即热式电热水器控制系统设计.docx
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即热式电热水器控制系统设计
太原科技大学毕业设计（论文）任务书
学院（直属系）：
电子信息工程学院时间：
学生姓名
指导教师
设计（论文）题目
即热式电热水器控制系统设计
主要研
究内容
1、掌握控制系统设计方法和一般步骤；
2、运用单片机完成对即热式电热水器控制系统设计；
2、熟练运用C语言进行编程。
研究方法
理论研究
主要技术指标（或研究目标）
通过对即热式电热水器控制系统功能需求分析，给出设计方案，完成系统硬件设计，绘制电路原理图，完成控制系统软件设计，通过模拟仿真验证所设计控制系统的性能。
教研室
意见
教研室主任（专业负责人）签字：
年月日
说明：
一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。
摘要
本文完成了即热式电热水器控制系统的设计。
系统选用AT89C52作为主控制器，同时结合键盘模块、显示模块、时钟模块、温度采集模块、水流检测模块和驱动模块等完成硬件电路的设计。
通过PID控制算法控制热水器的出水温度，利用C语言完成电热水器控制系统的软件设计；另外，采用“隔电墙”技术做漏电保护，保证洗浴过程中的安全。
最后对系统进行仿真，系统能正确显示时间与温度，准确控制加热电路的通断，达到了预期控制目标。
关键词：
AT89C52，电热水器，PID
Abstract
Thedesignofelectricwaterheatercontrolsystemisintroducedinthispaper.AT89C52wasselected,whichisregardedasthemaincontroller,andcombineswiththekeyboardmodule,displaymodule,clockmodule,temperatureacquisitionmodule,waterflowdetectionmoduleanddrivemoduletocompletethehardwarecircuitdesign.ThewatertemperatureiscontrolledthroughthePID,andthesoftwaredesignofelectricwaterheatercontrolsystemiscompletedbyusingClanguage.Inaddition，the"SafeCare"isusedtodoearthleakageprotection,toensurethesafetyofbathingprocess.Finally,throughthesimulationofthesystem,itcandisplaythetimeandtemperaturecorrectly,andthecontroloftheheatingcircuitcanbedoneaccurately.Inthisway,theexpectedcontrolobjectivescanbeachievedinthisdesign.
Keywords:
AT89C52,ElectricWaterHeater,PID
引言
随着科技在进步与发展，热水器早已成为家用电器的一员。
然而，市场上传统的热水器可靠性差，存在一定的安全隐患。
老式而简单的热水器由于质量差和技术落后等原因，已经越来越不被用户所青睐，也就是说将逐步退出市场。
现在人们的生活质量提高了，人们期盼有一种既安全，又方便的热水器，在浴室和厨房提供热水。
而智能化的热水器正符合人们的这一需求。
它能给用户提供直观、数字化的体验，而且能精确地采集和控制环境中的水温。
这样的热水器，必将为家庭、小型饭店、宾馆酒店提供配套服务。
可以预见，在不久的将来，智能化热水器将成为人们的首选，市场前景广阔。
就国内外的热水器市场来看，目前的电热水器除了行业内部竞争以及与燃气热水器的竞争以外，还面临着太阳能热水器的竞争。
