基于单片机的即热式电热水器温度控制器的设计Word格式文档下载.docx

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机电一体化工程

学生姓名：

摘要

随着各类热水器的缺点和不足日益明显，如能耗量大、预热时间长、存在安全隐患等，很多热水器已无法满足日常使用要求，因此设计一个稳定性好、安全系数高的即热式电热水器温度控制器系统的任务非常迫切。

针对这些问题，本文提出了基于单片机的即热式电热水器温度控制器系统的设计，详细描述了系统硬件的设计和系统软件设计。

本设计采用美国Atmel公司生产的AT89S51单片机作为主控芯片和数据存储器单元，结合外围的温度检测、水流检测、独立键盘输入、LED数码管显示、加热控制以及工作指示和报警等，使用C语言编写系统控制程序。

经仿真和实验证明，该即热式电热水器温度控制系统的设计方法合理，系统具有控制方便、操作简单和灵活性大等优点，经过反复测试，系统能够稳定运行。

关键词：

即热式电热水器，温度控制，单片机，温度传感器

ABSTRACT

Withtheshortcomingsandinadequaciesofvariouswaterheatersgettingmoreobvious,forexample,theirhighconsumption,longheatingtimeandpotentialsecurity,manywaterheaterscouldnotsatisfyourdailyneedsanymore.Therefore,itisveryurgenttodesignatemperaturecontrollersystemofaninstantwaterheaterwithgoodstabilityandhighsecurity.Tosolvetheseproblems,thisessayproposesthedesignabouttemperaturecontrollersystemofinstantwaterheaterbasedonMCUanddescribesdesignsofsystemhardwareandsystemsoftwareindetail.ThedesignadoptstheAT89S51SCMasthemaincontrolchipandtheDataRAMmadebytheAmericanAtmelCorporate,combineswiththeperipheraltemperaturedetection,waterdetection,independentkeyboardinput,LEDdigitaldisplay,heatingcontrol,workinstructionsandalarm,andusestheClanguagesystemtocontroltheseprograms.Theresultsaftersimulatingandexperimentingshowthatitisreasonabletodesignthetemperaturecontrollersystemofinstantwaterheater,becauseithasanadvantageofconvenientcontrol,simpleoperationandGreatflexibility.Aftertestingagainandagain,itprovesthatthesystemcanbeoperatedstably.

Keywords：

Namelywaterheater,Temperaturecontrol,MCU,Temperaturesensors

第1章绪论

1.1课题研究背景

当今社会大部分人在使用热水器时，基本上都是采用的快热式的。

这是因为它给人们带来了极大的方便，人们不再为热水器耗电量大而发愁，所以快热式电热水器走进千家万户已经成为必然[1]。

我国也在不断大力提倡家庭使用快热式电热水器，这样可以为国家节省很多电能。

使用电热水器的方便之处还在于我国的电力来源比较方便，电能是无污染、清洁的，很受人们欢迎[2]。

目前市场燃气热水器、太阳能热水器、储水式电热水器遍地开花，然而燃气热水器因其安全隐患及越来越高的使用成本正逐渐淡出热水器市场，而太阳能热水器也因其严格受天气、气候及安装条件影响而很难占有更大的市场份额，而目前占主流的储水式电热水器体积庞大、预热时间长、热水储水量有限，已不适用现代生活的节奏，于是快热式电热水器以其小巧时尚的外观、比储水式更快的加热速度、比燃气热水器更安全的特点横空出世！

在欧洲、东南亚市场热水器发展历程充分证明了这一点。

即热式热水器具有如下优点：

1．不需预热，无需等待。

即热式电热水器普遍功率较大，用时只要打开水龙头，数秒中便可有温度适宜的热水供应，十分快捷方便，满足时下现代人快节奏的生活需要。

对于需要瞬间或者长时间提供热水的客户如理发店、医院、学校等非常理想，最重要的是节省了人们宝贵的时间。

2．节能省电。

即热式电热水器因不用提前预热，没有预热时的能量散失，所以国家把这类产品划为节能产品。

在用水、用电紧缺的情况下，重点推广这一产品无疑具有非常现实的意义。

这也是广大消费者选择即热式电热水器时所重点考虑的因素。

3．安全环保。

对于电热水器产品来说，人们最为担心的还是安全问题。

即热式电热水器为了充分保证消费者的应用安全，在这方面一般也重点做了设计，如采用非金属加热体、水电隔离技术、漏电保护装置、接地保护等措施。

有些生产厂家的产品还设有水空电门、声光报警、专利电路、磁化防垢、超温断电、高压泄放、电子调控、温度显示、分档功率等诸多功能，可以说为了在安全上做到万无一失，各个即热式电热水器的生产厂商是费尽了心思，下足了功夫。

