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1、.题 目 基于单片机的电热水器控制系统设计15 / 21摘 要近十余年来，单片机技术的发展极为迅速，广泛应用于生产、生活的各个领域。本文所设计的控制系统采用AT89C52单片机作为控制核心，利用AT89C52现有的接口组织外围硬件模块。然后分硬件和软件两部分进行阐述。硬件是指以温控制器为核心，由外接温度测量电路、实时时钟电路、键盘、复位与看门狗电路、热水器加热开关、LED显示电路组成。而软件部分则主要是为系统功能的实现而进行的编程和结果的仿真。本设计采用模块化设计，在主程序模块下分成若干彼此独立的分模块：包括主控模块，温度采集模块，显示模块等，并且通过单片机将各个模块连接起来，形成一个完整的整
2、体。本系统可以实现对温度的采集与显示、时钟的显示、热水器开机方式的控制等，非常有实用价值。关键词：AT89C52单片机；温度测量；LED显示；A/D转换电路AbstractThe recent ten years, microcontroller technology development extremely rapidly, it is widely used in production, life and in all areas. The design of control system adopts AT89C52single chip computer as the control
3、ling core, and using of the existing interface organization as the hardware modules. Then described it by two parts that are hardware and software. Hardware refers to the temperature controller for the core, with outside temperature measurement circuit, real-time clock circuit, keyboard ,reset and w
4、atch-dog circuit, water heater heating switches, LED display circuit component. While software part then is mainly to simulate the result and to program the realization of system function. This design uses the modular design, with the main modular, it is separate into several independent program mod
5、ules. Including control module, temperature module, display module and so on, and will connect each module by the single chip computer, forming an integral whole. This system can realize the collection and display of the temperature, clock display, the control ways of the water heater .So it has hig
6、hly practical value. Keywords:AT89C52singlechip computer;temperature measurement;the LED display;A/D circuit目 录1 引言12电热水器控制系统整体设计方案22.1电热水器控制系统功能说明22.2 系统整体设计方案23 硬件设计33.1微控制器模块33.2 温度测量43.2.1 Pt1000铂电阻温度传感器43.2.2温度信号放大电路53.2.3模数转换电路63.3 实时时钟73.4 温度、时钟的显示电路83.5 看门狗复位电路104 软件设计114.1 整体软件设计114.2 模数转换软
