1、目 錄內容摘要1關鍵詞1第1章 緒論21.1研究背景21.2研究目的與意義21.3熱水壺發展現狀3第2章 系統總體設計42.1設計總體思路42.2系統總設計框圖42.3主要模塊功能簡介42.4外部配件材料的選擇5第3章 硬件模塊電路設計63.1硬件組成部分63.2主要模塊電路設計63.2.1單片機模塊63.2.2溫度檢測模塊73.2.3液晶顯示模塊83.2.4按鍵控制模塊83.2 總系統電路9第4章 軟件模塊電路設計104.1 設計總體思路104.2 燒開水功能設計特點104.3控制程序工作流圖104.4系統主程序11第5章 系統測試125.1 硬件部分測試125.1.1熱水壺功能測試125.

2、1.2系統誤差分析125.2 軟件部分測試125.3 結果分析12結論14致謝15參考文獻16附錄1 電路原理圖與PCB圖17附錄2系統總程序代碼19附錄3元器件清單30附錄4設計實物圖31Abstract32 基于單片機的智能熱水壺系統設計【內容摘要】在日常生活中，熱水壺有著十分廣泛的應用領域。熱水壺是結合用戶的實際需求和現代社會需要的一種智能產品，于是本次設計了以單片機為核心器件，結合人性化的理念，最終實現智能的控制電路和程序設計的智能熱水壺。本設計實現了日常燒開水功能，以及通過按鍵設定溫度加熱冷水，達到設定溫度后，通過蜂鳴器提醒用戶并自動斷電，同時液晶顯示屏顯示即時溫度等拓展功能。本設計

3、硬件部分由單片機芯片、溫度檢測，蜂鳴報警、液晶顯示等模塊，同時利用了單片機的智能性，軟件部分在keil uvision開發環境中使用C語言編寫軟件程序，實現了對水溫的智能控制，其具有生活化、實用性強的特點。【關鍵詞】單片機；智能；熱水壺；DS18B20；燒水；u5ap第1章 緒論1.1 研究背景近年來，隨著單片機技術的發展，單片機的應用研究不斷深入，傳統控制檢測快速更新。在實時檢測和自動控制的系統中，單片機通常是作為一個核心部件，基于具體的硬件結構和應用對象的應用特點，并結合軟件改進控制系統，代替復雜的電子電路或數字電路，通過軟件控制外圍電路，確保智能化能夠實現。單片機應用于范圍廣泛的智能產品

4、中，如智能儀表、實時工業控制、通信設備、導航系統、家用電器等，單片機應用在生產中時，其可以使產品升級換代，常在產品名前端冠名“智能”。熱水壺是在日常生活中需要的實際需求和用戶相關的現代社會的產物，是一種單片機控制的智能產品。隨著科技的發展和社會的進步，人們的生活質量在逐步增加。近年來，各種智能設備不斷更新，如智能手機、智能水壺走進我們的生活。由于其自身的優點，安全、智能電水壺在生活中有著廣泛的應用。1.2 研究目的與意義目前市場上品種繁多的開水壺存在著功能比較單一、不夠完善等不足，所以我們在普通的燒水壺基礎上利用所學單片機知識添加了一些方便實用的功能，如設溫加熱、蜂鳴提示、顯示即時溫度的功能，

5、使產品更加人性化，日常使用更加方便。隨著社會的快速發展，智能新產品相繼出現，比如數碼相機、平板電腦等一系列的新鮮的事物，人們的日常生活中也發生了極大的變化。本設計以探究智能新產品工作原理為出發點，基于單片機設計了一款智能熱水壺，設計過程考查了我們綜合運用所學知識的能力，包括以前學過的關于單片機編程與應用、電裝實習等的知識，同時我對當前的電子產業發展的新趨勢有了一定的了解，實際動手能力和模擬實際產品的開發能力也得到了鍛煉，對應屆大學生日后工作能力的培養具有重要的意義。本次設計也培養了我理解工程技術的工作中需要的整體觀和經濟觀，同時提高掌握設計的各種方案以及技術指標、資料收集、技術文獻，分析計算，

