摘 要

电热水器在日常生活中使用较多，自动调节水温能带来更多的方便。本文研究了单片机控制的电热水器水温自动调节系统设计的有关问题。

本文按照高可靠性、实用性强、操作方便等设计原则，设计了合理的电热水器温控系统的结构：论文分析了系统设计要求和各项性能指标，探讨了各个元件的选择问题，提出了采用8位单片机89S51和DS18B20温度转换器构成温度采集系统的方案，较之采用16位的单片机和热敏电阻加A/D转换器的温度采集系统具有较高的性价比；为了提高温度控制精度，采用数字PID控制，可实现温度的连续可调；为了提高步进电机的抗干扰能力和驱动能力，设计中采用了施密特触发器和达林顿功率放大器作为步进电机驱动；为加强系统的安全性能，设计中还加入了看门狗和声光报警电路；最后，制作出了工程样板并进行硬件模拟调试。

实际调试结果显示硬件设计基本达到了要求的技术指标，对比分析可知此设备具有良好的应用前景。

关键词：单片机；温度转换；步进电机；DS18B20

ABSTRACT

The Electric water heater to use in their daily lives are more able to automatically adjust the water temperature is more convenient. In this paper, the MCU automatically adjust the temperature of the water heater system design issues

This paper design the system based on the principle of high reliability and suitable for reality use .It analyses the main request of the system and talk about how to choose the elements. The system is comprised of 8-bit singe chip microcomputer ATMEL89S51 and temperature translator chip DS18B20 according to the request of design. Compared to the choice of 16-bit singe microcomputer, A/D transform circuit and sensitive element, it has a high price-function ratio；In order to improve the accuracy, we choose the PID control math tic; for the same purpose, we used a good drive chip in the stepping motor control. The use of “Watchdog” chip is greatly salute the question of reliability.

The result of experiment suggest it accord to the main technique request. It must have a wide space of development.

Key words：Singe chip microcomputer；temperature translation；stepping motor；chip DS18B20

目　　录

第1章　绪论

1.1　选题意义

1.1.1　电热水器简介

以电作为能源进行加热的热水器通常称为电热水器。是与燃气热水器、太阳能热水器相并列的三大热水器之一。电热水器按储水方式可分为即热式和容积式（又称储水式或储热式）、速热式（又称半储水式）三种；容积式是电热水器的主要形式，按安装方式的不同，可进一步区分为立式、横式及落地式，按承压与否，又可区分为简易式（敞开式）和承压式（封闭式），按容积大小又可区分为大容积与小容积式。即热式电热水器一般需20、甚至30安培以上的电流，即开即热，水温恒定，制热效率高，安装空间小。内部低压处理的优质即热式电热水器，可以在安装的时候增加分流器，可为多个龙头供水，功率较高的产品安装在浴室，即能用于淋浴，也能用于洗漱，一般家庭使用节能又环保。根据市场的需求，即热式电热水器又进一步分化为淋浴型和厨用型（多称为小厨宝），即热式电热水器目前主要是奥特朗品牌，其他品牌市场份额很小。

1.1.2 电热水器的发展趋势

与其他国家相比，我国电热水器市场起步相对比较晚，强制执行能效标识技术也相对较晚，我国电热水器经过前些年高速发展，已经进入平稳发展的阶段，执行能效标识，对电热水器产业会有比较好的导向作用，也符合国家节能减排这一政策，据了解，与以前相比，电热水器产品的节能水平有了许多提高，在标准提出之前，只有一部分产品能够达到3级以上的标准。标准提出之后，达到一级能效要求的产品明显增多，可见，在能效标准实施之后，节能必将成为整个行业的重点。同时，电热水器节能标识制度实施，将促进电热水器行业节能技术的创新，此项标准为电热水器生产企业提供了国家能源政策信息，使企业有目标的去提高产品的节能技术，改进产品结构或者生产工艺，使产品能效在良好环境中逐步稳定提高，促进产品的更新换代。另外，电热水器能效标准也为进入电热水器行业的企业设置了门槛这对行业良性发展起到促进作用。一些不符合最低能效标准的产品，将被迫退出市场，或者进行技术革新。这样就会使厂家进行产品结构的调整，从而提高产品品质。能效标识实施，一方面有利于整个行业优胜劣汰的竞争，另一方面会加速家电产业从传统落后的生产模式向更科学、合理性的生产模式转变。大批量生产造价低，耗能高的低质产品传统生产模式将被淘汰，而绿色生产模式，则是企业发展的必然趋势

1.1.3 电热水器的工作原理

电热水器是用裸露的电热丝直接加热水，用可靠接地屏蔽泄漏电流入地解决安全问题，国外上世纪30——60年代使用较多。其特点是结构简单，成本低，寿命长。但是需要非常可靠的接地装置，非常专业的安装技术。 如果把它和现代的漏电保护技术结合，可能是解决即热式电热水器价格居高不下的有效途径。很纯净的水是绝缘体，但是自然界的水都含有盐类，是能够导电的。电极式热水器就是利用非纯净水的导电性，用两个有一定面积的、距离较近的电极置于被加热的水中，电流通过水体时发热而达到加热水的目的。这种方法产生的热量有限，不易控制调节，而且加热过程中易使水电解产生可能对人体有害的物质，所以并没有在热水器上得到应用。而有一种简易电熨斗，就是用这种方法加热的。

