1、0目 录内容 摘要 .1关键词 .1第 1 章 绪论 .21.1 研究背景 .21.2 研究目的与意义 .21.3 热水壶发展现状 .3第 2 章 系统总体设计 .42.1 设计总体思路 .42.2 系统总设计框图 .42.3 主要模块功能简介 .42.4 外部配件材料的选择 .5第 3 章 硬件模块电路设计 .63.1 硬件组成部分 .63.2 主要模块电路设计 .63.2.1 单片机模块 .63.2.2 温度检测模块 .73.2.3 液晶显示模块 .83.2.4 按键控制模块 .83.2 总系统电路 .9第 4 章 软件模块电路设计 .104.1 设计总体思路 .104.2 烧开水功能设计
2、特点 .104.3 控制程序工作流图 .104.4 系统主程序 .11第 5 章 系统测试 .125.1 硬件部分测试 .125.1.1 热水壶功能测试 .125.1.2 系统误差分析 .125.2 软件部分测试 .125.3 结果分析 .12结论 .14致谢 .15参考文献 .16附录 1 电路原理图与 PCB 图 .17附录 2 系统总程序代码 .19附录 3 元器件清单 .30附录 4 设计实物图 .31Abstract.321基于单片机的智能热水壶系统设计【内容摘要】在日常生活中，热水壶有着十分广泛的应用领域。热水壶是结合用户的实际需求和现代社会需要的一种智能产品，于是本次设计了以单片
3、机为核心器件，结合人性化的理念，最终实现智能的控制电路和程序设计的智能热水壶。本设计实现了日常烧开水功能，以及通过按键设定温度加热冷水，达到设定温度后，通过蜂鸣器提醒用户并自动断电，同时液晶显示屏显示即时温度等拓展功能。本设计硬件部分由单片机芯片、温度检测，蜂鸣报警、液晶显示等模块，同时利用了单片机的智能性，软件部分在 keil uvision 开发环境中使用 C 语言编写软件程序，实现了对水温的智能控制，其具有生活化、实用性强的特点。【关键词】单片机；智能；热水壶；DS18B20；烧水；2第 1 章 绪论1.1 研究背景近年来，随着单片机技术的发展，单片机的应用研究不断深入，传统控制检测快速
4、更新。在实时检测和自动控制的系统中，单片机通常是作为一个核心部件，基于具体的硬件结构和应用对象的应用特点，并结合软件改进控制系统，代替复杂的电子电路或数字电路，通过软件控制外围电路，确保智能化能够实现。单片机应用于范围广泛的智能产品中，如智能仪表、实时工业控制、通信设备、导航系统、家用电器等，单片机应用在生产中时，其可以使产品升级换代，常在产品名前端冠名“智能” 。热水壶是在日常生活中需要的实际需求和用户相关的现代社会的产物，是一种单片机控制的智能产品。随着科技的发展和社会的进步，人们的生活质量在逐步增加。近年来，各种智能设备不断更新，如智能手机、智能水壶走进我们的生活。由于其自身的优点，安全
5、、智能电水壶在生活中有着广泛的应用。1.2 研究目的与意义目前市场上品种繁多的开水壶存在着功能比较单一、不够完善等不足，所以我们在普通的烧水壶基础上利用所学单片机知识添加了一些方便实用的功能，如设温加热、蜂鸣提示、显示即时温度的功能，使产品更加人性化，日常使用更加方便。随着社会的快速发展，智能新产品相继出现，比如数码相机、平板电脑等一系列的新鲜的事物，人们的日常生活中也发生了极大的变化。本设计以探究智能新产品工作原理为出发点，基于单片机设计了一款智能热水壶，设计过程考查了我们综合运用所学知识的能力，包括以前学过的关于单片机编程与应用、电装实习等的知识，同时我对当前的电子产业发展的新趋势有了一定
6、的了解，实际动手能力和模拟实际产品的开发能力也得到了锻炼，对应届大学生日后工作能力的培养具有重要的意义。本次设计也培养了我理解工程技术的工作中需要的整体观和经济观，同时提高掌握设计的各种方案以及技术指标、资料收集、技术文献，分析计算，描绘电路图及撰写论文等能力。31.3 热水壶发展现状电热水壶在中国的发展史上虽然短暂，发展速度却很快。在早期的中国，电热水壶很早就开始了工业生产，但其主要面向出口。电热水壶具有结构简单、加热快、节约能源、操作方便、安全实用、使用寿命长等优点。近年来，国内市场占有率开始快速增长，市场增长率超过 50%。随着电热水壶产品消费者的意识不断提高，在国内市场电热水壶的容量有
7、明显的提升。其次，虽然饮水机在我国的普及率很高，但由于饮水机体积大，重复加热，存在二次污染的问题，于是提供了电水壶产业发展的机会 1。4第 2 章 设计方案概述2.1 总体设计思路本次智能热水壶的设计方案利用单片机软件系统为工作环境，不仅实现基本的烧开水以及烧开后断电功能，并且结合按键控制温度的设定，可加热冷水至指定温度，蜂鸣器报警，随后热水壶断电，同时液晶显示屏显示即时温度。2.2 系统总设计框图初步确定电路系统由以下模块组成，电路系统框图如图 2-1 所示。ST89C52RC单 片 机图 2-1 电路系统框图2.3 主要模块电路功能简介1、单片机模块作为智能热水壶设计的控制中心，单片机用于
8、驱动整个热水壶系统的运作，如液晶屏上的温度显示、接收传感器中的温度信号以及按键信号、LED 上显示温度等 2。2、温度检测模块周期性采集温度信号，判断是否达到预设温度，传送至单片机内处理。3、液晶显示模块显示水壶内热水的即时温度，便于用户随时掌控温度变化。4、控制按键模块温度检测-DS18B20按键控制电源供电液晶显示- LM160L蜂鸣报警器加热装置-继电器5三个独立按键组成一个独立键盘，连接单片机的 I/O 端口，对单片机输入控制信号，用于设温加热模式时控制设定温度的加或减，以及单片机的启动与停止。模式设定由一个独立按键组成，当按下按键，液晶显示屏右下角显示“1”，即为烧开水模式；再次按下
