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开题报告

毕业设计开题报告

毕业设计开题报告

1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：

文献综述

一、本课题研究的背景及意义

随着人民生活水平的不断提高和我国电力工业的不断发展,电热水器得到不断普及。

目前电热水器已成为日常生活中不可缺少的家用电器，快热式家用电热水器无需储水罐，热水即开即用，无需预热，减少了电能的浪费，应用价值极高。

电热水器可供洗手间、厨房、浴室使用，具有无污染、安全、保温时间长、使用方便等优点。

目前市场上的家用电热水器加热速度快、体积小，但功率太大，多数家庭的供电线路难以承受。

生活中的火灾隐患越来越多，而火灾通常发生在电源插头连接处。

公安部消防局资料显示由于使用电热水器烧开水忘记断电，致使热水器长时间通电，使电路负荷增大，造成电线过热引发火灾的事故数量正在逐年上升[3]。

夏季是用电的高峰期,加上气温等因素的影响，频繁使用大功率电器很容易导致电线过热。

在冬季，尤其是在北方，电热水器，电暖气的长时间使用很容易导致电路老化，绝缘损坏发生短路,进而引发火灾。

在由于使用电器引发的火灾中，电源插头处过热引发的火灾事故占到了全部事故的60.9%。

插头过热引发火灾的首要原因在于用电器功率过大，而插头与插座之间由于自身原因存在接触不良的状况很容易产生电火花[16]，插头处发热阻抗增加，而且该处温度越高阻抗越大。

使用插头直接接入和断开电源，即把插头当电源开关使用，商用热水器导致带负载接通和断开电路，引起在电源插头接触处产生高温电弧，促使接触部件氧化层加厚和局部烧伤[4]，插头接触舌片夹紧压力不足，使该处电阻增大。

根据焦耳定律

，插头处与导线处相比接触不良，连接电热水器与大功率电器时，大电流在该处遇到大的电阻，相同情况下在该处产生了更多的热量，温度升高，从而成了引发火灾的头号隐患。

此外，由于连接大功率电器，电源插头严重过热，会使插头整体及其附近的电源线过热，造成电源线老化、变硬或熔化、绝缘外壳内侧严重碳化，发现烧焦气味，导致插头插座间接触电阻不断增加，造成电源线火线与零线间绝缘层因热击穿造成短路[5]，电源箱中的保险丝熔断，自动空气开关跳闸，甚至是由于不能知道确切的插头温度值盲目拔插头引发触电危险。

二、本课题国内外研究现状

1.国内对电源插头过热保护器设计的研究现状

过热保护器的发展初期即2000年前，主要采用机械式温度控制器，这类温度控制器大都采用双金属片控制开关，将定温后的双金属圆片作为热敏感反应组件，当产品主件温度增高时，产生的热量传递到双金属圆片上，达到动作温度设定时迅速动作，通过机构作用使触点断开或闭合；当温度下降到复位温度设定时，双金属圆片迅速恢复原状，使触点闭合或断开，达到接通或断开电路的目的，从而控制电路。

双金属片温度控制器现在已经基本淘汰，只使用在一些要求不高的低档场合。

机械式温度控制器缺点较多，功能单一、精度低、容易打火，使得智能电子式过热保护器全面取代机械式过热保护器成为了不可逆转的趋势。

伴随全球电子工业温度控制器市场在的新世纪的迅速增长。

实现对温度控制的方法越来越多，有采用模拟电路实现的、也有采用计算机构成的智能控制。

模拟控制温度的方法主要有开关式控制法、比例式控制法和连续式控制法。

在用电器过热保护方面，国内产品主要集成在用电器自身内部，最典型的就是海尔的产品。

温度控制器的感温管插入盛有酒精的恒温槽中观察其温度，温度控制器的两个接线柱与电池和指示灯相串联，温度控制器开关闭合，指示灯亮，温度控制器开关断开，指示灯熄灭，改变恒温箱的温度可以使温度控制器闭合或断开。

还有一种是独立于机器之外，采用贴片式的方法实现过热保护，应用原理广泛，主要有以下四种：

突跳式保护器，属于采用双金属片温控器的新型产品[2]，通常与热熔断器串接使用，突跳式保护器作为一级保护。

热熔断器则在突跳式保护器失效导致电热元件超温时做二级保护，有效地防止烧坏电热元件以及由此而引起的火灾事故；液涨式保护器，是当被控制对象的温度发生变化时使温控器感温部内的物质产生相应的热胀冷缩的体积变化，以杠杆原理，带动开关通断动作，达到保护目的，这种保护器主要用于家电行业，电热设备等温度控制场合用；电子式温度控制器（电阻式）是采用电阻感温的方法来测量的，一般采用白金丝、铜丝、钨丝以及热敏电阻等作为测温电阻。

