基于单片机的热水器控制新版系统标准设计.doc

济南大学泉城学院
毕 业 设 计

题 目 基于单片机热水器控制系统设计
学 院 工学院
专 业 电气工程及其自动化
班 级 1302班
学 生 李燕
学 号 011198
指导老师 张兴达 魏志轩

二〇一七年五月十六日

摘 要
伴随国民经济迅猛发展，大家对生活质量要求越来越高。作为日常家用电器，热水器成为了大家关注对象之一。传统热水器只含有简单加热、加水、亮灯指示等功效，难以满足大家需求。针对这一问题，本设计提出了一款基于单片机热水器控制系统。
此次设计关键分为硬件系统设计和软件系统设计。硬件系统设计关键包含了AT89S52单片机、电源电路、显示电路、指示灯电路、测温电路、水位检测电路、报警电路、遥控接收电路、注水继电器控制电路、复位电路、晶振电路、按键电路。软件系统设计关键利用了C语言编写程序，KEIL软件和PROTEUS软件联合进行仿真。意在设计出一款可用遥控器自由设置温度范围和预约时间、LCD1602液晶显示温度和时间，且含有报警功效智能热水器，热水器在工作时加热、加水、缺水等含有对应指示灯，当热水器水位达成水位上限时，蜂鸣器开始报警。经过仿真和调试及实物制作，此次设计热水器控制系统能够实现预设功效，本设计为深入研究、应用提供了一定数据参考。

关键词：单片机；传感器；热水器

ABSTRACT
With the rapid development of the national economy, people's quality of life requirements are getting higher and higher. As a daily household appliances, water heaters have become one of the people concerned about the object. The traditional water heater only has a simple heating, water, light instructions and other functions, it is difficult to meet people's needs. Aiming at this problem, this design presents a intelligent control system of water heater based on single chip microcomputer.
This design is divided into hardware system design and software system design. Hardware system design mainly includes the AT89S52 microcontroller, power circuit, display circuit, indicator circuit, temperature measurement circuit, water level detection circuit, alarm circuit, remote control receiver circuit, water injection relay control circuit, reset circuit, crystal circuit, key circuit. Software system design mainly uses the C language program, KEIL software and PROTEUS software joint simulation. Designed to design a free remote control can set the temperature range and appointment time, LCD1602 liquid crystal display temperature and time, and have the alarm function of intelligent water heater, water heater in the work of heating, water, water and other indicators with the corresponding, when When the water level of the water heater reaches the upper limit of the water level, the buzzer starts to alarm. Through the simulation and debugging and in-kind production, this design of the water heater control system can achieve the default function, the design for further research, application provides a certain data reference.

Key words: Single-chip; sensor; water heater
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
1 序言 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 中国外研究现实状况 1
2 关键研究内容 3
2.1 关键设计内容 3
2.2 总体设计方案 3
2.2.1 硬件设计方案 3
2.2.2 软件设计方案 4
3 硬件系统设计 5
3.1 AT89S52单片机 5
3.2 测温电路 6
3.3 水位检测电路 7
3.4 遥控接收电路 7
3.5 显示电路 8
3.6 按键电路 9
3.7 报警电路 9
3.8 电源电路 10
3.9 指示灯电路 10
3.10 复位电路 11
3.11 晶振电路 11
3.12 注水继电器控制电路 12
4 软件系统设计 13
4.1 编程软件介绍 13
4.2 主程序设计 13
4.3 子程序设计 14
4.3.1定时中止子程序设计 14
4.3.2 水位检测子程序设计 15
4.3.3 加热继电器控制子程序设计 16
5 系统仿真和调试 18
5.1 仿真软件介绍 18
5.1.1 Proteus软件 18
5.1.2 Keil软件 18
5.2 系统电路仿真 18
5.3 PCB板设计和制作 19
5.3.1 PCB介绍 19
5.3.2 PCB板设计 19
5.3.3 PCB板实现 20
5.3.4 电路板制作 20
5.4 系统调试 21
6 结论 25
参考文件 26
致谢 27
附录1 原理图 28
附录2 实物图 29
附录3 元器件清单 30
附录4 程序清单 31

