液位的检测功能的方案设计与论证 方案一：采用液位传感器检测液面达到的位置，以此处理得到的信息，优点是电路模块简单，但是它需要单片机对它进行数据处理，所以占用软件资源，增加单片机的负荷，故不选用。 方案二：采用三个三极管组成的共集电极放大电路，通过连接两点之间的电路，检测并放大电信号，进而驱动小水泵的工作。其中利用LED显示区别各个液位点。这种方法不仅设计简单，而且思路清晰，便于控制。所以，我们选择此种方案。 2.加热电路的设计及温度传感器的选择的方案设计与论证 方案一：采用热电偶传感器测量温度，用普通的800W电功率的电热水器，采用普通的继电器控制电路的开关闭合。但是热电偶读取温度数据时处理麻烦，并且在精度要求不是过高的场合，不需要这么精密的测量。800W的电热水器又因为功率小，在要求的时间内不能满足要求，普通的继电器又不能控制交流电源，所以不采用这种方案。 方案二：采用18B20温度传感器，用1200W电功率的电热水器，采用固态继电器控制电路的闭合，18B20测量精度为0.5°C，可以设定9~12位的分辨率，最高分辨率为0.065°C，分辨率是可调的，所以满足要求；1200W的电热水器能在要求的时间内加热到指定的温度；固态继电器能实现弱点直流对强电交流的控制。所以，选择这种方案更符合要求。 3. 预热时间的设定的方案设计与比较 方案一：采用数码管显示设定的温度，用EEPROM存取设定的温度值，并且采用IIC总线控制数据的传输、处理。DS1302时钟芯片实现时间的读取和设定。数码管虽然显示方便，但是在占用同样I/O的情况下，数码管显示比较麻烦，不能显示足够的信息量，并且DS1302自身就能存取时间，不需存储在EEPROM内，所以考虑不用这种方案。 方案二：采用1602显示界面，用DS1302调节时间和设定预约时间值。DS1302时钟芯片能够保存时间数据，并且存储时间长。1602液晶能够在一定I/O的情况下显示更多的内容，方便数据的调节和数据的读取。所以此种方案更合适热水器电路的设计。 图1  系统框图 二、理论分析与参数计算 实现温度的实时显示是由计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，从DS18B20读取出的二进制必须先转换为十进制值，才能用于字符显示。因为DS18B20的转换精度为9~12位可选的，为了提高精度采用12位。在采用12位转换精度时，温度寄存器里的值是以0.0625为步进的，即温度值为温度寄存器里的二进制乘以0.0625，就是实际的十进制温度值。 华氏温度与摄氏温度的转换： 摄氏：C=5/9 C(F-32) 华氏：F=9/5 C+32 计算流程图如下： 三、 电路的设计与实现 1、 液位的检测与小水泵的加水模块电路设计 液位的检测是利用两个测量点连在一起都是电源高电平，再通过三极管的放大作用传给I\O口连接端的。这样实现单片机端口对小水泵的控制作用。 (1) 液位的检测模块 设计中，通过检测I\O的端电压，与三极管连接处理信号，并且连有LED能指示各个液位的位置。单片机的I\O口能够控制继电器的开启闭合，从而控制小水泵的工作状态。输入的电路图如图所示： (2) 驱动水泵工作电路设计 将I|O的电信号经过三极管放大，再连接继电器从而控制小水泵的工作状态。当有电信号传输时，经过三极管的放大作用，LED指示亮并且电路中有电流，此时继电器闭合，小水泵连接到电路中从而实现抽水的功能。电路如图所示： (3) 报警电路的设计 起始状态，热水器的液位在最低端C处，打开电源系统自动上水，并且液位低于C点时报警提示。直到小水泵加水到B点附近，才停止加水转为加热功能。如果液位高于A点时，系统报警提示，并且停止加水，停止加热。电路如图所示： 2、 温度的测控功能实现模块 (1) 温度的测量及其显示 利用18B20温度传感器测量当前温度值，通过1-wire读取温度值并且通过1602液晶显示在人机界面上，便于读取和设定温度。温度传感器的精度在0.5摄氏度左右，输出是数字信号所以不需要进行模数转化。电路如图所示： (2) 加热控制模块的设计实现 通过固态继电器实现交流对直流的控制作用，因为热水器的电功率是1800W，所以需要设计保护装置，当系统上电后，小水泵自动加水使液位达到B时，继电器控制断开水泵电源而打开加热驱动电路。电路设计如图所示： (3)键盘接口设计模块 单片机的I\O口资源宝贵，所以要在有限的资源里实现较多的功能。在设定时间和温度时，采用矩阵键盘能方便快捷的实现各个值的设定，操作也比较简单。电路及其功能键设计如图所示： 3、 电源的设计模块 此系统需要三个电源，分别是5V，12V和交流220V的电源。5V给单片机供电实现各个模块的控制，所以要求电源稳定可靠。12V电源是给小水泵供电工作的，以便单片机对其的控制，加热器是需要220V的交流电压的，但是需要单片机通过继电器对加热的控制。