热水器的温度水位控制系统的设计

1 引言

随着人们生活水平的不断提高，热水器已经走进了千家万户。近些年来自动控制[1]的迅速发展带动了热水器行业的产业升级，智能家居也已经从理念开始逐渐变成现实。实现温度和水位的自动化控制对热水器行业的发展来说是十分重要的，自动化控制技术在生活中的很多领域也都会使用到。

早期的时候因为技术问题，水温和水位的参数控制存在许多缺点[2]，不仅成本高、精度低，而且系统不稳定，电路的设计也十分复杂，一般都是在锅炉厂房里应用的比较多。伴随着电子技术的迅猛发展和应用，基于单片机的嵌入式控制系统正逐渐从工业应用拓展到生活中的各个领域，温度和水位的智能化控制技术也越来越成熟，传统热水器存在的温度水位控制缺点也慢慢的得到完善[3]，特别是数字传感器的发展，可以说是解决了检测参数精度低这个主要问题。我们在对落后的设备进行改进时，通常都会采用基于单片机的方式，之所以选择用单片机来完成热水器的温度水位控制系统的设计，是因为嵌入式系统的设计有着其独特的优点，可以将温度和水位这两个模块的传感器放在一起，既提高了设备的自动化程度又在一定程度上延长了设备的使用寿命[4]，性价比非常高。

1.1 电热水器发展现状

热水器的发展经历了从上世纪末单一的燃气热水器到太阳能热水器再到现在市场上各式各样的电热水器，可以说是热水器行业的一次次产业革命。和传统的燃气式或者太阳能热水器相比，电热水器更加安全、方便，十分适合现代化的城镇居家生活。

根据调查显示，有超过一半的家庭都考虑过要更换热水器，这就说明在未来的几年里，热水器行业还会保持一个良好的发展前景。就实际使用情况来看，太阳能热水器存在安装位置局限性的弊端，使用范围狭窄，多适用于农村，且受天气影响的程度很大。而燃气热水器存在的问题更大，不仅安装麻烦，还不易调节温度，最主要的是在使用过程中还会产生危害人体健康的气体。参照中国商业联合会的统计结果显示，传统的燃气热水器在市场份额上已经被电热水器超越了，电热水器市场在中国的发展伴随着国家电网的发展以及中国近些年来房地产产业的火爆发展，在未来几年将保持持续良好的发展势头[5]。

随之人们消费水平不断提高，对产品功能的要求也会越来越多，随之相关技术的越来越成熟，应用的领域越来越广泛，热水器的发展方向将主要以下面几点为核心：

（1）数字化：手动旋钮调节方式存在很多不足之处，比如温度调节不准，不能直观的观察温度变化，数字化调节方式简单直接，还有显示屏可以时时观察温度和水位的变化。

（2）节能高效：能效指标已经成为国家强制执行的认证标准，也符合我们现在的节能、绿色、环保的口号。有效的控制加热次数和加热时间都将是减小功耗的可取措施。

（3）安全稳定：无论在什么产品中安全永远都是最基本同样也最重要的一点，电热水器的安全问题同样不能忽视，检验一个产品合格的关键就是看该产品在满足功能需求的情况下是否足够安全，热水器设计时必须考虑漏电保护、防干烧等多项故障排除功能，最大程度上保证用户的安全不受威胁。

现在市场上的电热水器品种多样，功能也是各异，有些已经具备简单的智能温度水位控制，但就控制系统的设计来说还是有很大的进步空间。在当今众多的控制手段中，以单片机为基础的嵌入式控制系统无疑是最优秀的，不仅简单方便，兼容性也很好[6]。

1.2 课题任务

本设计要达到的目的是利用STC89C52单片机为基础，结合DS18B20温度传感器、水位传感器、继电器、LC1602液晶显示器等外围器件来做到对热水器的水温、水位信号的采集、分析对比和控制，利用独立按键组成的键盘调节预设水温的最高值和最低值，实时监测水温和水位的数值并在LC1602液晶显示器上显示结果，当水温过低或水位过低时会自动报警并进行温度补偿和水位补偿[7]。

2 系统设计方案选择

2.1 系统总体设计方框图

系统总体设计要实现的功能主要包括：温度和水位值通过传感器的采集，按键对数值的调整，低水位或者低温时的温度补偿和水位补偿，单片机对数据的分析和处理以及LC1602液晶显示数值变化等，系统设计方框图如图2-1所示：

图2-1 系统总体设计框架图

STC89C52是采用5V电压来供电，系统通电后单片机开始工作，单片机读取到温度传感器和水位传感器采集到的数据后，再结合初始设置的限值进行分析，并将检测结果通过液晶显示屏显示出来，在单片机在对比数据后会根据设置的数值选择是否进行温度补偿或者水位补偿[8]。

2.2 主控芯片的选择

在经过详细的参数及功能对比之后决定采用STC89C52单片机，该单片机是宏晶科技在STC89C51基础上改进设计的一款性能十分优良CMOS8位微控制器，具有很多51单片机所没有的独特功能。STC89C52单片机的工作模式大体上可以分为三种：掉电模式、空闲方式和正常工作模式，通用I/O口有4组一共32个，其中P0口在作为总线使用的时候可以不接入上拉电阻，但作为I/O口使用时必须接入上拉电阻，单片机集成512字节的RAM，供用户使用的应用程序空间为8K字节。

2.3 温度水位控制系统的选择

经过详细的资料搜集和对比之后，对温度水位控制系统的设计采用传感器的方案，温度控制采用体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，高精度的DS18B20温度传感器来完成温度采样，采样后的温度数值经过单片机的I/O口送入单片机进行数据分析和处理，进而完成对水温的检测和控制[9]，利用按键进行对热水器温度初始值的设置，当热水器内水的温度值不在设定的区域值区间内，这时蜂鸣器开始报警，通过这种方法就可以让温度在一个稳定的范围内维持不变。

在选择水位控制系统设计方案的时候，有很多满足系统设计需要的传感器可以选择，但这些传感器的性价比都不是很高，通过对比后来采用了Water Sensor 水位传感器，它是原理是利用裸露在外的平行导线的线迹来测量流水量大小，进而来分析出水位，将采集到的水量信息转换成模拟信号，然后再传送到单片机进行后续数据分析，此传感器简单易用，性价比较高，非常适合此次的设计。

3 硬件设计

3.1 单片机最小系统

STC89C51单片机最小系统主要包含单片机、复位电路和晶振电路。在给单片机上电或电压不稳的时候，需要复位电路来延时以保证单片机可以等到电压稳定后正常工作。我们知道单片机电路是由一个个门电路组成，晶振的作用就是给单片机提供工作信号脉冲。在焊接时要注意引脚的连接，单片机最小系统电路图如图3-1所示：