快热式家用电热水器的设计.doc

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1、南京江宁广播电视大学毕业设计（论文） 题 目： 快热式家用电热水器的设计 系 部： 电子信息系 专 业： 应用电子技术 学 号： 学生姓名： 指导教师： 职 称： 高级工程师 2013 年 04 月 05 日摘 要 随着生活节奏的加快，快热式电热水器省时的特性越来越被生活忙碌的人群所认可。随着用电环境的改善，不少新建楼房都可以安装即快热式电热水器，这催生了即热式电热水器的快速增长。 本设计的快热式电热水器系统以单片机为核心，辅以键盘，显示电路，利用热敏电阻对热水器出口温度进行检测，将温度转换成频率，并将其反馈到单片机，用单片机测出频率大小，从而间接测出温度值，温度/频率转换电路简单可靠，成本低

2、廉。对于加热功率的控制，本文采用了双向可控硅控制，单片机通过光耦给可控硅触发信号，控制可控硅的导通角，从而控制电热丝的有效加热功率。为了在关机和超温保护的状态下能可靠地关断加热电源，电路中加入了继电器来控制加热电源。其中串联在继电器线圈回路的熔丝为105时，热保险丝会熔断，防止加热管干烧。与电热丝并联的LED发光管用来指示电热丝的工作状态。 快热式电热水器它体积小，重量轻，要使用热水时，即开即热，无须等待，省去了加热多余的热水，因此它具有省时、省电、省水的优点。正是基于以上原因，快热式电热水器在今后有着极为广阔的发展前景。 关键字：单片机 温度 双向可控硅 继电器Abstract With t

3、he pace of life speeds up, Quick hot-water heater in the busy lives of more and more recognized by the crowd. With electricity the improvement of the environment, many new buildings that can be installed faster heat-type heaters, which hastened the birth of hot-water heater that is the rapid growth.

4、 The design of the fast heat of the water heater system to SCM as the Supplemented by keyboard supplemented by the keyboard, display circuit, the use of thermal resistance of the water heater temperature detection exports, the temperature will be converted to frequency, and feedback to the microcont

5、rolle, with SCM size measured frequency, thus indirectly measured temperature and temperature / frequency conversion circuit is simple and reliable, low cost. The heating power of control, the paper adopted a two-way SCR control, SCM through Optocoupler SCR trigger signal to the control of the SCR o

6、n-angle and thus control the effective electric wire heating power. In order to shut down and over-temperature protection of the state can be reliably heated power shutdown, joined the circuit in the relay to control the heating power. One series in the relay coil circuit for the fuse 105 , the fuse

7、 will be hot links to prevent the heating of Ganshao. Parallel with the electric wire LED LED electric wire used to indicate the work of state. Quick hot-water heater its small size, light weight, to use the hot water,-the heat, do not have to wait and save the extra hot water heating, so it has a t

8、ime-saving, energy saving, the provincial water advantages. It is precisely because of these reasons, faster heat-type heaters in the future has a very broad prospects for development. Keyword: MCU temperature SCR two-way relay目 录 第一篇 绪论 . 5 第一章 选题目的和意义 .5 第二章 国内外发展状况 .5 第三章 本设计研究的功能要求 .6 第二篇 元件选择 .

9、 7 第一章 80C51单片机的介绍 . 7 第二章 共阳极数码管的结构和工作原理 . 8第三篇 方案论证 . 9第四篇 系统硬件电路设计 .11 第一章 加热控制电路.12 第二章 温度检测电路 . 13第五篇 硬件电路制作 . 14 第六篇 控制系统的软件设计 . 15 第一章 主程序 . 15 第二章 显示扫描子程序 . 15 第三章 按键扫描处理子程序 .15 第四章 加热控制程序 .17 第五章 温度检测程序 .19第七篇 硬件和软件综合调试及性能分析. 22 第八篇 控制程序编制和调试 .23 结 论 .35 主要参考文献 . 36 致 谢 . 37 第一篇 绪论 第一章 选题目的

