婷美就是你单片机实现家用电热水器设计文档格式.docx

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Aspeoplelivingstandardriseceaselessly,thesingle-chipmicrocomputercontrolisundoubtedlyoneofthegoalsofthepeopletopursue,itbringsconvenienceisnotnegative,householdelectricwaterheaterisatypicalexampleofit,butthedemandishigherandhighertomodernwork,scientificresearch,andprovideabetterlife,themoreconvenientfacilitiesneedfromseveralsingle-chipmicrocomputer,alltowarddigitalcontrolsystem,intelligentcontroldirection.

SCMAT89C51hasstrongfunction,smallvolume,lowpowerconsumption,lowpriceandreliable,easytouse.SointhisdesignUSESAT89C51

microcontrollerasthecontrollertocontrolcircuit.

Thissystembasedonsinglechip,withthekeyboard,,usingthermistorsdisplaycircuitofwaterheater,willexittemperature,temperatureandfrequencyconverttheirfeedbacktomeasurefrequencywithsingle-chipmicrocontroller,sizeandindirectmeasuretemperature,

temperature/temperaturecircuitissimple,reliable,lowcost.Forheatingpowercontrol,thispaperadoptsatwo-waythyristorcontrolledbysinglechipcomputercontrolledlight-couplertocontrolthyristortriggersignal,theconductionangles,andtheeffectivecontrolofheatingheatingpower.Inordertoprotecttheshutdownandovertemperatureconditioncanbereliablyshutoffthepowercircuitjoinedtocontroltheheatingpower.Relays,Oneoftheseriesinrelaysforweldingwirecoilloop105°

c,heatfuseswillfuse,preventheatpipeup.InparallelwiththeelectricwireLEDtoworkinstructionsresistansewireworkingcondition.

Keywords:

SCMtemperaturebidirectionalthyristorrelays

第1章绪论

1.1选题目的和意义

热水器是一种可供浴室，洗手间及厨房使用的家用电器。

目前市场上热水器主要品种有：

电热水器、太阳能热水器、燃气热水器；

就中国的具体情况而言,太阳能热水器作为一种绿色环保可再生能源，其开发和利用，因顺应中国的能源与环保政策，日益受到重视。

加上日渐显现的全球能源危机，进一步加剧了太阳能热水器行业的发展。

尽管前景光明，可因为太阳能热水器的能源利用率较低及它对建筑的诸多要求，使用受天气原因的限制,使用范围狭窄，导致太阳能热水器行业的发展目前还存在很多障碍；

燃气热水器由于以石油、天然气为燃料,而燃料供应量又难，且国家对其使用年限有规定，适合在低气价地区使用。

以满足人们日益增长的需求，且不利于环境；

随着人们生活水平的不断提高和电网供电能力的加强，越来越多的家庭选用电热水器，电热水器使用安全、卫生、又无污染。

今后几年我国电热水器市场将呈现强劲增长势头，其产品质量、技术水平、服务规范将不断提升，价格也会下降。

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，可隐藏在壁柜中、阳台上，不外露、不占地。

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。

因此电热水器越来越受到消费者的青睐。

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。

1.2国内外发展情况

家用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。

当前，热水器已经成为日常生活中不可缺少的家用电器，设计制造更实用、更方便、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，它具有体积小，使用安全，安装方便等。

前些年，家用电热水器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，预示了家用电热水器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10mm2,分支引线不得小于2.5m2，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、家用电热水器，确保产品万无一失，安全系数达100%，通过检测，快热式家用电热水器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。

一切迹象都在预示着快热式家用电热水器的春天就要来临了。

1.3本设计研究的内容和所做的工作

（1）用2位数码管显示出水温度，能显示设定功率档位。

（2）温度测试显示范围为00-99℃，精度为±

1℃。

（3）设置3个功率档位指示灯，功率不同，显示亮的灯不同。

（4）设置3个轻触按钮，分别为电源开关键、“+”键和“-”键。

后两者控制功率大小。

（5）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。

（6）内胆温度超过105℃时停止加热，防止干烧。

第2章方案论证

2.1系统总体设计

2.1.1系统的工作流程

（1）接通电源

（2）开启电热水器

（3）调节水量。

（4）调节功率

（5）检测出水温度，判断是否继续加热.。

（6）排水。

2.1.2家用电热水器系统组成框图

图2-1-2家用电热水器系统组成框图

2.1.3系统控制算法的设计

实验测试后建立的温度/频率表是0—100c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b[101]来表示，下标为温度，数组元素为频率值。

计算温度采用高效、准确的二分查找法。

过程如下：

1）先给定查找的温度最大值Tm和最小值Ti，即确定查找的范围，根据已有的温度表默认最大值Tm=100，最小值Ti=0。

2）假定测的温度Te为最大值与最小值的中间值，即Te=（Tm+Ti）/2

3）将实际测的频率值T0rig与假定温度Te在表格中对应的频率Tab[temp]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。