但是不可否认的是，电热水器仍然占行业的主导地位。
并且随着科技的不断进步，电热水器也不再满足于普通的加热功能而已。
越来越多的电热水器往着智能化、节能、环保的方向发展。
部分高端热水器还具有智能记忆功能，记忆用户的用水习惯，在洗浴时间前自动提前加热，非洗浴时段提供中温生活用水，不仅让用户随时随地能享受到热水，也更加节能。
随着电热水器的智能化，相信市场前景会越来越好。
当前市面上的电热水器分储水式和即热式。
其中储水式使用前需要的预热时间长，使用过程中水温无法调节，而即热式电热水器即开即热，只需几秒的预热时间即可得到源源不断的热水供应。
并且储水式电热水器内胆容量大，对安装空间要求高，如果使用者过多就不能供应足够多的热水，洗澡未用完的热水也会逐渐变冷，形成浪费；相比而言，即热式电热水器内胆小，安装便捷，使用时按照用户个人需求提供热水，不造成浪费，且减少耗能。
而随着国家电网的转型，电费价格普遍下降，以及电力设施的改善，也表明了热水器的发展前景。
由于热水器的加热过程是一个非线性系统，且存在较大的滞后性。
采用PID控制能达到较好地控制效果，可以较好的控制出水温度，提供用户一个舒适的洗浴环境。
针对上述问题，本次将设计一个即热式电热水器控制系统。
该控制系统将采用PID控制算法来完成对水温的控制，解决水温突变的状况。
本文对这次设计进行详细介绍。
第一章介绍了系统的功能需求分析与方案的选取，并介绍了系统整体框架的设计；第二章讲述了硬件系统的设计，硬件设计包括键盘电路、时钟电路、温度检测电路、水流检测电路、显示电路、驱动加热电路等多个部分；第三章介绍了系统控制算法的设计，以及利用MATLAB对控制算法的仿真；第四章阐述了软件系统设计，针对整体软件系统流程和各个子程序流程进行了详细介绍；第五章对系统进行了Protues仿真；第六章是本次设计的结论。
第1章系统功能需求分析与控制方案设计
本章主要内容是根据本系统所要实现的主要功能，分别预设多种方案，在保证可行的前提下，结合经济性、便利性等原则，从中选出一种最佳的实施方案，进而在后续设计中得以实现。
1.1功能需求分析
结合当前电热水器的现状，本次设计的电热水器需要完成如下功能：
1、采集热水温度，为用户提供热水器的实际水温信息；
2、用户可以手动设置温度和校正时间；
3、控制热水器出水温度稳定，给用户一个舒适的洗浴环境；
4、自动检测热水器的工作状态，实现通水通电，断水断电，防止干烧；
5、做好漏电保护，保证用户在使用过程中的用电安全。
1.1.1硬件功能需求分析
结合上述的系统功能需求分析，硬件电路中需要具备以下几个电路模块，包括：
1、显示电路，用来显示时间、温度信息；2、键盘电路，用来手动设置时间、温度；3、时钟电路，用来提供时钟信号；4、温度采集电路，用来采集热水器的水温信息；5、水流检测电路，用来检测热水器的工作状态；6、加热驱动电路，用来控制电热水器的加热工作。
在满足实际功能需求，缩短开发周期，节约开发成本的前提下，本设计选择ATMEL单片机AT89C52为主要芯片，由时钟模块和温度检测模块为单片机提供时间和温度，输出至液晶屏显示，通过按键更改时间与预设温度，并由单片机输出控制加热驱动模块对热水进行加热。
系统整体框图如图1.1所示。
图1.1系统框图
1.1.2软件功能需求分析
结合当前科技环境使用情况，软件设计选择C语言来进行编程，结合硬件方案的设计，本设计需要实现温度采集、时间显示、驱动控制、键盘输入等功能。
软件设计采用分块编写程序的方案。
键盘扫描通过返回不同的键值来完成不同的按键功能；时间显示电路中液晶与时钟芯片和CPU通信各需使用一路串口通信[1]；温度采集电路中单片机通过DS18B20访问协议（protocol）与DS18B20通信；驱动控制使用中断来产生PWM。
软件方面最主要的是多功能的相互配合切换。
1.2控制方案设计
1.显示控制方案的设计：
显示模块主要通过显示包括时间、预设温度和实时温度等信息，让用户直观明了的了解电热水器当前水温以及工作状态。