1 序言
1.1 选题背景及意义
当今社会，越来越多科技结果被利用到热水器制造中。现在，热水器已经从一个简单加热产品变成了科技含量高现代化家电产品。经过多年发展和技术积累，整个热水器行业不停涌现出新产品，热水器种类越来越多，从最初燃气热水器，发展到了现在燃气热水器、电热水器、太阳能热水器。在热水器使用效果上，愈加人性化，功效也越来越丰富，甚至结合了最新智能家居理念，智能化程度大大提升，给大家生活带来了极大方便。
伴随国民生活水平提升，大家生活条件有了很大改善，智能化电器在大家日常生活中占有比重越来越大，和家庭生活亲密相关热水器品种层出不穷，花样翻新。据统计中国热水器销量在最近几年里一直以25%增加率在增加，而且销售总额可能在未来5年里达成500亿以上。中国约有70%城镇居民在使用热水器，26%城市居民有购置热水器计划，市场平均十二个月需要1000多万台热水器维持运行，中国热水器行业有一定规模热水器生产企业大约就有200家[1]。由此可见热水器在中国有宽广市场，但热水器也衍生出了漏电，环境保护等一系列问题，多年来电热水器更是数次出现漏电伤人甚至致死事件，所以热水器安全性一直为消费者所关注。所以对热水器改良是迫在眉睫。
因为单片机技术快速发展，越来越多家用电器采取多种型号单片机为控制关键，来完成和人类交互，并经过对应程序和内部运算，实现智能化控制，使家用电器操作愈加人性化，控制愈加智能化。单片机是一个微控制器，体积小、功耗低、经过编程和外围电路设计，能够完成多个智能控制任务。所以，在热水器中，广泛采取单片机作为控制关键，经过对应温度传感器，在热水器温度控制上达成更高精度，完成了从最初旋钮调整逐步向数字化调整方向转变。
正是在这么背景下，本设计选择基于AT89S52单片机热水器控制系统进行设计研究。本设计经过温度传感器，让热水器在对温度控制方面有了更大精度。经过水位传感器，让热水器在对水位检测方面有了深入发展。在本设计中单片机控制并指示热水器多种工作状态，当发生缺水、水温过高或过低等情况时能够立即给大家进行提醒，从而预防了意外发生，保障了用户安全。
1.2 中国外研究现实状况
相比较国外来说，热水器在中国成长旅程不长。但现在中国已经成长为了生产热水器最大国家，热水器年产量约为全世界总和。据了解，中国生产成功首台热水器是在20世纪70年代在江苏省南京市玉环厂。这台热水器发明成功标志了中国人民用火烧水洗澡年代结束了。热水器产品种类大致分为燃气热水器、电热水器、太阳能热水器、空气能热水器4类热水器。在这四类热水器中，燃气热水器是发展得最早，它关键优点是体积小，能够随开随用，且价格低廉，因为这些优点，它霸占了热水器销售市场很长一段时间。不过因为它不能够装在浴室里，而且对安装环境有很大要求且安全系数不高，有可能会引发调整水温不便等缺点，现在销售量已经大不如前了。相比较而言，电热水器使用时间较长，而且节能环境保护，安全。