7、件设计125 结论14参考文献15谢辞16.1引言我国是热水器生产大国，由于消费水平的提高和人们对生活品质要求的提高，热水器已由一个高档的奢侈品成为一种必备的家庭用具，受到越来越多人的青睐。然而热水器的种类很多，按能源分类热水器可分为电热水器、太阳能热水器和燃气热水器 。太阳能热水器就是以太阳能作为能源进行加热的热水器，它节能环保，但是安装复杂，并且受到安装场所的制约，只有有些家庭可以安装，而北方由于天气原因，使用此热水器的就更少了；燃气热水器小巧，品种多，而且污染小，是目前最为常用的热水器产品之一，但如果家里之前没有安装过，重新安装比较麻烦，需要进行燃气和水的管道改造；电热水器安装简单，不受
8、气候、场所的限制，以其方便，安全无污染，保温时间长等优势受到越来越多人的认可。电热水器看似简单，实际却是很难做好的一种家用电器，它的各个部分的设计如控制系统、水路、胆制造、外壳、防烫伤装置等，都制约着电热水器的性能和发展。根据最新统计，目前热水器（包括燃气、电、太阳能等）在中国城镇家庭中的普与率已达到75%，成为继彩电、洗衣机、冰箱、空调之后的第五大家用电器。在产销量大幅增长的同时，整个热水器行业的技术含量也在同步提升。而电热水器已经成为今后热水器市场的发展方向。因为气价涨了，而电价却降了；电热水器使用安全、卫生、又无污染。今后几年我国电热水器市场将呈现强劲增长势头，其产品质量、技术水平、服务
9、规将不断提升，价格也会下降。我国过去的热水器市场一直以燃气热水器为主，近年来电热水器逐渐占据了部分市场成为主导，并且代表了未来的发展趋势。2电热水器控制系统整体设计方案2.1电热水器控制系统功能说明本课题采用单片机为主控芯片设计电热水器控制系统，其主要任务是对电热水器进行温度采集与显示、时钟的显示、热水器的开机方式的控制等。主要功能如下：（1） 测量热水器的温度，并通过显示器实时显示水温，显示围为070（2） 正常状态下实时显示时钟（3） 可以立即开机或在24小时任意设定开机时间2.2 系统整体设计方案电热水器控制系统的整体设计方案主要包括硬件设计方案和软件设计方案。硬件是指以AT89C52作
10、为整个控制系统的核心，再外接温度信号采集电路、实时时钟电路、热水器加热控制开关、LED显示电路、键盘、复位与看门狗电路组成。根据本设计所需要的电热水器功能的需求，在节约开发成本、增加系统安全与可靠性、减小体积等原则下进行电热水器控制系统的硬件设计。其系统硬件框图如图1所示。信号放大电路水温采集装置微控制器模块AT89C52晶振电路电 源复位电路实时时钟键 盘设定功能电路LED显示电路加 热 开 关A/D转换图1系统硬件框图系统主要采用51单片机AT89C52作为整个控制系统的主控模块，利用AT89C52的引脚连接其他的外部电路。对于温度的测量根据其环境的特殊性，温度信号的采集主要由Pt1000
11、铂电阻温度传感器、信号放大电路和A/D 转换电路组成；对于实时时钟的实现则是采用现有的PCF8563时钟芯片，主要是取得时钟的小时和分钟；键盘主要是用来设定开机时间、设定热水温度、定时加热时间、校准时钟，因此需设定四个按键；而为了调高系统的性能，系统采用了看门狗复位电路；对于温度与实时时钟的显示选择以CH451作为驱动芯片的LED显示电路。3 硬件设计3.1微控制器模块根据图1可以看出，本系统主要是使用AT89C52现有的引脚连接外部的其它硬件电路，而由于对实时性和微控制器的处理速度要求不高，因此选择了具有低电压、高性能的AT89C52单片机。它是一个CMOS工艺的8位单片机，片含有8KB的掩
12、膜ROM和256个随机存取存储器（RAM）单元，8位的通用中央处理器（CPU）和闪速存储单元，并且与52系列的其它产品有很好的引脚兼容，因此是一种性价比较高的单片机。AT89C52主要性能说明如下：32个I/O口线；片有8KB闪速存储器，256B部随机存取存储器RAM；3个16位定时/计数器，用于实现定时或计数功能；中断系统为一个6向量两级中断结构；一个可编程全双工串行通信口；片振荡器与时钟电路，全静态工作方式。具有全静态工作方式表明它不一定要求连续的时钟定时，在等待部事件期间，时钟频率可降至0Hz的静态逻辑操作1。AT89C52的功能引脚说明：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址