电路设计如图所示： 4、 时钟电路设计 我们采用DS1302作为计时芯片，主要是为了提高计时的精确度，更重要的是DS1302可以在后备电源下可以继续计时，并且编程选择来对后备电源进行充电，而后备电源基本不耗电，电路图如图所示： 5、 单片机最小系统单元的设计 核心部分是89S52单片机控制实现的，32个I\O口输出控制各个模块，包括ISP下载，晶振和复位模块，实现电路的核心控制单元。电路图设计如图： 单片机最小系统            ISP下载器 四、 软件流程功能的设计 4.1 主程序 系统首先对1602液晶、DS1302时钟芯片、18B20模块函数初始化，包括对定时器的设定、矩阵键盘的检测、温度的转化、时间的读取和各个界面的切换等。其程序流程图如图所示： 4.2  时间显示和调整设置程序 我们采用了时钟芯片DS1302，所以只需从DS1302各寄存器中读出小时、分钟、秒，再处理即可。在首次对DS1302进行操作之前，必须对它进行初始化，然后从DS1302中读取数据，再经过处理转换后，送给显示缓冲单元。并且可通过矩阵键盘对其设定预约时间，具备定时功能。流程图如下所示； 4.3  温度的读取和设置程序 该程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20测量温度值，温度测量每1s进行一次。读出温度子程序主要是读出RAM中的9个字节，在读出时需要进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写，其程序流程图如图所示。 4.4 液位检测和自动上水功能的实现模块 该程序的主要功能是负责液位的实时检测，当达到设定的液位时驱动电路进行控制，或加水或加热。超过A点或低于C点时报警提示，达到B点时驱动加热器加热。程序流程如图所示： 五、 测试方法与实验数据 5.1 硬件和软件调试 1 硬件调试时，可先检查电路板的接线和焊接的质量是否符合要求，有无虚焊点及线路间有无短路，断路。然后用万用表检测，检查无误后，可通电检查LCD液晶显示的亮度情况，一般情况下取背光电压为4~5.5V即可得到满意的效果。 2  DS18B20只有三根线，DS1302接了备用电源、晶振和信号输入，共八根引线，所以要仔细检查各个元器件是否连接正确。 3  液位电路的检测是根据实际达到液位点时，对应的电路指示灯的工作状态确定的。需要认真检查每个引线的连接情况，还在此基础上检验加热器和小水泵的工作情况。需要注意的是，一定要做好防水的准备。 4  软件的编写是在Keil编译器中进行的，分为液位检测模块，温度设定和控制模块，预约加热时间的设定等，其中还包括DS1302，DS18B20，1602液晶及矩阵键盘的操作等。 5.2 实验数据和误差分析 温度测量  用水银温度计测量实际温度，与18B20所测得的数据如下： 标准测量 C 32 33 34 35 36 38 41 42 测量温度 C 31.7 32.5 33.5 34.5 35.6 37.2 39.7 40.7                   标准测量 C 43 44 45 46 47 48 49 50 测量温度 C 41.5 42.4 43.3 44.5 45.1 46.3 47.0 47.8                   误差分析： DS18B20的分辨率为9～12位可编程，理论上最小温度分辨率为0.0625℃ , 但由于受各种因数的影响．往往误差范围能达到0.5℃。通过分析．得知误差主要来源于芯片内部半导体热噪声。其类型为线性误差，并随温度的上升而误差增大,所以实验数据测得温度和实际温度最大的相差值为3。这是在误差允许范围内的。 六、 结束语 本智能家用电热水器控制系统能自动检测液位点，从而实现自动上水，在最高点附近会报警提示，达到B点附近则会自动停止加水而加热。加热是根据设定温度与实际温度差从而利于PWM波来控制的，经过反复的实验得到了合适的占空比，实现预约设定时间加热和设定温度的加热。使时间设定加热准确无误，设定温度的误差稳定在0.5摄氏度以内，从而达到自我调节的稳定状态。 参考文献 1. 全国大学生电子设计竞赛组委会. 第五届（2001年）全国大学生电子设计竞赛题目. www. nuedc.com.cn.2003.12　 2. 全国大学生电子设计竞赛组委会. 第六届（2003年）全国大学生电子设计竞赛题目. www. nuedc.com.cn.2003.12　 3.    全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（1994～1995）[M].北京：北京理工大学出版社，1997年第1版. 4.    全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2001）[M].北京：北京理工大学出版社，2003年第1版. 5.    全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（1999）[M].北京：北京理工大学出版社，2000年第1版. 6. 全国大学生电子设计竞赛培训教程  电子工业出版社  高吉祥