基于单片机控制的热水供应系统的设计

李玉兰

摘要：目前，商场酒店企业等大中型公共建筑中集中热水供应系统在集中供应冷热水混合水温控制中存在很多问题。针对现有问题，结合现有单片机实训考核装置，本文在单片机控制的基础上分析了热水供应系统的硬件和软件，进行了热水供应系统的设计，来避免供水水温忽冷忽热，以实现节约用水、降低成本、减少污染的目的。

关键词：单片机 热水供应系统 物料搬运

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）12-0009-02

Abstract：At present， the central hot water supply system in large and medium sized public buildings， such as Arcades Hotel， has a lot of problems in the centralized supply of cold and hot water temperature control. In view of the existing problems， the author design the use of single-chip hot water supply system， to avoid the temperature of supply water to water conservation sometimes hot and sometimes cold， achieving the purpose of saving water、 reducing costs and reducing pollution.

Key Words：single chip microcomputer；hot water supply syste；materials handling

目前，商场酒店企业等大中型公共建筑中集中热水供应系统在集中供应冷热水混合水温控制中存在很多问题。利用单片机进行热水供应系统的设计，可以避免供水水温忽冷忽热，以实现节约用水、降低成本、减少污染的目的。结合现有设备情况，选用YL-236型单片机实训考核装置来完成单片机控制的热水供应系统的设计。

1 单片机控制的热水供应系统的需求分析整体方案设计

单片机控制的热水供应系統主要由3个子系统来组成：加热系统、控制系统和用水计量系统。为了保证整个热水供应系统能够正常工作，单片机控制的热水供应系统要满足人们日常生活对热水的需求分析，从而确定每个子系统所要完成的基本功能，如下所述：

（1）加热系统：能根据需要添加燃料将室温的自来水加热，使加热水温度的变化范围在20-50℃内变化。

（2）用水计量系统：根据各个水管出口处的水表，来计量出相应的用水量，水量传感器的电压与储水量之间的对应关系如下图所示。

（3）控制系统：能够对整个热水供应系统进行控制。能够控制自来水加热的开始、暂停或继续，能够控制加热温度的调节。

2 单片机控制的热水供应系统的硬件分析

根据对本系统的功能分析确定，本文所设计的单片机控制的热水供应系统基于YL-236型单片机实训装置所需要的模块如图1所示。

2.1 电源模块

电源模块的作用主要是控制系统电源通断，用纽子开关来实现。纽子开关手柄向上为“打开”，向下为“关断”。电源模块工作正常相对应的电源指示灯就会亮。在内部电源指示灯就是一个发光二极管，当电源接通，发光二极管正向导通会发光，否则会熄灭。

2.2 MCU01主机模块

在主机模块中使用的单片机是AT89C51单片机。AT89C51单片机的管脚图和内部结构图如图2所示。它是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

2.3 MCU04显示模块

显示模块的显示方式有LED灯显示、数码管显示、液晶屏显示和点阵显示屏，根据设计要求选择LED灯显示、数码管显示和液晶显示模块做为本设计的显示模块。

2.3.1 LED灯显示模块

LED灯显示模块在内部就是一个发光二极管指示灯，当电源接通，发光二极管正向导通会发光，否则会熄灭。根据本设计任务要求需要选用4个LED灯分别作为电源指示灯、加热指示灯、进水指示灯和报警指示灯。提示当初始状态时电源指示灯亮，其余指示灯都是不亮的。当系统开始加热水温时对应的加热指示灯是亮的。当系统开始进水时对应的进水指示灯是亮的。当任何情况下，若炉内水量低于50L，报警指示灯以0.5s的间隔闪烁报警，此时用户不能用水，代表用户水表的按键失效。若炉内水量高于900L。报警指示灯以0.2s的间隔闪烁报警。若进燃料时燃料区无燃料，则报警以0.5s的间隔闪烁报警，有燃料时自动停止报警。

2.3.2 液晶显示模块

液晶显示不仅可以显示数字，还可以显示图形和汉字，所以在便携式仪表、消费类产品、娱乐器材等多种装置上都可以看到它的应用。根据本次设计的要求选用128*64液晶显示屏作为本次设计各水表用水量的显示。用水量单位是升，显示四位。而且要求所有的字体必须使用12*16宋体显示，标点符号和数字符号均使用全角字符。

2.3.3 数码管显示模块

数码管显示模块是8位LED七段数码管，在单片机应用系统中，LED七段数码管的显示方式有两种：静态显示和动态显示。静态显示常用于显示位数不多的情况，所谓动态，就是利用循环扫描的方式，分时轮流选通各显示器的公共端，使各个显示器轮流导通。根据本设计任务要求需要使用8位数码管从左到右分别来显示加热炉内的实际水量3位（单位是升）、第四位数码管一直显示L、温度传感器监测到的当前室温（单位是℃）两位、最后两位数码管对应的是预加热到水温度值（单位是℃，初始值是20，即20℃）。所以选用动态显示，并且炉内水量的检测刷新速度应不低于0.5S。实际上是使用了7位数码管来完成本次设计的显示任务。基于YL-236型单片机实训装置使用的数码管动态扫描显示是共阳极数码管，所以编程时要注意定义共阳极字形编码表然后送至改位显示的字段。8位的数码管通过74LS377锁存器芯片和单片机的接口电路进行连接。

