基于单片机电热水器液位、温度检测控制系统的设计

作者/李荣茂，南京信息职业技术学院

基于单片机电热水器液位、温度检测控制系统的设计

作者/李荣茂，南京信息职业技术学院

随着科技的不断发展，智能家居作为新一代智能化产品受到越来越多人的关注，而热水器作为智能家居中的一部分，价格昂贵，与人们的理想要求还有很大的距离。本文设计的热水器，是以STC89C52单片机作为主要控制核心，选用DS18B20作为温度传感器，能够将温度实时转换后显示出来，并且通过设置KEY1和KEY2两个按键，能够对温度进行调节。

热水器；DS18B20；单片机；PID；液位温度检测控制

21世纪是智能家居产品发展迅速的时期，人们在智能化产品方面投入甚多都在找寻非常方便智能化的产品，而热水器作为智能家居的一部分，在人们的生活中占据非常重要的位置，传统的很多热水器也将被淘汰[1]。

1. 系统设计方案

以STC89C52单片机作为控制单元，与其他传感器等检测电路、键盘电路、复位电路、显示电路和报警模块几部分构成，相互配合，最终完成对热水器水位和温度的检测和控制作用。利用液位传感器和温度传感器将所检测到的液位和温度信号，经微扰算法处理后分别传给单片机进行处理，并根据所接收到的信号进行对液位和温度的控制，使液位处于一个所期望的值。并且单片机通过定时器设置一个脉冲，通过控制发出的PWM波的占空比来进行调节。这种通过pid的控制方法，使温度稳定在一定范围内。系统图如图1所示。

图1 系统总体框图

液位检测模块选择XKC—W001—NPN传感器，检测精度高，不受检测液位颜色的影响，驱动电流大，供电电压范围管稳定性比较高，并且可以在—25℃～105℃环境下工作。

温度检测模块选用DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20，测量温度范围为—55℃～+125℃，在—10℃～+80℃范围内，精度为±0.5℃。能够满足电热水器的温度测量。

液位检测方案应用浮子式的液位传感器放置在热水器的高低水位区，当检测到液位时候发出高电平，没检测到的时候发出低电平信号，单片机根据接收到的电平信号进行判断，从而控制继电器是否给热水器加水。

温度检测方案采用DS18B20温度传感器，它能够将测得的温度自身能够进行A/D转换。并且其测温范围广，体积小，使用非常方便。

本文以首个应用于临床的KATP开放剂尼可地尔为研究药物，构建高表达瑞典突变型淀粉样前体蛋白的神经母细胞瘤细胞作为AD的体外细胞模型，研究尼可地尔对AD细胞模型氧化应激和Aβ生成的影响，并探讨PI3K/AKT/GSK-3β通路在尼可地尔参与氧化应激、Aβ生成调节中的可能分子机制。

2. 系统的硬件设计

2.1 电源电路设置

将12V的直流电压通过7805芯片降压后直接获得，采用7805稳压模块，再加上4个电容的滤波和稳压作用，最终将12V的DC转换成5V的电压供整个系统工作。

2.2 显示部分电路

本文采用共阴数码管来对获取的温度进行显示，通过两个74HC573锁存器作为驱动，其连接方式为A—Q0，B—Q1，C—Q6，D—Q7，E—Q4，F—Q5，G—Q2，DP—Q3。

2.3 报警部分电路设置

报警部分电路由PNP型的三极管，二极管电阻和蜂鸣器构成，其中二极管D8是起保护作用，因为蜂鸣器一般是电感元件,当电感元件突然断电会产生很大感应电动势,造成对电子元件的损伤，而加上二极管后能够旁路掉此感应电动势,起到保护的作用。当温度低于或者高于设定的最低值和最高值时候，单片机发出一个低电平信号给三极管的基极是三极管导通，蜂鸣器响。

