热水器自动上水周建春讲解.docx
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热水器自动上水周建春讲解
江苏省南通中等专业学校
机电一体化专业毕业论文
论文题目：
热水器自动上水控制装置
学号：
095905231
学生姓名：
周建春
班级：
0952
指导教师姓名：
陈晓佳
指导教师职称：
无线电调试-技师
指导教师单位：
南通中等专业学校
日期：
2013年4月8日—2014年3月31日
二○一三年三月十日
摘要
热水器给人们的生活带来方便，给人们的健康带来福音，是人们不可缺少的家用电器设备。
目前，有很多的太阳能热水器还是采用手动上水的结构，使用极为不方便，而且经常会造成自来水的浪费。
运用单片机技术和其他电子技术，设计制作的热水器自动上水装置，能根据水箱中的水位进行自动上水和自动关闭上水，从而使水箱中始终保持正常的水位。
从而提高了热水器的安全性能，提高了热水器的使用效果。
关键词：
热水器；自动上水；设计控制
Abstract
Thewaterheater tobringconveniencetopeople'slives, tobringthegospel topeople'shealth, is anindispensable householdappliances.
Atpresent, thereare many structure ofsolarwaterheater isused manualwater, use veryinconvenient, andoften willcause thewasteoftapwater.
Applicationofsinglechipmicrocomputer and otherelectronic technology, theautomaticwater heater device design, cancarryout automaticwatersupplyand automaticclosing water accordingto thewaterlevelinthetank, sothatthe tank cankeepnormal waterlevel. Inordertoimprovethe safetyperformanceofthe waterheater, the waterheater toimprove theuseeffect.
Keywords：
waterheater；Automaticwatersupply；designcontrol
绪论....................................................................（3）
第一章热水器自动上水控制装置的电路设计
1.1热水器自动上水控制装置的基本功能.........................（4）
1.2热水器自动上水控制装置的主要元器件介绍...................（4）
1.3热水器自动上水控制装置的工作原理.........................（9）
第二章热水器自动上水控制装置电路板的安装
2.1电路板装配前的准备......................................（12）
2.2电路板的装配方法........................................（14）
2.3电路板装配的注意事项....................................（15）
第三章热水器自动上水控制装置的程序设计
3.1热水器自动上水控制装置程序构思..........................（16）
3.2热水器自动上水控制装置主程序方框图......................（16）
3.3热水器自动上水控制装置程序..............................（17）
第四章热水器自动上水控制装置电路板的调试
4.1单片机程序的调试........................................（19）
4.2电路板的单板调试........................................（19）
4.3电路板的老化调试........................................（19）
第五章毕业设计体会
5.1单片机技术是工业发展的支柱性技术........................（21）