因为中国现在极度地重视在科技发展，而且不停地在挖掘技术方面顶尖人才。所以在热水器方面研究结果也在不停创新，热水器在经过研究后不停完善，历经了好几次更新换代，且每次更新产品性能全部有很大提升，给大家生活提供了很大便利。中国也相继出现了很多热水器品牌，如美，海尔，万和等等。其中，最出名莫过于海尔最近研发出中国第一款含有双重功效智能热水器——A6银海象热水器，它身上超强记忆能力是其最为突出优点。它能够在断电时候自动记忆，就算是忽然断电，系统也能够自动保留设置参数，而且在下一次开机后能够恢复到以前样子，不用重新输入数值，简单方便[2]。除此之外，它还能自动保留和分析使用者最近30天用水数据参数，然后用最节省方法提前为使用者准备热水，表现出了真正节能。
据了解，国外对热水器研发开展得比较早。能够追溯到19世纪70年代，经过了100多年发展，涌现出了很多性能优良产品。国外对智能热水器关键研究结果有：西门子智能电热水器，西门子家电集团采取西门子在电站技术上强大防漏电安全技术为基础，开发出了独有ELCB德国安全教授模式功效。除含有正常防漏电装置外，还含有安全电流自我检测功效，可随时检测防漏电系统是否正常工作，双重保险将个体和电源完全分开，杜绝了意外发生。尤其是还含有体贴停电数据保留功效，就算停电48小时，也能自动记忆全部参数，让主人毫无后顾之忧。全新智能中温保温功效，根本填补了传统中温保温缺点，可依据设定水温、环境、季节不一样，自动地选择最节能保温状态，缩短了加热时间，切实做到了省电节能。
2 关键研究内容
2.1 关键设计内容
本设计关键控制芯片采取了AT89S52单片机，关键内容是研究设计热水器控制系统，目标是使系统能够实现以下功效。
（1） 用户可自己设置预约时间和温度上下限值，LCD1602能对目前水温和预约时间及温度上下限值进行显示。
（2） 含有水位检测功效。当发觉系统目前水位低于热水器水位下限时，加水继电器吸合，开始加水；当发觉系统目前水位高于热水器水位上限时，加水继电器断开，蜂鸣器开始报警。
（3） 含有温度检测功效。当发觉系统目前水温低于设置水温下限时，加热继电器吸合，开始加热；当发觉系统目前水温高于设置温度上限时，加热继电器断开，加热截止。
（4） 含有声光报警功效。黄灯亮表示系统需加水，红灯亮起表示系统缺水，绿灯亮起表示系统在加热，当检测到目前水位高于热水器水位上限时，蜂鸣器开始报警。
（5）含有红外遥控功效。可在遥控器可控范围内，利用遥控器设置温度上下限值及预约时间，实施和主板按键一样功效。
2.2 总体设计方案
此次研究设计热水器控制系统总体设计方案关键分为硬件设计方案和软件设计方案，具体设计内容以下。
2.2.1 硬件设计方案
在此次硬件设计中以AT89S52单片机为关键控制芯片。在热水器工作时，温度上下限值及预约时间可利用遥控器或按键进行设置，设置完成后，LCD1602液晶显示器能够将设置数值进行显示。采取防水型温度传感器DS18B20采集热水器实时水温。当采集到温度小于设置温度下限时，加热继电器吸合，开始加热。当采集到水温高于所设置温度上限时，加热继电器便自动断开，加热自动截止。利用水位传感器和LM393电压比较器检测上下水位，当检测到目前水位低于水位下限时候，热水器加热停止，加水继电器吸合，开始给热水器加水，当检测到目前水位高于水位上限时候，加水继电器断开，停止加水，蜂鸣器开始报警，实现报警功效[3]。在此次设计中热水器加热、加水、缺水全部有相对应指示灯，红灯代表缺水，黄灯代表加水，绿灯代表加热。此次设计具体硬件设计框图以下图2.1所表示。