13、/数据总线复用口；P1、P2、P3是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口，其输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，而P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能；RST是复位输入；ALE/PROG是一个复用引脚，ALE是地址锁存允许，PROG是输入编程脉冲；PSEN是外部程序存储器的读选通信号；EA/VPP是外部访问允许；XTAL1是振荡器反相放大器的与部时钟发生器的输入端；XTAL1是振荡器反相放大器的输出端。系统设计的电路原理图如图2所示，D0为电源指示灯；P0口连接键盘和指示灯，四个指示灯的功能分别为校准时钟、设定开机时间、设定热水温度和设定定时加热时间，
14、K1K4分别为公共功能键、加键、减键、开关按键；P1.0P1.2引脚与模数转换芯片CS5513相连；P1.5p1.7引脚与LED驱动芯片CH451相连；P1.3和P1.4控制实时时钟的读写；P2.0通过光耦控制电磁阀开关，用于启动和加热设备；P2.2P2.7控制LED八段数码的片选2。 图2 系统原理图3.2 温度测量温度测量是电热水器控制系统中一个至关重要的部分，其测量过程是比较复杂的。测量温度的标尺是温度计，按照其测量方式可以分为接触式和非接触式两种。接触式测量仪表比较简单、可靠，测量精度高，但是因为测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温延迟现象
15、，同时受耐高温和耐低温材料的限制，不能应用于这些极端的温度测量。非接触式仪表测温仪是通过热辐射的原理来测量温度的，测温元件不需要与被测介质接触，测温围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快3，比较适合此控制系统的要求。在这里温度测量主要由Pt1000铂电阻温度传感器、信号放大电路和模数转换电路组成。3.2.1 Pt1000铂电阻温度传感器温度传感器就是利用各种物理性质随温度变化的规律把温度信号转换为电量的仪器。Pt1000电阻温度传感器则是热电阻式温度传感器的一种。铂电阻是一种对温度比较敏感的器件，它的电阻温度系数大而且稳定，电阻值与温度成一定函数关系。并且具
16、有电阻率高、热容量小、反应速度快、材料的示值复现性高和耐氧化等特点，因此被用来作为0926温度群的国际标准温度计。但是铂电阻的特性曲线是非线性的，在-190t0时Rt=R01+At+Bt2 +C(t-100) t3，在0t630.74时Rt=R01+At+Bt2 ，在设计时必须进行线性化校正4。 式中R0、Rt为温度0和t热电阻的电阻值，t为任意温度。A、B、C为温度系数，由实验确定，它们的数值分别为A=3.9080210-3 ，B= -5.80210-7 ，C= -4.2210-7。 由公式可以看出，R0值不同时，在同样温度下Rt的值也不同。 本系统采用的是R0=1000欧姆的铂电阻温度传感
17、器，温度要求围为070，所以适合式Rt=R01+At+Bt2。此外，引线电阻会影响到测温精度，而由于系统对温度测量精度要求不高，因此采用二线制接法，这种接法需要的材料少价格低，简单实用，只要直接将传感器的两根引线接到放大器的反馈电阻位置即可。3.2.2温度信号放大电路 由温度传感器采集到的信号比较弱，难以直接进行A/D转换，所以必须一个合适的放大电路来将这个信号放大。放大电路的本质是能量的控制和转换，是在输入信号作用下，通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所获得的能量，使负载从电源所获得的能量大于信号源所提供的能量，因此电子电路放大的基本特征是功率放大。放大器的种类很多，但在模拟输入通道中使