因此需要一款显示清晰，性能可靠稳定的显示屏。
目前主流的显示器有LED数码管和LCD液晶屏。
数码管应用广泛，显示亮度高且电路连接简单。
但是不能显示字符，不能满足本设计的显示需求。
而LCD液晶显示屏具有灵活多变，重量轻，占地小，功耗低、画面丰富的优点。
指令操控简单，显示内容多样，可以双行显示，可以显示字符、字段，显示英文、阿拉伯数字、汉语等。
满足本模块的显示需求，且画面质量高，显示清晰稳定。
综上所述，考虑本次设计需要的显示量较多且含有字符，故选择LCD1602作显示屏。
2.时钟方案的设计：
本设计需要为用户提供准确的实时时间，故需要单片机来提供时钟信息。
方案一：
由单片机提供时钟信息。
单片机内部具有多个定时器，通常可由定时器中断实现时钟功能，十分方便。
但由于系统晶振误差、温漂、中断响应时间的不确定性及定时器重新装载时间常数所带来的误差，使得最终计时的误差偏大，决定它不能用来作为时钟的时间基准。
方案二：
选择时钟芯片。
时钟芯片内都集成了时钟、日历功能，高性能、低功耗，且具有闰年补偿等优点，外围电路非常简单并具有掉电保护功能，给时钟系统设计带来很多方便。
由于本设计中需要定时器产生PWM，无法再用来提供时钟，所以选择DS1302时钟芯片来提供时钟信息。
3.温度采集方案的设计：
本设计采集实时的水温信息并提供给用户，让用户知道当前水温以便调节自己所需水温。
故此需要通过温度传感器检测水温并将信息传送至单片机处理。
目前主流的温度传感器有热敏电阻传感器和数字温度传感器等。
传统的温度检测大多以热敏电阻为传感器，采用热敏电阻，可满足40℃至90℃的测量范围。
但热敏电阻可靠性差，测量温度精度低，对于1℃精度的信号是不适用的，还得经过专门的接口电路转换成数字信号才能由单片机进行处理[2]。
至于数字温度传感器，常用的有DS18B20，它能将采集到的温度信号直接转换成数字信号，并且方便进行多点温度采集，功耗也非常低，并且仅有一根总线传输，直接与单片机端口连接，电路非常简单，主要通过编程来计算温度[3]。
并且有很好的温度分辨率，最大温度分辨率高达0.0625℃，测温范围相对较宽，可达-55℃到125℃。
综合考虑，数字温度传感器测温范围广，精度高，且电路简单，故本设计选择DS18B20数字温度传感器。
4.键盘方案的设计：
本设计需提供用户手动校正时间与设置温度的功能，所以需要设计键盘来让用户输入时间、温度信息。
以下有两种方案可供选择。
方案一：
独立式按键。
每个按键单独与单片机的I/O接口连接，每个I/O口的工作状态互不影响，采用端口直接扫描的方式，缺点是每个按键都占用单片机的一个I/O口。
方案二：
行列式键盘。
行列式键盘工作原理是单片机内部对I/O接口进行行列扫描来确定哪一个键被按下，当按键较多时可以降低占用单片机的I/O口数目。
可以提高单片机端口的利用率。
本设计只需要5个按键完成温度、时间的设置，选择独立按键即可满足设计需求。
5.水流检测方案的设计
由于即热式电热水器功率较高，需要一个检测装置检测加热管内的水流情况并反馈给单片机，通过单片机控制加热管加热，防止干烧的情况出现。
方案一：
超声波水流传感器。
测量精度高，测量范围大。
但容易受到温度、噪声等的干扰，受到单片机频率限制，且价格较高，不适合本次设计。
方案二：
霍尔水流传感器。
霍尔传感器体积小，功耗小，容易安装到通水管内，工作温度范围广，在工作温区精度小于1%，适用于温度变化较大的场合，。
综上所述，方案一对被测环境要求较高，而方案二的适用范围广，且检测精度满足设计需求。
所以本模块选择霍尔传感器。
6.驱动控制方案的设计：
单片机输出的信号是小功率的直流信号，无法直接控制220V电压下加热丝的工作。
因此需要在单片机与加热丝之间连接一个隔离驱动电路。
方案一：
通过电磁继电器控制。
将继电器线圈接在控制回路中，常开触点接在加热电路中。
通过控制通过继电器线圈的电流来控制触点的闭合与断开，达到控制加热电路的通断。