10、和意义 近年来，热水器行业的发展趋势可以用一句话来概括，即仍将呈现出以电热水器为主导，燃气燃水器为辅，太阳能热水器为补充，三者互相共生。对电热水器而言，它具有安全、环保的特点，而且全国电网的改造、电的普及、电价的大幅度下调，以及用电设施的改善，均为电热水器的迅速普及提供了便利的条件。尤其三峡工程的建设、核电站的建设，更是为电热水器的推广和普及起到了助推剂的作用。电热水器对安装的要求也比较简单，它不受空间限制，可以因地制宜。快热式家用电热水器的问世是家用电热水器具领域一次新的进步，它具有使用安全、卫生、不受水压限制，随时可供热水，水温易调节等优点，弥补了其它热水器的不足，属传统型热水器的替代产品

11、，是家庭、公用住宅、小型饭店、宾馆理想的配套服务设施。随着气价的上涨，电价的不断下降。相信今后几年中我国电热水器市场仍将会呈现强劲增长势头。本设计主要通过80C51单片机来实现对电热水器的温度、功率显示及加热控制和继电保护，80C51单片机体积小，结构简单，功耗低。相信今后几年低功耗必将成为电热水器这一行业的热点。 第二章 国内外发展情况 快热式电热水器在国外使用相当广泛，尤其是在欧美和东南亚地区。前些年，快热式产品在国内市场上曾经出现过一段时间，由于当时国内电力条件不成熟，对大功率的电产品一般无法正常使用，也没有好技术来保证其质量与安全，种种因素限制了其在国内的发展。近几年来，随着人们生活水

12、平的不断提高，国家电网改造和相关规定的出台，电力工业迅速发展，预示了即热式产品在国内的广泛前景。根据国家住宅设计规范（GF500%-1999）现有商品住房的电器线路导线必须采用铜芯线，每套住宅进线截面积不小于10m,分支引线不得小于2.5，电表规格不得小于20（40）A，所以现购新标准住宅用户，都有条件使用上述这种安全、方便的快热式电热水器，确保产品万无一失，安全系数达100%，通过检测，快热式比传统的热水器可节省40%的能耗，用多少热水加热多少，没有热水用不完时的浪费和使用中途热水供应不足的现象，热水利用率100%，因为它既不需要提前预热，也不需保温，省去了大量的额外开支，给用户带来真正的实

13、惠。即热式产品作为新型环保产品在我国广泛使用已是大势所趋，符合现代消费潮流。一切迹象都在预示着快热式的春天就要来临了。第三章 本设计研究的功能要求 当前，热水器已成为日常生活中不可缺少的家用电器，设计制造更实用、更便捷、更安全、更节能的热水器是产品设计师和生产厂家不断追求的目标。快热式电热水器与普通电热水器最大区别在于它取消了储水罐，热水随开随用，无需预热，减少了电能浪费。另外，它还具有体积小、使用安全、安装便捷等优点。其设计要求如下：（一）用2位数码管显示出水温度，能显示设定功率档位。 （二）温度测试显示范围为00-99，精度为1。 （三）设置3个功率档位指示灯，1-4档1个灯亮，5-8档2

14、个灯亮，9档3个灯 全亮，0档无功率输出，档位灯不亮。 （四）设置3个轻触按钮，分别为电源开关键、“+” 键和“-”键。加热功率分为 0-9档，按“+”键依次递增至9档，按“-”键依次递减至0。 （五）出水温度超过65时停止加热，并蜂鸣报警，温度降至45以下时恢复。 （六）内胆温度超过105时停止加热，防止干烧。第二篇 元件选择 第一章 89C51单片机的介绍 89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储

15、器可以反复擦除100次。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89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C51单片机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。主要特性（1）与MCS-51 兼容 ；（2）4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间10年全静态工作：0Hz-24MHz （3）128*8位内部RAM （4)32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 （5）5个中断源 （6）可编程串行通道 （7）低功耗的

16、闲置和掉电模式 （8）片内振荡器和时钟电路 （9）三级程序存储器锁定 管脚说明 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/ 地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于

17、内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电

18、阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号

19、。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部

20、程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 编辑本段振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可

