基于单片机的家用电热水器控制仪表设计

贺丽丽

（运城学院物理与电子工程系，山西运城044000）

随着社会的发展，人们生活水平不断提高，家用热水器已然成为每个家庭的必需品。目前使用的热水器主要有三大类：1）燃气热水器，由于气体的排放需要复杂的管道，而且天然气成本不断增加，不占优势。2）太阳能热水器，利用太阳能进行加热环保节能，受天气影响较大，在雨季和冬天利用率很低。3）电热水器，安装操作方便而且不受外界条件影响，只要有220V电源即可，深受大众喜爱。从热水器行业的发展来看，一款新型热水器必须具备节能、安全、方便、舒适中的一项或多项优势，才能获得市场的肯定。储水式电热水器相比燃气热水器，安全性较高，分走了燃气热水器的市场份额[1]。兼具安全、节能、健康和智能化的家用热水器控制仪表将会是行业发展的风向标[2-6]。

1 系统研究思路

基于STC89C52单片机设计家用电热水器控制仪表[4-6]。此款仪表包含以下组件：1）四位数码管。其中两位数码管显示预设水温，另外两位数码管显示实际水温。实际水温显示范围为0～99℃，精度为±1℃。预设温度范围为40～80℃（可以根据需求调节）。当实际温度较用户预设的温度低于1℃时，继电器吸合，开启电加热；反之采样到的实际温度较用户预设的温度高于1℃时，继电器断开，停止电加热。2）2个程序按键。温度“+”键：每按下一次该键，用户预设的温度自动加1℃，当用户的预设温度加到80℃时，预设温度跳到40℃,开始进行下一个“+”循环。温度“－”键：每按下一次该键，用户的预设温度自动减1℃，当用户的预设温度减到小于40℃时，预设温度自动跳到80℃，开始进行下一个“-”循环。3）1个面板指示灯。接通220V电源，该指示灯点亮。4）报警电路。温度过高或过低都会自动报警。当检测温度高于85℃或者低于0℃时，自动报警。

根据系统的设计要求，DS18B20检测温度，并在数码管上显示该温度[2]。通过比较预设温度和实际温度来控制继电器的吸合和断开。整个仪表的直流稳压电源由交流电、变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路构成。稳压电路采用7812芯片，输出+12V，采用7805芯片，输出+5V。整个系统的控制电路由复位电路、单片机最小系统、按键电路、显示电路、温度采集电路和输出控制电路构成。

主函数程序有按键函数、显示函数，以及预设温度和实际温度的比较函数。用户可以通过按键来设定自己需要的温度，数码管可以显示预设温度。通过DS18B20数字传感器与STC89C52之间的单总线通讯来采集实际温度，单片机再驱动数码管来显示采集的实际温度。最后通过比较函数比较预设温度和实际温度，来判断是否驱动继电器进行电加热[1]。

1.1 系统设计图

本设计系统主要包括温度采集电路、按键电路、显示电路、输出控制电路和STC89C52单片机控制模块。系统框图见图1。单片机检测按键电路的预设温度，与温度采集电路相互通讯交换数据，然后驱动显示电路和输出控制电路；温度采集电路主要由DS18B20数字温度传感器、电阻和电源构成；按键电路主要由2个独立按键构成；显示电路主要由74LS138、74HC573和4位数码管构成；输出控制电路由继电器、三极管、二极管和电阻构成。STC89C52控制模块由单片机最小系统组成。

图1 系统框图

1.2 系统硬件设计

本文设计的家用电热水器控制仪表系统由电源电路、按键设置电路、DS18B20温度采集电路、数码管显示电路、输出控制电路构成。使用pro⁃tel99se绘制系统原理图，如图2所示。

图2 系统原理图

显示电路如图3所示，当使用四位八段数码管时，就会出现段选和位选之分。此时可以通过单片机及外部驱动电路选择需要点亮的数码管。74LS138选择数码管的位选，74HC573选择数码管的段选，从而点亮所需位和段的发光二极管。

图3 显示电路

家用电热水器控制仪表系统的最小系统电路见图4所示，5V电压连接复位按键和10uf电容的并联电路，然后连接到单片机的RET脚，并连接10K的下拉电阻。当程序出错或者进入死循环时可以按下复位按键使系统复位，启动程序重新开始。

图4 最小系统电路

本设计用的是单片机IO口的输入功能。把四个按键的一端连接到一起并连接地，把另外一端分别连接到STC89C52单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3并给以10K的上拉电阻。当四个IO口都处于高电平状态时表示按键没有按下，当有IO口处于低电平状态时表示所连接的按键被按下。按键电路如图5所示。

图5 独立键盘

1.3 系统软件设计

主函数程序流程如图6，首先进行按键函数，然后是显示函数，最后是预设温度和实际温度的比较函数。用户可以通过按键来设定适宜的温度，然后用显示电路显示用户的预设温度。通过DS18B20数字传感器与STC89C52之间的单总线通讯来采集实际温度，单片机再驱动数码管来显示采集的实际温度。然后通过比较函数来比较预设温度和实际温度的大小，最后判断是否驱动继电器进行电加热。家用电热水器控制仪表的软件设计主要由主函数、延时函数、DS18B20函数、按键函数、显示函数组成。通过主函数调用按键函数、显示函数和进行判断，来实现家用电热水器控制仪表的功能。

每个程序都是由主函数和若干个子函数组成，在主函数中调用各个子函数来实现功能。在本设计中主要通过按键函数调节预设温度、通过显示函数显示预设温度和实际温度、通过继电器函数来判断是否吸合继电器。

图6 主函数流程图

程序主体是主函数，主函数包括一个定时器和一个循环函数。在循环函数中循环按键函数、显示函数和继电器函数，从而达到家用电热水器控制仪表的功能。主程序的流程图如图6所示。

显示函数主要分为两部分，段选和位选，然后进行循环组成了显示函数。显示程序流程，如图7所示。

图7 显示程序流程图

2 结语

本文设计了一款简单、实用的家用电热水器控制仪表。通过把DS18B20数字温度传感器、按键、数码管、继电器、STC89C52单片机和其他硬件连接在一起形成一个家用电热水器控制系统。采用pro⁃tel99se软件进行家用电热水器控制仪表原理图的绘制，然后进行样机的制作；keil 4软件进行程序的编写和调试；烧录软件把程序烧录到单片机中，并进行实物的测试，最后根据测试结果不断的修改、调试程序完成此设计。

[1]张毅.基于51单片机家用智能电热水器[D].大连:大连海洋大学,2011.

[2]刘丰.基于DS18B20基站的温度测量系统[J].软件,2013,6(2):1-4.

[3]陈俊.太阳能风能生物质能联合发电控制系统[D].保定:华北电力大学,2009.

[4]赵子翔.基于51单片机的贪吃蛇游戏[D].大连:大连理工大学,2009.

[5]刘尊亚.具有GSM短信功能的测温系统设计[D].太原:中北大学,2013.

[6]唐颖.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京:北京大学出版社,2008:13-161.