1.2 课题的主要研究内容

本论文主要进行电热水器硬件设计，本文将完成以下几个方面的工作：

（1）在了解电热水器结构的基础上，完成电热水器水温嵌入式调节控制系统的设计。

（2）分析实现该设计的各种芯片功能。

（3）掌握Protel99se使用，学会印刷电路板的制作。

（4）分析系统的性能要求，完成电路板制作和样品调试过程。

第2章 电热水器温度控制系统设计基础

2.1　系统的设计要点

电热水器控制器的设计主要考虑的要点是安全性、舒适性、操作方便性以及成本等因素。这些要点尤其是对控制器的应用软件设计提出了较强约束和严格要求。

（1）安全性：安全性是整个系统设计首先需要考虑的问题，虽然电热水器发展到今天可以认为基本解决了安全性的问题，但是诸如漏电、水温偏高导致烫伤等安全事故还是偶有发生，所以保证系统运行安全可靠是控制器设计的基本要求。要解决的安全性设计问题是避免生活水和采暖水水温偏高，要保证水温过高时控制器中断加热或停机报警。

（2）舒适性：舒适性即洗浴的舒适性，也就是要求对生活水出水温度进行良好的控制。温度控制是控制器设计的最重要的任务，控制器设计是否成功关键就是看它对出水温度的控制效果。

（3）操作方便性：控制器对使用者是不可见的，他只有通过控制器的人机接口将指令传达给系统。操作的方便性就是力求设计简便的流程来实现使用者设置工作方式、设置洗浴、采暖温度等操作，以达到双功能电热水器使用方便快捷的目的。

（4）成本：电热水器最终是要形成产品，进入千家万户使用。而成本是一个产品必须考虑的，尽可能在满足各方面要求的前提下降低成本是厂家追求的。作为整个产品的一部分，控制器也必须尽量压低成本，尽量做到用较小。

（5）功能要求：控制器的设计要体现出产品的智能化，除了要实现生活水出水温度控制以外，它还要具有如下功能：提供人机交互——用户可以设置出水温度；故障报警等等。

2.2　嵌入式系统设计原理

嵌入式系统一般由嵌入式微处理器为核心构成，实现对其它设备的控制、监视、管理等功能。在实际应用中，嵌入式系统更多是以单片机为核心组成。以单片机为核心的嵌入式系统具有功能强大，成本低廉等特点，已经被广泛应用于各领域中，也被应用于电热水器控制。如今，国内外多款电热水器产品也是选用的以单片机为核心的控制器。

电热水器是面向市场的产品，成本控制非常重要。以嵌入式系统构建电热水器控制器，相对于其它控制器实现方案在成本上具有非常大的优势，同时也能满足控制器在功能等其它方面的要求。此外，嵌入式设计理论经过长期发展已经比较成熟，形成了一套较完善的理论，该理论给双功能电热水器控制器的硬件、软件设计提供了指导，有利于控制器的顺利开发。

2.3　系统的性能指标

1．测温范围：0～99℃

因为被控参数是水，其工作状态始终是液态，所以其工作温度就是在0～99℃之间，两位LED数码管显示，其显示数值范围是0～99℃，代表温度范围是0～99℃。同时，根据多年总结的控制经验，当电热水器处于最佳工作状态时，最适合温度应该稳定工作在40℃左右。

2．设定温度

用户可以自行设定任何一个测量点的温度数值，数字小键盘输入、两位LED数码管显示，其显示数值范围是0～99，代表温度范围是0～99℃。

4．掉电数据保护和系统故障复位

利用硬件看门狗（watchdog）电路，具有掉电数据保护功能和系统故障复位功能。当系统突然失电时，可以利用硬件看门狗中的EEPROM数据储存器，将控制系统中的正在运算的数值和结果保存起来，当系统恢复供电后，单片机再从看门狗中读出这些数据，从而保证了系统中临时数据的安全。同时，当系统出现故障死机或者程序跑飞进入某个死循环后，可以利用看门狗电路向单片机发出复位信号，使系统重新开始运行。

5．报警功能

当温度测量数值偏离设定数值时，系统会自动报警，以提醒用户及时查明故障原因和解决问题。同时当温度调节到位也由蜂鸣器发声，告知用户温度调节完毕，实现智能化。

2.4 本章小结

本章主要分析电热水器系统组成和工作原理，分析温度控制对象，结合控制系统设计的要点和原理，提出了系统的性能指标并了解整个系统大概的研究方向和制作方法，为以后全面展开工作做好了准备。

第三章　硬件电路的设计

3.1　核心部件MPU AMETL89S51介绍

3.1.1 AMETL89S51概述

下图是MCS-51系列单片机的基本结构框图。

图3.1 单片机基本结构框图

在—小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分，每一片单片机包括；

（1）一个8位的微处理器CPU。

（2）片内数据存储器RAM（128B/256B），用以存放可以读/写的数据，加运算的中间结果、最终结果以及欲显尔的数据等。

（3）片内程序存储器ROM/EPROM（4KB/8KB），用以存放程序、一些原始数据和表格。但也有—些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031、8032、80C31等。