21、以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 编辑本段芯片擦除结构特点8位CPU；片内振荡器和时钟电路；32根I/O线；外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K；2个16位的定时器/计数器；5个中断源，两个中断优先级；全双工串行口；布尔处理器； 第二章 共阳极数码管的结构和工作原理 共阳极数码管: 共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光

22、二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。第三篇 方案论证 按快热式电热水器的功能要求，决定采用如图1所示的模块组成系统，主要包括电源电路、单片机控制器、温度检测电路、按键输入电路、LED数码管及指示电路、报警电路和加热控制电路。 快热式电热水器为了达到“快热”的效果，取消了储水罐，使冷水在进入加热管后立即被加热，这就要加热管有较大的加热功率。家用电热水器一般采用方便、可靠的电热丝加热方法。根据热学及流体力学原理，结合实际实验室测试，可以得到水温与流量、加热功率之间的关系如图表14.1所示。 温度检测 按键输入 LED显示 加热控制 蜂鸣报警电 源 单

23、片机图1快热式家用电热水器系统组成框图 表14.1.中所列水温值和流量值可以满足大多数家庭用户使用要求。当最大的加热功率为7.5kw时，按220v供电计算，电流约为34a，所以要求专线供电。 表14.1 水温与流量、加热功率的关系 水流量/(Lmin-1）温度/C功率/kw 2 2.533.544.547423634325.554484138356.562544642387.57060514641注：进水温度为15C，输入电压为220v。 对于加热功率的控制，最简单的方法是由若干不同功率的电热丝组合得到几种加热功率，但由于快热式热水器的加热功率较普通的大，且档位设置较多，用电热丝组合的方法需要

24、几组电热丝和继电器，成本增高且工作可靠性降低，所以比较理想的是采用可控硅控制功率，电路简单又控制方便。 温度检测的方法较多，最经典的方法就是用热敏电阻（或热敏传感器）组成电桥来采集信号，再经放大，A/D转换后送单片机。目前比较先进的方法是采用专门的集成测温传感器（如DS18B20），直接将温度转换成数字信号传送给单片机。为了简化电路，降低成本，本文采用了温度/频率转换测温法，直接将温度信息转换成频率信号，用单片机测出频率大小，从而间接测出温度值，温度/频率转换电路简单可靠，成本低廉。第四篇 系统硬件电路设计 快热式热水器控制系统电路2（附录4）所示。它由七部分电路组成：单片机系统及外围电路、按

25、键输入电路、LED数码管及指示电路、报警电路和加热控制电路和温度检测电。 控制器采用成本低廉且工作可靠的89C51或其兼容系列的单片机，采用12MHz的晶振。89c51对电源要求不甚严格，电源电路采用普通的市电降压整流，然后经集成稳压器（7805）稳压输出+5v电压。按键采用轻触小按钮。显示电路采用两位共阳数码管，由两个三极管9012驱动。3个LED指示灯加热功率。报警电路采用5v的自鸣式蜂鸣器。 图2 快热式家用电热水器控制电路图 第一章 加热控制电路 图3放在论文中所示为加热控制电路原理图，电热丝的加热功率由双向可控硅控制，单片机通过光耦给可控硅触发信号，控制可控硅的导通角，从而控制电热丝

26、的有效加热功率。为了在关机和超温保护的状态下能可靠地关断加热电源，电路中加入了继电器来控制加热电源。其中串联在继电器线圈回路的熔丝为105时，热保险丝会熔断，防止加热管干烧。与电热丝并联的LED发光管用来指示电热丝的工作状态。 可控硅触发信号中需要对市电进行过零检测，以实现出发脉冲的相位延时。本电路中利用三极管8050和一个“非”门实现过零检测的，电路如图4放在论文中所示。 图3加热控制电路图图4 过零检测电路图第二章 温度检测电路 如图5放在论文中所示，温度/频率变换电路是利用反相器组成的RC多谐振荡器，其中的R24是一个热敏电阻，当温度变化时引起热敏电阻的阻值变化，从而改变了振荡器输出的方