6、描繪電路圖及撰寫論文等能力。1.3 熱水壺發展現狀電熱水壺在中國的發展史上雖然短暫，發展速度卻很快。在早期的中國，電熱水壺很早就開始了工業生產，但其主要面向出口。電熱水壺具有結構簡單、加熱快、節約能源、操作方便、安全實用、使用壽命長等優點。近年來，國內市場占有率開始快速增長，市場增長率超過50%。隨著電熱水壺產品消費者的意識不斷提高，在國內市場電熱水壺的容量有明顯的提升。其次，雖然飲水機在我國的普及率很高，但由于飲水機體積大，重復加熱，存在二次污染的問題，于是提供了電水壺產業發展的機會1。第2章 設計方案概述2.1 總體設計思路 本次智能熱水壺的設計方案利用單片機軟件系統為工作環境，不僅實現基

7、本的燒開水以及燒開后斷電功能，并且結合按鍵控制溫度的設定，可加熱冷水至指定溫度，蜂鳴器報警，隨后熱水壺斷電，同時液晶顯示屏顯示即時溫度。2.2 系統總設計框圖 初步確定電路系統由以下模塊組成，電路系統框圖如圖2-1所示。加熱裝置-繼電器 蜂鳴報警器液晶顯示- LM160L溫度檢測-DS18B20電源供電按鍵控制ST89C52RC單 片 機圖2-1 電路系統框圖2.3 主要模塊電路功能簡介1、單片機模塊 作為智能熱水壺設計的控制中心，單片機用于驅動整個熱水壺系統的運作，如液晶屏上的溫度顯示、接收傳感器中的溫度信號以及按鍵信號、LED上顯示溫度等2。2、溫度檢測模塊 周期性采集溫度信號，判斷是否達

8、到預設溫度，傳送至單片機內處理。3、液晶顯示模塊 顯示水壺內熱水的即時溫度，便于用戶隨時掌控溫度變化。4、控制按鍵模塊三個獨立按鍵組成一個獨立鍵盤，連接單片機的I/O端口，對單片機輸入控制信號，用于設溫加熱模式時控制設定溫度的加或減，以及單片機的啟動與停止。模式設定由一個獨立按鍵組成，當按下按鍵，液晶顯示屏右下角顯示“1”，即為燒開水模式；再次按下按鍵，液晶顯示屏右下角顯示“2”，即為設溫加熱模式；顯示“0”為停止加熱狀態。5、加熱裝置模塊 用于加熱水壺中的水，使水達到設定的溫度。6、蜂鳴器模塊 當冷水加熱到指定溫度時發出報警聲提示用戶。7、電源模塊 用于給整個設計系統提供電。2.4 外部配件

9、材料的選擇本熱水壺采用220V 200W的制式，水壺的選用優先考慮耐高溫的合金材料，繼電器連接加熱片來加熱壺底來實現燒水。在水壺底部和加熱片上都涂上一層導熱膠，使冷水受熱均勻、加熱的速度更快，減少等待時間。水壺蓋上開孔一個邊長約為40mm的方洞，便于放入測溫探頭、散去蒸汽，避免暴沸。第3章 硬件模塊電路設計3.1 硬件組成部分 確定了本次設計需要實現的功能后，針對燒開水、加熱冷水、顯示溫度的功能，設計的硬件部分主要由單片機模塊、溫度控制模塊、液晶顯示模塊、按鍵控制模塊構成。3.2 主要模塊電路設計3.2.1 單片機模塊相比于普通的微型計算機，單片機具有以下特點：體積小，結構簡單，控制能力強，可

10、靠性高，集成度高，抗干擾能力強，磁屏蔽能力強，適合在惡劣環境下工作，以及低電壓，低功耗，性價比較高，開發周期短等。其中，STC89C52是STC公司生產的一種CMOS8位微控制器。STC89C52使用MCS-51內核，但做了許多改進使芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單芯片上，由于靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash， STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供靈活、有效的解決方案3。STC89C52RC芯片如圖3-1所示。圖3-1 STC89C52RC芯片STC89C52單片機系統由單片機、時鐘電路、復位電路組成，其具有以下功能：8k字節Flash，512字節RAM， 32 位

