基于单片机控制的快热式家用电热水器的设计本科毕业设计论文.docx

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基于单片机控制的快热式家用电热水器的设计本科毕业设计论文

基于单片机控制的快热式

家用电热水器的设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

随着人们生活水平的不断提高，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中家用电热水器就是一个典型的例子。

在本设计中采用单片机AT89C51作为控制器来控制电路。

本设计分别对硬、软件进行设计说明。

硬件包括加热控制电路，温度检测电路，LED数码管及指示灯显示电路及报警器驱动电路等的设计，比如，利用热敏电阻对热水器出口温度进行检测；用温度/频率转换电路通过单片机的检测间接测出温度值；用单片机通过光耦给可控硅触发信号，控制可控硅的导通角,而控制电热丝的有效加热功率；用继电器来控制加热电源，使其在关机和超温保护的状态下可靠的关断；用在继电器线圈回路中串联105℃的熔丝来防止温度过高时加热管干烧。

软件部分给出了部分程序流程图的设计，包括主程序的设计、显示扫描子程序的设计、按键扫描处理子程序的设计、加热和控制程序流程图的设计、温度检测程序的设计、频率测试程序的设计。

软件编程采用C语言编写，因为其简洁、使用方便灵活、容易实现程序的模块化和结构化。

关键词：

单片机；电热水器；温度/频率转化测温；二分查找法

Designofrapidheatingtypehouseholdelectricwaterheaterbasedonsingle-chipmicrocomputercontrol

Abstract

Aspeoplelivingstandardriseceaselessly,thesingle-chipmicrocomputercontrolisundoubtedlyoneofthegoalsofthepeopletopursue,itbringsconvenienceisnotnegative,householdelectricwaterheaterisatypicalexampleofit.InthisdesignusesAT89C51microcontrollerasthecontrollertocontrolcircuit.Thedesignofhardwareandsoftwarerespectivelydesignandexplains.Hardwareincludingheatingcontrolcircuit,temperaturedetectioncircuit,LEDdigitalpipeandindicatorshowscircuitandalarmdrivercircuitdesign,forexample,usingthermalresistanceofthewaterheateroutlettemperaturetesting;Usetemperature/frequencyconversioncircuitismeasuredbysingle-chipmicrocomputerdetectionindirecttemperature;Withsingle-chipmicrocomputercontrolledbylight-couplertotriggersignal,ControltheconductionanglesoftheSCR,andcontroloftheresistancewireeffectiveheatingpower.Userelaytocontroltheheatingpower,sothattheshutdownandover-temperatureprotectionundertheconditionofreliableshutoff;Usedinrelayscoilloopintandem105℃meltsilkofhightemperaturetopreventdryheatingtubewhenburnt.Softwarepartgivespartoftheprogramflowchart,includingthedesignofmainprogramdesign,thedesignofsubroutinesthatdisplayscanning,buttonsscanningprocessingproceduredesign,heatingandcontrolprogramflowchartdesign,temperaturedetectionprogramdesign,frequencytestproceduredesign.SoftwareprogrammingusingClanguage,becauseofitissimpleandeasytouseandagileandeasytoimplementproceduresofmodularandstructured.

显示对应的拉丁字符的拼音

Keywords:

single-chipmicrocomputer;electricwaterheater;temperature/frequencyconversiontemperaturemeasurement;binarysearchmethod

1绪论

1.1单片机的组成及特点

随着人们生活水平的不断提高，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的。

其中家用电热水器就是一个典型的例子，单片机正朝着高性能和多种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

单片机采用面向控制的指令系统，实时控制功能特别高。

CPU可以直接对I/O口进行输入、输出操作及逻辑运算，并且具有很强的位处理能力，能有针对性解决由简单到复杂各类控制任务。

单片机作为嵌入式应用的微型计算机，由于其出色的性价比，极强的实用性，它取得了巨大的发展。

从最早的4位单片机，到今天的16位，甚至32位单片机，单片机的应用越来越成熟，要想设计出较好的快热式电热水器必须要以较强的单片机作为基础，而单片机的发展正好为热水器的开发奠定了前提条件。

1.1.1单片机的组成

单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。

就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。

单片机是通过内部总线把计算机的各个主要部件接为一体，其内部包括地址总线、数据总线和控制总线。

其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。

1.1.2单片机的特点

由于单片机的各种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。

单片机主要有如下特点：

有优异的性价比。

1.集成度高、体积小、有很高的可靠性。

单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了芯片之间的连线，大大的提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。

另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。

2.控制功能强

为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及微处理能力。

单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。

3.低功耗、低电压，便于生产便携式产品。

4.单片机系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。

1.2选题目的和意义

当前，热水器已成为日常生活中不可或缺的家用电器，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。

快热式电热水器与普通电热水器最大的区别在于取消了储水罐，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，水温可以调节，安装方便等优点。

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资源，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，而且安装麻烦，接受太阳能的板片还得轻拿轻放，切勿撞击，属易碎品，加大了其使用的不安全与不保险性。

此外，其使用还受天气原因的限制，适用范围狭窄，导致太阳能热水器行业的发展目前还存在很多障碍；燃气热水器由于以天然气为燃料，而燃料供应量有困难，且国家对其使用年限有规定，适合在低气价地区使用，来满足人们的需求，且不利于环境；人们在选择热水器时，除了要安全可靠和美观耐用外，一次性购机费和经常性开支（能耗）也是人们考虑的重要环节，其中经常性开支有时比一次性购机费更能左右用户的选择，因此如何来降低热水器的能源消耗，使用户能以最小的代价获得更大的收益，这是一个大多数用户十分关心的问题。

