基于单片机的智能家用热水器控制系统设计

孟 伟，方世巍，宋 杰，李伟伟

(河南理工大学，河南 焦作 454000)

目前市场上的家用热水器控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题，很多控制器只具有温度和水位的显示功能，而不具备温度和水位的即时控制功能。即使一些热水器具有辅助加热功能，也可能由于不能控制加热时间及水位而产生过烧，从而浪费电能[1]，甚至会引起火灾等重大事故，造成人身及财产损失[2]。国内在近十年对智能温度控制系统进行了研究，并在一些领域得到应用，如微波炉、加热箱、蔬菜大棚[3-5]。本文设计的系统可对一定容量的清水进行加热控制，水温可以在一定范围内设定，并保持设定温度基本不变，同时具备水位检测控制及报警功能。本系统成本低廉、安装方便、运行可靠，并且在保证水温智能可控的前提下实现节能环保的要求。

1 系统硬件的设计

根据智能化及低成本需求，本系统的设计以AT89S52单片机为核心，DS18B20为传感器，数码管显示设定温度及当前温度，三极管放大电路监测水位，当水位超标时，蜂鸣器发声报警。本系统硬件结构框图、系统连接图分别如图1、图2所示。

图1 系统硬件结构框图

1.1 AT89S52单片机

AT89S52是一个低功耗、40个管脚的高性能CMOS 8位单片机，片内含 8 KB ISP(In-System Programmable)的可反复擦写1 000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8 bit中央处理器和ISP Flash存储单元。功能强大的AT89S52可为本智能家用电热水器控制系统提供高性价比的解决方案。

图2 系统连接图

1.2 DS18B20温度传感器

DS18B20内部结构如图3所示，主要由64 bit光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器(TH和TL)以及配置寄存器四部分组成。

图3 DS18B20内部结构

光刻ROM的64 bit序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是DS18B20的地址序列号。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，用16 bit符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。高、低温报警触发器TH和TL、配置寄存器均由一个字节的EEPROM组成，使用一个存储器命令可对TH、TL或配置寄存器写入。

DS18B20采用外接电源方式，其VDD端用5 V电源供电。单片机控制DS18B20完成温度转换必须经过初始化、ROM操作指令和存储器操作指令三个步骤。必须先启动DS18B20开始转换，再读出温度转换值。

1.3 水位监测模块

图4 水位监测模块

系统设定三个水位监测标度：最低值、适中值、最高值，如图4所示。本模块采用价格低廉且使用方便的三极管放大电路，通过单片机分析电平的变化，实现水位监测功能，使水位保持在适中值附近。当水位低于最低值或超过最高值时，蜂鸣器发声报警，单片机控制送水系统的开启或关闭。

1.4 温度显示模块

温度显示模块采用6 bit 7段共阴极数码管显示电路。前两位数码管显示设定温度，设定范围为20～90℃，显示最小区分度为1℃。后4 bit数码管显示容器内水的当前温度，范围为 0～99℃，显示最小区分度为 0.1℃，测量误差在±0.5℃内，此误差已经完全满足家用热水器的要求。

1.5 键盘输入模块

键盘输入模块采用数字键盘，并附加升温键、降温键和电源键三个功能按键。系统开启后，通过数字键盘，使用者可设置温度，亦可通过升温、降温键对设定温度进行微调。

2 系统软件的设计

图5 系统主程序流程图

系统软件设计时，必须明确热水器对控制器所提出的控制要求。因此系统软件设计的关键是控制继电器的开断，即加热与送水的启停。根据以上要求，系统软件设计采用模块化结构，包括系统主程序、DS18B20程序、LED显示程序和键盘扫描程序。主程序先进行初始化检测键盘输入，调用DS18B20程序。系统的加热与送水的启停分别由两个继电器与单片机P1.2和P1.3端口连接；水位监测程序监测到P1.1传来的信号后，通过P1.2的电平变化控制继电器，从而控制水位保持在合适位置。主程序将DS18B20检测的温度值与设置值比较后，决定P1.3电平，进而决定是否加热。系统主程序流程图如图5所示。

本文设计的智能家用热水器控制系统具有低成本、高性价比的特点，且控制方便、工作可靠、节能省电、安全环保，可满足日常家用需要。经过实物测试，在全量程内任意设定一个温度值，本系统可实现给定温度的恒值自动控制，控制的最大动态误差≤±4℃，静态误差≤±1℃，系统达到稳态的时间≤15 min。当然，在本系统的基础上，还可增加一些附加功能，如预约功能、定时加热功能等，满足不同用户的多样性要求。

[1]倪德良，俞善庆，杜云庆.家用热水器的能效、应用及发展对策[J].能源技术，2004，25(4)：171-173.

[2]侯文.家用热水器的安全使用[J].安全，2009(4)：53-54.

[3]魏云茂，肖蕙蕙，李川，等.微波炉的智能控制系统设计[J].重庆工学院学报(自然科学版)，2007，21(12)：161-164.

[4]吕井勇，张民.基于单片机控制的智能加热箱的设计[J].工业控制计算机，2009，22(5)：80-81.

[5]郭清华.蔬菜大棚智能温度控制系统应用研究[J].安徽农业科学，2008，36(11)：4487-4488.

[6]余发山，王福忠.单片机原理及应用技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.