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：

图3-1 单片机最小系统

这40个引脚可以大致分为三类：

（1） 电源引脚和时钟引脚：Vcc 、GND 、XTAL1、XTAL2 （2） 编程控制引脚：RST 、PSEN 、ALE/PROG 、EA/Vpp （3） I/O 口引脚：四组8位I/O 口引脚P0、P1、P2、P3

XTAL1、XTAL2引脚为外接时钟引脚，组成片内振荡电路，XTAL1和XTAL2分别为电路的输入端和输出端；P0口比较特殊为双向8位三态I/O 口，51系列单片机的P0口内部没有接入上拉电阻，当用于I/O 口时我们一般都会串联10KΩ的上拉电阻；P2～P4口为准双向8位I/O 口，每个口都可独立控制[10]。这里我们着重指出的是P3口可以复用为第二功能。

焊接后的单片机最小系统模块如图3-2所示：

图3-2 单片机最小系统焊接实物图

3.2 显示单元设计

该设计的显示单元用的是液晶显示器TC1602，TC1602可以显示两行，每行显示16个字符，带背光功能，驱动电源供电为5V电压，TC1602的引脚排列如图3-3所示：

图3-3 TC1602的引脚排列

接口说明如下：

（1）1、2引脚为电源引脚。

（2）3引脚的功能为调节液晶显示对比对度。

（3）4引脚为数据/命令选择端。

（4）5引脚为读/写选择端。

（5）6引脚接单片机的P3.4口，它的作用是液晶工作时的使能信号，不可或缺。

（6）液晶7～14引脚为数据口。

（7）15引脚为背光电源正极，16引脚为背光电源负极。

LCD1602液晶显示屏与单片机的连接电路如图3-4所示：

图3-4 LCD1602与单片机的连接图

LCD1602液晶显示屏与单片机的焊接实物图如图3-5所示：

图3-5 LC1602与单片机焊接实物图

按键对于单片机嵌入式系统的开发和应用具有不可忽视的作用，按键的主要功能是向单片机处理器传输数据和发送指令，是辅助单片机工作的常用方式。鉴于此次设计的实际情况，在不影响系统功能需求的条件下采用接入独立式按键的方法来实现对单片机的相关操作，四个按键接四个不同的单片机I/O口，单片机判断按键是否被按下是利用I/O口电平高低状态的变化来做到的，按键设计的电路图如图3-6所示：

图3-6 系统按键电路

3.4 继电器单元设计

电磁继电器主要由弹簧、触电开关、衔铁、电磁铁组成。主要部件为电磁铁，它是利用电磁铁磁性的有无来产生作用力，从而来控制工作电路的，其实质就是用来控制另一个电路的间接开关。当控制电路接通时，电路中有了电流，电磁铁就有了磁性，吸引衔铁，衔铁的移动导致工作电路的断路，电磁继电器就是这样来控制电路通断的。继电器原理图如图3-7所示：

图3-7 继电器原理图

综合上面单片机最小系统电路设计和各子系统模块的电路设计，得到的总体

系统设计电路原理图和焊接后的实物图分别如图3-8和图3-9所示：

图3-8 电路原理图

图3-9 焊接实物图

J D Q 0上拉电阻

电源供电

1602液晶

M A X 232

CC

4 软件设计

4.1 开机自检程序设计

单片机通电启动后，先会对系统硬件为了确保系统的正常即单片机上电复位开始运行后，需要对硬件各部分进行功能检测来确保系统可以正常工作，当检测到温度和水位传感器正常工作后会读取温度水位值，再与设置的初始上下限值进行对比，如果不在设置的数值区间内蜂鸣器就会报警提示[11]。开机自检程序流程框图如图4-1所示：

图4.1 开机自检程序流程图

DS18B20初始化程序如图4-2所示：

图4-2 18B20初始化程序

控制程序如图4-3所示：

图4-3 控制程序

4.2 水温水位控制和数据显示设计

STC89C52进入初始化程序，与相关传感器建立通信，读取相关数据并通过LC1602显示屏时时显示温度和水位的数值。核心程序处理过程是先通过DS18B20读取温度进行判断，若温度低于预设值即通过继电器启动加热器，若温度高于预设值则通过继电器关闭加热器；然后读取水温，若水温低于设定高度则通过继电器启动电磁阀加水，当水位高于设定高度时则通过继电器关闭电磁阀停止加水[12]。

温度预设值可通过使用者适宜调控，也可以设定加热时间。水温控制流程，水位控制流程和数据显示流程的总体流程框图如图4-4所示：

图4-4 水温水位控制和数值显示流程框图

4.3 系统按键程序设计

图3-6所示的按键电路图中，按键K1～K4为控制温度和水位用的按键。通过按键来设置温度水位的初始值，其中K1键是功能菜单键，可以用来设置温度和水位的上限值和下限值，K2和K3键分别为对设置的数值做加一和减一，K4为确认键。按键程序设计流程框图和按键程序如图4-5和图4-6所示：

图4-5 按键程序流程框图

图4-6 按键程序

5 调试

5.1 软件调试

程序我是用Keil uVision4软件编译的，Keil 非常适合C 语言编程的开发和调试，可以用它来完成程序的编写，调试。

在电脑上安装好Keil并运行软件后，首先第一步是新建一个工程文件，选择我所使用的STC89C52芯片，然后选择保存文件，文件名不要出现汉字。然后开始编写程序，新建一个空白文档开始写程序，再把它添加到工程文件里。接下来就是检查程序是否有问题，确定无误后编译、链接、调试，生成.hex文件后就可以下载到单片机里了。

5.2 硬件调试

系统初始设置温度上限为35℃，下限为29℃，当温度低于29℃时开始加热，控制温度补偿的继电器吸合，指示灯点亮，，当温度高于35℃时指示灯灭，不再加热，硬件调试如图5-1和图5-2所示：

图5-1 温度低于下限值加热模拟图

图5-2 温度高于上限值停止加热模拟图

这里用白色容器模拟热水器水箱，当代表低水位的传感器检测到水位时，控制水位补偿的继电器吸合加水，LED灯点亮，当代表高水位的传感器检测到水位时，不再加水，LED熄灭，若此时温度低于初始时设置的上限值则开始加热。调试结果如图5-3和图5-4所示：

图5-3 低水位时加水补偿模拟图

图5-4 高水位时停止加水模拟图

6 总结

本次的项目设计从课题的选择，到资料的搜集，然后再到方案的选择都是对我大学期间学习掌握的知识的一次检验，尤其是本次设计涉及到硬件和软件的结合，这是我以前没有接触过的。在确定总设计方案后，我开始选择各子系统的详细设计方案，最终确定基于STC89C52单片机来进行本次的项目设计，辅以温度

传感器DS18B20和水位传感器，并通过LC1602液晶显示屏来显示检测结果。整个设计的全过程让我感受最深的就是我们学到的理论知识，在应用过程中一般都会出现一些不一样的情况，就本次设计过程中因为多个子系统设计在一起所引起的系统不稳定问题就是书上所没有讲到的，从发现这个问题到成功的解决问题，让我对工程设计时的系统稳定性有了初步的了解，

在这次的系统设计中，对于我硬件电路的设计能力，程序编程能力都有很大的提高，以前上课学习到的理论知识也得到了很好的实践。以前接触的项目或者程序设计都过于单一，不如这一次复杂，在程序编译过程中出现错误的行数也比以前多很多，在错误中成长起来的速度也很快，经过这次的毕业设计对我的动手能力有了很大的提高。