5.2我们要进一步学习好单片机技术............................（21）
致谢...........................................................（22）
参考文献.......................................................（23）
绪论
随着社会物质文明的提升，人们的精神文明程度有了很大提高，并有了很多的新要求。
比如洗澡问题，就不满足于仅为了清洁，而更是把洗澡作为一种减轻工作压力的形式，成为一种享受生活的方式。
以往人们的洗澡只能到浴室才能完成，许多人在一起洗澡，气氛喧闹，使人得不到休息；各种人群在一起，浴室设施也很难保证在各个环节中都能符合卫生条件，所以极易造成各种疾病的传染。
所示，浴室场所对人们的健康会带来不同程度的不良影响。
为此，各种热水器也踊跃的进入了人们的家庭。
在很多热水器的设计中，特别是太阳能热水器的设计中都没有自动上水功能，所以当每次使用了热水器中的热水后，都要人为的对热水器水箱进行注水。
而这种注水必须要同时打开水龙头，以方便在注水的同时将水箱中的气体排出。
这样，当水龙头中出时，表示水箱中的水已经注满。
如果当水箱注满时如用户不在现场进行关闭水阀，就会使自来水在水龙头中不断的流出而造成浪费。
随着电子技术的不断发展，单片机技术已被广泛的使用在企业生产的各种自动化控制设备中，为企业的飞速发展注入了强心剂，在社会主义建设事业中发挥着不可磨灭的作用。
本文的设计，运用我们已经学过的单片机知识和其他知识及技能，自己动手设计制作了一款用单片机控制技术的热水器自动上水控制装置，是一件很有意义的事情。
在这个过程中，即运用了我们已学习的知识作了一次实践，又完成了毕业设计课程；还可以把作品使用在实际生活中，是会感到十分自豪，而又是非常幸福的；更重要的一点，是通过毕业设计实践，提高了我们掌握单片机技术的运用技能，从而在经后的工作中可以更好的运用这种技能，为社会为企业作出更大的贡献。
第一章热水器自动上水控制装置的电路设计
1.1热水器自动上水控制装置的基本功能
热水器自动上水控制装置的基本功能，是根据热水器水箱中的水量情况，自动进行进水动作，使热水器水箱中的水量始终保持在合适的水位。
目的是方便了热水器的使用用户，同时节约了水资源，符合人们的享受需求和生态保护，利国利民。
1.2热水器自动上水控制装置的工作原理
1.2.1热水器自动上水控制装置电路图
图1-1为热水器自动上水控制装置电路图。
图1-1热水器自动上水控制装置电路图
热水器自动上水控制装置电路图，采用单片机控制技术，将单片机作为控制核心，与其他元器件共同组成。
1.2.2热水器自动上水控制装置工作原理
1、传感器单元。
控制电路中的水位传感器，是拾取水箱水位的器件。
水位传感器可以自制，见1-2图的左侧图所示。
将三个金属片安装在一根塑料杆中，塑料杆的长度与水箱相仿。
a点金属片安装在塑料杆的底部，b金属片靠近a金属片，c金属片安装在塑料杆的上端，离水箱上端口约2厘米左右，具体视实际情况而定。
3个金属片连接3根不同颜色的塑料铜芯软引线，总装时将3根不同颜色的软引线接在接线端子XP1上。
图1-2传感器电路
2、执行单元。
电磁阀驱动电路见图1-3所示。
图1-3执行电路部分电路图
当单片机P3.3口输出高电位时，如低水位状态和中水位状态时，P3.3口输出的高电位使VT1导通，驱动继电器K1吸合，从而接通了电磁阀工作，电磁阀打开使水箱开始进水。
在继电器回路接有VD4、CD5和R7。
VD5与R7组成继电器状态指示电路。
当VT1导通后，VD5正常导通而发光，以示继电器已经吸合。
VD4是一只阻尼二极管，当K1吸合时，VD4处于反向连接状态，故对K1的吸合动作无任何影响；当VT1截止K1释放后，由于K1线圈中的电动势不能释放而形成反向电动势，很容易对VT1造成损坏。
此时VD4的连接方向与K1线圈中的反向电动势同相，及时释放了K1线圈中的反向电动势，从而使K1的释放迅速果断。
4、声、光指示单元。
指示灯单元见图1-4所示。
（1）指示灯电路。
指示灯电路由VD1、VD2、VD3和电阻R1-R3组成。
为了便于区别，将VD1、VD2和VD3分成红色、绿色和黄色。
分别是：
低水位报警指示灯、正常水位指示灯和满水指示灯。
当水位处于低水位状态时，单片机P1.5口输出间断的低电位信号，使VD3的红色指示灯产生闪光效果；当水位处于中水位状态时，单片机P1.6口输出低电位信号，使VD2的绿色指示灯发光；当水位处于满水位状态时，单片机P1.7口输出低电位信号，使VD1的黄色指示灯发光。
