基于单片机的热水器温度控制系统的设计
控制
基于单片机的热水器温度控制系统的设计
张小娟
(宝鸡文理学院电子电气工程系， 陕西宝鸡 721007)
摘要：以AT89S51单片机为核心，设计了单片机温度控制系统。该系统实现了对被测系统温度的检测、分析处理以及结果显示，
而且能够很好的实现对被测系统温度预警提示以及对温度的检测，有助于提高生产效率。
关键词：单片机；热水器；温度控制；四位温度显示器
中圈分类号：TP273 文献标识码：A 文窜编号：1009—9492(2009)03—0044-02
在科学技术突飞猛进的今天。各种智能化的仪器、仪
表给人们的生活带来了极大的便利。本文介绍了一个温度
控制系统。它可实现温度的采集、转换、显示以及控制，
达到根据水温智能控制热水器温度的目的。该系统的基本
原理是通过温度传感器测定热水器cl】的温度使其转变为
对应的电流值。然后通过模数转换器变换成数字信号输入
单片机，通过程序编写及六位温度显示器外设的连接，进
而对被测物体的温度加以测试和有效控制，从而实现了人
工智能化。设计方案简便直观，经济实用，稳定可靠，适
用于大规模生产。
1系统硬件的设计
硬件电路的设计【21是整个系统设计的核心内容。系
统的硬件设计，主要包括单片机AT89S51、温度传感器部
分、模数转换部分和显示部分等。
1．1 AT89S5l单片机
AT89S5l是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，
片内含8k Byes ISP(In-system programmable)的可反复
擦写1000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位中
央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机
AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解
决方案。
1．2温度传感器
温度传感器AD590是美国模拟器件公司生产的单片集
成两端感温电流源，漉过器件的电流(雌)等于器件所处
-．’宝鸡文理学院重点项目(编号：ZK08131)
收稿日期：2008—10一18
环境的热力学温度(开尔文)度数，即：帚1,t：1恤A／K，式
』中：卜流过器件(ADS90)的电流，单位为恤A；
弘一热力学温度，单位为K。ADS90的测温范围为一55℃
一+1500C。其电源电压范围为4V一30V。电源电压可在4V一
6V范围变化，电流，f变化10,A，相当于温度变化I壬(。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器
AT89S5l
四位 鱼 —● ADC0809 温
温度 模数 度
●．． 片 ．_
显示
机
●卜 转换 传
器 嚣 感
器
图1 系统结构框图
件反接也不会被损坏。AD590精度高共有I、J、K、L、M
五档，其中M档精度最高，在一55℃一+150℃范围内，非
线性误差为±O-3℃。其输出电流是以绝对温度零度(一
273℃)为基准，每增加ICE，它会增加IliA输出电流，因
此在室温25aC时，其输出电流L=(273+25)=2981xA。集
成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，如图2所
示。它是利用晶体管的b．e结压降的不饱和值y观与热力
学温度7'和通过发射极电流，的下述关系实现对温度的检
测：
y庐丝里lnI
g
式中：K——波尔兹常数；g——电子电荷绝对值。
万方数据
1．3模数转换部分
该部分主要采用模数转换器ADC0809，ADC0809是
CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，它由8路模拟开
关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换
器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组
成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入。且有三态输
出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入
输出与TI'L兼容。8路8位A／D转换器，即分辨率8位。
具有转换起停控制端。转换时间为100txs，单个+5V电源
供电，模拟输入电压范围0一+5V，不需零点和满刻度校
准。工作温度范围为-40℃一+85℃、低功耗，约15mW。首
先输入3位地址，并使ALE=I，将地址存入地址锁存器
中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
sTART上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A／D
转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到
A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，
结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当
OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量
输出到数据总线上。
VO
图2 AD590基本应用电路
1．4显示器部分
该部分主要应用四位显示管电路。LED显示器有静态
和动态显示两种显示方式。LED显示器工作在静态显示方
