摘 要： 為實現(xiàn)對家用熱水器低成本、高性價比的控制,，設(shè)計了以AT89S52單片機為核心,，采用DS18B20溫度傳感器、水位監(jiān)測模塊,、溫度顯示模塊以及鍵盤輸入模塊的智能家用熱水器控制系統(tǒng),。該系統(tǒng)通過對溫度的檢測、分析和處理,，實現(xiàn)了對當前溫度的顯示及對加熱系統(tǒng)的控制,。通過對水位的監(jiān)測，實現(xiàn)了被測系統(tǒng)水位超標的報警提示及對送水系統(tǒng)的控制,。
關(guān)鍵詞： 單片機,；溫度傳感器；智能熱水器,；高性價比
目前市場上的家用熱水器控制系統(tǒng)大多存在功能單一,、操作復(fù)雜、控制不方便等問題,，很多控制器只具有溫度和水位的顯示功能,，而不具備溫度和水位的即時控制功能。即使一些熱水器具有輔助加熱功能,，也可能由于不能控制加熱時間及水位而產(chǎn)生過燒,，從而浪費電能[1]，甚至會引起火災(zāi)等重大事故,，造成人身及財產(chǎn)損失[2],。國內(nèi)在近十年對智能溫度控制系統(tǒng)進行了研究，并在一些領(lǐng)域得到應(yīng)用,，如微波爐,、加熱箱、蔬菜大棚[3-5],。本文設(shè)計的系統(tǒng)可對一定容量的清水進行加熱控制,，水溫可以在一定范圍內(nèi)設(shè)定，并保持設(shè)定溫度基本不變,，同時具備水位檢測控制及報警功能,。本系統(tǒng)成本低廉、安裝方便、運行可靠,，并且在保證水溫智能可控的前提下實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的要求,。
1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計
根據(jù)智能化及低成本需求，本系統(tǒng)的設(shè)計以AT89S52單片機為核心,， DS18B20為傳感器,，數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度及當前溫度，三極管放大電路監(jiān)測水位,，當水位超標時,，蜂鳴器發(fā)聲報警。本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖,、系統(tǒng)連接圖分別如圖1,、圖2所示。
1.1 AT89S52單片機
AT89S52是一個低功耗,、40個管腳的高性能CMOS 8位單片機,，片內(nèi)含8 KB ISP(In-System Programmable)的可反復(fù)擦寫1 000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度,、非易失性存儲技術(shù)制造,，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8 bit中央處理器和ISP Flash存儲單元,。功能強大的AT89S52可為本智能家用電熱水器控制系統(tǒng)提供高性價比的解決方案,。
1.2 DS18B20溫度傳感器
DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由64 bit光刻ROM,、溫度傳感器,、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器(TH和TL)以及配置寄存器四部分組成。
光刻ROM的64 bit序列號是出廠前被光刻好的,，它可以看作是DS18B20的地址序列號,。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的,。DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量,，用16 bit符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625 ℃/LSB形式表達,，其中S為符號位,。高、低溫報警觸發(fā)器TH和TL,、配置寄存器均由一個字節(jié)的EEPROM組成,，使用一個存儲器命令可對TH、TL或配置寄存器寫入,。
DS18B20采用外接電源方式,，其VDD端用5 V電源供電,。單片機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過初始化、ROM操作指令和存儲器操作指令三個步驟,。必須先啟動DS18B20開始轉(zhuǎn)換,，再讀出溫度轉(zhuǎn)換值。
1.3 水位監(jiān)測模塊
系統(tǒng)設(shè)定三個水位監(jiān)測標度：最低值,、適中值、最高值,，如圖4所示,。本模塊采用價格低廉且使用方便的三極管放大電路，通過單片機分析電平的變化,，實現(xiàn)水位監(jiān)測功能,，使水位保持在適中值附近。當水位低于最低值或超過最高值時,，蜂鳴器發(fā)聲報警,，單片機控制送水系統(tǒng)的開啟或關(guān)閉。
1.4 溫度顯示模塊
溫度顯示模塊采用6 bit 7段共陰極數(shù)碼管顯示電路,。前兩位數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度,，設(shè)定范圍為20~90℃，顯示最小區(qū)分度為1℃,。后4 bit數(shù)碼管顯示容器內(nèi)水的當前溫度,，范圍為0~99℃，顯示最小區(qū)分度為0.1℃,，測量誤差在±0.5℃內(nèi),，此誤差已經(jīng)完全滿足家用熱水器的要求。
1.5 鍵盤輸入模塊
鍵盤輸入模塊采用數(shù)字鍵盤,，并附加升溫鍵,、降溫鍵和電源鍵三個功能按鍵。系統(tǒng)開啟后,，通過數(shù)字鍵盤,，使用者可設(shè)置溫度，亦可通過升溫,、降溫鍵對設(shè)定溫度進行微調(diào),。
2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計時，必須明確熱水器對控制器所提出的控制要求,。因此系統(tǒng)軟件設(shè)計的關(guān)鍵是控制繼電器的開斷,，即加熱與送水的啟停。根據(jù)以上要求,，系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu),，包括系統(tǒng)主程序、DS18B20程序、LED顯示程序和鍵盤掃描程序,。主程序先進行初始化檢測鍵盤輸入,，調(diào)用DS18B20程序。系統(tǒng)的加熱與送水的啟停分別由兩個繼電器與單片機P1.2和P1.3端口連接,；水位監(jiān)測程序監(jiān)測到P1.1傳來的信號后,，通過P1.2的電平變化控制繼電器，從而控制水位保持在合適位置,。主程序?qū)S18B20檢測的溫度值與設(shè)置值比較后,，決定P1.3電平，進而決定是否加熱,。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示,。
本文設(shè)計的智能家用熱水器控制系統(tǒng)具有低成本、高性價比的特點,，且控制方便,、工作可靠、節(jié)能省電,、安全環(huán)保,，可滿足日常家用需要。經(jīng)過實物測試,，在全量程內(nèi)任意設(shè)定一個溫度值,，本系統(tǒng)可實現(xiàn)給定溫度的恒值自動控制，控制的最大動態(tài)誤差≤±4 ℃,，靜態(tài)誤差≤±1 ℃,，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)的時間≤15 min。當然,，在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,，還可增加一些附加功能，如預(yù)約功能,、定時加熱功能等,，滿足不同用戶的多樣性要求。
參考文獻
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