发布时间 : 星期四 文章基于51单片机的智能热水器控制系统更新完毕开始阅读
引言
随着人们对生活质量的要求不断提高，热水器逐渐成为了城市居民生活的一个不可或缺的东西。经过多年的发展和技术积累，整个热水器行业也不断涌现出新的产品，热水器的种类也越来越多，从最初的燃气热水器一家独大，到现在的燃气热水器、电热水器、太阳能热水器等多种热水器都有一定的市场占有率。在热水器的使用效果上，功能也越来越丰富，使用更加人性化，甚至结合最新的智能家居和物联网理念，智能化程度大大提高，给人们的生活带来了极大的方便。现在的热水器向着安全、节能、稳定、高效、人性化的方向快速发展着。
单片机是一种微控制器，体积小、功耗低、通过编程和外围电路设计，可以完成多种智能控制任务。随着单片机技术的迅速发展，越来越多的家用电器采用各种型号的单片机为控制核心，来完成和人类的交互，并通过相应的程序和内部运算，实现一些智能化的控制，使家用电器的操作更加人性化，控制更加智能化。在热水器中，也广泛采用了单片机作为控制核心，通过相应的温度传感器，在热水器的温度控制上达到了更高的精度，完成了从最初的旋钮调节逐渐向数字化调节方向转变。同时，通过不同的传感器，由单片机控制并指示热水器的各种工作状态，在发生缺水、水温过热等情况时及时向用户给出声光报警，从而防止发生意外，保障了用户的安全。
本文所提出的智能热水器控制系统，以51系列单片机为控制核心，通过温度传感器、水位传感器感知热水器状态，并通过按键、显示屏和用户进行人机交互，实现了定时加热、自动恒温的功能，同时也有过热、缺水的报警设计，给用户带来方便。本设计具有成本低、实用性强、温度控制精度高的特点。
1 智能热水器控制系统的总体设计方案
本设计所提到的智能热水器控制系统主要是实现对温度的自动控制、定时加热控制和智能报警的功能，因此，智能热水器控制系统主要分为控制模块、显示模块、信息输入模块、加热模块、声光报警模块等几部分构成。
1.1 方案的分析与选择
对于主控芯片，本方案选择最简单的8位51系列的单片机，性能可靠，成本低，完全可以满足本系统的要求。而且由于51系列的单片机在电子相关专业中的基础性地位，对其使用和编程都比较熟练，可以极大缩短开发周期，更好地
完成设计任务。
对于显示模块，LED液晶显示屏、LCD1602字符型液晶、LCD12864点阵型液晶三者都是简单的、小型的显示器件，均可完成显示任务。LED液晶显示的内容过于简单，LCD1284更适合显示图像类信息，而LCD1602非常适合显示少量的、丰富的字符信息。因此，选择LCD1602字符型液晶。
对于输入模块，分为用户信息输入和传感器信息输入。用户信息输入方面，使用按键进行输入要比旋钮更容易控制，用户也更易于接受，通过设置相应的调节按键，可以十分精确地定位到用户所希望达到的温度。当然，按键也有机械按键、电容按键等许多不同的种类，因为本系统处于实验调试阶段，故选取最简单的机械按键。
传感器信息输入分为两个部分，第一部分是温度信息输入，使用温度传感器，用于告诉单片机当前的水温，实现温度的自动控制；第二部分是水位信息输入，使用水位传感器，用来告诉单片机水量信息，达到缺水报警的目的。温度传感器一般有热敏电阻和数字式温度传感器DS18B20可供选择。热敏电阻的可靠性差，且输出的是模拟量，需要进行相应的A/D转换后才能输入，比较麻烦，而相比之下，数字式温度传感器测温范围宽、以单线串行方式与单片机进行通信，节约了单片机的I/O口资源，且直接输出数字量，外围电路简单，因此最符合要求。水位信息输入只需考虑是否是缺水状态，因此只要对是否缺水给出一个电平信息即可，直接封装一个断触电点，一端接地，当有水时，单片机对应端口被拉低，无水时端口电平被拉高，来完成是否缺水的判断即可。
同时，为了实现精确的定时加热功能，引入专门的时钟芯片DS1302进行计时，为单片机提供日期和时间基准。为了保证使用者的安全，加入声光报警提示模块，在加热、缺水时给出提示。