9、按键，液晶显示屏右下角显示“2”，即为设温加热模式；显示“0”为停止加热状态。5、加热装置模块用于加热水壶中的水，使水达到设定的温度。6、蜂鸣器模块当冷水加热到指定温度时发出报警声提示用户。7、电源模块用于给整个设计系统提供电。2.4 外部配件材料的选择本热水壶采用 220V 200W 的制式，水壶的选用优先考虑耐高温的合金材料，继电器连接加热片来加热壶底来实现烧水。在水壶底部和加热片上都涂上一层导热胶，使冷水受热均匀、加热的速度更快，减少等待时间。水壶盖上开孔一个边长约为 40mm 的方洞，便于放入测温探头、散去蒸汽，避免暴沸。6第 3 章 硬件模块电路设计3.1 硬件组成部分确定了本次设计
10、需要实现的功能后，针对烧开水、加热冷水、显示温度的功能，设计的硬件部分主要由单片机模块、温度控制模块、液晶显示模块、按键控制模块构成。3.2 主要模块电路设计3.2.1 单片机模块相比于普通的微型计算机，单片机具有以下特点：体积小，结构简单，控制能力强，可靠性高，集成度高，抗干扰能力强，磁屏蔽能力强，适合在恶劣环境下工作，以及低电压，低功耗，性价比较高，开发周期短等。其中，STC89C52 是 STC 公司生产的一种 CMOS8 位微控制器。STC89C52使用 MCS-51 内核，但做了许多改进使芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，由于灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程
11、Flash， STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案 3。STC89C52RC 芯片如图 3-1 所示。图 3-1 STC89C52RC 芯片STC89C52 单片机系统由单片机、时钟电路、复位电路组成， 其 具有以下功能： 8k 字节 Flash，512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，定时器，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路，3 个 16 位定时器/ 计数器，4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构），全双工串行口。STC89C52 也可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件，还
12、可选择节电模式。7空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率 35MHz，6T/12T 可选 4。本次设计采用 STC89C52RC 型 号 单 片 机 ， 且 单片机采用内部时钟方式，在 MCS-51 电路外接晶体以及电容 C4 和 C5 组成并联谐振电路且构成一个自激振荡器，接在放大器的反馈回路中，向内部电路提供震荡时钟。在本次设计中晶体选择 1.2MHz 频率，而电容 C4 和 C5 的选择为 30pF 的典型值。单片机中的复位电路采用上
13、电自动复位和按键复位的方式。3.2.2 温度控制模块比 较 热 电 偶 温 度 传 感 器 ， 它 的 实 现 过 程 为 ： 靠 光 敏 电 阻 检 测 光 照 的 大 小 ，光 照 的 大 小 改 变 电 阻 的 大 小 ， 再 给 电 阻 一 个 外 加 电 压 ， 就 改 变 了 电 压 的 大 小 ，再 用 转 换 器 件 检 测 电 压 的 变 化 并 转 换 为 数 字 信 号 ， 随 后 传 到 单 片 机 上 作 一定 的 处 理 后 去 控 制 相 应 的 数 码 管 来 显 示 当 时 的 温 度 。 而 对 DS18B20 来 说 过程 则 简 单 许 多 ， 热 电
14、偶 电 阻 传 感 器 一 直 到 单 片 机 之 前 的 部 分 都 可 以 用 一 个DS18B20 来 代 替 ， 从 而 真 正 的 实 现 了 数 字 化 5。本 设 计 系 统 采 用 的 是 DS18B20温度传感器， DS18B20是美国达拉斯公司生产的一款产品，是一线式数字化传感器。工作电源可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。低功耗、微型化、抗干扰能力很强，可根据实际要求通过简单的编程实现数字读数方式，便于与微处理器进行接口。电路简单，实现起来比较容易,几乎适用于所有类型的单片机。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器
15、TH和TL、配置寄存器。6DS18B20引脚图以及内部系统框图如图3-2、3-3所示。图 3-2 DS18B20 引脚图8图 3-3 DS18B20 内部系统框图3.2.3 液晶显示模块本 次 设 计 采 用 的 液 晶 显 示 屏 为 LM016L，除了 PROTEUS中016没有显示调亮度的两个端口，它与LCD1602具有相同的原理。它可以显示两行，每行16 个字符，因此可相当于32 个LED 数码管，而且比数码管显示的信息还多。采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比 7。在单片机系统中应用液晶显示屏具有以下优点：显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低，
16、在嵌入式应用系统中得到越来越广泛的应用。 液晶显示屏、LCD1602 管脚分布图如图 3-4、3-5 所示。图 3-4 液晶显示屏9图 3-5 LCD1602 管脚分布图3.2.4 按键控制电路三个按键构成一个独立键盘，一端分别接单片机的P0.5、P0.6 和P0.7口，另一端接地。通过单片机的扫描查询，判断按键是否按下，当没有按键按下时，P0口输入为高电平，反之则为低电平 8。3.2.5 电源供电电路由于本设计的模块都采用直流+5V 供电，于是直接采用三端稳压器供电，省去了复杂的电源变压电路。再考虑到单片机和液晶显示屏的功耗，使用电池供电比较费电，并且电流也达不到要求，所以也直接用三端稳压器供电，电流大、电压稳定。3.3 总系统电路总系统电路原理图以及PCB图详见附录1。