一般家用空调大都使用热敏电阻式。

但是国内在插头过热保护器的设计上仍属空白。

2.国外研究情况及其发展：

国外在过热保护器方面的研究较国内领先。

在原理上，新型过热保护器正从模拟式向数字式、电子式转变，从集成化向智能化、网络化的方向发展[7]。

进入电子信息时代后，电子自动化、信息采集控制成为了不可逆转的潮流。

智能电子式过热保护器全面取代机械式温度控制器将在未来很短的时间内实现。

家用电器的温度尤其是其关键部位的温度，一直是人们日常生活中的主要被控参数，而采用单片机对这些被控参数进行控制已成为当今的主流[6]。

就目前情况而定，智能电子式温度控制器必将在短期内全面取代机械式温度控制器。

比较而言，国外的智能温度控制器还在精度、功能、可靠性及安全性等方向迅速发展。

智能化的温度保护器使用更加方便，功能更加强大，且更可靠，更安全。

在保护部位上，国外更加注重在插座、插头的接触性能上解决电源插头的发热问题，在稳定性、安全性方面有实质性的优势[8]。

英国三芯插头在内部有自带的保险丝，新加坡在插头的插脚处装有保护套，保险丝可以更换，意大利的插头还对火线、零线和地线的长度作了明确的规定。

全球各国普遍都是在IEC的标准上制定的插头标准，但是防护性能却大不相同。

各界研究插头的防护，目的大致相同，但方法、技术各具一格，且各有千秋。

但是在插头处加装过热保护器将插头温度限定在规定范围内，从而增强其安全性能的研究尚少，导致了在插头的安全性能上难以实现突破性的飞跃。

三、研究目标

在大功率电器大量使用，电源插头成为主要火灾隐患的现在，改变现有大功率电器插头的设计方案，使用新型插头已成为更环保、更安全、更节约的电气时代的必然选择。

随着我国电子温度控制器市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用于研发也成为机械电子行业的研发走向。

智能电子式温度控制器及以其为核心的过热保护器[14]必将在短期内全面取代机械式温度保护器。

并且，电子产品在精度、功能、可靠性及安全性等方面迅速提高，对于过热保护器的研究设计[15]以及发展都是相当有益的。

近年来，温度控制环节已被纳入分布式控制系统，个人电脑和可编程逻辑控制器。

与之相关的核心生产技术应用于研发已成为企业关注的焦点[9]。

开发加装温度保护器的电源插头对于提高企业市场竞争力，改善人民生活，保障人民的安居乐业也具有非常重要的意义。

本文致力于在国内外过热保护研究的基础上开发基于单片机的新型插头过热保护装置。

其主要功能是，根据设定温度与实际温度的差值来控制保护器的执行机构，从而改变插头温度至安全区间。

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

四、研究思路和方法

首先，收集大量相关资料，参考多种温度控制器方案和电源插头设计方案并确定出自己将要设计的方案。

再将自己打算设计的方案进行仿真调试。

当仿真调试得到理想效果时，再将设计好的原理电路制成PCB板[17]，随后清点需要的元器件并购买。

接着，按照自己设计的电路完成实物硬件并调试。

最后，在成功完成硬件后，依照设计的全过程完成毕业设计论文。

接通电源，热水器开始工作，此时插头温度为室温。

过热保护器进入待机状态，温度传感器将采集到的实时温度通过串口向单片机传输[18]，对温度进行实时监控，将测得结果发送到数码管显示出来，同时系统对测得的温度值进行分析。

随着电路的工作时间不短增加，插头温度从室温开始升高。

A点温度为单片机正常工作范围，B处温度为插头温度警戒值，当插头温度升高到B值时，风扇开始运行，直至温度降至A点，风扇停止工作，这个过程会随着插头温度值的变化自动开启和停止，从而实现对于插头温度值的自动控制。

特殊情况下，如果出现系统故障，插头温度在达到B值后，风扇未能正常启动，插头温度持续上升，直到上升到C点温度值，单片机控制继电器将用电器电路自动断开。

通过这个过程实现了防止火灾或者触电事故的发生，免除因温度过高带来的经济损失。

待人工排除故障，将其手动复位后，用电器进入工作状态，保护器开始正常工作。

数码管

风扇

继电器

（1）

温度传感器

变压器

继电器

（2）

复位按钮

单片机

图3-2过热保护器内部元件布局图

图3-2为布局图中分别采用了TQFP封装的C8051F005单片机（图3-3）、DS18B20温度传感器（图3-4）、LANGTENINGE41*20变压器（图3-5）、OmronMY2NJ-220V继电器（图3-6）、OmronG6EK-134P5V继电器（图3-7）、共阳极7407驱动数码管（图3-8）和MF15B-05风扇（图3-9）、复位按钮（图3-10）。