随着人们生活水平的不断提高、日益增长的需求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、必要的条件。

电热水器是家庭、公用住宅、小型饭店、宾馆酒店理想的配套服务设施。

相信今后几年我国电热水器市场仍将会迅猛发展。

1.3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，安装方便等优点。

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，也没有好技术和科技来保证其产品质量与使用的安全，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10平方毫米，分支引线不得小于2.5平方毫米，电表规格不得小于40安，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，用多少热水就加热多少热水，没有热水用不完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。

1.4即热式电热水器与普通电热水器的区别

普通电热水器有如下缺点：

1.热水器长期通电，长期保持在六十度以上高温，发热管易结垢，内胆易漏水，因而较易损坏；

2.管道热水、热量损耗大；

3.等候用水时间长；

4.在热水流出前都必须浪费一定量的热水，根据管道的长短，一般家庭中冷水损耗量大，基本可达10-25升每次。

而快热式电热水器克服了上述缺点。

它有很多优点，如：

安全，干净环保；即开即热，3-5秒出热水无需等候，热水使用时间不受限制，想用多少就用多少；用多少烧多少，省电省水，没有损耗；内置温控仪保证温度在30-50度之间，解决温度持续高温导致的结垢漏水问题。

体积小不占空间，其中封闭式（尺寸为：

24cm*9.5cm*25cm，类似25*25的卫生间地砖那么小，纯白色。

）可以隐藏在橱柜内，安装方便，特别适合新装修的房子，款式多样，美观实在，也是职工福利和客户礼品的绝佳选择。

特别方便于洗涤和洗漱，是为现代家具厨房洗涤、卫生间洗漱专业设计生产的快速电加热热水器，结合了燃气热水器、太阳能热水器和传统储水式电热水器的诸多优点。

1.5设计要求

1.用2位数码管显示出水温度，能显示设定功率档位。

2.温度检测显示范围为00～99℃，精确度为±1℃。

3.设置3个功率档位指示灯，1～4档1个灯亮，5～8档2个灯亮，9档3个灯亮。

0档无功率输出，档位灯不亮。

4.设置3个轻触按钮，分别为电源开关、“+”键和“-”键。

加热功率分0～9档；按“+”键依次递增至9档，按“-”键依次递减至0档。

0～9档功率依次为0、1/9P、2/9P、3/9P、4/9P、5/9P、6/9P、7/9P、8/9P和P[1]。

5.出水温度超过65℃时停止加热，并蜂鸣报警，温度降到45℃以下时恢复。

6.内胆温超过105℃时停止加热，防止干烧。

1.6设计内容

本设计的设计内容包括硬件部分和软件部分的设计。

硬件部分分为元件选择和电路的设计，元件选择包括单片机、电源、键盘、显示器、驱动及加热控制元件、温度检测传感器等的选择；电路包括加热控制电路、过零检测电路、温度检测电路、LED数码管及指示灯电路、报警器驱动电路。

软件部分的设计即系统程序流程的设计，包括主程序的设计、显示扫描子程序的设计、按键扫描处理子程序的设计、加热控制程序流程图的设计、温度检测程序的设计和频率测试程序流程图的设计等。

其中，软件编程采用C语言进行编写，因为C语言在功能上、结构性、可读性和可维护性上比汇编语言有明显的优势，KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

另外重要的一点就是KeilC51生成的目标代码效率非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势[2]。

也容易实现程序的模块化和结构化。

此外关于快热式电热水器控制源程序在KeiluVision2V2.30（C51.exeV7.0）环境下调试。

2快热式电热水器的硬件设计

根据设计要求，系统的组成框图如图2.1所示，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数码管及指示灯电路、报警电路和加热控制电路。

对于快热式家用电热水器来说，硬件系统是它的最基本的框架，是系统的所有功能的基础。

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计。

图2.1电热水器系统组成框图

2.1硬件元件的选择与方案论证

2.1.1单片机的选择

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，不适用。

方案二：

单片机51机的特点：

①字长为8位。

几乎绝大多数的单片机外围芯片都直接或间接的支持8位字长，这样可供它选择的余地相当大，这使得51单片机的应用达到了无孔不入的地步。

②程序存储器与数据存储器分开。

程序存储器和数据存储器的容量都是64KB。

这样做的好处是可以尽可能使用大的存储器，无论是程序还是数据都是这样，在存储器价格日益低廉的今天，几乎可以用微不足道的价格换取相当可观的性能。

③功能日益强大。

现在程序存储器、数据存储器、掉电不丢失数据存储器、看门狗、A/D转换电路、驱动电路等都集中到一个芯片上。

没有别的特殊要求，一个片子就能组成几乎十分完整的单片机系统。

④软件上单片机的编制语言十分丰富。

包括汇编语言、C语言、PLM，某些单片机甚至固化有解释型的BASIC语言，适应几乎所有人员的需要[3]。

因为89C51芯片内部有ROM，且芯片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。

此外，89C51还可以工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。

在空闲模式下冻结CPU，而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。

掉电模式下，保存RAM数据，时钟震荡停止，同时停止芯片内其他功能。

所以我们选择了89C51作为系统微处理器。

2.1.2电源的选择

方案一：

采用干电池，使用方便，安全可靠，但价格昂贵，且使用