（4）四个8位并行I/O（输入/输出）接口P0—P3，每个口可以用作输入，也可以用作输出。

（5）两个或三个定时/计数器，每个定时/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可根据计数或定时的结果实现计算机控制。定时器T1还可以用来做通讯时的波特率发生器，这点将在后面进一步介绍。

（6）五个中断源的小断控制系统。

（7）一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，可实现单片机与单片机或其它微机之间串行通信。

（8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允许振荡频率为12MHz。

以上各个部分通过内部数据总线相连接。

3.1.2 AMETL89S51片内存储器

89S51片内有以ROM（程序存储器，只能读）和RAM（数据存储器，可读、可写）两类，它们有各自独大的存储地址中间，与一般微机的存储器配发方式很不相同．

（1） 程序存储器（ROM）

89S51及875l的片内程厅存储器容量为4K字节，地址从0000H开始，用于存放程序和表格数据常数。

（2） 数据存储器（RAM）

89S51/8751/8031片内数据存储器均为128字节，地址为00H～7FH，用于存放运算的中间结果、数据哲存以及数据缓冲等。

在这128字节的RAM中，有32个字节单元可指定为工作寄存器，这同一般微处理器不同。89S51的片内RAM和工作寄存器排在一个队列里统一编址。此外，89S51单片机内部中还有SP、DPTR、PCON、…、IE、IP等特殊功能寄存器，它们也同128字节RAM在一个队列里编址，地址80H～FFH。在这128字节RAM单元中有21个特殊功能寄存器（SFR），达些特殊功能寄存器还包括P0～P3门锁存器。

3.1.3 MCS-51单片机引脚及其功能

MSC-51系列中各种芯片的引脚是互相兼容的，如89S51、8751和8031均采用40引脚双列直插封装（DIP）方式。当然，个同芯片之间引脚功能也略有差异。89S51单片机是高性能单片机、因为受到引脚数日的限制，所以有不少引脚具有第二功能，其中有些功能是8751芯片所专有的，如图3.2所示。

图3.2 MCS-51引脚图

各引脚功能简要说明如下：

1.电源引脚Vcc和Vss

Vcc（40脚）：电源端，为十5V。

Vss（20脚）：接地端。

2.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2

XTAL2（18脚）；接外部晶体和微调电容的一端。在89S51片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外时钟脉冲。

要检查89S51/8031的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。

XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容的另一端。在片内它是振荡电路反相放大器的输入端，在采用外部时钟时，该引脚必须按地。

3.控制信号引脚RST、ALE、和

RST/ （9脚）：RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。RST引脚的第二功能是，即备用电源的输入端。当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，格十5V电源自动接入RST瑞，为RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不丢失，以使复电后能继续正常运行。

ALE/ （ADDRESS LATCH ENABLE/PROGRAMMING，30脚）：地址锁存允许信号端。当89S51上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。在CPU访问片外数据存储器时，每取指一次（一个机器周期）会丢失一个脉冲。

平时不访问片外存储器时，ALE端也以1/6的振荡频率固定输出正脉冲，因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。如果你想看一下805l／803l芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出，如有脉冲信号输出，则89S51／8031基本上是好的。

／（31脚）：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当引脚接高电平时，CPU只访问片内EPROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令，但在PC的（程序计数器）值超过OFFFH（对8751/89S51为4K）时，将自动转向执行片外程序存储器内的程序。一般通过一个1K左右的电阻接入高电平。当输入信号引脚接低电平（接地）时，CPU只访问外部EPROM／RDM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。对于无片内ROM的8031或8032，须外扩EPROM，此时必须将引脚按地。如使用有片内ROM的89S51，外扩EPROM也是可以的，但也要使接地。

此引脚的第二功能，是对8751片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压（一般21V）输入端。

3.1.4　单片机振荡电路

89S51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器及输入端为XTALl，输出端为XTAL2，分别为89S51的引脚19和18。在XTALl和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就构成了稳定的自激振荡器，见图3.3。

图3.3 振荡电路

电容器C1和C2通常都取20pF左右，对振荡频率有微调作用。振荡频率范围是1.2～12MHz。在本系统中晶振选为12MHz,电容选用33PF。

3.1.5 复位及复位电路

1.复位操作

复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需按复位键重新启动。除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，比如P0～P3寄存器，复位后都变成高电平。还有一些其他特殊的寄存器复位后都变成低电平。

2.复位电路

复位电路操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。在系统中，我们用了上电自动复位。下面上电自动复位的原 理简单介绍，按键手动复位这在不再讲述。复位电路图如左图

上电瞬间，RST端的电位与相同，随着充电电流的减小，RST端的电位逐渐下降，只要在RST处有时间足够长的阈值以上纳电压时就能可靠复位。

复位电路虽然很简单，但其作用非常重要。一个单片机系统能否正常运行，首先要检查是否能复位成功，初步检查可用示波器探头监视RST引脚，上点后观察是否有足够幅度的波形输出（瞬时的）。在系统的调试过程中，就遇到过复位电路带来的问题，所以说复位电路运行的好坏对单片机硬件电路的调试很重要。