4）若T0rig>

Tab[temp]，说明实际温度应该在Ti与Te之间，则修改查找范围，令Tm=Te；

同理，若T0rig<

Tab[temp]，说明实际温度应该在Te与Tm之间，则令Ti=Te；

5）检查查找范围，若Tm-Ti<

=1,则判断T0rig更接近于最大值对应的频率Tab[Tm]

还是最小值对应的频率Tab[Ti]，实际温度值取频率更接近的那个值既完成找。

6）若Tm-Ti.>

1则重复第2），3），4），5）步，直到查找完成。

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。

2.2硬件方案论证

对于家用电热水器来说，硬件系统是它的最基本的框架，是系统的所有功能的丛础。

硬件的选择和所选硬件的性能对系统的功能实现以及系统的精度都有直接的影响，系统的设计成功与否很大程度上取决于硬件系统的设汁。

本系统硬件方案论证包括单片机、温度检测传感器、加热控制驱动电路、电源电路、及键盘和显示电路的选择。

方案一：

我们知道8031芯片内部无ROM，需要外扩程序存储器,由此造成电路焊接的困难，况且使用8031还需要另外购买其他的芯片，如A/D转换及定时/计数器（PWM）等芯片，从而造成成本较高，不实用。

方案二：

因为89C51芯片内部有ROM，且片内ROM全部采用FlashROM，它能于3V的超低压工作，与MCS-51系列单片机完全兼容，由于89c51单片机成本低廉且

工作可靠，采用12MHz的晶振，需所以我们选择89C51作为系统微处理器。

温度检测的方法很多，有热点阻，热电偶，热敏电阻，还有专门的集成测温传感器等。

热电式传感器是将温度变化转化为电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。

通常把被测温度的变化转换为敏感元件的电阻变化、电势的变化，再经过相应的测量电路输出电压或电流，然后由这些参数的变化来检测对象的温度变化。

热敏电阻具有灵敏度高、体积小、较稳定、制作简单、寿命长、易于维护、动态特性好等优点。

但有变化率非线性，不适合测量高温区等缺点。

温度/频率转化测温法，直接将温度信息转换成频率信号，用单片机测出频率的大小，从而间接测出温度值。

方案三：

集成测温传感器如：

DS18B20，直接将温度转换为数字信号传送给单片机。

这种方法比较先进，本设计采用此方法。

运算放大器LM324带有真差动输入的四运算放大器。

该四放大器可以工作在低到3伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

它的性能特点是短跑保护输出、真差动输入级、底偏置电流为最大100mA、每封装含四个运算放大器、具有内部补偿的功能、共模范围扩展到负电源、行业标准的引脚排列、输入端具有静电保护功能。

但用在本电路中接线较复杂，且价格昂贵所以不用。

采用74LS04作为输出放大电路的选择，它还可以作为驱动电路使用，74ls04是TTL电平反相器，使用较经济且性能也很理想，所以在本方案中采用。

若干不同功率的电热丝组合而成。

但需要几组电热丝和继电器，成本增高且工作可靠性降低，所以不用。

通过一个继电器驱动，采用可控硅控制功率，能经受较高的功率，所以可以设置较多的档位，成本大大降低可靠性较高，而且电路简单，所以本方案采用。

采用干电池，使用方便，安全可靠，但价格昂贵，且使用时间较短，所以不采用。

市电整流成+5v电压，由于89c51对电源要求不甚严格，市电来源方便，且经稳压管稳压也较可靠，较经济实惠。

本设计中采用了线性工作状态的线性集成稳压电源。

LED数码管显示器可分为两种显示方式：

静态显示和动态显示。

LED数码管静态显示，多片七段译码器驱动显示，这不仅增加了成本，还需要占用单片机多个I/O口，也给电路的焊接带来一定的困难，因此不选用这种方案作为显示模块，所以排除此方案。