27、波频率。 该频率的估算可用如下的公式： f1.1RC 图5 温度检测电路图第五篇 硬件电路制作 制作硬件电路首先应根据电路原理图，使用计算机绘图软件，如protel,绘制出PCB印制板图，其次将购买的器件焊接在线路板上，为保证所设计系统能在现场可靠工作，制作时要注意以下几点。（一）尽量采用高质量的印制电路板，孔化电阻、线距、熔剂、阻焊剂、打孔精度、镀金厚度、基板质量、是否数控打孔和热风整平等因素，都会影响应用系统的调试、使用和寿命，差的板半年左右就出问题，而且时好时坏，很难维修。（二）在电路板上尽量多加去耦电容，一般在电路板电源入口处并上2247F的低频电容，在中间的电源与地线间并上0.1F左

28、右的高频小电容去耦，每四个14脚以上的芯片附近也须加上22F电解电容和0.1F的高频小电容去耦。这样能保证减小电源线及地线上的毛刺，保证可靠工作。（三）很好的安排地线、电源线走线，电源线尽量粗、尽量多、尽量组成网络。模拟地、数字地、电源地、大地分开走线，在一点上可靠连接。小信号、模拟信号用屏蔽线，在板上走线时尽量靠近地线，远离大电流信号线、电源线。数字部分既会干扰小信号线，又会受大电流信号及电源线干扰，也要很好安排。（四）直流供电尽量使用开关电源，开关电源很少受市电的电压波动、频率波动的影响，也能隔离从电源线进入的传导干扰。输入输出接口应尽量采用光电隔离器，使控制系统做成全浮空的系统，使之不受

29、传导干扰的影响。 （五）某些小信号线、器件、电路板应加电磁屏蔽板或罩。 第六篇 控制系统的软件设计 快热式热水器的功能，系统程序必须实现显示扫描、按键扫描处理、加热控制和温度检测（包括超温报警）4项任务。51系列单片机实现多任务运行的方法就是分时复用，在程序设计时要相应地分配好各任务的CPU占用时间。对于以上几个任务稍加分析可以看出，显示扫描、按键扫描和加热控制任务相对而言有实时要求，而温度检测任务则可用定时（0.51s实现）。第一章 主程序 系统在上电复位后，先对温度寄存器、档位寄存器赋默认值，并进行清除超温标志，设置定时器及中断系统的工作方式等初始化工作。由于51系统单片机没有停机指令，所

30、以可以利用主程序设置死循环反复运行各个任务。把有实时要求的子程序（显示扫描、按键扫描、加热控制）约占用5msCPU时间，运行测温子程序的时间间隔为0.5s，那么循环次数应为100次。图6所示为主程序流程图 第二章 显示扫描子程序 显示扫描子程序完成两位共阳数码管的扫描显示任务。图7所示为显示扫描子程序流程图。 第三章 按键扫描处理子程序 按键扫描子程序负责逐个扫描档位“+” 键、档位“-”键和开关键是否被按下，若有键被按下，则作出相应处理。图8所示为按键扫描子程序流程图。 图6所示为主程序流程图 图7显示扫描子程序流程图 图8按键扫描子程序流程图 第四章 加热控制程序 加热控制程序根据用户设定

31、的加热档位和系统当前的状态，决定是否加热和控制加热的功率并点亮相应的指示灯，若有超温标志，还应打开蜂鸣器报警。图9所示为加热控制程序流程图。加热控制程序通过控制继电器的通断来决定是否给电热丝通过加热，而加热的功率大小则由双向可控硅的导通角决定。系统程序利用外中断INT1检测市电的过零点，检测到过零点后，立即根据设定的加热档位给定时器T1赋一个延时参数，并打开定时器T1，允许其中断。当定时器T1计满益出后触发中断，T1中断程序就会给可控硅发一个触发信号，使其导通。图10和11所示分别为过零检测程序流程图和可控硅触发信号控制程序流程图。 图9加热控制程序流程图 图10零检测程序流程图 图11可控硅