图2.1 系统硬件设计框图
2.2.2 软件设计方案
软件设计是电路必不可少一部分，同时也是整个系统灵魂。只有软硬件完美配合才是一个完整电路设计，在设计时候，自己需要有一个明确思绪，知道自己需要做好那些工作，实现那些功效。下面将着重介绍系统软件部分设计方案，此次软件设计方案里程序关键是经过C语言来进行编写。以下是此次软件设计具体思绪。
（1）设计并确定此次设计需要实现功效。
（2）依据功效绘制好程序步骤图。
（3）依据需要实现功效和程序步骤图用C语言编写好程序。
（4）检验编写程序是否有错误，有，则进行修改，无，则可开始运行程序。
（5）采取Keil软件对系统进行调试，Proteus软件进行仿真。

3 硬件系统设计
此次设计单片机硬件系统关键包含了两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部功效单元，如ROM、RAM、定时器/计数器、报警系统等不能满足应用系统要求时，必需在片外进行扩展，选择合适芯片，来设计对应电路。二是系统配置，即根据系统功效要求配置外围设备，如键盘、显示器件等，而且要设计适宜接口电路[4]。因为本设计中AT89S52单片机本身满足此次设计要求，所以无须对单片机进行额外扩展。
此次设计硬件系统关键包含了AT89S52单片机、测温电路、水位检测电路、遥控接收电路、显示电路、按键电路、报警电路、电源电路、指示灯电路、复位电路、晶振电路、注水继电器控制电路。以上全部模块功效作用以下：AT89S52单片机作用是协调模块工作；测温电路顾名思义是用来测量水温；水位检测电路是对系统水位进行检测；遥控接收电路实施功效和按键一样，接收到信号后，可对温度和时间进行设置；显示电路关键是用来显示热水器预约时间和目前水温及水温上下限值；按键电路是用来对水温和预约时间数值进行设置；报警电路是当水位超出上限时，进行报警；电源电路是为系统供电；指示灯电路关键负责对热水器多种状态进行指示；复位电路作用是让系统回到初始状态；晶振电路作用是为系统提供时钟信号；注水继电器控制电路作用是控制热水器是否加水；此次设计关键硬件包含AT89S52单片机、液晶显示器、加热和加水继电器、蜂鸣器、水位传感器，DS18B20温度传感器等。
3.1 AT89S52单片机
此次设计控制系统以AT89S52单片机为关键控制芯片。AT89S52是一个带有可擦除存放器低电压、高性能微处理器，俗称单片机。AT89S52含有以下标准功效：4k字节Flash，256字节RAM，32位I／0口，看门狗定时器，2个数据指针，2个16位定时器／计数器，一个6向量2级中止结构，全双工串行口，片内晶振立即钟电路[5]。AT89S52单片机以下图3.1所表示。

图3.1 AT89S52单片机
3.2 测温电路
测温电路采取关键元器件是DS18B20，DS18B20是一家名为DALLAS企业发明生产。它是一款体积很小数字温度传感器，测量温度范围在－55℃～＋125℃，其测量温度正确度达成了0.0625℃，DS18B202脚DQ为数字信号输入/输出端；1脚GND为电源地；3脚VCC为外接供电电源输入端[6]。
在此次设计中，采取温度传感器DS18B20采集热水器实时水温。温度传感器在工作时候，假如检测到温度大于设置上限温度值，就会将检测到温度传给单片机，此时加热继电器断开，系统自动停止加热；假如检测到温度小于设置下限温度值，则加热指示灯亮，加热继电器吸合，系统自动开始加热，热水器开始工作。测温电路图图3.2所表示。

图3.2测温电路
3.3 水位检测电路
水位检测电路关键用了2个水位传感器和LM393电压比较器一起组成，关键用来检测热水器上下水位。LM393电压比较器只要有电源就能够工作，工作时电源电压范围很广，它是一个双电压比较器集成电路[7]。在此次设计中，当检测到水位低于下限水位时，会将检测水位信息传输给单片机，系统会停止加热而且会自动开启加水继电器，让加水继电器吸合加水，若检测到水位高于上限水位时候，加水继电器自动断开，不再加水，蜂鸣器响应，开始报警。此次设计水位检测电路图图3.3所表示。

图3.3 水位检测电路图
3.4 遥控接收电路
BISS0001是一款含有较高性能传感信号处理集成电路，本设计中红外传感器接收到人体红外信号后，经过BISS0001处理，将其输出给单片机P3.3口，经过对P3.3电平判定，实现对单片机外围电路控制，可对预约时间和温度上下限值进行设置，和按键功效相同。此次设计遥控接收电路图图3.4所表示。

图3.4 遥控接收电路图
3.5 显示电路
显示电路采取了LCD1602液晶显示来对热水器目前温度和温度上下限值和预约时间进行显示。LCD1602液晶是一个工业字符型液晶，能够同时显示16x2即32个字符。其关键特点是功效消耗低、体积小、轻薄、模块化。而且因为其自带字符库，所以在显示方面实现上只需要根据要求对其进行初始化、设定相关显示位置和显示内容就能够了，操作简单[8]。作为输出器件，LCD1602液晶显示器在单片机系统应用中含有以下多个优点。
（1）显示质量高。液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持一样色彩和亮度，恒定发光，不需要像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不停刷新亮点。所以，液晶显示器画质高且不会闪烁。
（2）数字式接口。液晶显示器全部是数字式，和单片机系统接口相接愈加简单可靠，操作愈加方便。
（3）体积小、重量轻。液晶显示器经过显示器上电极控制液晶分子状态来达成显示目标，在重量上比相同显示面积传统显示器要轻。
（4）功耗低。相对而言，液晶显示器功耗关键消耗在其内部电极和驱动IC上，所以耗电量比其它显示器要少得多。
在本设计中，LCD1602液晶显示原理是利用了液晶物理特征，经过电压对显示区域进行控制，只要有电就能够显示图形。LCD1602液晶显示器含有厚度薄、适适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示特点，现在已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。具体显示电路图图3.5所表示。