LED数码管显示器动态显示方式下，将所有位的段选线并联在起，由位选线控制哪位接收字段码。

采用动态扫描显示，也就是在显示过中，轮流向各位送出

字形码和相应的字位选择，同一时刻只有一位显示，其他各位熄灭。

利用显示器的余晖和人眼的视觉暂留现象，只要每一位显示足够短，则人看到的就是无为数码管同时显示。

在动态显示方式下电路设计简单，以采用。

2.2.7键盘的选择

键盘选用行列式键盘，行列式键盘的接口方法，直接接口于单片机的I/O口上。

键盘设置在行、列线的交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。

行线通过上拉电阻接＋5V，被拉在高电平状态。

但线路较复杂，价格较昂贵。

不适用。

独立式按键是指直接用输入端口线构成的单个按键电路，常用于需要少量几

个按键的计算机控制系统。

每个独立式按键单独占用一根输入端口线，各键的工作状态不会相互影响。

采用轻触式独立小按钮，即实用又方便，因为本电路对键盘的要求不高，所以采用这种方案。

第3章系统硬件设计

家用电热水器控制系统电路（图3）由八部分电路组成：

电源电路、按键输入电路、温度检测电路、复位电路、LED数码管及显示电路、报警电路和加热控制电路。

图3家用电热水器控制系统电路图

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。

3.1单片机系统的扩展原则

一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：

一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适

当的芯片，设计相应的电路。

二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。

系统的扩展和配置应遵循以下原则：

（1）尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。

为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。

（2）系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。

（3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。

硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：

软件能实现的功能尽可能由软件实殃，以简化硬件结构。

但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。

（4）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。

如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。

（5）可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。

（6）单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。

驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。

（7）尽量朝“单片”方向设计硬件系统。

系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性。

随着单片机片内集成

的功能越来越强，真正的片上系统SoC已经可以实现，如ST公司新近推出的μ

PSD32×

×

系列产品在一块芯片上集成了80C32核、大容量FLASH存储器、SRAM、A/D、I/O、两个串口、看门狗、上电复位电路等。

3.2单片机晶振电路

在整个单片机控制系统中，CPU既是运算处理中心，又是控制中心，是控制系统中最关键的器件。

此系统控制方案简单，数据量也不大，因此选用AT89C51作为控制系统的主机。

AT89C51有40引脚双列直插（DIP）形式。

其与80C51引脚结构基本相同，其逻辑引脚图如图3-2。

图3-2AT89C51逻辑引脚图

各引脚功能叙述如下：

1．电源和晶振

VCC——运行和程序校验时加+5V

GND——接地

XTAL1——输入到振荡器的反向放大器

XTAL2——反向放大器的输出，输入到内部时钟发生器

（当使用外部振荡器时，XTAL1接地，XTAL2接收振荡器信号）

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。

2．I/O（4个口，32根）

P0口—8位、漏极开路的双向I/O口。

当使用片外存储器（ROM、RAM）时，作地址和数据分时复用。

在程序校验期间，输出指令字节（需加外部上拉电路）。

P0口（作为总线时）能驱动8个LSTTL负载。

P1口—8位、准双向I/O口。

在编程/校验期间，用于输入低位字节地址。

P1口可驱动4个LSTTL负载。

对于80C51，P1.0—T2，是定时器的计数端且位输入；

P1.1—T2EX，是定时器的外部输入端。

这时，读两个特殊输入引脚的输出锁存器应由程序置1。

P2口—8位、准双向I/O口。

当使用片外存储器（ROM及RAM）时，输出高8位地址。

在编程/校验期间，接收高位字节地址。

P2口可以驱动4个LSTTL负载。

P3口—8位、准双向I/O口，具有内部上拉电路。

P3口提供各种替代功能。

在提供这些功能时，其输出锁存器应由程序置1。

P3口可以输入/输出4个LSTTL负载。

3．串行口

P3.0—RXD（串行输入口），输入。

P3.1—TXD（串行输出口），输出。

4．中断

P3.2—INT0外部中断0，输入。

P3.3—INT1外部中断1，输入。

5．定时器/计数器

P3.4—T0定时器/计数器0的外部输入，输入。

P3.5—T1定时器/计数器1的外部输入，输入。

6．数据存储器选通

P3.6—WR低电平有效，输出，片外存储器写选通。

P3.7—RD低电平有效，输出，片外存储器读选通。

7．控制线（共4根）

输入：

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。

EA/Vpp—片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。

在编程时，其上施加21V的编程电压。

注意：

在加密方式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）。

输入、输出：

ALE/PROG—地址锁存允许信号，输出。

ALE以1/6的振荡频率稳定速率输出，可用作对外输出的时钟或用于定时。

在EPROM编程期间，作输入，输入编程脉冲（PROG）。

ALE可以驱动8个LSTTL负载。

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低位字节。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，

置位无效。

输出：

PSEN—片外程序存储器选通信号，低电平有效。

在从片外程序存储器取址期间，在每个机器周期中，当PSEN有效时，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）。

PSEN可以驱动8个LSTTL负载。

3.3电源电路

电源电路按元件类型可分为电子管稳压电路、三极管稳压电路、可控硅稳压电路、集成稳压电路等。

根据调整元件与连接方法，可分为并联型和串联型；

根据调整元件工作状态不同，可分为线性和开关稳压电路。

本设计中采用了线性工作状态的线性集成稳压电源。

直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，设计框图：

各部分简介：

（1）电源变压器

电源变压器作用是将电网220V的交流电压V1变换成整流滤波电路所需的交流电压V2。

变压器副边与原边的功率比P2/P1=η，式中η为变压器的效率。

（2）整流滤波电路

整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压。

滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份，合之成为平滑的直流电压。

常用的整流电路有全波整流电路、半波整流电路、桥式整流电路及倍压整流电路。

小功率直流电源因功率比较小，通常采用单相交流供电。

由于桥式整流电

路克服了半波整流的缺点，在桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每个二极管的平均电流仅为负载电流的一半，与半波整流电路相比较，其输出电压提高，脉动成分减少。

整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。

为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路，以滤去交流成分。

滤波电路常见的有电容滤波电路、电感滤波电路及π型滤波电路。

本设计采用电容滤波电路。

电容滤波电路主要利用电