1.2 系统总体设计概述
本系统采用51系列单片机为控制核心，以DS18B20单线数字式温度传感器获取温度信息，采用DS1302时钟芯片为单片机提供日期基准，显示方面采用LCD1602液晶显示屏，以机械按键的形式供用户输入，设置当前的系统时间、定时加热的开始时间、水温设定等，来完成整个控制器的控制工作。系统整体的结构框图如下图1.1所示。
5V电源模块 1602显示
单片机及其最小系统
及电源接口
温度传感器模块 按键输入
时钟电路 声光报警模块 图1.1 系统整体框图
水位传感器模块 1.3 各功能模块介绍
要顺利完成整个系统的设计工作，就要对所采用的各个模块的元器件进行具体的选型，并通过元器件的数据手册、操作说明的资料，详细地了解各个元器件的性能、操作方法、硬件连接要求的内容。 1.3.1 控制模块
本设计采用的主控芯是51系列的单片机处理器STC89C52RC，这是一款采用了CMOS工艺进行生产的8位处理器，该处理器具有相当可靠的工作性能，正常工作的功耗极低，而且有着相当丰富的系统资源，片内的程序存储空间达到了4K、具有512字节的RAM空间，可以满足大多数的程序要求。指令系统完全兼容传统的8051单片机内核，有2K+的EEPROM存储空间。要建立完整的控制模块，还要为单片机配置其最小系统的外围电路，主要包括晶振和复位电路，单片机才能正常的工作。 1.3.2 显示模块
本设计所采用的LCD1602液晶显示屏，是一种小型的、集成度很高的液晶显示屏，可以显示字母、数字、符号等，其特点是功耗低、体积小、轻薄、模块化，而且由于其自带字符库，在显示方面的实现上只需要按照要求对其进行初始化、设定相关的显示位置和显示内容即可，操作简单。
作为一个集成化的显示模块，其相应的管脚的具体定义可以查阅操作手册获取，而与单片机的具体连接方式将在硬件设计部分详细介绍。
如下图1.2所示为LCD1602的控制器接口的时序说明，在液晶的初始化、
读写操作的相关的编程中，要参考该时序图，结合单片机晶振的选取情况作出必要调整，只有正确的时序才能保证单片机给出正确的控制指令。
图1.2 字符型液晶LCD1602的读写操作时序图
LCD1602自带字符库，这就在很大程度上方便了用户的开发，同时也节省了单片机的程序存储空间，不需要在程序中对字符的显示进行定义。如下图1.3所示。
图1.3 字符型液晶LCD1602的字符库
1.3.3 输入模块
对于单片机而言，要对其进行一定是设置，就必须要有用户进行相关的指令输入，单片机要对热水器的热水温度状态和是否缺水进行感知，要有相关的传感器进行信号输入。输入模块分别为用户指令输入、温度数据输入和是否缺水的信号输入。指令输入由4个独立按键完成，温度输入由DS18B20来完成，是否缺水的信号由电子式水位开关提供。
指令输入模块采用4个独立按键完成。独立按键的触发方式为低电平有效，在平时的系统开启状态下，单片机相应端口保持高电平状态，当按键被按下，独立按键两端连通，然后接地，单片机的相应的连接端口的电平被地线拉低，从而能够被单片机捕捉到按键动作。4个独立按键分别是设定键、键值增加、键值减小、确认这个4个功能定义，通过这4个按键，结合软件和算法编程，进行按键状态扫描，然后对相应的键值动作设定正确的响应逻辑，就能够为用户提供完整的参数设置功能。
温度输入模块主要采用的是一种数字式集成单线温度传感器，型号为DS18B20。
图1.4 数字式单线温度传感器DS18B20封装及引脚图
在DS18B20的芯片手册中，阅读单线传输协议的时序要求，如下图1.5所示。
图1.5 DS18B20的读写操作时序
水位信号输入选择电子式水位开关BZ2401，供电电压范围在5V-24V，有三根线，电源线、地线和信号线。该产品通过内置芯片检测水位信号，由内部芯片