图3.5 显示电路图
3.6 按键电路
此次设计按键电路采取了4个独立式按键，独立式按键关键优点是任何一个按钮在工作时候全部不可能对别I/O口线产生影响，而且全部按钮全部独自占据了一根I/O口线[9]。独立按键触发方法为低电平有效，在系统开启状态下，单片机对应端口保持高电平状态，当按键被按下，独立按键两端连通，然后接地，单片机对应连接端口电平被地线拉低，从而能够被单片机捕捉到按键动作。4个独立按键分别是设定键、键值增加、键值减小、确定4个功效定义，经过这4个按键，能够为用户提供完整参数设置功效。按键关键用来设置水温上下限值和预约时间，按键电路图图3.6所表示。

图3.6 按键电路图
3.7 报警电路
报警电路关系到使用者生命安全，此次设计关键是经过控制蜂鸣器来进行报警，当检测到目前水位超出水位上限时候，单片机便会利用驱动口将驱动电平输出，并利用三极管9012把驱动电流放大，从而驱动电流驱使蜂鸣器发出报警声响[10]。报警电路利用声音和灯光让大家注意到系统出现了问题，此次设计采取了声光报警。报警电路图图3.7所表示。

图3.7 报警电路图
3.8 电源电路
电源电路按元件类型可分为电子管稳压电路、三极管稳压电路、可控硅稳压电路、集成稳压电路。依据调整元件和链接方法，可分为并联型和串联型；依据调整元件工作状态不一样，可分为线性和开关稳压电路。电源电路关键功效是为本系统热水器供电，使系统能够正常工作，实现此次设计功效。此次设计电源电路图图3.8所表示。

图3.8 电源电路图
3.9 指示灯电路
此次设计系统采取了LED指示灯对系统出现多种状态进行指示。LED是英文light emitting diode（发光二极管）缩写，LED指示灯是一个能够将电能转化为可见光固态半导体器件，它能够直接把电转化为光，发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色光。它基础结构是一块电致发光半导体材料芯片，假如用银胶或白胶把它固化到支架上，然后用银线或金线连接芯片和电路板，四面用环氧树脂密封起来，能够起到保护内部芯线作用，所以LED灯抗震性能好[11]。LED利用领域包含到手机、台灯、家电等日常家电和机械生产方面。LED灯是一个新型照明光源，以节能、健康、环境保护及寿命长显著特点，受到了广大人民青睐和国家大力扶持。
LED灯心脏是一个半导体晶片，晶片一端附在一个支架上，一端连接电源负极，另一端连接电源正极，整个晶片被环氧树脂封装。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在P型半导体里空穴占主导地位，另一部分是N型半导体，在N型半导体里电子占主导地位。当这两种半导体连接起来时候，它们之间会形成一个P-N结。当电流经过导线作用于这个晶片时候，电子会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后会以光子形式发出能量，以上是LED灯发光原理。此次设计指示灯电路图图3.9所表示。

图3.9 指示灯电路图
3.10 复位电路
此次设计复位电路关键是利用了手动方法完成。当按下按键时RST直接和VCC相连，为高电平形成复位，同时电解电容C1被短路放大，按键松开时，VCC对电容充电，充电电流在电阻R7上，RST仍然为高电平，仍然复位，充电完成后，电容相当于开路，RST为低电平，正常工作。单片机复位电路作用就跟我们使用计算器里归零按键相同。关键是把系统电路进行初始化，使系统电路回到初始状态。除此之外，当单片机处于运行状态时，复位电路能够依据系统需求自动地开始电路运行，若在电路运行时候出现少许干扰信号，造成程序发出指令错误或使系统开始无序运行时，展开复位操作，就可让单片机回到初始状态[12]。此次设计具体复位电路图图3.10所表示：