2.4 指令模块

使用指令模块中的独立按键作为对应所使用的7位数码管显示的操作按键。7个按键从左到右分别对应“开始”“停止”、“暂停/继续”、“确认”、“水量/水费”、设置温度“+”、 设置温度“-”。 在满足20℃≤预设热水温度值≤50℃的条件下，按下“开始”按键，系统进入下面的水加热过程。根据数码管显示的炉内实时水量，系统进入进水作业工作流程。当炉内水量为200L时按下“确认”按键后，系统进入投放燃料状态。当按下“水量/水费”按键，则由用水量显示界面转换到水费显示界面。其中，假设热水的价格为每升0.05元，则应把实际用水量转换成相对应的用水费用金额。使用“+”或“—”键来调节所要加热热水的温度值，每按一次“+”或“—”键，数码管显示的预设热水温度值加2℃或减1℃。当设定的水温值达到50℃后再按“+”键，“+”键就没有反应，然后按“—”达到规定的预设温度值；若设定的水温值达到20℃后再按“—”键，“—”键就没有反应，设定的水温值仍为20℃。如果水温不在这一范围内，系统就不能进行下一步工作。

2.5 物料搬运模块

物料搬运模块的基本组成：智能物料搬运机构支架、双轴直线搬运机器人机构和接供料机构。在单片机控制的下使用机械手把燃料运到燃烧炉加热炉内的水。使用YL-G001型智能物料搬运装置可以模拟燃料搬运过程，燃料有3种类型：高燃烧值的、中燃烧值的和低燃烧值的。一包燃料可以使50升水温度分别升高36℃、16℃、4℃。在该模块中分别使用黑球、黄球和白球来代表这三种燃料。根据加热的数量和温度可以自由组合使用球的颜色和数量。机械手每搬运走一个球在相同的工位会自动补充相同燃料的球进来。最好的设计方案就要使机械手搬运小球的次数最少。特别提醒的是机械手的输出信号，必须经过传感器配接模块转换在输入到单片机中，同时单片机的控制信号，也必须经过继电器模块转换在接入机械手。

2.6 8255拓展模块

8255是Intel公司生产的可编辑并行I/O口接口芯片。它的特点是I/O口多、工程强，与单片机配置，接口设计简单，具有直接置位/复位能力，易于控制应用接口，提高了直流驱动能力。为了满足本设计中单片机端口的需要，因此选用8255可编程外围并行接口进行拓展。

2.7 物料传送模块

物料传送模块就是步进电机模块，步进电机作为执行元件是机电一体化控制技术的关键部件之一，应用非常广泛。本设计就是选用步进电机来模拟指针式温度计，指示炉内的实时水温值。步进电机没走1mm代表温度变化0.5℃。如果步进电机指针指示在40mm处，这时表示炉内水温为20℃。

2.8 继电器模块

继电器的工作是通过单片机的I/O口输出高低电平到输入端KA6来实现的。输出低电平，继电器得电，否则，相反。在本设计里继电器主要来控制机械手上下左右夹放动作。

2.9 温度检测模块

Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。可用于现场温度测量，以数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。本设计选用的温度传感器主要用于检测当前的室温值（℃）。

2.10 传感器配接模块

机械手的传感器是24V单片机，不能直接连接到单片机上，要用传感器配接模块转换成5V。

2.11 A/D转换模块

单片机广泛用于实时控制和实时数据的处理。未处理器所加工和处理的信息是数字量，而被测或被控对象的有关参量往往是一些连续变化的模拟量，如温度、電压、电流等。因此必须将模拟量转化为数字量。在本设计中选用实训装置中的ADC/DAC模块上的电压源的电压来模拟水量检测传感器的检测输出电压值。使用时手动调节调压电位器得到某一输出的电压值，模拟水量检测传感器在该水量时的输出电压。

3 单片机控制的热水供应系统的软件分析

根据单片机控制的热水供应系统连接实训装置模块，并接好系统电源。然后启动单片机集成开发环境，建立新工程，将编写的程序导入到工程中，设置好工程的编译参数，编译得到hex格式的目标文件。编译完成后，连接仿真器，把程序下载进去。测试并调试完成单片机控制的热水供应系统的各项功能和要求。

4 结语

本文根据单片机控制的热水供应系统的功能和要求分析，基于YL-236型单片机实训装置进行了该系统所需要的硬件和软件的分析和设计，最终实现了该系统的功能要求。

参考文献

[1]崔金辉.热水供应自动控制系统的实现[J].电子世界，2013（01）：50-51.

[2]尹青山，张晓光，张德玮，等.单片机在公共建筑集中供应热水系统中水温度控制的应用[J].电气应用，2016，08：91-93.

[3]葛金印，商联红.单片机控制项目训练教程[M].高等教育出版社，2010.