11、I/O 口線，定時器，內置4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16 位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口。STC89C52 也可降至0Hz 靜態邏輯操作，支持2種軟件，還可選擇節電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選4。本次設計采用STC89C52RC型號單片機，且單片機采用內部時鐘方式，在MCS-51電路外接晶體以及電容C4和C5

12、組成并聯諧振電路且構成一個自激振蕩器，接在放大器的反饋回路中，向內部電路提供震蕩時鐘。在本次設計中晶體選擇1.2MHz頻率，而電容C4和C5的選擇為30pF的典型值。單片機中的復位電路采用上電自動復位和按鍵復位的方式。3.2.2 溫度控制模塊 比較熱電偶溫度傳感器，它的實現過程為：靠光敏電阻檢測光照的大小，光照的大小改變電阻的大小，再給電阻一個外加電壓，就改變了電壓的大小，再用轉換器件檢測電壓的變化并轉換為數字信號，隨后傳到單片機上作一定的處理后去控制相應的數碼管來顯示當時的溫度。而對DS18B20來說過程則簡單許多，熱電偶電阻傳感器一直到單片機之前的部分都可以用一個DS18B20來代替，從而

13、真正的實現了數字化5。 本設計系統采用的是DS18B20溫度傳感器，DS18B20是美國達拉斯公司生產的一款產品，是一線式數字化傳感器。工作電源可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生。低功耗、微型化、抗干擾能力很強，可根據實際要求通過簡單的編程實現數字讀數方式，便于與微處理器進行接口。電路簡單，實現起來比較容易,幾乎適用于所有類型的單片機。DS18B20內部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器。6DS18B20引腳圖以及內部系統框圖如圖3-2、3-3所示。圖3-2 DS18B20引腳圖圖3-3 DS18B20內部系統框圖3.2.3 液

14、晶顯示模塊 本次設計采用的液晶顯示屏為LM016L，除了PROTEUS中016沒有顯示調亮度的兩個端口，它與LCD1602具有相同的原理。它可以顯示兩行，每行16 個字符，因此可相當于32 個LED 數碼管，而且比數碼管顯示的信息還多。采用單+5V電源供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比7。在單片機系統中應用液晶顯示屏具有以下優點：顯示質量高、數字式接口、體積小、重量輕、功耗低，在嵌入式應用系統中得到越來越廣泛的應用。液晶顯示屏、LCD1602管腳分布圖如圖3-4、3-5所示。圖3-4 液晶顯示屏圖3-5 LCD1602管腳分布圖3.2.4 按鍵控制電路三個按鍵構成一個獨立鍵盤，

15、一端分別接單片機的P0.5、P0.6和P0.7口，另一端接地。通過單片機的掃描查詢，判斷按鍵是否按下，當沒有按鍵按下時，P0口輸入為高電平，反之則為低電平8。3.2.5 電源供電電路由于本設計的模塊都采用直流+5V供電，于是直接采用三端穩壓器供電，省去了復雜的電源變壓電路。再考慮到單片機和液晶顯示屏的功耗，使用電池供電比較費電，并且電流也達不到要求，所以也直接用三端穩壓器供電，電流大、電壓穩定。3.3 總系統電路 總系統電路原理圖以及PCB圖詳見附錄1。第四章 軟件模塊電路設計4.1 設計總體思路本設計采用51單片機系統固件，基于keil uVision4開發環境，使用C語言編寫程序9。程序需

16、要實現以下需求： 1、一般熱水壺都具有的燒開水功能。 2、指定溫度加熱冷水。切換模式后，按下加或減按鍵調節需要設定的溫度，到水溫到達指定溫度后熱水壺自動斷電。3、LM016L液晶顯示屏上顯示即時溫度、設定溫度以及工作模式。4.2 燒開水功能設計特點由于不同的地域氣壓差異，當溫度達到100度時，水不一定能燒開，甚至在海拔較高的地區水不能加熱到100度。于是本設計中相應的在溫度控制模塊中采用周期性采樣溫度的方式，每10s保存一次溫度值，通過每次的采樣進行比較進而尋找水溫的最大值，如果沒有更大的水溫值，則水達到沸點，若溫度穩定持續超過3分鐘，并且水溫超過80度，此時可判斷水燒開了，隨后熱水壺自動斷開