图3.10 复位电路
3.11 晶振电路
本设计采取了12MHz晶振为系统产生所需时钟信号，单片机所需要时钟频率是由晶振和单片机内部电路结合在一起产生出来，所产生时钟频率越高，单片机运行速度越快。任何一个单片机系统里全部有晶振，通常来说晶振电路全部接在反相放大器两端[13]。通常情况下，一个系统为了让各部分全部保持一致，整个系统共用一个晶振。此次设计晶振电路图图3.11所表示。

图3.11 晶振电路图
3.12 注水继电器控制电路
继电器是一个常常应用在通讯设备、控制设备、机电一体化设备和电力电子设备中电控制器件，它被控制系统和控制系统二者之间能够进行互动。继电器里大电流工作关键是经过小电流来进行控制，在电路中关键作用是保护、调整和转换电路，它是很关键控制元件[14]。此次设计采取了5V继电器，用来控制水位，关键由继电器、三极管和发光二极管组成。当检测目前水位低于水位下限时，JDQ2输出高电平，三极管Q4导通，加水继电器吸合，指示灯亮，开始加热或加水。当水位达成水位上限时，JDQ2输出低电平，三极管截止，继电器断开，停止加水和关闭指示灯。注水继电器控制电路原理图图3.12所表示。

图3.12 注水继电器控制电路图
4 软件系统设计
4.1 编程软件介绍
软件系统设计对整个系统来说是不可或缺，系统有了软件设计程序，才能够实施指令，设计硬件系统才能得到实现，完整完成此次设计需要实现功效，一个可靠安全软件设计能够最大程度发挥出硬件作用。此次设计软件系统中所需程序关键是采取C语言来进行，C语言含有以下优点。
（1）简练紧凑、灵活方便。C语言一共只有32个关键字，9种控制语句，程序书写形式自由，区分大小写。
（2）可把高级语言基础结构和语句和低级语言实用性结合起来。C语言能够像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作。
（3）运算符丰富。C语言运算符包含范围很广泛，共有34种运算符。C语言把括号、赋值、强制类型转换等全部作为运算符处理。从而使C语言运算类型极其丰富，表示式类型多样化。灵活使用多种运算符能够实现在其它高级语言中难以实现运算。
（4）数据类型丰富。C语言数据类型有：整型、实型、字符型、数组类型、指针类型、结构体类型、共用体类型等。能用来实现多种复杂数据结构运算。并引入了指针概念，使程序效率更高。
（5）表示方法灵活实用。C语言提供多个运算符和表示式值方法，对问题表示可经过多个路径取得，其程序设计更主动、灵活。它语法限制不太严格，程序设计自由度大，如对整型量和字符型数据及逻辑型数据能够通用等[15]。
4.2 主程序设计
此次设计软件系统关键由主程序、定时子程序、水位检测子程序、继电器控制子程序及其它功效模块子程序共同组成。主程序关键任务是经过控制系统各个功效模块去控制整个系统。主程序运行时需要将整个系统优异行初始化，使系统工作参数回到初始值，然后用户自己进行参数设置，设置好参数以后，系统主程序可开始下一步工作。
此次软件主程序设计关键步骤以下：
（1）当系统开始运行以后，首先将系统内全部参数初始化，显示目前温度和时间，设置温度上下限值，并可依据需要设置预约时间，温度上下限值和预约时间可利用按键或遥控器进行设置。若设置了预约时间，则判定预约时间是否完成，是，则开始加热，否，则继续等候，接着判定水温状态，当检测到系统目前水温低于设置水温下限时，则开始加热，当检测到目前水温高于设置水温上限时，加热继电器断开，停止加热。
（2）判定热水器目前水位，当检测到目前水位低于系统水位下限时，加水继电器吸合，开始加水，当检测到目前水位高于水位上限时，加水继电器断开，停止加水，而且蜂鸣器响应，开始报警，直至人为按下取消报警键,报警停止。此次设计软件主程序步骤图图4.1所表示。