18、用的是一种具有高放大倍数并带有深度负反馈的直接耦合放大器，即运算放大器。运算放大器具有输入阻抗高，增益大，可靠性高，价格低和使用方便等特点5。因此，本系统采用的是噪声小，抗干扰能力较强的TLC2201功率放大器。Pt1000与TLC2201的接口电路如图3所示。 图3 温度信号放大电路由图3可知，运算放大器U1的连接方式是电压跟随器的方式，这种连接方式不仅能够使可以驱动的负载电阻较小，而且电压跟随器还可以缓冲因前一级输入阻抗较小而损耗在前级输出电阻中的信号。运放U2采用同相比例放大器的连接方式，同相比例放大器有高的输入阻抗，但其输出阻抗很低，因此可以对前后级电路起到隔离作用6。图3中R1是一个
19、限流电阻，防止电流太大而损坏稳压二极管Z2；C1、C2分别是陶瓷电容和电解电容，主要是用于滤除电源的高频干扰和低频干扰；R2与R3并联后再串联R4形成一个电压可调的电路，并同时输入到U1的同相输入端；Rpt是铂电阻传感器的应变电阻值，在温度发生变化的时候，电阻相应改变。U2的同相输入端输入的是U1输出的固定信号，其反相输入端是由R8与Rpt连接成一个负反馈的放大电路，放大后的模拟信号由CS5513-AIN+标识的引脚输出，最后将接入模数转换电路。3.2.3模数转换电路由于铂电阻传感器采集到的温度信号是模拟信号，不能直观的观测到，因此需要一个模数转换电路将这种模拟信号转换成数字信号后进行分析。对
20、于A/D转换器的选择，一般是从转换器的位数、转换器的转换速率、与主CPU接口以与数据输出是否方便、稳定性与抗干扰能力等几个方面来分析决定的。本系统中采集对象是温度。它的变化速率低，但是精度要求比较高，因此在保证精度位数的同时不需要很快的转换速率7。综合比较后，选用CS5513芯片作为模数转换电路的核心部分。CS5513是20位的串行输出模数转换芯片，用它可以进行直流测量，并且使用简单。CS5513的引脚介绍8：（1）模拟部分的引脚 V+、V-：为正负电源引脚，CS5513可工作于单电源或双电压源模式 AIN+、AIN-：差分模拟输入 VREF：参考电压输入，转换器的参考电压为VREF和V-之间
21、的电压，此电压最低为2.5V，最高为（V+）-（V-）V（2）数字部分引脚 SDO：串行数据输出，SDO输出的逻辑低电平是以的逻辑低电平为基准的，所以CS5513没有专用的接地管脚 SCLK：串行时钟输入，用于控制CS5513中的SDO引脚的输出。当SCLK为高电平并持续2ms后，CS5513进入休眠状态，要终止这种状态只需将SCLK置为低电平即可 ：片选端，当为高电平时，SDO串口数据输出端输出为高阻态；当为低电平时，SDO输出数据CS5513与模拟输入的接口电路如图4所示，经由信号放大电路放大后的模拟信号输入到CS5513的AIN+端。图4 模数转换电路3.3实时时钟实时时钟的缩写是RTC
22、（Real-Time Clock）。RTC是集成电路，通常称为时钟芯片。本设计采用PCF8563时钟芯片实现，它是一款工业级低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片。它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过IC总线接口串行传递。最大总线速度为400Kb/s，每次读写数据后，嵌的字地址寄存器会自动产生增量9。PCF8563是一款性价比极高的时钟芯片，它已被广泛应用于电表、水表、气表、 、机便携式仪器等产品上。PCF8563芯片引脚排列与功能说明10如图5所示。图5 PCF863的引脚排列与功能说明 OSCI：振荡器输入 OSCO：振荡器输出 ：中断输出，开漏输出模式（获
23、得更大的驱动），低电平有效 Vss：接地 SDA：串行数据I/O接口 SCL：串行时钟输入 CLKOUT：时钟输出，开漏模式 Vdd：正电源PCF8563硬件连接原理图如图6所示。图6 实时时钟电路3.4温度、时钟显示电路LED是Light Emiting Diode（发光二极管）的缩写，它是能将电信号转换为光信号的电子发光器件，也称数码管。数码管有7段和8段之分，8段数码管是在7段基础上再加了一个圆点形的发光二极管，用于显示小数点。数码管的特点如下11： 发光响应快，亮度强，高频特性好；而且随着材料的不同，数码管还能发出红、黄、绿、蓝等多种颜色的光。 机械性能好，体积小，重量轻，价格低廉；能