3.2　系统硬件总体设计

电热水器温度控制系统硬件部分按核心处理器、外围电路和外部设备三部分来进行设计。核心处理器选用 ATMEL 公司生产的 89S51系列单片机，该单片机功能强大，资源丰富，运算速度快，满足我们温度控制系统的设计需要。外围电路设计必要的电源电路，复位电路等。外部设备分为几个部分加以设计：键盘输入电路、数码管显示电路，温度采样电路、外部看门狗电路及蜂鸣器报警电路、步进电机驱动电路。系统设计了一路模拟量转数字量输入（热水器出水口温度）；三开关量输入（温度加一信号、温度减一信号、确定输入信号）；数码管显示部分由两位10进制数码显示，显示范围为0～99度。控制器硬件结构电路原理如图 3.4 所示。

图3.4 硬件结构原理图

3.3　键盘输入电路的设计

由于本系统要求的输入，仅为用户预设的两位温度值，故所需要的键数比较少，用3个单键（加一，减一，确定）即可。可以用单片机的五个中断源中的三个进行设计，也可以用中断扩展进行设计。由于单片机引脚有限，在设计初期还不能确定是否有多出来的资源供使用，还有考虑到键盘响应的及时性和单片机运行的效率，所以本系统采用中断扩展控制方式，即三个单键先分别与三个I/O口相连，然后再通过与门连接到单片机外部中断0接口。其电路图如图3.5所示。

3.5 键盘输入电路

3.4 温度检测电路的设计

3.4.1 采用热敏电阻

采用温度传感器铂电阻Pt1000。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化

性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。在0—100摄氏度时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。铂热电阻与温度关系是，Rt = R0（1+At+Bt×t）；其中Rt是温度为t摄氏度时的电阻；R0是温度为0摄氏度时的电阻；t为任意温度值，A，B为温度系数。通过运算放大器将信号放大，然后输入AD转换器，这样就把模拟信号转换为数字信号了，电路原理图如图3.6所示。

图3.6 热敏电阻测温电路

3.4.2 采用集成温度传感器

采用集成器件DS18B20，DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。

1.DS18B20的内部结构

DS18B20内部结构如图3.7所示，主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图3.8所示，DQ为数字信号输入／输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。

图3.7 DS18B20的内部结构

ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排的循环冗余校验码。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

图3.8 DS18B20的管脚排列

DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。例如＋125℃的数字输出为07D0H，＋25.0625℃的数字输出为0191H，－25.0625℃的数字输出为FF6FH，－55℃的数字输出为FC90H。

温度值低字节LSB

温度值高字节MSB

图3.9 温度值转换关系

高低温报警触发器TH和TL、配置寄存器均由一个字节的EEPROM组成，使用一个存储器功能命令可对TH、TL或配置寄存器写入。其中配置寄存器的格式如下：

R1、R0决定温度转换的精度位数：R1R0=“00”，9位精度，最大转换时间为93.75ms；R1R0=“01”，10位精度，最大转换时间为187.5ms；R1R0=“10”，11位精度，最大转换时间为375ms；R1R0=“11”，12位精度，最大转换时间为750ms；未编程时默认为12位精度。

2. DS18B20的存储器

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。

高速暂存器是一个9字节的存储器。开始两个字节包含被测温度的数字量信息；第3、4、5字节分别是TH、TL、配置寄存器的临时拷贝，每一次上电复位时被刷新；第6、7、8字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出

的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。

表3.1　DS18B20暂存寄存器分布

该字节各位的意义如下：

TM R1 R0 1 1 1 1 1

低五位一直都是1 ，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如表3.2所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）

表3.2　分辨率设置表

3.DS18B20和89S51的接口

图3.10以MCS－51系列单片机为例，画出了DS18B20与微处理器的典型连接。图3.10（a）中DS18B20采用寄生电源方式，其VDD和GND端均接地，图3.10（b）中DS18B20采用外接电源方式，其VDD端用3V～5。

5V电源供电。其电路结构如下。

（a）寄生电源工作方式

（b）外接电源工作方式

图3.10 DS18B20与微处理器的典型连接图

考虑到本系统温度测量的范围，测量精度，系统稳定性以及成本等因素，本系统选用集成电路数字测温芯片DS18B20来完成温度测量以及温度值A/D转换的功能。

3.5　数码显示电路的设计

3.5.1 采用移位寄存器74LS164

显示部分主要由串入并出移位寄存器74LS164和数码管等组成，其原理组成框图见图3.11所示。

它共有四个接线端子，均有主板提供，74LS164为8位串入并出移位寄存器，它将串行输入的数据由各触发器输出端并行输出。在时钟脉冲上升沿

图3.11 移位寄存器数码显示电路

作用下将已存入的数据右移一次，通过软件控制显示出来。该方案的特点是仅使用单片机的串行通信接口，占用单片机硬件资源少，需要用软件弥补。

3.5.2 采用单片机P0口直接驱动

本设计驱动电路电路原理图如图3.12所示。系统使用共阴极两位数码

图3.12 P0口直接驱动数码显示电路

管，使用单片机的P0口作为段选，P2.0、P2.1作为位选。使用2N5401 PNP型小功率三极管做功率放大以驱动数码管，该方案结构简单可靠，使用上拉电阻，驱动能力强，成本低，故本设计使用该方案，电路原理图如图3.12所示。