图4.1 系统软件结构步骤图
4.3 子程序设计
4.3.1定时中止子程序设计
当系统打开以后，先程序初始化，假如想预约加热时间，则许可中止，许可中止以后，输入需要设置预约时间，输入完成后，开启定时器0，液晶会将输入数值进行显示，当预约时间完成后，中止关闭，系统返回原来状态，进行下一步工作。定时中止子程序步骤图图4.2所表示。

图4.2 定时子程序步骤图
4.3.2 水位检测子程序设计
系统运行时，首优异行初始化，单片机会对目前水位进行检测，检测完成后会将检测到实际水位和系统本身水位上下限值进行比较，当检测到目前水位小于热水器水位下限时，加水继电器自动吸合，开始加水。当检测目前水位大于热水器水位下限时，则判定目前水位是否大于热水器水位上限，若目前水位大于热水器水位上限，则加水继电器自动断开，停止加水，蜂鸣器响应，开始报警。若目前水位小于水位上限时，则返回继续加水，此次设计水位检测子程序步骤图图4.3所表示。

图4.3 水位检测子程序步骤图
4.3.3 加热继电器控制子程序设计
当系统开始运行后，首先开始初始化，系统会对目前水温进行初步判定。若检测实际水温小于下限值时，则加热继电器吸合，开始加热；若大于下限值，则检测水温是否大于上限值，当检测到实际水温大于设置上限值时，加热继电器断开，不再加热。此次设计加热继电器控制子程序步骤图图4.4所表示。

图4.4 加热继电器控制子程序步骤图
5 系统仿真和调试
5.1 仿真软件介绍
在此次设计中利用到了PROTEUSISIS电路分析实物仿真系统和KEIL单片机编程软件，经过对它们联调能够仿真出此次设计系统。下面对这个两个软件做简单介绍。
5.1.1 Proteus软件
Proteus是英国Labcenter企业开发电路分析和仿真软件。该软件含有以下多个特点：
（1）含有模拟电路、数字电路、单片机应用系统、嵌入式系统（不高于ARM7）设计和仿真功效。
（2）含有多个形式调试功效。
（3）含有多种信号源和电路分析所需虚拟仪表。
（4）支持Keil、MPLAB等第三方软件编译和调试环境。
（5）含有强大原理图到PCB板设计功效，可输出多个格式电路设计报表[16]。
5.1.2 Keil软件
Keil软件是美国Keil Software企业出品51系列兼容单片机C语言软件开发系统，它能够提供包含C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功效强大仿真调试器等在内完整开发方案，可经过一个集成开发环境将这些部份组合在一起。另外，Keil生成目标代码效率很之高，编译后生成汇编代码也很紧凑，且轻易了解[17]。
5.2 系统电路仿真
本设计采取Proteus软件对电路进行仿真，首先将仿真需要元器件找到，根据硬件设计原理图在Proteus里面建立元器件连接关系，然后将硬件电路图绘制在软件中，接着新建一个工程，选择AT89C52单片机，新建一个文本文档，将文本文档保留为“.c”文件，将其添加到工程，然后对系统程序进行编写，编写完成以后经过“Options for target”找到“creat hex file”，找到以后选中“creat hex file”并进行编译，生成“.hex”文件，然后在Proteus软件中双击单片机，在“Program File”中勾选“.hex”文件，单击确定，接着点击仿真界面左下角开始按钮，系统进入初始化，初始化结束后，温度传感器会采集目前温度值，LCD1602会显示目前温度和所设置温度上下值。显示功效仿真结果图5.1所表示。

