摘 要： 為實(shí)現(xiàn)對(duì)家用熱水器低成本、高性?xún)r(jià)比的控制，設(shè)計(jì)了以AT89S52單片機(jī)為核心，采用DS18B20溫度傳感器、水位監(jiān)測(cè)模塊、溫度顯示模塊以及鍵盤(pán)輸入模塊的智能家用熱水器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)溫度的檢測(cè)、分析和處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)當(dāng)前溫度的顯示及對(duì)加熱系統(tǒng)的控制。通過(guò)對(duì)水位的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)系統(tǒng)水位超標(biāo)的報(bào)警提示及對(duì)送水系統(tǒng)的控制。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；溫度傳感器；智能熱水器；高性?xún)r(jià)比
目前市場(chǎng)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(wèn)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(shí)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(shí)間及水位而產(chǎn)生過(guò)燒，從而浪費(fèi)電能[1]，甚至?xí)鸹馂?zāi)等重大事故，造成人身及財(cái)產(chǎn)損失[2]。國(guó)內(nèi)在近十年對(duì)智能溫度控制系統(tǒng)進(jìn)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(jì)的系統(tǒng)可對(duì)一定容量的清水進(jìn)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(shí)具備水位檢測(cè)控制及報(bào)警功能。本系統(tǒng)成本低廉、安裝方便、運(yùn)行可靠，并且在保證水溫智能可控的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的要求。
1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)
根據(jù)智能化及低成本需求，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)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(cè)水位，當(dāng)水位超標(biāo)時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)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(jī)
AT89S52是一個(gè)低功耗、40個(gè)管腳的高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8 KB ISP(In-System Programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1 000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)單元。功能強(qiáng)大的AT89S52可為本智能家用電熱水器控制系統(tǒng)提供高性?xún)r(jià)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(bào)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(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是DS18B20的地址序列號(hào)。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，用16 bit符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625 ℃/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。高、低溫報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器均由一個(gè)字節(jié)的EEPROM組成，使用一個(gè)存儲(chǔ)器命令可對(duì)TH、TL或配置寄存器寫(xiě)入。
DS18B20采用外接電源方式，其VDD端用5 V電源供電。單片機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)初始化、ROM操作指令和存儲(chǔ)器操作指令三個(gè)步驟。必須先啟動(dòng)DS18B20開(kāi)始轉(zhuǎn)換，再讀出溫度轉(zhuǎn)換值。
1.3 水位監(jiān)測(cè)模塊
系統(tǒng)設(shè)定三個(gè)水位監(jiān)測(cè)標(biāo)度：最低值、適中值、最高值，如圖4所示。本模塊采用價(jià)格低廉且使用方便的三極管放大電路，通過(guò)單片機(jī)分析電平的變化，實(shí)現(xiàn)水位監(jiān)測(cè)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(guò)最高值時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警，單片機(jī)控制送水系統(tǒng)的開(kāi)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(cè)量誤差在±0.5℃內(nèi)，此誤差已經(jīng)完全滿(mǎn)足家用熱水器的要求。
1.5 鍵盤(pán)輸入模塊
鍵盤(pán)輸入模塊采用數(shù)字鍵盤(pán)，并附加升溫鍵、降溫鍵和電源鍵三個(gè)功能按鍵。系統(tǒng)開(kāi)啟后，通過(guò)數(shù)字鍵盤(pán)，使用者可設(shè)置溫度，亦可通過(guò)升溫、降溫鍵對(duì)設(shè)定溫度進(jìn)行微調(diào)。
2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，必須明確熱水器對(duì)控制器所提出的控制要求。因此系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是控制繼電器的開(kāi)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(jì)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(pán)掃描程序。主程序先進(jìn)行初始化檢測(cè)鍵盤(pán)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(gè)繼電器與單片機(jī)P1.2和P1.3端口連接；水位監(jiān)測(cè)程序監(jiān)測(cè)到P1.1傳來(lái)的信號(hào)后，通過(guò)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(cè)的溫度值與設(shè)置值比較后，決定P1.3電平，進(jìn)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(jì)的智能家用熱水器控制系統(tǒng)具有低成本、高性?xún)r(jià)比的特點(diǎn)，且控制方便、工作可靠、節(jié)能省電、安全環(huán)保，可滿(mǎn)足日常家用需要。經(jīng)過(guò)實(shí)物測(cè)試，在全量程內(nèi)任意設(shè)定一個(gè)溫度值，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)給定溫度的恒值自動(dòng)控制，控制的最大動(dòng)態(tài)誤差≤±4 ℃，靜態(tài)誤差≤±1 ℃，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)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(shí)加熱功能等，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的多樣性要求。
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