智能电水壶Word文档下载推荐.docx
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后一种电水壶的温控装置与电水壶都是一体化的，当水温达到沸点后自动断电，但维修不易，且价格比较贵，绝大部分家庭或单位在出现这种情况后都是将电水壶作报废处理，这样做比较浪费资源。
系统总体方案设计概述
以上两种电水壶都无法实现在水烧开的情况下低于沸点在一定温度范围内的自动保温功能，因此本课设结合目前的实际情况，设计了一种实用的，具有保温功能的智能电水壶。
根据国家标准GB4706.4《家用和类似用途电器的安全电水壶的特殊要求》中的有关规定，在非自动式普通型电水壶的基础上，克服以往产品的设计缺陷，设计了一种新型的电水壶自动断电控制器，该产品在电水壶内水烧沸后能实现自动切断电源，并在加热完毕后对水进行保温，电路设计结构合理、安全可靠；
且该控制器为外接装置，维修、更换方便，而且价格相对比较便宜。
方案设计
性能要求
1、实现加热及保温功能。
2、在达到100℃时，自动切换到保温状态，当水温低于80℃时开始加热，当加热至水温为90℃时停止加热，进入保温循环程序。
设计思路
对于该电水壶可采用单片机控制方案，通过温度传感器实时采集温度信息，并根据相应控制要求，通过继电器控制加热管通断，实现对水壶内水的智能加热。
水壶形式的设计
这款电水壶整体采用了流畅曲线造型，手柄采用人体工学设计，具有防滑设计，不管是摆放在厨房还是客厅甚至是办公室都起到了不小的美化作用。
水壶的主体使用铝制材料折弯而成的然后再在接口处用焊接焊制成一体，壶嘴部分也是用铝制材料折弯而成然后和水壶的主体部分焊接成一体同理水壶的把手也使用此种方式连接而成的。
图2-1电水壶外观设计图
水壶材料的选择
水壶是人们日常生活中不可或缺的生活用品和人类的健康有着很大的联系，所以从健康的角度考虑，水壶的主题材料用铝制品制成。
而水壶的底部因为要经受高温，所以在铝材料中加入了耐温材料。
使水壶的底部更耐高温。
水壶结构设计
电水壶尺寸设计
图3-1电水壶结构主视图
图3-2电水壶结构左视图
图3-3电水壶结构俯视图
水壶加热管的选择
电水壶是应用电热管来加热水。
电热管的加热部分位于壶内，目前市场上电热水壶使用的加热芯主要为两种，一种是圆圈型，在壶体上的开口是两个小洞；
还有一种就是本文这样的，在壶体上的开口是一个大圆。
水芯的尺寸都是统一的，正常情况下只要是同形状的就可以配用，但市场上也有很少一部分水壶是使用的非标尺寸水芯。
本文选用的为：
220V，1500W。
防水胶垫是耐高温的优质透明胶垫（外观上是透明的，而不是那种白色或黑色如下图3-4所示。
水壶上开孔圆洞的直径是在38毫米到40毫米之间。
图3-4加热管示意图
电水壶控制电路设计
总体设计思想
电水壶的控制系统以STC89C52单片机为控制中心单元，采用DS18B20温度传感器，LCM1602液晶显示器，实现了温度检测、状态显示与控制功能。
控制系统可以根据加热装置（电加热器）电水壶内的水温达到预先设定的温度，从而达到在加热后保温的目的。
实际应用结果表明，该控制器具有性价比高、温度控制与显示精度高、使用方便和性能稳定等优点。
图4-1单片机系统图
单片机系统设计
单片机系统由STC89C52和一定功能的外围电路组成，包括为单片机提供复位电压的复位电路，提供系统频率的晶振。
这部分电路主要负责程序的存储和运行。
图4-2中MCS-51内部时钟方式电路外接晶体以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。
对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、谐振器的稳定性、起振的快速性和稳定性。
晶体可在1.2MHz～12MHz之间任选，电容C1和C2的典型值在20pF～100pF之间选择，但在60pF～70pF时振荡器具有较高的频率稳定性。
典型值通常选择为30pF左右，但本电路采用33pF。
为了显示电水壶的工作情况，我们设计了三盏LED指示灯如图4-2所示，分别为加热指示灯、保温指示灯及工作状态指示灯。
在系统正常工作时，工作指示灯0.5秒一次不停闪烁；
当系统处于加热模式时，加热指示灯点亮，当系统处于保温模式时，保温指示灯点亮。
在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷振荡器和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠的工作。
为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的NPO高频电容。
STC89C52的复位是由外部的复位电路来实现的。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
本设计中所用到的是上电按钮复位。
图4-2单片机系统原理图
温度检测模块设计
采用防水型DS18B20温度传感器，它由优质不锈钢管封装如图4-3，具有防水、防潮、防生锈的特点，具体参数如下：
1、不锈钢外壳（6*30mm），
2、引线长度100cm。
3、3.0V～5.5V供电。
4、9～12位可调分辨率。
5、感温范围宽-55℃～+125℃。
图4-3DS18B20实物图
DS18B20是智能温度传感器，它的输入/输出采用数字量，以单总线技术，接收主机发送的命令，根据DS18B20内部的协议进行相应的处理，将转换的温度以串口发送给主机。
主机按照通信协议用一个IO口模拟DS18B20的时序，发送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）给DS18B20，并读取温度值，在内部进行相应的数值处理，用图形液晶模块显示各点的温度。
每个DS18B20有自己的序列号，因此本系统可以在一根总线上挂接了4个DS18B20，通过CRC校验，对各个DS18B20的ROM进行寻址，地址符合的DS18B20才作出响应，接收主机的命令，向主机发送转换的温度。
采用这种DS18B20寻址技术，使系统硬件电路更加简单。
图4-4DS18B20原理图
LCD1602液晶显示模块
我们选用LCD1602液晶显示模块与单片机连接，实时显示传感器检测到的温度与湿度信息。
图4-5LCD1602液晶显示屏
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。
液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。