图1-5执行电路部分电路图
（2）状态提示音电路。
控制电路中的设计了状态提示音电路，各种状态信号从单片机的P3.7口输出。
当低水位状态时，P3.7口输出低水位报警信号，信号经VT2放大后推动L1，L1升压后推动压电蜂鸣片发出“滴滴、滴滴……”的报警声。
当水箱为中水位状态时，P3.7口输出正常提示信号，信号经VT2放大后推动L1，L1升压后推动压电蜂鸣片发出“滴、滴……”提示音。
当水箱为高水位时，P3.7口停止输出提示信号。
5、电源单元。
电源电路见图1-6所示。
图1-6执行电路部分电路图
电源电路的作用是为继电器、蜂鸣器提供直流电源，以及为单片机提供稳定的工作电源。
考虑到控制电路需要较高的和安全性能的可靠性能，故工作电源采用电源变压器的工作方式，对交流电进行降压和隔离，使控制电路更加安全可靠。
电源电路工作时，首先通过变压器将交流220V电压降压、隔离变成交流12V的低压交流电，然后经过UR1、C4、C5组成的桥式整流滤波电路，将交流12V变成12V（满载）-16.8V（空载）的直流电，提供给继电器电路和蜂鸣器电路使用。
在电源电路中还有一级高性能的稳压电路，由IC3、C6、C7组成，输出5V的稳定电压。
IC3是一只三端稳压器7805，内部电路是一个性能比较稳定的串联型稳压电路。
经7805的稳压和C4、C5的滤波作用，输出一个稳定的纹波系数很低的5V电压，提供给单片机使用，使单片机工作更加稳定。
在稳压电源中加入了电容C5和C7，从而改善了负载的瞬态响应、防止自激振荡和减少高频噪声。
滤波电容C的大小取决于放电回路的时间常数。
C的容量越大，输出电压的脉动就越小，但电容的成本也越高，使得设计出来的整流电路生产成本也增高，体积也会增大。
为了既满足要求使用要求，又要降低制作成本和减小电容体积，电源电路中的滤波电容的容量，通常取1000uF-2200uF之间为宜。
6、电路图工作原理
图1-7热水器自动上水控制控制电路图
（1）低水位状态报警控制原理。
当水箱出现低水位状态时，接线端子的3脚与4脚是呈现断开状态的。
此时，IC1-b反相器的输入端由为高电位，从而输出端输出低电位，也使P3.0口为低电位。
出现这种状态时，程序设计为：
当P3.0口为低电位，使P1.5口输出一个低电位与高电位交替出现的脉冲信号，使VD3（红色指示灯）闪亮；P3.7输出1000Hz的“滴滴滴、滴滴滴”音频信号，使蜂鸣器发出报警声；同时P3.3输出高电位，使VT1导通→K1吸合→电磁阀开启→水箱进水。
（2）中水位状态控制原理。
当水箱出现中水位状态时，接线端子的3脚与4脚呈现通路状态。
此时，IC1-b反相器的输入端由高电位变为低电位，其输出端输出由低电位变为高电位，使P3.0口为高电位。
在出现这种状态的同时，程序设计为：
当P3.0口为高电位，使P1.6输出低电位，使VD2（绿色指示灯）亮起；P3.7口输出一个间断的1000Hz的音频信号，使蜂鸣器发出“滴、滴”提示音；P3.3输出高电位，使VT1导通→K1吸合→电磁阀开启→水箱继续进水。
（3）满水位状态控制原理。
当水箱出现满水位状态时，接线端子的3脚与5脚呈现通路状态。
此时，IC1-a反相器的输入端高电位变为低电位，其输出端输出由低电位变为高电位，使P3.5口也变为高电位。
出现这种状态时，程序设计为：
当P3.5口为高电位，使P1.7口输出低电位，使VD1（黄色指示灯）亮起；P3.7口停止输出信号；P3.3输出低电位，使VT1截止→K1释放→电磁阀关闭→停止对水箱供水。
1.3热水器自动上水控制装置的主要元器件介绍
1、与非门74HC04
热水器自动上水控制装置电路中使用了一块数字电路74HC04。
74HC04是一个与非门电路，是属于TTL系列的数字电路。
该数字电路的内部组合了六个相同的单输入与非门。
与非门通常用作对波形的整形之用，由于其输出波形的相位与输入波形的相位相差180度，所示也称其为反相器。
在TTL电路中与74HC04功能相仿的还有74LS04，但是前者比后者的运行速度快，在运行速度要求不高的电路中，两种型号都可以使用。
74HC04引脚功能图及实物照片见图1-7所示。
图1-874HC04引脚功能
2、蜂鸣器HA
热水器自动上水控制装置电路中使用了一只外径13mm的蜂鸣器。
蜂鸣器有无源蜂鸣器和有源蜂鸣器之分。