3.6 步进电机及其驱动电路的设计

由于我们所设计的系统主要在浴室中使用，负载较小，其次电源比油源和气源使用方便的原因，以及为了降低制造及控制成本，综合考虑以上各种驱动方式的优缺点，所以我们采用了步进电机作为驱动单元。步进电机驱动的优点是：步进电机的步距角不受供电电压波动及环境变化的影响。执行机构的运行速度随脉冲频率变化而改变，当脉冲频率不变时步进电机即保持恒速运行（步进电机不丢步的情况下）。步进电机的某一相保持通电状态，电磁转矩将转子锁定，起自锁作用，无需专设制动器。

3.6.1　步进电机驱动的特点

步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移（或线位移）的机电元件。对这种电机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步：脉冲数增加，角位移（或线位移）就随之增加，脉冲频率高，则步进电机旋转速度就高，反之就低；分配脉冲的相序改变后，步进电机的转向则随之而变。步进电机的运动状态和通常匀速旋转的电动机有一定的差别，它是步进形式的运动，故也称其为步进电动机。

步进电机有其独特的优点，归纳起来主要有：

1）步距值不受各种干扰因素的影响。简而言之，转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率，而转子运动的总位移量取决于总的脉冲个数。

2）位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期积累。因此可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以在要求更高精度时组成闭环控制系统。

3）可以用数字信号直接进行开环控制，整个结构简单廉价。

4）无刷，电动机本体部件少，可靠性高。

5）控制性能好。起动、停车、反转及其他运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢步。

6）停止时有自锁能力。

7）步距角选择范围大，可在几角分至180“大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在超低速下高转距稳定的运行。

3.6.2　步进电机的主要参数及性能指标

1.相数m

电器上独立成系统而存在的回路个数即是相数。步进电机的相数可以为

任意数，通常m为2， 3， 4， 5， 6等。

2.步距角

在不带任何减速装置的情况下，输入一个脉冲信号，步进电机所转过的机械角位移即步距角。

3.距角特性

步进电机静转矩和失调角的关系称为矩角特性。静转矩是指步进电机转子静止时，控制绕组通以直流电，由失调角（定转子齿中心线间夹角）的存在而引起的电磁转矩。当绕组内电流不变时，静转矩随失调角在一个齿距角范围内变化一个周期，在近似分析中视距角特性为正弦曲线。

4.最大静转矩

即距角特性上最大电磁转矩值。它的值取决于绕组内电流的值及通电相数。

3.6.3　步进电机的选用

任何一个控制系统的控制效果，最终取决于执行机构的选择。所以，执行机构的选择是一个不容忽略的问题。

由于本系统中，步进电机直接带动控制面板上的火力控制旋钮，从而间接控制燃气量调节阀的开度，以达到控制水温的效果。对步进电机只有扭矩上的要求和经济型以及控制性能方面的要求。所以电机的选择相对教容易，在本设计中，选用的步进电机为KHP35F2001。

该电机的主要技术参数如下：

驱动电压： 12V

步距角 ： 1.8°

3.6.4　步进电机的驱动电路的设计

步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备—步进电机控制驱动系统。典型步进电机控制驱动系统如图3.13所示。

图3.13 典型步进电机控制驱动控制系统框图

变频信号源是一个脉冲频率从几赫到几十千赫可以连续变化的信号发生器，它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是把来自控制环

环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大驱动步进电机的转动。环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环分器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称为硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的。

本课题所设计的步进电机控制驱动电路主要由AT89S51单片机、集成施密特触发器74HC14，功率驱动芯片ULN2003A组成，如图3.14所示。

使用此驱动电路的工作原理为由软件做脉冲分配器，通过单片机的P1口输出控制字，P1口内置有上拉电阻，驱动能力较强。P1口输出的信号经过施密特触发器，使再电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电

压波形的边沿变得很陡，从而消除干扰，使系统反应迅速。施密特触发器出

来的信号经过ULN2003放大后驱动步进电机工作。

图3.14 步进电机驱动电路

1.ULN2003A介绍

美国Sprague公司生产的ULN2003A由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。以下介绍该电路的构成、性能特征、电参数以及典型应用。

ULN2003电路具有以下特点：

　　●电流增益高（大于1000）；

　　●带负载能力强（输出电流大于500mA）；

　　●温度范围宽（－40～85℃）；

　　●工作电压高（大于50V）。

ULN2003电路主要用于如下领域：

　　●伺服电机；

　　●步进电机；

　　●电磁阀；

●可控照明灯。

管脚排列：

ULN2003A电路的管脚排列如图3.15所示，图3.16为其原理和引脚功能图。

图3.15 ULN2003管脚排列

图3.16 ULN2003内部功能

ULN2003A型高压大电流达林顿晶体管阵列电路的输入脉冲占空比、输出的路数与输出电流的关系曲线如图3.17所示，从图3.17可以看出，随着

图3.17 占空比与输出电流、输出路数的关系曲线

图3.18　ULN2003输入与输出曲线

输入脉冲的占空比以及输出路数的增加，允许的输出电流随之降低，也就是说：电路的输出路数的增加将导致电路的驱动能力下降。

图3.18所示为ULN2003A电路输出电流IC、输出电压VCE和输入电流II三者之间的关系曲线，从图3.18可以看出，随着输入电流的增加，输出电压随之降低，而随着输出电流的增加，输出电压也随之增加。

