基于單片機的智能家用熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計

孟 偉，方世巍，宋 杰，李偉偉

(河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000)

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?xí)鸹馂?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(dāng)前溫度，三極管放大電路監(jiān)測水位，當(dāng)水位超標(biāo)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。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

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(biāo)準(zhǔn)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。

圖2 系統(tǒng)連接圖

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。

圖3 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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

圖4 水位監(jiān)測模塊

系統(tǒng)設(shè)定三個水位監(jiān)測標(biāo)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(dāng)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(dāng)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

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

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(dāng)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。

[1]倪德良，俞善慶，杜云慶.家用熱水器的能效、應(yīng)用及發(fā)展對策[J].能源技術(shù)，2004，25(4)：171-173.

[2]侯文.家用熱水器的安全使用[J].安全，2009(4)：53-54.

[3]魏云茂，肖蕙蕙，李川，等.微波爐的智能控制系統(tǒng)設(shè)計[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，21(12)：161-164.

[4]呂井勇，張民.基于單片機控制的智能加熱箱的設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2009，22(5)：80-81.

[5]郭清華.蔬菜大棚智能溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(11)：4487-4488.

[6]余發(fā)山，王福忠.單片機原理及應(yīng)用技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.