当液位低于低水位区的时候，单片机发出低电平信号给三极管的基极，使三极管导通，蜂鸣器响，黄灯亮报。

当液位高于高水位区时候，信号传递给单片机后，单片机根据情况做出反应发出一个低电平信号使三极管导通，蜂鸣器报警，红灯亮。

PID控制是系统中一种常用的方法，主要通过调节三个控制系数来使系统达到一种相对稳定的状态，主要调节参数有比例放大常数Kp,积分时间常数Ki，微分时间常数Kd,比例是为了让系统更加稳定，但会产生动态误差，积分可以减少动态误差但会使系统不稳定，微分是为了减少动态偏差，它们三者的结合，使系统处于一种相对稳定的状态。

3. 系统软件设计

上电时候系统进入初始化状态，按键时候，通扫描键盘读取键值实现对温度的设置，系统通过温度传感器DS18B20实现对温度的检测，并与设定的值进行比较，通过判断他们之间产生的偏差从而对温度进行PID控制，使温度保持在一定的范围。部分源代码如下所示。

4. 系统调试

用一个杯子装半杯水，然后将两个液位传感器分别放置在液面之上，此时看低水位区的蜂鸣器是否响，黄灯是否亮，继电器是否吸合。然后将低水位区的传感器缓慢放入水中，再看蜂鸣器和灯的情况，此时应该是蜂鸣器停止，黄灯灭。然后将高水位区的传感器也放入水中，再看一下蜂鸣器是否响，红灯是否亮，继电器是否断开，如此调试，检查对应的程序和硬件电路，最终符合设计要求。

将DS18B20放入温水中，记录此时的温度为30℃，同时将电热丝也一并放入，先用按键给它设置一个温度为40℃，然后看此时继电器是否吸合，继电器控制电热丝迅速给水加热，记录从30℃～35℃的时间，同时记录35℃到40℃的时间，通过对比看PID控制的速率。同时到40℃时候看电热丝是否停止加热，温度是否控制在40℃左右。然后如果不按上述要求，检查程序与硬件部分调试，最终要完成设计要求。

5. 结论

本课题是以单片机STC89C52为核心，与其它外围电路相结合构成的热水器智能化控制系统，运用DS18B20传感器完成了对热水器的温度测量，应用XKC—W001—NPN液位传感器实现对液位的检测，并用数码管显示测量的温度，应用指示灯来指示液位的高度。本系统中可以做到缺水时单片机控制继电器自动上水，还利用按键模块等设定温度参数，水温超过或者低于设定温度值时报警并且单片机控制继电器加水，应用发出的PWM波所占的占空比的大小来实现温度的PID控制，能够使温度稳定在一定的范围内。

＊ [1]廖琪梅,韩彬,杨文昭,屈景辉. 基于单总线器件DS18B20的温度测量仪[J].国外电子元器件,2008,No.17202:24—26.

＊ [2]毛晓耘. 基于单片机的定时电热水器控制系统[J]. 中国科技信息,2014,No.488Z1:182—184.

＊ [3] 刘斌等. 基于LAPW算法磁记忆信号相变特性的研究[J]. 仪器仪表学报. 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.

＊ [5] Liu Bin, He Luyao, Zhang Hai, Cao Yang, Fernandes Hen—rique. The axial crack testing model for long distance oil—gas pipeline based on magnetic flux leakage internal inspection method[J]. Measurement, 2017,103(1):275—282.

＊ [6] Liu B, He Y Y, Zhang H, Fernandes H, Ying F, Maldague X. Study on characteristics of magnetic memory testing signal based on the stress concentration field[J]. Iet Science Mea—surement & Technology, 2017, 11(1):2—8.

＊ [7] 刘斌，何璐瑶，霍晓莉，王国庆，杨理践. 基于Kp微扰算法的磁场中MMM信号特征的研究[J]. 仪器仪表学报, 2017,38(1):151—158.

＊ [8]刘斌，曹阳，王缔，何璐瑶，杨理践.基于LMTO算法磁记忆屈服信号的定量化分析[J].仪器仪表学报,2017,38(6):145—152.