3.7　系统的安全性研究

3.7.1 系统硬件设计中安全性问题的解决

在单片机测控系统的设计中，其硬件可靠性设计应该考虑以下几个方面：

1.元器件的选择

系统的可靠性是建立在系统中各个组成元器件的可靠性基础上的，所以，在选择元器件时，应该参照以下几个原则进行：

（1）充分分析系统的功能需求，根据系统所要达到的性能要求来合理选择半导体器件；

（2）由于电热水器内部的腐蚀和振动等不利条件，应该选择温漂小、独立封装、稳定性好的元器件；

（3）减少焊点数量可降低接触不良、短路等故障，因此，应该尽量选用集成度高的电路，减少使用分立元器件。

2.采用硬件“看门狗”电路设计

“看门狗”电路（Watch dog，其功能是当系统出现死机或程序跑飞进入某个死循环后，由该电路向CPU（控制器）发出复位信号，使系统重新开始运行。同时，还可以利用IMP813L中的4096位串行EEPROM来存储报警上、下限，以及掉电状态下单。片机的临时数据等。而在程序正常运行时，由CPU向看门狗发出一个复位信号，使看门狗电路复位端保持无效状态。图5-1为我们在系统设计中应用的IMP813L实现的AT89C51系列单片机系统的看门狗电路。IMP813L是美国IMP 公司的一种串行通讯的EEPRGM数据储存器，同时兼有看门狗和电压监测功能。IMP813L的复位输出高电平信号，正好与AT89C51系列单片机的复位电平吻合，复位输出端直接与MCS-51系列的复位端连接。

在系统运行正常情况下，CPU在一个预先设定的时间间隔内向看门狗发出一个高电平信号，清除看门狗电路中的复位输出端。如果到达规定的时间没有此高电平信号，则可以断定系统死机或进入某个死循环，此时由IMP813的复位端输出高电平信号，重新启动单片机开始工作，从而保证系统能够稳定运行。看门狗与单片机连接图如图3.19所示：

图3.19 看门狗电路与单片机的连接

3.7.2 安全报警电路

作为将应用于实际生活的产品，除了舒适性和方便性以外，安全问题是我们必须考虑的首要问题。系统的安全电路设计如图3.20所示。

图3.20 安全报警电路

在本系统的设计中，为了保障洗浴的安全性，采取了一系列的安全报警措施。主要有出水温度越限报警，键盘输入温度越限报警以及传感器故障报警等，当温度越限时，通过P3.3口控制蜂鸣器工作，蜂鸣器使用3V工作电压，通过2N5551 NPN型小功率三极管驱动，二极管构成低电平回路，这样能够使蜂鸣器工作再边沿触发方式。

3.8 本章小结

本章主要介绍了本系统各个功能部分的设计。首先，以单片机为核心部件，分别设计了键盘电路，温度检测电路，数码管显示电路，步进电机驱动电路以及安全报警电路。键盘电路采用单片机中断扩展的方法实现中断控制；温度检测电路采用高精度的DS18B20集成芯片，该芯片体积小，单芯片设计， 性能可靠，避免了多部件造成系统的复杂，中间的一个部件出现故障就会造成整个系统的瘫痪；数码管显示部分采用两位共阴极8段数码管，通过单片机I/O口直接驱动；步进电机采用型号为KHP35F2001的两相步进电机，驱动电路由集成施密特触发器与达林顿功率放大器构成；安全报警电路由发光二极管和蜂鸣器提供声光报警。

第四章　硬件电路的搭建以及产品样板的制作

4.1　Protel99SE概述

澳大利亚Protel Technology公司1999年推出了全32位软件Protel99SE， Protel99SE功能强大，将电路原理图编辑，电路功能仿真测试，PLD设计及印刷电路板设计等功能融合在一起，从而实现了电子设计自动化。 Protel99SE具有Windows应用程序的一切特性，在Protel99SE中，引入了操作对象属性概念，使所有对象（如连线，元件，I/O端口，网络标号，焊盘，过孔等）具有相同或相似的操作方式，实现了电子线路CAD软件所期望的简单，方便，易学，实用，高效的操作要求。

Protel99SE具有如下特点：

（1）将电原理图编辑（Schematic Edit），印刷电路板设计（PCB），可编程逻辑器件PLD设计，自动步线（Route），电路模拟/仿真（Sim）等功能有机的结合在一起，是真正意义上的EDA软件，智能化，智能化程度高。

（2）支持从上到下或由下到上的层次电路设计，使Protel99SE能够完成大型，复杂的电路设计。

（3）当电原理图中的元件来自电原理库时，可以直接对电原理图中的电路进行仿真和测试。

（4）提供ERC（电器法则检查）和DRC（设计规则检查），最大限度的减少设计误差。

（5）库元件的管理，编辑功能完善，操作非常方便。通过基本的作图工具，即可完成原理图用元件电气图形符号以及PCB用元件封装图形的编辑，制作。

（6）全面兼容TANGO及Protel for DOS，即可在Protel98中可以使用，编辑TANGO或低版本Protel建立的文件，并提供了与OrCAD格式文件转换功能。

