湖南人文科技学院毕业设计
第二章 总体设计
2.1 总体设计方案
电热水器控制系统的整体设计方案主要包括硬件设计方案和软件设计方案。硬件是指以AT89C52作为整个控制系统的核心，再外接温度信号采集电路、实时时钟电路、热水器加热控制开关、LED显示电路、键盘、复位与看门狗电路组成。根据本设计所需要的电热水器功能的需求，在节约开发成本、增加系统安全及可靠性、减小体积等原则下进行电热水器控制系统的硬件设计。其系统硬件框图如图2.1所示。
电 源 晶振电路 水温采集装置 微控制模块 AT89C52 设定功能电路 键 盘 加 热 复位电路 图2.1 系统硬件框图
LED显示电路 系统主要采用52单片机AT89C52作为整个控制系统的主控模块，利用AT89C52的引脚连接其他的外部电路。对于温度的测量根据其环境的特殊性，温度信号的采集主要由DS18B20直接对温度进行检测并把信息反馈到单片机进行显示控制；键盘主要是用来设定开机时间、设定热水温度、定时加热时间、校准时钟，因此需设定四个按键；而为了调高系统的性能，系统采用了看门狗复位电路；对于温度及实时时钟的显示选择以LED数码管作为LED显示电路。
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2.2 方案论证
对于电热水器来说，硬件系统是它的最基本的框架，是系统的所有功能的基础。硬件的选择和所选硬件的性能对系统的功能实现以及系统的精度都有直接的影响，系统的设计成功与否很大程度上取决于硬件系统的设汁与制作。而温度时整个热水器的一个核心，所以温度的采集至关重要，将影响温度的显示及自动报警灯模块，以下是就温度采集硬件部分的方案的比较。 方案一：
采用热电式传感器对温度进行采集；热电式传感器是将温度变化转化为电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。通常把被测温度的变化转换为敏感元件的电阻变化、电势的变化，再经过相应的测量电路输出电压或电流，然后由这些参数的变化来检测对象的温度变化。热敏电阻具有灵敏度高、体积小、较稳定、制作简单、寿命长、易于维护、动态特性好等优点。但有变化率非线性，不适合测量高温区等缺点。 方案二：
采用DS18B20进行温度的采集；DS18B20，直接将温度转换为数字信号传送给单片机。电路简单，采集数据精确，温度采集范围在－55℃～＋125℃，适合我们设计所需。
2.3 主要元器件的介绍
本毕业设计主要用的的元器件包含微控制模块（AT89C52）、数字温度传感器
(DS18B20)、LED数码管显示、固态继电器等，以下是对主要元器件的一个介绍： 2.3.1 微控制器模块
本系统主要是使用AT89C52现有的引脚连接外部的其它硬件电路，而由于对实时性和微控制器的处理速度要求不高，因此选择了具有低电压、高性能的AT89C52单片机。它是一个CMOS工艺的8位单片机，片内含有8KB的掩膜ROM和256个随机存取存储器（RAM）单元，8位的通用中央处理器（CPU）和闪速存储单元，并且与52系列的其它产品有很好的引脚兼容，因此是一种性价比较高的单片机。 AT89C52主要性能说明如下：32个I/O口线；片内有8KB闪速存储器，256B内部随机存取存储器RAM；3个16位定
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湖南人文科技学院毕业设计 时/计数器，用于实现定时或计数功能；中断系统为一个6向量两级中断结构；一个可编程全双工串行通信口；片内振荡器及时钟电路，全静态工作方式。具有全静态工作方式表明它不一定要求连续的时钟定时，在等待内部事件期间，时钟频率可降至0Hz的静态逻辑操作[1]。 AT89C52的功能引脚说明：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口；P1、P2、P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，其输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，而P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能；RST是复位输入；ALE/PROG是一个复用引脚，ALE是地址锁存允许，PROG是输入编程脉冲；PSEN是外部程序存储器的读选通信号；EA/VPP是外部访问允许；XTAL1是振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端；XTAL1是振荡器反相放大器的输出端。 2.3.2 数字温度传感器DS18B20介绍 DS18B20的主要特性：
1、适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电 。 2、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯 。
3、DS18B20由多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。 4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
5、温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃ 。
6、可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。
7、在9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。
8、测量结果直接输出数字温度信号，以”一 线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
9、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作。
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DS18B20工作原理 ：
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。如图2.2，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。计数器1对 低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重 新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即 为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
累加器
预 置 比较器 增加 温度寄存器 低温度系数振荡器 计数器1 高温度系数振荡器 计数器1=0 停止 2 计数器 计数器 2=0 图2.2 DS18B20测温原理框图
DS18B20的应用电路 ：
DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。下面就是DS18B20几个不同应用方式下的 测温电路图：
DS18B20寄生电源供电方式电路图 如下面所示，在寄生电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量：在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部 电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）
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湖南人文科技学院毕业设计 充电。
独特的寄生电源方式有三个好处：（1）进行远距离测温时，无需本地电源；（2）可以在没有常规电源的条件下读取ROM ；（3）电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温。
1、要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由 于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的 能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。
因此，图2.3电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。并 且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。
图2.3 寄生电源供电方式
2、DS18B20寄生电源强上拉供电方式电路图 改进的寄生电源供电方式如下面图5所示，为了使DS18B20在动态转换周期中获得足够的电流供应，当进行温度转换或拷贝到 E2存储器操作时，用MOSFET把I/O线直接拉到VCC就可提供足够的电流，在发出任何涉及到拷贝到E2存储器或启动温度转换的指令后，必须在最 多10μS内把I/O线转换到强上拉状态。在强上拉方式下可以解决电流供应不走的问题，因此也适合于多点测温应用，缺 点就是要多占用一根I/O口线进行强上拉切换。
3、DS18B20的外部电源供电方式 在外部电源供电方式下，工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证 转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空 ，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。
外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，
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