4．体积小巧，外观高贵，安装方便，节省空间。

即热式电热水器因为不需要提前预热，所以在设计上不需要体大笨重的内胆贮水箱和保温层，大多体积小、重量轻且易安装，节省空间和材料。

另外，即热式电热水器中的高档产品多采用人性化设计，流线型外观，高贵典雅，受到时尚人士的欢迎。

5．水温恒定，使用舒服。

贮水式热水器，由于是提前预热好的热水，在开始洗浴时需放水调温，水温不是凉就是热，温度即使调好后，在使用过程中用不多久水的温度就会变凉，还不得不时不时进行微调，比较麻烦。

而即热式电热水器，无论多少人洗浴，只要在初始时调好水温后便会一直恒温恒流，洗起来清爽舒畅。

6．不易结水垢、寿命较长。

即热式电热水器，冷水直接通过加热体后便被加热，属于“活水”，水垢不易逗留，而洗浴时的热水温度一般不会高于45℃，因而在热水器内部管路水垢也不易形成，再有，即热式电热水器在加热过程中机器发热体温度上升不是很高，这样水路及发热体的损坏几率也就相应减少，所以即热式电热水器的使用寿命也较传统式电热水器较长，一般是传统电热水器的2～3倍。

即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，即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，对大功率的电器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，随着人们生活水平的不断提高，国家电网改造和相关法规的出台，电力工业迅速发展，预示了即热式产品在国内的广阔前景。

根据国家住宅设计规范（GF50096—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10mm2，分支引线不得小于2.5mm2，电表规格不得小于20A所以，现购新标准住宅用户，都有条件使用上述这种安全、方便的即热式护，确保产品万无一失，安全系数达100％，通过检测，即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[3][4]。

1.2选题目的和意义

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。

即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，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AT89S51单片机来实现对电热水器的温度、温度显示及加热控制和超温保护，AT89S51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。

1.3设计要求

1．采用高性能的数字温度传感器实时采集热水器内的水温。

2．可以自动检测热水器是否处于正常工作状态。

3．具有调温、恒温、防超高温等功能。

4．显示设定温度和实际温度的功能。

5．有仿真结果。

第2章控制系统的总体方案设计

2.1系统总体方案设计

本系统中，需要采集的输入信号有出水口的温度及水流检测信号。

需要输出的信号主要是控制固态继电器导通的信号。

并且还要完成温度数据的实时显示和各工作阶段指示、出水温度的设置和显示、自动实现故障报警等功能，还具有各种完善的保护功能，如温度的超限报警、防止干烧和隔离技术。

即热式热水器工作原理如图2.1所示，冷水从进水口流入热水器，经加热管加热后变为设定温度的热水，由出水口流出。

这种即热式热水器功率较大，无需预热。

用时只要打开水龙头，数秒中便可有温度适宜的热水供应，可连续提供热水。

图2.1系统结构框图

2.2控制系统的硬件组成及工作原理

即热式热水器控制系统由温度检测电路、按键显示电路、水流检测电路、加热输出控制电路、工作指示电路、超温保护及报警等电路组成。

控制系统原理框图如图2.2所示。

通过温度传感器DS18B20将出水口的温度直接变换成数字量送到单片机，单片机将接收到的信号与设定信号进行比较，如果实时温度小于设定温度，单片机将输出一个控制量，控制固态继电器导通，加热指示灯点亮，以实现对电热丝的加热控制；

如果实时温度在设定温度的保温范围内，固态继电器断开，保温指示灯点亮；

如果实时温度超过设定温度的保温范围，系统将蜂鸣报警，并且报警指示灯点亮。

用户可以通过系统按键对设定温度进行更改，更改后系统按照最新设定温度进行控制。

图2.2即热式电热水器控制系统原理框图

2.3控制系统硬件电路的设计

控制系统硬件电路原理图见附录Ⅰ所示，下面就各个硬件电路设计模块分别介绍。

2.3.1单片机的选型

单片微型计算机（单片机）作为微型计算机的一个很重要的分支，自问世以来，以其极高的性价比，收到人们的重视和关注，因此应用广泛，发展迅