24、与CMOS和TTL电路配合使用；使用寿命长。 工作电压低，驱动电流适中。每段工作电流为510mA，一只数码管的7段LED全亮需要电流为3570mA。这样大的电流需要由驱动电路提供，本系统使用CH451作为8段数码管的驱动。在使用中，为了给发光二极管加驱动电压，它们应有一个公共引脚，公共引脚有如下两种接法12： 共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成阴极公共引脚，使用时阴极公共引脚接地，这样阳极引脚上加高电平的发光二极管就导通点亮，而加低电平的则不亮。 共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起作为阳极公共引脚，使用时阳极公共引脚接+5V。这样阴极引脚上加低电平的发光二极管即可导通点亮，而加高电
25、平的则不点亮。 本系统需要显示温度和时钟两个部分，温度显示需要2个数码管，时钟显示需要4个（小时、分钟）数码管。因此需要可以驱动6个 数码管的驱动电路。本系统采用CH451芯片作为LED显示的驱动电路的核心。CH451是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制的多功能外围芯片。CH451置RC振荡电路，可以直接动态驱动8位数码管或者64位数码管，具有BCD译码或不译码功能，可实现数据的左移、右移、左循环、右循环、各数字独立闪烁等控制功能；在外部接口方面，CH451可选择简洁的1线串行接口或高速4线串行接口，且置上电复位，可提供高电平有效复位和低电平有效复位两种输出，同时置看门狗电路。其引脚引脚排
26、列与功能说明13如图7所示。 Seg0Seg7数码管的段驱动高电平有效，键盘扫描输入，高电平有效，带下拉。 Dig0Dig7：数码管的字驱动，低电平有效，键盘扫描输入，高电平有效，带下拉。 VCC：正电源，持续电流不小于200mA。 GND：接地，持续电流不小于200mA。 DOUT:串行接口的数据输出。 LOAD：4线串行接口的数据输入控制，带上拉。 DIN：4线串行接口的数据输入控制，带上拉。 DCLK：串行接口数据时钟，带上拉。图7CH451引脚图CH451与LED连接的显示电路如图8所示。图8 CH451与外部电路连接图如图8所示，电路中主要元件是数码管显示驱动芯片CH451，驱动6个
27、带小数点的8段数码管。在CH451的段输出端即Seg0Seg7加200欧姆的限流电阻调节数码管的工作电流，CH451的位选择输出端Dig0Dig7的输出为低电平有效，因此选用共阴极型数码管。数码管的公共端分别接至Dig0Dig5，由CH451控制刷新相应的位显示。3.5看门狗复位电路对单片机应用系统来说，可靠性有着至关重要的作用。这是因为单片机应用的现场环境比较恶劣，极易受到干扰而出现故障；而一旦出现故障，就有可能导致系统失控，甚至造成极严重的后果。为了提高系统的可靠性，除采取足够的硬件措施外，还应对程序进行监视，因为系统可靠与否最终体现在程序上。最常见的程序运行故障是“跑飞”和死循环。为了避
28、免出现这些使系统不能正常运行的故障，在与时发现的同时，能够使系统自动恢复，本设计采用了看门狗电路。看门狗是一种软硬件结合的监视方法，把其中用来感知程序失控的硬件比作“狗”。在程序执行过程中通过指令不断地给该电路发送脉冲信号（喂狗），以维持其在一个固定的状态（狗处于安静状态）。当程序失控时不能在规定时间“喂狗”，硬件电路的预定状态就不能维持（狗叫）了14。本系统采用了IMP813芯片用于看门狗复位电路，IMP813主要是作为Watchdog计数器重定用的。当程序跑飞时，如果在1.6秒没有触发该电路（WDI无脉冲输入），则WDO输出由高电平变为低电平，并保持在140ms以上，IMP813就产生复位