无源蜂鸣器的内部结构与我们使用的耳机（耳塞）相似，通过外部脉冲信号推动，使蜂鸣器发声；有源蜂鸣器内部设计了一个振荡器和放大电路，当给蜂鸣器接上直流电压，蜂鸣器就会发出约1000Hz的音频声，而无需驱动电路，所以在一些普通场合使用比较方便。
蜂鸣器外形及尺寸示意图见1-8图所示。
图1-9蜂鸣器外形与尺寸示意图
有源蜂鸣器的引脚有正负之分，正极引脚比负极引脚稍长一点。
无源蜂鸣器也有引脚的长短之分，但一般使用中无需区分引脚。
3、电磁阀
图1-10所示的是一种适合家用4分水管接口的电磁阀的实物照片和工作原理示意图。
电磁阀的工作电压有12V、24V、220V等多种。
电磁阀中的铁心与活塞连杆联动，当线圈中流入电流时就会产生电磁力，这个电磁力带动铁心上上方（图1-10中所示）移动，同时带动活塞，使阀门打开，使水流形成通路而通水。
图1-10蜂鸣器外形与尺寸示意图
4、单片机AT89C2051
AT89C2051单片机，外形有DIP封装（双列直插式）和PLCC封装（贴片式）两种。
DIP封装的AT89C2051的外形及引脚功能见图1-11所示。
图1-11AT89C2051外形及引脚功能图
AT89C2051有20个引脚，对其管脚识别时，单片机正面向上，其缺口左边第一只引脚为1脚，其余引脚的识别从1脚逆时针方式排列。
20个引脚的各自功能为：
1脚：
复位端。
2脚3脚和6-9脚和11脚：
P3口，分别为P3.0、P3.1、P3.2、P3.3、P3.4、P3.5、P3.7共7个口组成，这些口的每个口既可以作为输入口，又可以作为输出口，通常称为I/O口。
4脚和5脚：
接晶振，与内部电路一起组成单片机时钟电路。
10脚：
接地端（接电源负极）。
12-19脚：
是P1口，分别为P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7共8个口组成，这些口的每个口既可以作为输入口，又可以作为输出口，通常称为I/O口。
20脚：
电源端（接电源正极）。
接地端（接电源负极）。
单片机技术是计算机技术的一个重要分支，它具有体积小、功能多、价格低廉、使用方便、系统设计灵活等优点。
单片机中有一个中央处理器（CPU）。
是单片机的“大脑”及核心。
CPU的功能是产生控制信号，把数据从存储器或输入接口传送到CPU或反向传送，并对输入数据进行算术、逻辑运算以及位操作处理。
运算是CPU的独特工作方式，是计算机对数据进行加工处理的中心，它主要是指算术逻辑部件ALU（ALU：
ArithmeticandLogicUnit）。
由于控制电路采用单片机控制技术，使控制电路图比较简洁，从而可以有效地提高控制电路的可靠性和制作成本。
AT89C2051单片机的主要性能主要性能为：
8031系列CPU，可以实现总线控制。
②振荡电路，全静态工作，工作频率4MHZ~24MHZ。
③2个中断源，可实现智能化控制。
④128×8字节内部RAM。
⑤可编程串行或并通讯。
⑥15条并行I/O接口。
⑦片内有2KB个Flash存储器，可经受1000次的写入/擦除。
⑧3级程序存储器保密。
可以对用户的控制程序进行保密。
第二章热水器自动上水控制电路板的装配
2.1电路板装配前的准备
用万能电路板制作的热水器自动上水控制电路板实物见图2-1所示。
图2-1热水器自动上水电路板实物照片
用万能电路板制作的热水器自动上水控制板装配图见图2-2所示。
图2-2热水器自动上水电路板装配图
1、设计万能板装配图
在万能板上进行电路的装配，应先设计装配图。
装配图的设计原理应参考PCB板图的设计原理进行。
在设计中要考虑元器件布局合理、美观，连接线的走线不能出现交叉现象，可以采用短路线的连接方法，避免连线设计中出现的交叉现象。
2、熟悉装配图
装配的第一步是熟悉装配图，也就是对照电路图熟悉装配图中的每个元器件的具体位置，并标注上元器件参数。
如：
R1-22k，则在装配图上找到R1的位置，然后标注上“22k”，以此类推，将所有的元器件都在装配图上进行标注。
标注好后，还要对照电路图对装配已标注的参数进行校对。
装配图见图2-2所示。
3、测量元器件
元器件明细表，见表2－1。
表2－1热水器自动上水电路元器件一览表
序号
器件名称
规格型号
数量
元器件代号
1
电阻器
RJ－1/16W－22kΩ
1
R8
2
电阻器
RJ－1/16W－10kΩ
3
R6、R9、R10
3
电阻器
RJ－1/16W－100Ω
1
R5
4
电阻器
RJ－1/16W－4.7kΩ
2
R4、R7
5
电阻器
RJ－1/16W－1kΩ
5
R1—R3、R11、R12
6
电容器
CC－27PF/50V
2
