基于單片機電熱水器液位、溫度檢測控制系統的設計

作者/李榮茂，南京信息職業技術學院

基于單片機電熱水器液位、溫度檢測控制系統的設計

作者/李榮茂，南京信息職業技術學院

隨著科技的不斷發展，智能家居作為新一代智能化產品受到越來越多人的關注，而熱水器作為智能家居中的一部分，價格昂貴，與人們的理想要求還有很大的距離。本文設計的熱水器，是以STC89C52單片機作為主要控制核心，選用DS18B20作為溫度傳感器，能夠將溫度實時轉換后顯示出來，并且通過設置KEY1和KEY2兩個按鍵，能夠對溫度進行調節。

熱水器；DS18B20；單片機；PID；液位溫度檢測控制

21世紀是智能家居產品發展迅速的時期，人們在智能化產品方面投入甚多都在找尋非常方便智能化的產品，而熱水器作為智能家居的一部分，在人們的生活中占據非常重要的位置，傳統的很多熱水器也將被淘汰[1]。

1. 系統設計方案

以STC89C52單片機作為控制單元，與其他傳感器等檢測電路、鍵盤電路、復位電路、顯示電路和報警模塊幾部分構成，相互配合，最終完成對熱水器水位和溫度的檢測和控制作用。利用液位傳感器和溫度傳感器將所檢測到的液位和溫度信號，經微擾算法處理后分別傳給單片機進行處理，并根據所接收到的信號進行對液位和溫度的控制，使液位處于一個所期望的值。并且單片機通過定時器設置一個脈沖，通過控制發出的PWM波的占空比來進行調節。這種通過pid的控制方法，使溫度穩定在一定范圍內。系統圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

液位檢測模塊選擇XKC—W001—NPN傳感器，檢測精度高，不受檢測液位顏色的影響，驅動電流大，供電電壓范圍管穩定性比較高，并且可以在—25℃～105℃環境下工作。

溫度檢測模塊選用DALLAS半導體公司的數字化溫度傳感器DS18B20，測量溫度范圍為—55℃～+125℃，在—10℃～+80℃范圍內，精度為±0.5℃。能夠滿足電熱水器的溫度測量。

液位檢測方案應用浮子式的液位傳感器放置在熱水器的高低水位區，當檢測到液位時候發出高電平，沒檢測到的時候發出低電平信號，單片機根據接收到的電平信號進行判斷，從而控制繼電器是否給熱水器加水。

溫度檢測方案采用DS18B20溫度傳感器，它能夠將測得的溫度自身能夠進行A/D轉換。并且其測溫范圍廣，體積小，使用非常方便。

本文以首個應用于臨床的KATP開放劑尼可地爾為研究藥物，構建高表達瑞典突變型淀粉樣前體蛋白的神經母細胞瘤細胞作為AD的體外細胞模型，研究尼可地爾對AD細胞模型氧化應激和Aβ生成的影響，并探討PI3K/AKT/GSK-3β通路在尼可地爾參與氧化應激、Aβ生成調節中的可能分子機制。

2. 系統的硬件設計

2.1 電源電路設置

將12V的直流電壓通過7805芯片降壓后直接獲得，采用7805穩壓模塊，再加上4個電容的濾波和穩壓作用，最終將12V的DC轉換成5V的電壓供整個系統工作。

2.2 顯示部分電路

本文采用共陰數碼管來對獲取的溫度進行顯示，通過兩個74HC573鎖存器作為驅動，其連接方式為A—Q0，B—Q1，C—Q6，D—Q7，E—Q4，F—Q5，G—Q2，DP—Q3。

2.3 報警部分電路設置

報警部分電路由PNP型的三極管，二極管電阻和蜂鳴器構成，其中二極管D8是起保護作用，因為蜂鳴器一般是電感元件,當電感元件突然斷電會產生很大感應電動勢,造成對電子元件的損傷，而加上二極管后能夠旁路掉此感應電動勢,起到保護的作用。當溫度低于或者高于設定的最低值和最高值時候，單片機發出一個低電平信號給三極管的基極是三極管導通，蜂鳴器響。

