摘 要： 為實現對家用熱水器低成本、高性價比的控制，設計了以AT89S52單片機為核心，采用DS18B20溫度傳感器、水位監測模塊、溫度顯示模塊以及鍵盤輸入模塊的智能家用熱水器控制系統。該系統通過對溫度的檢測、分析和處理，實現了對當前溫度的顯示及對加熱系統的控制。通過對水位的監測，實現了被測系統水位超標的報警提示及對送水系統的控制。
關鍵詞： 單片機；溫度傳感器；智能熱水器；高性價比
目前市場上的家用熱水器控制系統大多存在功能單一、操作復雜、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生過燒，從而浪費電能[1]，甚至會引起火災等重大事故，造成人身及財產損失[2]。國內在近十年對智能溫度控制系統進行了研究，并在一些領域得到應用，如微波爐、加熱箱、蔬菜大棚[3-5]。本文設計的系統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設定，并保持設定溫度基本不變，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節能環保的要求。
1 系統硬件的設計
根據智能化及低成本需求，本系統的設計以AT89S52單片機為核心， DS18B20為傳感器，數碼管顯示設定溫度及當前溫度，三極管放大電路監測水位，當水位超標時，蜂鳴器發聲報警。本系統硬件結構框圖、系統連接圖分別如圖1、圖2所示。
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，片內含8 KB ISP(In-System Programmable)的可反復擦寫1 000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用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提供高性價比的解決方案。
1.2 DS18B20溫度傳感器
DS18B20內部結構如圖3所示，主要由64 bit光刻ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器(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、低溫報警觸發器TH和TL、配置寄存器均由一個字節的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完成溫度轉換必須經過初始化、ROM操作指令和存儲器操作指令三個步驟。必須先啟動DS18B20開始轉換，再讀出溫度轉換值。
1.3 水位監測模塊
系統設定三個水位監測標度：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，實現水位監測功能，使水位保持在適中值附近。當水位低于最低值或超過最高值時，蜂鳴器發聲報警，單片機控制送水系統的開啟或關閉。
1.4 溫度顯示模塊
溫度顯示模塊采用6 bit 7段共陰極數碼管顯示電路。前兩位數碼管顯示設定溫度，設定范圍為20~90℃，顯示最小區分度為1℃。后4 bit數碼管顯示容器內水的當前溫度，范圍為0~99℃，顯示最小區分度為0.1℃，測量誤差在±0.5℃內，此誤差已經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字鍵盤，并附加升溫鍵、降溫鍵和電源鍵三個功能按鍵。系統開啟后，通過數字鍵盤，使用者可設置溫度，亦可通過升溫、降溫鍵對設定溫度進行微調。
2 系統軟件的設計
系統軟件設計時，必須明確熱水器對控制器所提出的控制要求。因此系統軟件設計的關鍵是控制繼電器的開斷，即加熱與送水的啟停。根據以上要求，系統軟件設計采用模塊化結構，包括系統主程序、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，調用DS18B20程序。系統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；水位監測程序監測到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。主程序將DS18B20檢測的溫度值與設置值比較后，決定P1.3電平，進而決定是否加熱。系統主程序流程圖如圖5所示。
本文設計的智能家用熱水器控制系統具有低成本、高性價比的特點，且控制方便、工作可靠、節能省電、安全環保，可滿足日常家用需要。經過實物測試，在全量程內任意設定一個溫度值，本系統可實現給定溫度的恒值自動控制，控制的最大動態誤差≤±4 ℃，靜態誤差≤±1 ℃，系統達到穩態的時間≤15 min。當然，在本系統的基礎上，還可增加一些附加功能，如預約功能、定時加熱功能等，滿足不同用戶的多樣性要求。
參考文獻
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