29、信号，自动复位，同时看门狗定时器清0。若将WDO端与MR连接，则可组成上电复位与看门狗复位电路。实际应用时，将第RST接CPU的复位脚，MR脚与WDO脚相连，WDI脚与CPU的P2.1相连。在软件设计中，P2.1不断输出脉冲信号。如系统死机导致P2.1无脉冲信号输出，则1.6秒后在IMP813的WDO脚输出低电平。该低电平加到MR脚， IMP813产生复位输出，使CPU有效复位，摆脱死循环的困境。另外，当电源电压低于门限值4.65V时，IMP813也产生复位输出，使CPU不执行任何动作直至电源电压恢复正常15。其与单片机连接方式如图9所示 。图9 看门狗复位电路4 软件设计4.1 整体软件设计
30、电热水器上电后，首先进行系统初始化，设置时钟时间；其次显示当前的温度和时钟，并判断加热开关是否打开，执行相应的操作；如果有功能键按下，则进入功能设定界面，包括校准时钟、设定开机时间、设定热水温度和设定加热时间4种功能，设定完毕后，再次按下功能键表示设定生效；若无功能键按下或者功能键设定完毕后，则进行各种条件的判断并执行相应的操作；最后各种条件判断完毕后，程序回到温度的读取与显示，进而开始新一轮的程序运行。系统软件整体设计流程图如图10所示。图10 系统软件整体设计流程图4.2模数转换软件设计通电后CS5513将进行模数转换工作，同时更新输出寄存器。当输出寄存器有新的数据，而此时处于低电平时，S
31、DO串口数据输出端将呈现低电平，表明有新的转换数据可以执行输出操作了。要读出所有的数据需要发24个CLK脉冲，在CLK脉冲的上升沿，从SDO串口数据端读出数据，在CLK脉冲的下降沿输出寄存器中的数据到SDO串口数据输出端。一旦整个转换数据被读完，SDO串口数据输出端又呈现高阻态，如果我们正在读数据而新的转换数据又完成了，那么新的转换数据将丢失，输出寄存器不被更新。用户并不需要读出每一次的转换结果。当新数据有效时，如果在等待17个部时钟周期后没有执行读操作，新数据将丢失，SDO串口数据输出端又呈现高阻态。CS5513的输出字为24bit（如表1），其中D0D19为20bit有效数据位，D20和D
32、23通常为0 。OD为振荡检测标志位，当调制器不稳定或输入超出最大满量程围的过大电压时被置1，当调制器稳定后被清0。OF标志位，没有溢出时被清0，当输入信号正向超出正的满量程围或负向超出负的满量程围时被置17。 表1 CS5513的输出字D23D22D21D20D19D18D17D16D15D14D13D120OFOD0MSB18171615141312D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D011109876543210LSB读AD转换值的函数是模数转换设计软件的主要部分，其程序流程图如图11所示，按照CS5513的时序与其特性，开始读4位数据，然后再读20位AD转换后的值，这样可
33、以分别看数据和别的标志位，并且要对读取到的数据进行判断，确定读取的是否为正确数据，同时在读取过程中要关闭串行口中断，以免上位机取得不正确数值。图11AD模数转换设计软件流程图5 结论本课题设计了一个以AT89C52单片机为主控芯片的电热水器控制系统，这个控制系统是以AT89C52单片机作为主控芯片，外接温度测量电路、实时时钟电路、看门狗复位电路，并以8段共阴极数码管作为显示模块，以CH451作为显示模块的驱动芯片，构成了整个硬件电路。该系统具备简单、经济的特点，键盘控制方式来设定功能等参数增加了系统的灵活性，对水温的采集和显示、实时时钟的显示增加了系统的实用性。电热水器部器件较多，控制也较为复
34、杂，应该说本设计是真实电热水器控制系统一个小的缩影，整个系统的构架具有很高的应用价值，可以在此构架的基础上，增加多种传感器和其他一些智能化设计，实现一个功能齐全的电热水器控制系统。在本次设计过程中遇到了许多困难，特别是对软件的熟悉过程。并且深刻体会到课堂上学到的东西看似简单，实际操作起来才会发现自己到底掌握了多少，所以，以后还是要多动手，把理论与实践结合起来才能真正掌握知识。参考文献1白延敏.51单片机典型系统开发M.：电子工业，2009：125-127 .2群芳.单片微型计算机与接口技术（第二版）M.：电子工业,2005：87-89.3王新建.温度测量仪表EB/OL.ybzban./Tech
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