在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：
发光管、LED数码管、液晶显示器。
发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，在前面章节已经介绍过，在此不作介绍，本章重点介绍字符型液晶显示器的应用。
在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：
1、显示质量高
由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。
因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
2、数字式接口
液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
3、体积小、重量轻
液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
4、功耗低
相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。
1602LCD的基本参数及引脚功能
1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。
1602LCD主要技术参数：
显示容量:
16×
2个字符；
芯片工作电压:
4.5—5.5V；
工作电流:
2.0mA（5.0V）；
模块最佳工作电压:
5.0V；
字符尺寸:
2.95×
4.35（W×
H）mm；
引脚功能说明：
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表4-1所示:
表4-1引脚接口说明表
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
4
RS
数据/命令选择
12
D5
5
R/W
读/写选择
13
D6
6
E
使能信号
14
D7
7
D0
15
BLA
背光源正极
8
D1
16
BLK
背光源负极
图4-61602引脚布线
ULN2003驱动电路
加热管驱动部分采用单片机控制ULN2003驱动芯片，驱动一路继电器，控制加热管通断电。
ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管组成，ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。
ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。
它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTLCOMS,由达林顿管组成驱动电路。
ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。
用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。
采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。
通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。
ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，单独每个单元驱动电流最大可达350mA，9脚可以悬空。
比如1脚输入，16脚输出，负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。
ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封装。
图4-7ULN2003内部结构图
1 ULN2003芯片引脚介绍
引脚1~7：
CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。
引脚8：
接地。
引脚9：
该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。
用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。
如果该脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通。
引脚10~16：
脉冲信号输出端，对应7~1脚信号输入端。
2 极限值：
表4-2ULN2003特性表
参数名称
数值
单位
输入电压
VIN
30
V
输入电流
IIN
25
mA
功耗
PD
W
工作环境温度
Topr
-20to+85
℃
贮存温度
Tstg
-55to+150
继电器驱动电路设计
如图4-8所示，当上电复位后，单片机的一个引脚默认给ULN2003IN1输出低电平，ULN2003的OUT1个引脚输出高电平给继电器，继电器断电；
当IN1输入高电平、OUT1输出低电平驱动继电器通电后常开触点闭合，加热管连入220V交流市电，实现加热功能。
图4-8ULN2003继电器驱动电路
软件控制程序的设计
本系统所采用的51单片机系统固件，使用周立功TKStudio开发环境，采用C语言进行程序编写。
根据课设要求实现如下目标：
1、实现加热及保温功能
2、在达到100度时，自动切换到保温状态，当水温低于80度时，开始加热至90度停止加热，执行保温循环程序。
由于采用了1602液晶屏和DS18B20温度传感器，所以调用了相关的元件固件库，在程序执行定时方面采用了定时器中断的方式，有利于提高系统的响应速度。
电水壶控制程序设计
程序流程如图5-1所示。
图5-1电水壶程序流程图
“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。
课程设计心得
紧张而又辛苦的两周课程设计结束了。
当我快要完成老师下达给我的任务的时候，我仿佛经过了一次翻山越岭，登上了高山之颠，顿感心旷神怡，眼前豁然开朗。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不可少的过程。
“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，学会脚踏实地地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。
从这次课程设计中我也明白了设计车的重要性以及他们身上所肩负的责任。