系统由TQFP封装的C8051F005单片机、DS18B20温度采集、数码管显示、电动机散热[10]等部分构成。

单片机部分包括时钟电路、复位电路。

温度采集部分包括温度传感器、BCD码转换。

经软件处理后送至7段共阳极数码管显示。

变压器作为电源部分输出5V电压给各个芯片。

以TQFP封装的C8051F005单片机为控制单元，通过高精度的DS18B20数字温度传感器的反馈信息调动风扇实现对插头处温度的自动控制。

图3-3单片机图3-4温度传感器图3-5变压器

图3-65V继电器图3-7220V继电器图3-8数码管

图3-9复位按钮图3-10风扇

系统由TQFP封装的C8051F005单片机、DS18B20温度采集、数码管显示、电动机散热等部分构成。

单片机部分包括时钟电路、复位电路。

温度采集部分包括温度传感器、BCD码转换。

经软件处理后送至7段共阳极数码管显示。

变压器作为电源部分输出5V电压给各个芯片[11]。

以TQFP封装的C8051F005单片机为控制单元，通过高精度的DS18B20数字温度传感器的反馈信息调动风扇实现对插头处温度的自动控制。

出于简化电路，经济实惠，自动测量等方面考虑，本系统采用DS18B20温度传感器来测量系统温度[12]，DS18B20与单片机是单总线连接方式，它只定义了一根信号线，总线上的每个器件都能够在合适的时间驱动它，相当于把单片机的地址线、数据线、控制线、合为一根信号线对外进行数据交换，并且，它不再经A/D转换成数字量，可以直接测得数字量，简化了许多工作，电路也简单可靠。

    DS18B20的测温原理如图3-11所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。

计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 ℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55 ℃所对应的一个基数值。

减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

图3-11DS18B20内部测温电路框图

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。

系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。

操作协议为：

初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

DS18B20与单片机的典型接口设计如图3-12，图中采用寄生电源供电方式，P1.1口接单线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管和89C51的P1.0来完成对总线的上拉。

当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10 μs。

采用寄生电源供电方式是VDD和GND端均接地。

由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的。

主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：

初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。

假设单片机系统所用的晶振频率为12 MHz，根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写3个子程序：

INIT为初始化子程序，WRITE为写（命令或数据）子程序，READ为读数据子程序，所有的数据读写均由最低位开始，实际在实验中不用这种方式，只要在数据线上加一个上拉电阻4.7 kΩ,另外2个脚分别接电源和地。

P1.0

P1.1

DS18B20

DS18B20

+3~+5.5V

4.7kΩ

I/O

图3-12DS18B20与微处理器连接图

由TQFP封装的C8051F005单片机具有普通单片机具有的全部功能,它具有体积小、功耗小，容量大。

含有中断、定时/计数器。

本次设计没有非常大的编程量，此芯片的容量已足够。

同时体积较小，工作稳定，非常适合做本系统的主控单元。

图3-13为C8051F005单片机工作图。

数码管工作在静态显示方式下，共阴极或共阳极点连接在一起接地或高电平。

每位的段选线与一个8位并行口相连。

只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符。

该工作方式常采用串行口设定方式0输出，外接74LS164移位寄存器构成显示电路。

为了能通过温度的变化来调节插头的温度，这里我选用了继电器，单片机可以通过继电器实行低压控制高压，是一个很好的开关器件。

本次系统采用的是5V低电压分别控制5V和220V的继电器。

该温度控制器的软件设计部分的主要模块包括：

数码管显示程序、处理程序、温度信号处理程序、继电器控制程序。

主程序通过调用各个上述子程序来完成所有的过热保护器功能。

C8051F005单片机

TQFP封装

DS18B20

温度采集

数码管

显示温度

继电器

（1）

控制电路

预设温度

电源

继电器

（2）

控制风扇

图3-13单片机工作图

现阶段单片机、继电器、风扇降温技术都已经非常成熟，所以设计这个温度过热保护器具有很好的可行性。

四、预期效果

做出实物，通过Proteus仿真软件模拟过热保护器电子元器件内部运行原理图。

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指导教师意见：

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所在系审查意见：

系主任：

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