C7、C8
7
电容器
CD－10μF/25V
1
C1
8
晶体振荡器
24MC
1
9
发光二极管
φ3－红、绿、黄
4
VD1～VD4
10
整流硅堆
1KBP10（1A.100V）
1
UR1
11
三极管
CS9013
2
VT1、VT2
12
集成电路
AT89C2051
1
IC2
13
集成电路
74HC04
1
IC1
14
三端稳压电路
LM7805
1
IC3
15
蜂鸣器
φ13mm
1
HA
16
IC插座
20脚
1
IC2
17
IC插座
14脚
1
IC1
18
万能电路板
1
（1）对电阻器进行测量。
测量电阻器可以用万用表，测量时要注意掌握正确的测量姿势。
测量中的注意事项：
1）用左手持握元器件，并注意不能同时触接两个以上引线，以防引入测量误差。
右手持握红黑表棒成握筷姿势，以方便测量和转换档位。
2）档位的设立应使指针有较大的偏转（>1/2偏转）和较小的数值区域，以便提高测量精度。
3）严禁在测量过程中改变测量档位，以防损坏万用表表头。
（2）对发光二极管进行测量。
测量发光二极管可以用万用表进行测量，测量的目的是通过测量，来判断发光二极管的发光程度。
因为发光二极管中有普通发光亮度的二极管和高亮度发光的二极管。
测量发光二极管时，使用万用表的10K档。
当为正向测量时，普通发光二极管仅有微弱的亮光；高亮度发光二极管会出现很明显的亮光。
（3）对三极管进行测量。
对三极管进行测量，厂家都采用专用仪器，如晶体管特性图示仪等。
在一般场合，可以采用万用表对三极管进行估计测量，也能达到一般的使用要求。
测量的注意事项：
1）将红表棒插入“+”插孔内，黑表棒插入“–”插孔内。
2）将万用表量程置电阻R×1K或R×100Ω档。
（测量硅材料三极管用R×1K量程，测量锗材料三极管用R×100Ω量程）
3）把红、黑表棒相接触，调整欧姆校零旋钮，使万用表指针满度偏转为“0”。
4）将万用表放在自己的正前方，眼睛最好与刻度线平行，以提高读取数值的
准确性。
5）用左手的中指与拇指夹持三极管，食指准备作人体电阻之用。
6）右手持握红黑表棒，并成握筷姿势，以方便测量和转换档位。
7）不能在测量过程中改变测量档位。
如需要改变档位需先停止测量，待改变档位后方可继续进行测量，以防损坏万用表。
4、对元器件进行成形
元器件在装配中应根据元器件的体积、用途和装配要求，对元件进行成形。
如将卧式电阻器成形成立式安装形式，或者将立式安装的电解电容器，由于厚度要求，而作卧式安装，等等。
2.2电路板的装配方法
1、PCB板与万能板的装配区别
万能电路板的装配特点与PCB板的装配特点是不同的，如PCB板上某个的元器件的引脚焊盘与另一个元器件引脚的焊盘已经是连接在一起的。
所以。
在装配过程中，只要将某个元器件正确的安装在规定的装配位置，并保证焊接质量良好就可以了。
所以，PCB板上的装配步骤（原则）是：
先低后高、先小后大、先卧式后立式、先元件后器件。
而在万能电路板上进行装配中，不仅要将元器件焊在万能电路板上，更重要的是还要将元器件与元器件按照电路图的连接原理，把相应的焊点与焊点用金属导线连接起来。
所以，PCB板的装配原则就行不通了。
2、万能电路板的装配方法
万能电路板的装配，可以采用以下焊接方法：
（1）将电路图中相连接的一些元件，并依据预先设计好的装配图上的元件位置，将元件逐一插在万能电路板上。
（2）调整好元件的安装姿态。
（3）检查插入元件的位置是否正确。
（4）用透明胶带将元件与电路板粘连，使元件相对稳固。
（5）依据电路图和装配图对元件的引脚边连线、边焊接。
也就是说，某个元件的引脚焊接好的同时，连线也同时焊在了这个焊盘上了。
这种焊接方法的好处是：
①元件引脚与连线一步到位，不容易出错。
②焊盘被焊接的次数少而使焊盘不易脱落损坏。
③焊点美观，质量好。
④装配速度比较快。
当一部分元件焊接完成后，应剪去高出焊点的元件引脚。
然后接着焊接另外一部分元件，直至焊接完所有元件。
元件焊接完后，最后焊接器件，如继电器、接线端子、电源变压器等。
2.3电路板装配的注意事项
1、在连线过程中，比较短的连线，可以利用元件的引脚进行连接。
2、连线与连线不能交叉而造成短路。
3、复杂的电路的连线，可以使用漆包线的连接方法。
4、IC插座在焊接中，焊接时间不要太长。
5、最后还应对装配好的万能板进行多次检查，以防焊接错误。
第三章热水器自动上水控制装置的程序设计
3.1热水器自动上水
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