（7） Schematic和PCB之间具有动态链接功能，保证了原理图与印刷板的一致性，以便相互检查，校验。

（8）具有连续操作功能，可以快速地放置同类型元件，连线等。

4.2 电路原理图的编辑

电原理图的编辑时电子线路设计的基础，因为从电原理图编辑器中提取的网络表文件是印刷板设计过程中自动布局，自动布线的依据，同时原理图也是电路性能仿真测试的前提。本节将简要介绍一下本文系统设计的电原理图的编辑过程。

4.2.1 元件放置及连线操作

原理图中元件的电气图形符号存放在不同的元件电气图形库文件中，因此绘制原理图的第一步就是确定将放置的元件的电气图形符号存放在哪一个元件电气图形库文件中，然后将元件电气图形符号库添加到元件库列表中，再从元件库列表中选择相应的元件库作为当前元件库，从当前元件库中选择需要的元件电气图形符号到编辑区内，即可完成元件电气图形符号的放置。

放置好所需元件及完成位置调整后，就可以对元件进行连线，设置电气节点，电源及地线符号等操作。

连线过程中必须注意以下一些问题：

（1）只有画线工具栏内的导线工具具有电气连接的功能，而画图工具栏内的直线，曲线等均不具有电气特性，不能用于表示元件引脚之间的电气连接关系。

（2）从元件引脚的端点开始连线，不要从元件引脚，导线的中部连线。

（3）元件引脚之间最好用一根完整的导线连接，尽量不使用多段完成元件引脚之间的连线，否则可能造成无法连接的现象。

（4）连线不要重叠，尤其是当 自动放置节点 功能处于关闭状态时，重叠的导线在原理图上不易发现，但它们彼此之间并没有连接在一起。

在本设计中打开应用软件后新建一个”毕业设计。DDB”的文件，所有的文件都在这个文件里面，然后新建一个SCH文件来画电路原理图，按照先大后小的原则放置元件，元件放置完毕后做完连线等工作后得到电路原理图

4.2.2　元件电气图形符号编辑与创建

在原理图编辑过程中由于各种原因，可能需要修改已有元件的电气图形符号或创建新元件的电气图形符号。

在Protel99SE中修改，创建元件电气图形符号非常容易，方便，在电气图形符号编辑器SchLib窗口内，通过画图工具即可绘制出元件电气图形符号的外形，添加引脚后即可获得元件的电气图形符号。既可以在原有元件库内增加新元件的电气图形符号，也可以创建新元件库。

本设计中使用的集成芯片比较多，而且大多数芯片在原有的元件库中都找不到，需要创建。按照步骤，绘制完毕后的集成施密特触发器74HC14和功率器件ULN2003A电气图形符号如下图所示。

图4.1 74HC14元件图

图4.2 ULN2003元件图

4.3 印刷电路板的设计

在完成了电路原理图的编辑后，就应该进行PCB编辑了。

印刷电路板（PCB）编辑，设计是电子产品设计过程中的关键环节之一。电子产品的功能由电原理图决定，但电子产品的许多性能指标，如稳定性，可靠性，抗震强度等不仅与原理图设计，元器件品质，生产工艺有关，而且在很大程度上取决于印刷电路板的布局，布线是否合理。在电路图和元器件相同的条件下，印刷电路板的设计是否合理将直接影响到产品的稳定性和可靠性。编辑原理图的目的也是为了能够使用计算机进行印刷板设计，因此在电子线路设计中，印刷板的设计才是最终目的。

4.3.1　印刷板设计基础

印刷板也成为印制线路板或印刷电路板，通过印制板上的印制导线，焊盘及金属化过孔实现元器件引脚之间的电气连接。由于印刷板上的导电图形以及说明性文字等均通过印刷方法实现，因此成为印刷电路板。

印刷板根据导电层数的不同可以分为单面电路板，双面电路板和多面电路板；根据覆铜板基底材料的不同，又可以分为纸质覆铜箔层压板和玻璃布覆铜箔层压板两大类。此外，采用挠性塑料做基底的印刷板称为挠性印刷板，常用做印刷电缆。

印刷电路板的基底材料是粘结树脂，主要有酚醛树脂，环氧树脂和聚四氟乙烯树脂三种。酚醛树脂主要用于制作收音机，电视机等设备的印刷电路板，其特点是成本。环氧树脂是目前应用最广泛的材料之一，它具有良好的电气和机械性能，耐热，尺寸稳定性好，可在较高温度下使用。聚四氟乙烯树脂由于其介电性能好，耐高温，耐潮湿，耐酸碱，是制作高频，微波电子设备印刷电路板的理想材料，只是价格较高。

4.3.2 Protel99se PCB的基本设计流程

为了便于理解PCB编辑器的基本概念，本节将以手工设计电路的印刷电路板为例，简要介绍Protel99se PCB印刷板编辑器的基本设计流程。

在Protel99se中进行印刷板设计的基本操作流程如下：

（1）编辑原理图。在编辑原理图的过程中，必须确定并给出每一个元件的封装形式，且原理图中IC芯片去藕电容必须连接到与IC芯片电源引脚标号一致的网络上。

（2）执行原理图编辑窗口内的Design菜单下的 Update PCB命令，生成相应的PCB文件，即在Protel99中，不必通过网络表文件实现原理图与PCB之间的连接。