17、電源。程序執行采用定時器中斷方式，提高了系統的響應速度10。4.3 控制程序工作流圖 根據設計的思路和目標功能，確立了軟件的工作流圖。控制程序工作流圖如圖4-1所示。圖4-1 控制程序工作流圖4.4 系統主程序系統主程序代碼詳見附錄2。第5章 系統測試5.1 硬件部分測試本設計首先在Protel Altium Designer Summer 09軟件上繪制出原理圖，并且完成PCB的設計，之后送至電路板制版工廠完成主控雙面電路板的制作，自行動手完成元器件的焊接和測試。焊接過程需要謹慎認真的態度，先焊好主控芯片，最后焊接其它元器件，焊接結束后用萬用表歐姆檔對照原理圖進行電路檢測，檢測其導通情況以及

18、是否有短路或虛焊現象并及時修正。確保一切正常后，下載測試程序檢測主控核心板是否能正常工作，經檢測，主控核心板能達到預期的工作效果，可以作為本系統的主控部件。5.1.1 熱水壺功能測試 在水壺內盛上大約100ml的冷水，放置在涂上一層導熱膠的加熱板上，將1個DS18B20溫度傳感器探頭放進水中用于檢測實時溫度，再將程序下載至主控板內后接通電源，選擇“1”模式開始燒水，觀察并記錄如下：1.獨立按鍵設定工作模式，在液晶顯示屏上正常顯示實時水溫和工作模式。2.大約10分鐘后，水燒開，蜂鳴器報警，顯示屏上顯示“Boiling”，隨后斷電。重復測燒開水時的溫度和所用時間5次，得到的結果如表5-1所示：12

19、345開水溫度/度99.5199.4999.5299.5199.50所用時間9分58秒9分56秒9分58秒9分57秒9分58秒重新在水壺內盛上大約100ml的冷水，重復燒開水前的準備步驟，接通電源，按兩下模式按鍵，選擇“2”模式，起始水溫為26.41度，再通過溫度加減按鍵調節設定溫度，設定50度后，等待大約5分鐘后到達設定溫度，蜂鳴器報警，隨后斷電。重復測設定溫度50度時的實際斷電溫度和所用時間5次，得到的結果如表5-2所示：12345實際溫度/度51.2250.9951.1851.2351.21所用時間4分44秒4分40秒4分41秒4分42秒4分45秒5.1.2 系統誤差分析 分析整個測試過

20、程，總結出有幾點誤差： 1.溫度檢測引起的誤差。本設計溫度檢測中存在的誤差是在可以接受的范圍內的，由于DS18B20本身存在一定的系統誤差，以及檢測過程中溫度環境不均勻、水流滾動影響等因素，因此設計采用周期采樣溫度的方法測定溫度。 2.繼電器引起的誤差。隨著繼電器對電熱管的加熱，水溫升高，電流流經SSR減小，因此交流的負載增加干擾信號也就不足為奇，SSR誤導通。 3.電壓波動引起的誤差。5.2 軟件部分測試 本設計使用C語言在keil uvision開發環境下進行編程，該軟件兼容單片機C語言軟件開發系統，編譯過程中對于出錯的地方給出清楚的位置，方便開發者改進錯誤。在編程的基礎上，整個調試的工作

21、包括工程的建立和函數的調用，檢查包含的頭文件是否正確，分模塊檢查，根據設計的要求檢查初始化程序，以及優化程序結構。經過反復的測試后，確定系統能夠正常工作，系統功能得到了良好的實現，設計的軟件部分測試完成。5.3 結果分析 經過對系統的硬件以及軟件部分的反復測試，在兩種功能模式下，系統各模塊都能夠正常工作。總體來說，這些功能的實現達到了畢業設計題目上的要求，并且本設計的外形設計提高了安全性和靈活性，具有操作簡單、實用等特點。本設計的成本較低，便于進行工業生產，投入日常生活中使用，從這個角度來說，本設計具有一定的實用意義。結論通過硬件和軟件的設計，我制作了智能熱水壺，本次設計的各項目標功能都已實現