式时，其阴极点(或阳极)连接在一起接地(或+5V)，每
一个的段选线(a，b，C，d，e，f，g，P)分别与一个8
位口相连。LED显示器工作在动态显示方式时，段选码端
口I／Ol用来输出显示字符的段选码，I／02输出位选码。
L／01不断送待显示字符的段选码，I／02不断送出不同的
位扫描码，并使每位显示字符显示一段时间。一般为l～
5ms。利用眼睛的视觉惯性，从显示器上便可以见到相当
稳定的数字显示。 (1)段选(a，b，c，d，e，f，g，P)：
对应8个发光二极管，接I／O口，共阴(或共阳)时接地
(或+5V)，根据条件控制发光二极管的亮或灭。 (2)位选
(A，B，C，D)：共阴(或共阳)时接地(或+5V)分别用
选中对应位的LED。
2系统软件的设计
按照整体方案的设计思想，软件中有一个重要的设计
思想就是采用模块化设计，把一个大任务分解成若干个小
工业俞
任务。分别编写实现这些小任务的子程序。然后把子程序
按总体要求组装起来，就可以实现这个大任务了。不仅程
序结构清楚，而且节约存储空间。主程序Ⅲ的流程图如
图3所示。程序实现了对被测物体温度的实时显示。对当
前温度量进行循环判
断，当被测温度符合
预定温度时，指示灯
亮，不符合时进人子
循环程序，直到温度
符合预定温度为止。
其中T1为定时器，选
定为工作方式1时。
定时器被设置为一个
16位，由高8位TH
和低8位1f1组成。
3结论
用单片机控制温
度传感器实现温度的
测量以及控制的系统
具有以下优点：电路
结构简单、功能强大、
测量及控制精度高、
工作稳定可靠、性价
比高、集成度高等优
点，因此被广泛应用。
由于单片机的运算功
能较差，往往需要借
助计算机系统，因此
单片机和PC机进行远
程数据传输处理，更
具有实际意义；采用
被测温度符合
预定温度
Y F—一
指示灯LED灭
Jr
ADC0809停止
工作
‘
Tl工作于方式I
定时4ms
上
CPU、TI开中断
且Tl开始工作
上
ADC0809采集
一次散据
上
等待中断
图3 主程序流程图
的单片机?AT89S51性价比高，而且温度传感器AD590
转化温度的方法非常简洁且精度高、测试范围较广。
参考文献：
[1]王文超，虞国平．家用电热器具大全[M]．北京：中国计量
出版社．1989．
[2]马忠梅．籍顺心，张凯，等．单片机的C语言应用程序设计
[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1989．
[3]张友德．单片机微机原理、应用和实验[M]．上海：复旦大
学出版社，1996．
[4]张志良．单片机原理与控制技术[M]．北京：机械工业出版
社．1998．
作者简介：张小娟，女，1978年生，陕西永寿人，硕士，讲师。
研究领域：智能控制与模式识别。已发表论文3篇。
(编辑：吴智恒)
万方数据
基于单片机的热水器温度控制系统的设计
作者： 张小娟， ZHANG Xiao-juan
作者单位： 宝鸡文理学院电子电气工程系,陕西宝鸡,721007
刊名： 机电工程技术
英文刊名： MECHANICAL & ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY
年，卷(期)： 2009，(3)
引用次数： 0次
参考文献(4条)
1.王文超.虞国平 家用电热器具大全 1989
2.马忠梅.籍顺心.张凯 单片杌的C语言应用程序设计 1989
3.张友德 单片机微机原理、应用和实验 1996
4.张志良 单片机原理与控制技术 1998
相似文献(10条)
1.期刊论文 严建敏.贾虹.YAN Jian-min.JIA Hong 快速热水器控制系统设计 -自动化技术与应用2005,24(7)
本文设计了一种快速热水器控制系统,硬件系统以PIC16系列单片机为中心,软件系统采用功能独立化、结构模块化的软件设计模式.该系统实现对快
速电热水器的自动控制并具有相应的保护功能,整机性价比高.
2.期刊论文 戈素贞.GE Su-zhen 热水器水温自调整因子优化模糊控制 -自动化技术与应用2005,24(7)
介绍一种在全论域范围内带有自调整因子的模糊化控制算法,这种自调整过程符合人在控制决策过程中的思维特点,具有优化的特点,采用单片机实现
对热水器水温的这种模糊控制,具有硬件电路简单,调温速度快,稳定性好等特点.
3.期刊论文 蔡可健.Cai Kejian 热水器节能控制系统设计 -电气自动化2006,28(5)
针对热水器的节能及安全使用设计出了一种全自动控制电路.实现了根据用户使用的热水量自动确定热水器水箱里的进水量.根据用户开始使用热水
的时间自动确定热水器开始加热的时间.避免了多余冷水的加热及每天24小时的恒温加热.水量控制误差小于±1.5kg.水温控制精度小于±0.5℃.附带水
温、水量显示功能及安全用水功能.并对传感器的常规使用作了重大的更改.消除了因热水结垢造成传感器失灵给用户带来的烦恼.
4.期刊论文 蔺金元.车进.Lin Jin-yuan.Che Jin 单片机智能控制在太阳能热水器中的应用 -河西学院学报
2009,25(2)
文章针对西部地区日照时间充分且强烈的特点,设计了一种利用单片机控制的太阳能热水器.该热水器不仅能够利用单片机控制热水器保持恒定温度
和自动上水,并且可以智能选择太阳能或电能给水加热,为用户提供了方便.
5.期刊论文 朱常春.李方.马天行.张新娜.李孝禄 具有烘干和热风功能的家用热水器附属系统 -家电科技2009(18)
为解决阴雨天衣物等不能及时晒干和方便洗澡时头发热吹风的问题,在不改变家用热水器结构的前提下,提出了一种具有烘干衣物和热吹风功能的家
用热水器附属系统.介绍了该附属系统的结构,该系统使用具有智能加热特性的正温度系数材料作为加热元件,并对其控制系统的软件和硬件进行了设计.