图5.1 仿真图
5.3 PCB板设计和制作
5.3.1 PCB介绍
PCB，汉字名称为印制电路板或印刷线路板，它不仅是电子元器件支撑体，还是电子元器件电气连接载体。因为它是采取电子印刷术制作，故被称为“印刷”电路板，它依据电路层数分类可分为单面板、双面板和多层板。常见多层板通常为4层板或6层板，复杂多层板可达几十层[18]。
5.3.2 PCB板设计
对于PCB板设计，首先需要对此次设计电路原理图设计，设计完成后就进行绘制，绘制完成后进行检验，确定电路原理图正确后，进行编译，生成网络报表，然后对各个元器件进行封装，以生成和实现元器件含有相同外观和尺寸网格。封装完成以后建立一个PCB文件，依据此次设计实际情况对板子大小、线距、线宽等关键数据进行设置，设置完成后，单击设计菜单下更新选项，此时PCB文件便开始更新，更新以后将生成PCB图。
5.3.3 PCB板实现
依据生成PCB图进行制作，制作时候依据PCB面板大小安置元件，同时，尽可能确保元件之间引线不会发生交叉。元器件摆放完后，进行DRC检验，排除元器件在布线时引脚或引线发生交叉错误，错误排除以后，开始调整元器件位置，调整完后开始布线，在布线时不能出现小于或等于90度角，以防尖端放电和腐蚀过分。布线完成后，可对PCB图进行检验，确定无错误并连接完成后进行PCB板转印、腐蚀、钻孔等操作。此次设计制作PCB图图5.2所表示。

图5.2 PCB图
5.3.4 电路板制作
在此次设计电路板制作中，首先需要对PCB板进行检验，然后对元器件种类、型号、数量进行确定，确定完后将元器件根据从左到右，从上到下，从里到外，从小到大，从低到高次序合理装置在电路板上[19]。装置完成后用焊接工具开始进行焊接，焊接完成后，检验焊料是否会引发焊点短路，是否存在漏焊等现象，焊接完成后实物图图5.3所表示。

图5.3 焊接实物图
5.4 系统调试
此次设计系统调试关键任务是排除系统硬件电路故障，包含设计性错误和工艺性故障。
当把全部元器件焊接完成后，开始调试，首先对焊接电路板进行检验，查看是否焊接完整，检测电源线，看电源电路是否能为整个系统正常供电，检验完成后，打开电源，给系统通电，系统开始工作，LCD1602显示器显示目前温度、温度上下限值及预约时间。在这里用户可设置加热时间和温度上下限值，系统刚打开时候，预约时间是默认关闭，图5.4所表示。

图5.4 LCD1602显示图
若需要预约时间，需自己设置，这里随意设置预约时间为1分钟，预约时间不到，热水器不会进行加热。当预约时间抵达以后热水器开始加热。此次设计时间值不是固定，另外，若不需要预约，可不进行设置，在此次设计调试时候，用热水进行加热。预约时间示意图图5.5所表示,

图5.5 预约时间示意图

当检测到热水器目前温度低于设置温度下限时，加热继电器吸合，开始加热，加热指示灯亮。温度检测示意图图5.6所表示。

图5.6 温度检测示意图
当系统检测到热水器目前温度高于设置温度上限值时，加热继电器会自动断开，停止加热，加热指示灯关闭。图5.7所表示。

图5.7 温度检测示意图

当水位传感器检测到热水器目前水位低于水位下限时，缺水指示灯亮起，加水继电器吸合，开始加水，直到加至水位上限时，加水继电器关闭。水位检测示意图图5.8所表示。

图5.8 水位检测示意图
当检测到热水器目前水位高于水位上限时，加水继电器断开停止加水。且报警指示灯亮，蜂鸣器开始报警，直到人为按下取消报警键，报警停止，报警示意图图5.9所表示。

图5.9 报警示意图
6 结 论
本设计针对功效单一热水器控制系统，提出了处理方案。经过对方案确实定、硬件系统设计和软件系统设计，绘制了电路原理图，PCB图，利用系统仿真和调试制作了电路板。此次设计热水器控制系统基础能完成预期定时加热、自动检测水温水位及智能报警功效。处理了热水器功效单一问题。不过，在此次设计中还存在很多不足之处。
比如在控制方面能够让水位传感器实时对水位进行检测，确保全天水位全部处于正常状态，用户能够不用因为缺水问题，不能正常使用热水器。在温度加热方面能够让系统实时统计用户每一次淋浴时温度，然后对采集到温度数据进行分析，得出用户淋浴时最常见温度，了解到用户习惯后可智能化安排预热功效，这么不仅节省了用户自己设置时间，还很节能。在这次设计过程中，我清楚认识到自己以前所学习单片机和编