22、，包括用燒開水、按鍵設置溫度、指定溫度加熱冷水、達到設定溫度時自動斷電等。通過這次設計，自己努力學習、認真設計，從搜集資料、分析和確定方案，我學習到了電路板的制作與程序的編寫等操作技能，通過單片機編程和焊接電路板等實踐方面的學習積累了自己的動手經驗。在此期間，我充分的鍛煉了我的自學能力，明白了學習生活中要有不輕言放棄的毅力。同時也領悟到不要在乎作品完成得是否完美，重要的是自己所學的在實踐中如何應用以及怎樣應用到最好。本次設計的硬件模塊電路部分比較簡單，大部分熱水壺功能是由軟件程序實現。在編程過程中，我重新復習了許多匯編語言的編程技巧，最終編寫的程序更加靈活；另外我還學習了代碼的優化技巧，逐漸養

23、成了良好的編程習慣，寫出了高質量的程序代碼，為今后的學習工作打下了良好的基礎。致謝經過三個月的忙碌和工作，我的畢業設計已經接近尾聲。由于經驗的匱乏，本次畢業設計難免有許多考慮不周和制作不好的地方，如果沒有導師的指導與督促，以及一起制作設計的同學們支持，要去完成這個設計是難上加難的。在這里首先要感謝我的導師。她平日里工作繁多，但在我做畢業設計的過程中，從設計方案的確定和修改、中期檢查指導、后期完善修改、論文的規范修改等方面都給予了我耐心的指導。其次還要感謝所有幫助過我的老師，感謝電子工程學院所提供的實驗室，在焊接和調試電路時給我們帶來了極大的方便。在這里，我要再一次對我的導師以及電子工程學院的全

24、體老師們表示深深的謝意，在你們的支持與幫助下我順利的完成了此次畢業設計。參考文獻1中國行業研究網.電水壺發展的三大趨勢,2007.2吉林工程技術師范學院.智能水壺.2009.3周鵬.基于STC89C52單片機的溫度檢測系統設計.現代電子技術,2012.4STC89C51RC單片機官方技術資料STC官網5南京航空航天大學金城學院.一個單片機實現溫度傳感網絡并用數碼管顯示的設計,2013.6王歡,王忠慶,岳利維.基于STC89C52RC單片機的溫度報警系統的設計與實現. 晉城職業技術學院學報,2011.7趙亮.跟我學51單片機(七)LCD1602液晶顯示模塊.2011.8吉小輝,陳育中.電水壺自動

25、斷電控制器的研究與設計.電子設計工程,2013.9譚浩強.C語言程序設計(第二版).清華大學出版社，1999.10薛江玉,張鵬,冀鵬,宋玉倩.基于單片機的智能燒水壺,2011.附錄1 電路原理圖、PCB圖附錄2 系統主程序代碼【main.c】include #include STC89C52RC.h#include Lm016l.h#include DS18B20.h#define TIMER0TIMEH0x3C#define TIMER0TIMEL0xB0#define HEATON0#define HEATOFF1#define BUZZERON0#define BUZZEROFF1#de

26、fine SETTEMPUPLMT100#define SETTEMPDOWNLMT30sbit Buzzer = P37;sbit KeyMode = P05;sbit KeyUp = P06;sbit KeyDown = P07;sbit Heat = P36;/加熱控制sbit Reserve = P23;sbit BackLight = P43;/測試用sbit Test1 = P32;sbit Test2 = P33;sbit Test3 = P34;sbit Test4 = P35;/定義幾個全局變量unsigned char timeflag;int RlTemp;/這里定義為i

27、nt 比較時也用int型比較int svRlTemp;/保存一次溫度值int pvTemp;/前兩秒的溫度值int MaxTemp;/用于尋找最大溫度值/*/* 初始化定時器0 這里設置50ms定時/*void ConfigTimer0()TMOD |= 0x01;TH0 = TIMER0TIMEH; / TL0 = TIMER0TIMEL;ET0 = 1; /TR0 = 1; /EA = 1;void SysInit()InitLCDLm016l();InitDs18b20();ConfigTimer0();void delay(unsigned int x)unsigned int y;f