6.学位论文 李中琴 高频电磁热水器的研究与设计 2008
随着现代逆变技术的发展和电磁加热技术的逐渐成熟,一种新型的电热水器--高频电磁热水器已进入了研究发展阶段。
高频电磁热水器是基于电磁感应加热原理,先将电网的工频交流电通过整流、滤波变成单向脉冲的直流电,随后由控制电路将直流电变成高频交流电
,高频交流电作用于励磁线圈,励磁线圈是输出加热功率的元件,它是一个形状特殊的电感器,它在IGBT管高速且周期性的导通与截止状态下,不断从电源得
到因自身损耗而消耗的能量,于是在励磁线圈的周围形成高频磁场,该磁场通过绝缘层作用于的不锈铁金属内胆,产生大量涡流,从而使水迅速加热。由电
磁加热原理可以看到,这种加热方式实现了水电的真正隔离,高效节能、安全是该热水器最大的特点。而目前普遍使用的储水式热水器最大的问题是：需
连续通电预热,空耗能严重,体积大,且热效率低。针对现有储水式热水器存在的问题,本论文课题设计了一种无需储水箱,即热即洗,加热功率在
1KW～4.5Kw,并根据出水温度自动调整功率的小体积高频电磁热水器,经理论计算该热水器热效率可达到97％左右,能够在目前国内的用电环境下,满足人
们洗浴要求的同时,节约大量能源。
本论文课题是新乡市科技攻关计划项目。
本论文课题首先对目前国内外各种热水器技术及市场销售情况作了深入地研究和分析,然后详细介绍了高频电磁热水器的加热原理,提出了电高频磁
热水器的整体设计思路,重点设计了高频电磁热水器主电路—逆变单元和基于HT46R64型单片机的智能控制单元。
在论文中详细介绍了高频电磁热水器核心器件:IGBT功率开关管、IGBT的集成驱动电路2SD106AI、HT46R64单片机的详细结构、特点及在设计中应注
意的事项,为从事相关工作的工程人员提供了理论依据和设计思路。
在逆变电路的设计中采用了最新的IGBT功率开关管模块—富士U系列第五代的IGBT模块2MB175UA-120及其匹配电路,经理论计算该热水器系统加热功
率为1KW～4.5KW可调、工作频率达到40KHz,热效率在97％左右。而目前处于研发阶段的电磁热水器的频率一般在25KHz左右,效率在92％左右,与此相比
,该高频电磁热水器的工作频率和热效率有了进一步提高。在智能控制单元的设计中,采用HT46R64型单片机,它除了具有A/D转换功能外,还包含了LCD驱动
、蜂鸣器驱动输出等功能,使用该单片机只需要最少的外部器件,提高了系统的稳定性,同时降低了整个产品的成本。此外,还设计了了漏电检测与保护电
路,过压、欠压检测与保护电路和过流检测与保护电路,保障了高频电磁热水器的安全运行。试验结果表明：当出现异常情况时,保护电路运行正常,可以
对热水器进行保护。最后,在设计中汲取了当前热水器最先进智能控制技术,使该系统更加人性化。
7.期刊论文 王宜用.邹洪威.耿刚.孙学斌.毛彦欣.王跃庭 太阳热水器的电话访问技术 -太阳能2007(4)
介绍利用MCU与公用电话网组成的通信系统在太阳热水器远程访问上的应用,并以实例的方式给出一个具体方案,详细描述了该系统原理、电路及软件
流程图.
8.期刊论文 杨新华.郝晓弘.邵辉 基于89C51智能型太阳热水器的控制系统 -甘肃科学学报2001,13(3)
介绍了一种基于89C51的智能型太阳热水器控制系统,该系统功能及实用性较强,自动化程度高,并具有初级智能化程度,在水位采集、ADC等设计上采
取一些新颖方法,成本低廉,推广价值高.
9.期刊论文 周根元.李曙英 GMS87C1202单片机在太阳能热水器中的应用 -江苏技术师范学院学报2002,8(4)
介绍韩国 HYUNDAI公司生产的 8位单片机 GMS87C1202的外部特性、内部结构以及在太阳能热水器温控器中的应用 . 该温控器控制灵活 , 性能可靠
, 成本低 .
10.期刊论文 张学峰 基于单片机控制的太阳能热水器全自动电路 -现代电子技术2005,28(4)
通过对目前市场上几种主要热水器的智能控制进行分析,发现其设计中的不足之处,并进行针对性的改进,设计了单片机控制电路,该电路用于太阳热
水器,能实现仅在用水时,若日晒水温达不到设定值,则电加热自动补温.用于电热水器,能实现在深夜用低谷电自动加温,白天用水时自动补温.实现了热水
器的全自动及节能.达到智能控制方案的最优化,从而实现真正意义上的"全自动控制".
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxkf200903018.aspx
下载时间：2010年5月11日
基于单片机的热水器温度控制系统的设计.pdf