當液位低于低水位區的時候，單片機發出低電平信號給三極管的基極，使三極管導通，蜂鳴器響，黃燈亮報。

當液位高于高水位區時候，信號傳遞給單片機后，單片機根據情況做出反應發出一個低電平信號使三極管導通，蜂鳴器報警，紅燈亮。

PID控制是系統中一種常用的方法，主要通過調節三個控制系數來使系統達到一種相對穩定的狀態，主要調節參數有比例放大常數Kp,積分時間常數Ki，微分時間常數Kd,比例是為了讓系統更加穩定，但會產生動態誤差，積分可以減少動態誤差但會使系統不穩定，微分是為了減少動態偏差，它們三者的結合，使系統處于一種相對穩定的狀態。

3. 系統軟件設計

上電時候系統進入初始化狀態，按鍵時候，通掃描鍵盤讀取鍵值實現對溫度的設置，系統通過溫度傳感器DS18B20實現對溫度的檢測，并與設定的值進行比較，通過判斷他們之間產生的偏差從而對溫度進行PID控制，使溫度保持在一定的范圍。部分源代碼如下所示。

4. 系統調試

用一個杯子裝半杯水，然后將兩個液位傳感器分別放置在液面之上，此時看低水位區的蜂鳴器是否響，黃燈是否亮，繼電器是否吸合。然后將低水位區的傳感器緩慢放入水中，再看蜂鳴器和燈的情況，此時應該是蜂鳴器停止，黃燈滅。然后將高水位區的傳感器也放入水中，再看一下蜂鳴器是否響，紅燈是否亮，繼電器是否斷開，如此調試，檢查對應的程序和硬件電路，最終符合設計要求。

將DS18B20放入溫水中，記錄此時的溫度為30℃，同時將電熱絲也一并放入，先用按鍵給它設置一個溫度為40℃，然后看此時繼電器是否吸合，繼電器控制電熱絲迅速給水加熱，記錄從30℃～35℃的時間，同時記錄35℃到40℃的時間，通過對比看PID控制的速率。同時到40℃時候看電熱絲是否停止加熱，溫度是否控制在40℃左右。然后如果不按上述要求，檢查程序與硬件部分調試，最終要完成設計要求。

5. 結論

本課題是以單片機STC89C52為核心，與其它外圍電路相結合構成的熱水器智能化控制系統，運用DS18B20傳感器完成了對熱水器的溫度測量，應用XKC—W001—NPN液位傳感器實現對液位的檢測，并用數碼管顯示測量的溫度，應用指示燈來指示液位的高度。本系統中可以做到缺水時單片機控制繼電器自動上水，還利用按鍵模塊等設定溫度參數，水溫超過或者低于設定溫度值時報警并且單片機控制繼電器加水，應用發出的PWM波所占的占空比的大小來實現溫度的PID控制，能夠使溫度穩定在一定的范圍內。

＊ [1]廖琪梅,韓彬,楊文昭,屈景輝. 基于單總線器件DS18B20的溫度測量儀[J].國外電子元器件,2008,No.17202:24—26.

＊ [2]毛曉耘. 基于單片機的定時電熱水器控制系統[J]. 中國科技信息,2014,No.488Z1:182—184.

＊ [3] 劉斌等. 基于LAPW算法磁記憶信號相變特性的研究[J]. 儀器儀表學報. 2016， 35(4)：1238—12542

＊ [4] Liu B, Zhang H, Fernandes H, Maldague X. Quantitative Evaluation of Pulsed Thermography, Lock—in Thermography and Vibrothermography on Foreign Object Defect (FOD) in CFRP[J]. Sensors, 2016, 16(5):743.

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＊ [7] 劉斌，何璐瑤，霍曉莉，王國慶，楊理踐. 基于Kp微擾算法的磁場中MMM信號特征的研究[J]. 儀器儀表學報, 2017,38(1):151—158.

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