（3）确定电路板结构，即根据电路连线的复杂程度，选择电路板的层数是单面板，双面板还是多面板。

（4）设置Protel99se PCB编辑器的工作参数。根据电路板的层数，打开/关闭工作层，设置可视栅格的大小及形状，以及工作层的颜色。

（5）根据元件数目的多少，体积的大小以及走线的复杂程度，初步确定电路板尺寸；根据安装位置，确定印刷电路板的形状以及固定螺丝孔数目，位置。在次基础上，根据元件布局基本规则，大致确定各主要元器件的安装位置以及安装方式。

（6）在禁止布线层上，用 Placement Tools 窗内的导线工具画出印刷电路板的布线区。

（7）将元件封装图一一移到禁止布线区内，完成元件预布局。

（8）布线前确定元件的最终位置。将元件的引脚焊盘对准格点，以方便自动布线以及自动布线后的手工修改。

（9）定义自动布线规则，如导线图形最小间距，印制导线最小宽度，布线层及走线方向等。

（10）预布线，对由特殊要求的印制导线，如电源线，地线，容易受干扰的信号线等线预布线，以便获得良好的自动布线效果。

（11）自动布线。使用CAD软件进行PCB设计的目的就是利用其自动布线功能，提高工作效率。Protel99se中的PCB编辑器自动布线效果较好，如布通率高，速度快。

（12）自动布线后的手动修改。自动布线后，一般均需要手动修改，以提高印刷板的可靠性。

（13）进行设计规则检查，找出并纠正不满足设计要求的连线。

（14）编辑印丝层上的元件序号，注释信息等字体及大小，调整其位置。

依照以上流程，可以给出燃气热水器水温自动调节系统的PCB板设计，其最终设计图如图4.3所示。

4.4 硬件电路搭建及调试

到上一节为止，所有的前期工作都已经完成，剩下的唯一任务就是产品样板的制作以及调试了。首先焊接的是核心器件89S51，各芯片使用插座式焊接，这样可以放置在焊接过程中静电损坏器件，各元件之间使用防火导线连接，由于需要连接的线太多，焊接的时候是一个接一个焊接，以防出错，

图4.3 电路原理图

焊接完成后用万用表测量输入端电阻，从而确定是否有虚焊或者是短路的地方。考虑到制作成本的因素，本样品制作使用用万用板制作了产品样板，实物效果是一样的。

测量单片机各点电压，以确定程序是否正常运行。由于实验条件的限制，调试的结果能反应出设计的思想，你要通过实际环境的调试获得各种参数后能满足实际系统的应用要求机内烧入相应的控制软件程序后，就可以对系统进行相关的调试了。调试过程是调试子程序，然后再把各个功能的子程序连接起来，调试过程中用万用表测量了各个点的。正常运行时的系统如图4.4所示。

4.5 本章小结

本章自行设计了软件中未提供的元器件电气图形符号，主要介绍了用Protel99se绘制电路原理图和印刷电路板的有关内容，并根据电路原理图搭建了硬件电路。解决了在硬件电路搭建和调试过程中遇到的问题。

结　　论

本论文主要研究工作是对电热水器水温自动调节系统硬件进行设计。这套系统可以利用单片机控制步进电机对电热水器出水阀门进行调节，从而调节水温，还利用温度传感器将温度信息通过数码管显示出来。这套电热水器水温自动调节系统可以很好的改善传统的机械式热水器存在的反应慢、难调节、使用不方便等问题，为电热水器水温调节提供了一种实用而且可行的方案。

论文分析了系统设计要求和各项性能指标，探讨了各个元件的选择问题，提出了采用8位单片机89S51和DS18B20温度转换器构成温度采集系统的方案，解决了可靠性保障等问题，搭建了硬件电路，完成了调试工作。

在本论文的设计与研究中，考虑到电路的实现和成本的问题，系统的电路板采用万能板自行制作。这种电路板在系统调试中，可以很好的完成温度的检测显示和步进电机的驱动。

系统的工作原理是通过温度检测到的信号和键盘输入信号进行比较，由单片机控制步进电机转动。从系统调试过程来看，本论文的设计可以满足系统对温度检测、数码管显示、步进电机驱动的要求，并让步进电机按照程序工作，说明设计是成功的。但由于仅仅对产品样板进行了调试，由于时间紧迫和各种条件的限制，没有在实际的电热水器上面进行调试，因而该设计还有许多需要修改完善的地方。

通过对本系统的设计，我巩固了以前学过的专业知识，并将其灵活运用于实际系统的分析与设计，加深了对理论的认识，同时我也学习了许多在以前没有学过的知识。

在设计和调试过程中，培养了我独立思考、团队合作、严谨务实的作风，提高了发现问题、解决问题的能力，这些都将成为我今后学习和工作的宝贵财富，同时也让我感觉到团队的合作才能获得最大的成功。

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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/f4ee7f1352d380eb62946d80.html