设计过程中每一个细节都要注意，否则设计上的一个小错误有可能就是产品上的亦不可弥补的大错误。
课程设计也是我的专业知识有了很大的提高，以前学的很多专业课都快忘了，但通过课程设计又使我多我们的专业课有了新的认识。
相当也又学了一边专业课，而且还用我们的专业课做出了实实在在的实物，这让我们感到很高兴也很有成就感。
这次课程设计使我在工作作风上得到了一次难得的磨练。
最后，我要衷心的感谢和我一起合作每一个同学以及老师对我们团队的帮助，这次课程设计使我明白了团队的重要性每一个同学都在这个团队中做出了自己的努力，希望有机会再和大家一起合作。
附录1
单片机固件主程序清单：
/******************************************************************
*智能温控电热水壶
*File:
main.c
*Version:
V1.0正式版
*晶振：
:
11.0592Mhz
*By:
哈尔滨理工大学（荣成）机械电子工程10级马原
*For:
STC89C51或更高级的51内核单片机
*Toolchain:
MCS-51KeilC51TKstudio
*PS:
设计要求：
:
1、实现加热及保温功能
2、在达到100度时，自动切换到保温状态，当水温低于80:
度时，开始加热至90度停止加热，执行保温循环程序
*Time
2013-11-26
整合ds18b20、1602，并完成要求功能
2013-11-25
程序框架搭建
******************************************************************/
#include<
reg52.h>
stdio.h>
#include"
delay.h"
//调用延迟库函数，库中内容不再给出
18b20.h"
//调用DS18B20库函数，硬件库中内容不再给出
1602.h"
//调用1602库函数，硬件库中内容不再给出
#defineHeattemp100//定义开机烧水温度上限为100℃
#definePresHigh90//定义保温温度上限为90℃
#definePresLow80//定义保温温度下限为80℃
sbitledstate=P1^0;
//工作状态指示灯
sbitledheat=P1^1;
//加热状态指示灯
sbitledinsulate=P1^2;
//保温状态指示灯
sbitheatrelay=P1^4;
//加热管继电器输出引脚
unsignedinttime1=0;
//程序延迟变量1
unsignedinttime2=2000;
//程序延迟变量2
voidInitTimer0（void）//定时器中断初始化，1ms中断一次
{
TMOD=0x01;
TH0=0x0FC;
TL0=0x66;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
}
voidmain（）
{
floattemperature;
//温度变量
unsignedinttempdeg;
//温度临时变量
unsignedcharmode;
//工作模式0代表开机加热，1代表循环保温
chardisplaytemp[16];
//定义显示区域临时存储数组
mode=0;
//上电初始为加热模式
ledheat=0;
//加热指示灯亮起
ledinsulate=1;
//保温指示灯熄灭
heatrelay=0;
//加热管断电
InitTimer0（）;
//定时器中断初始化
LCD_Init（）;
//液晶屏初始化
DelayMs（100）;
//延时100ms
LCD_Write_String（0,0,"
ElectricKettle"
）;
//显示标题“电水壶”
while
（1）
{
if（time1==0）
{
time1=500;
//延迟500毫秒
ledstate=!
ledstate;
//单片机工作指示灯闪烁
tempdeg=ReadTemperature（）;
//读取ds18b20测出的温度
temperature=（float）tempdeg*0.0625;
//将温度数据转化为小数
sprintf（displaytemp,"
Temp%.1f"
temperature）;
//打印温度
LCD_Write_String（0,1,displaytemp）;
//显示第二行
if（mode==0）LCD_Write_String（0,1,"
Heating"
//打印“加热”
if（mode==1）LCD_Write_String（0,1,"
Insulate"
//打印“保温”
}
if（time2==0）
time2=500;
//延迟500毫秒
if（mode==0）//加热模式程序
{
if（temperature>
=Heattemp）
{
mode=1;
//切换至保温模式
ledheat=1;
//加热指示灯关闭
ledinsulate=0;
//保温指示灯开启
heatrelay=0;
//加热管断电
}
else
ledheat=0;
//加热指示灯开启
ledinsulate=1;
//保温指示灯关闭
heatrelay=1;
//加热管通电
}
}
elseif（mode==1）//保温模式程序
ledheat=1;
//加热指示灯关闭
ledinsulate=0;
//保温指示灯开启
if（temperature<
PresLow）heatrelay=1;
//低于保温下限加热
elseif（temperature>
PresHigh）heatrelay=0;
//高于保温上限断电
}
voidTimer0Interrupt（void）interrupt1//定时器中断，用于生成1ms延迟时基
if（time1>
0）time1--;
if（time2>
0）time2--;
参考文献
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武汉理工大学,2010.
[2]吉小辉.电水壶自动断电控制器的研究与设计[J].电子设计,2013（7）:
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69-71.
[5]张亚晨.无绳电水壶标准及设计要点分析[J].家电科技,2011（9）:
54-56.
[6]刘丹,张桢,付贵鑫.电热水壶专利技术现状及其发展趋势分析[J].家电科技,2011（12）:
38-42.
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