32、触发信号控制程序流程图第五章 温度检测程序 温度检测程序的基本原理就是将温度/频率转换电路测得的频率与事先建立好的温度/频率表进行比较，查找出与该频率相应的温度值。在实验测试后建立的温度/频率表是0100温度所对应的频率值。它是一个频率对应于温度递减的非线性函数，在C语言中用一个一维数组Tab101来表示，下标为温度，数组元素为频率值。计算温度的方法采用高效、准确的二分法查表，查表的过程如下：（一）先给定查找的温度最大值Tmax和最小值Tmin，即查找的范围，根据已有的温度表默认最大值Tmax=100，最小值Tmin=0。（二）假定测得温度Temp为最大值与最小值饿中间值，即Temp=（Tma

33、x+Tmin）/2。（三）将实际测得的频率值T0rig与假定温度Temp在表格中对应的频率Tabtemp相比较，如果相等，那么假定温度就是当前实际温度，即完成查找。（四）若T0rigTabtemp，说明实际温度应该在Tmin与Temp之间（因为递减函数特性），则修改查找范围，令Tmax=Temp；同理，若T0rigTabtemp，说明实际温度应该在Temp与Tmax之间，则令Tmin=Temp；（五）检测查找范围，若Tmax-Tmin1，则判断T0rig更接近最大值对应的频率TabTmax还是最小值对应的频率TabTmin，实际温度值取频率更接近的那个值即完成查找。 （六）若Tmax-Tmin

34、1，则重复第 步骤、直到完成查找。温度检测程序完成温度计算后，便刷新系统当前温度寄存器，并判断有无超温、置位或清除相应的标志位。图12所示为温度检测程序流程图。单片机使用外中断INT0和计时器T0检测输入频率的大小。为了减少测量的系统误差相对值和随机误差对测量精度的影响，程序中取100个方波周期的和作为检测结果。程序中使用静态变量px0count进行外中断的计数，在测量开始时，给px0count赋值2是为了让频率测量有准确的起点。另外，为了区分测频的开始和结束，还使用了测频开始标志位T0tst和测频完成标志位Testok.图13所示为频率测试程序流程图。 图13 频率测试程序流程图图12温度检

35、测程序流程图 第七篇 硬件和软件综合调试及性能分析 快热式热水器硬件电路不包含任何可调节元件，因此只要器件质量可靠，引角焊接正确，硬件电路无须调试。该电路中的测温部分的振荡电路对电容C1容量比较敏感，若此电路要批量化生产，可在敏感电阻R24再串应该可变电阻，以补偿C1的容量变化。在初次试做本电路或关键硬件参数有调整时，应对系统软件中控制加热功率的可控硅导通角延时参数表和温度/频率转换表这两部分进行调试。可控硅导通角延时参数主要由市电的频率和过零检测电路的脉冲宽度决定，可以先根据市电频率，按等功率的要求计算理论值，再根据过零检测电路的脉冲宽度加以调整。温度/频率转换表可以用对照标准温度计实测的办

36、法进行测试。图14所示为用实际电路在实验室测得的温度/频率曲线图。第八篇 控制程序编制和调试 控制源程序清单以下是快热式电热水器控制源程序清单，采用C51编写，在Keil Vision2 V2.30(C51.exe V7.0)环境下调试通过，并下载到AT89C51测试运行成功。/*-快热式热水器程序MCU AT89C51 XAL 12MHzBuild by Gavin Hu, 2005.3.18-*/#pragma src#include #include #include void delay(unsigned int); /延时函数void display(void); /显示函数unsi

37、gned char keyscan(void); /按键扫描处理函数void heatctrl(void); /加热控制函数void temptest(void); /测温函数sbit swkey=P10; /开关键sbit upkey=P11; /加热档位“+”键sbit downkey=P12; /加热档位“-”键sbit buzz=P105; /蜂鸣器输出端sbit triac=P16; /可控硅触发信号输出端sbit relay=P17; /继电器控制信号输出端sbit led1=P25; /加热档位指示灯1sbit led2=P26; /加热档位指示灯2sbit led3=P27; /加热档位指示灯3signed char data ctemp; /当前测得水温寄存器unsigned char data dispram2=0x10,0x10; /显示