28、or(;x0;x-)for(y=110;y0;y-);/*void GetAndDisplay()stt = GetDs18b20Temperature(&temp);if(stt) WriteLm016lString(0,0,error);elseInteger2String(temp,str);WriteLm016lString(0,0,str);fttp = Ds18b20Convert2Temperature(temp);n = Float2String(fttp,2,str);WriteLm016lString(0,1,str);WriteLm016lChar(n,1,0x08);/

29、這里0x08為第一個自造字符*/unsigned int abs(int a, int b)unsigned int rlt;if(a = b) rlt = a - b;else rlt = b - a;return rlt;/*/* 判斷水是否開了/*unsigned char IsWaterBoiling()static unsigned char stb = 0;/if(abs(RlTemp,pvTemp) MaxTemp) MaxTemp = RlTemp; stb = 0; else stb +; /判斷if(stb = 120) & (RlTemp 1280) /如果溫度穩定持續超

30、過3min,并且水溫超過80度,則認為水開了stb = 0;return 1;else return 0;void BuzzerLight(unsigned char n)for(;n0;n-)Buzzer = BUZZERON;delay(50);Buzzer = BUZZEROFF;delay(30);/*/* 初始化定時器0 這里設置50ms定時/*void main()int temp;float fttp;unsigned char stt;unsigned char str16;unsigned char i,n;unsigned char mode;unsigned char s

31、ettp;int settpint;unsigned char blflag = 0;SysInit();/i=0;settp = 50;settpint = settp;settpint =10) /每10s保存一次溫度值i = 0;pvTemp = temp;svRlTemp = RlTemp;/這里不需要了RlTemp = temp;/顯示if(stt) WriteLm016lString(0,0,No Ds18b20);elsen = String2StringArray(T=0,str);fttp = Ds18b20Convert2Temperature(temp);n += Flo

32、at2String(fttp,2,&strn);strn = 0x08; n += 1;n += String2StringArray( 0,&strn);/清除后面字符WriteLm016lString(0,0,str);/WriteLm016lChar(n,0,0x08);/這里0x08為第一個自造字符/if(mode = 0x02)/顯示設定溫度值n = String2StringArray(Set=,str);n += Integer2String(settp,&strn);strn = 0x08; n += 1;n += String2StringArray( 0,&strn);/清

33、除后面字符WriteLm016lString(0,1,str);/WriteLm016lChar(n,1,0x08);/模式切換switch(mode)case 0x00:/關閉模式Heat = HEATOFF; Buzzer = BUZZEROFF;blflag = 0; MaxTemp = 0;break;case 0x01:/燒開水模式 if(timeflag & 0x02)/共用1s定時timeflag &= 0xfd;Test2 = Test2;if(blflag)/Buzzer = BUZZERON;Heat = HEATOFF;BuzzerLight(3);WriteLm016l

34、String(0,1,Boiling);elseHeat = HEATON;blflag = IsWaterBoiling();break;case 0x02:/指定加熱模式if(timeflag & 0x04)timeflag &= 0xfb;Test3 = Test3;if(RlTemp settpint)Heat = HEATOFF;/Buzzer = BUZZERON;BuzzerLight(3);elseHeat = HEATON;Buzzer = BUZZEROFF;break;default:mode = 0; break;/按鍵監測if(!KeyMode)delay(10);w

35、hile(!KeyMode);/等待釋放if(!stt)mode +;/如果18b20不存在 則不能切換模式if(mode 2) mode = 0;/String2StringArray( ,str);WriteLm016lString(0,1,str);/WriteLm016lChar(15,1,mode+0);if(!KeyUp)delay(10);while(!KeyUp);/等待釋放settp +;if(settp SETTEMPUPLMT) settp = SETTEMPDOWNLMT;settpint = settp;settpint = 4;if(!KeyDown)delay(10);while(!KeyDown);/等待釋放settp -;if(settp SETTEMPDOWNLMT) settp = SETTEMPUPLMT;settpint = settp;se