该方案加热丝只有通断两种状态，且加热滞后时间较大，无法调节加热功率。
方案二：
通过光耦与双向可控硅控制。
该方案利用光耦驱动来做到强弱电安全隔离，利用双向可控硅的导通与关断来控制加热丝的通断。
并且通过控制可控硅的导通角达到调节加热丝功率的目的。
综上所述，本设计对加热控制精度较高，需要对加热丝功率进行调节。
因此选择方案二作为加热驱动模块。
1.3执行器的选择
对于即热式电热水器控制系统来说，其执行器就是电热丝。
由于即热式电热水器是一种大功率的家用电器，需选择功率较大的电热丝，对安装电路要求较高。
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10mm2,分支引线不小于2.5mm2。
2.5mm2的标准铜芯线能承受的最大电流是28A，在220V市电供电下，每根导线能接6000W的负载。
本设计选择4500W的功率，已经能满足用户日常的用水需求。
普通新购标准住宅的用户都能方便的安装，无需对排管线路做改变[4]。
对于较偏远地区进线截面积只有2.5mm2的住宅，只需单独使用一根住宅进线也能安全安装该热水器。
1.4本章小结
本章介绍了本设计所完成的功能，完成了即热式电热水器控制系统功能需求分析。
根据分析结果设计出系统整体框架，给出了系统硬件设计的选取方案。
第2章系统硬件设计
在前面章节介绍了系统的功能需求分析与系统的整体框架设计之后，确定了本次设计所需的硬件，本章节对硬件部分的各个模块电路进行设计。
2.1键盘输入电路的设计
为了设置热水器的时间和预约温度，可以使用按键设置，共设置五个按键，分别是：
时间键、温度键、增加建、减小键和开关键。
键盘与单片机的连接图如图2.1所示。
图2.1键盘与单片机的连接图
键盘输入模块就是5个微动开关，一端接公共地，另一端与单片机的P1.0到P1.4相接。
按键未按下，P1.0到P1.4是高电平，有键按下时五个按键所对应I/O口电平会被拉低，单片机可以检测到对应I/O输入低电平，从而确定哪个按键按下。
2.2LCD1602显示电路的设计
本模块选用LCD1602液晶显示屏来显示时间和温度，并且可通过按键进行调节，液晶显示电路与单片机连接电路如图2.2所示。
图2.2LCD1602与单片机的连接图
本液晶屏有16个管脚，1号管脚接地，2号管脚接电源，3号管脚是液晶偏压信号，4、5、6管脚接单片机的控制信号端，7~14管脚接单片机的数据端，其接口信号如表2.1所示。
表2.1LCD1602接口信号说明表
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
GND
电源地
9
D2
DataI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DataI/O
3
VEE
液晶显示偏压信号
11
D4
DataI/O
4
R/S
数据/命令选择端
12
D5
DataI/O
5
R/W
读/写选择端
13
D6
DataI/O
6
E
使能端
14
D7
DataI/O
7
D0
DataI/O
15
BLA
背光源正极
8
D1
DataI/O
16
BLK
背光源负极
R/S是数据/命令选择端，与单片机P2.5连接，当R/S接收低电平信号时，单片机对液晶进行读写命令操作；当R/S接收高电平信号时，单片机对液晶进行读写数据操作。
R/W是读/写选择端，与单片机P2.6连接，当R/W接收低电平信号时，单片机对液晶进行写操作；当R/W接收高电平信号时，单片机对液晶进行读操作。
E是使能端，与单片机P2.7连接，当E置高电平时，单片机才能对液晶进行读写操作。
D0~D7数据I/O口，与单片机的P0.0~P0.7连接，通过与单片机并行通信将需要显示的数据传送至液晶。
2.3DS1302时钟电路的设计
DS1302可以提供实时时钟、日历等信息并有闰年校正功能。
其连接图如图2.3所示。
图2.3DS1302实时时钟电路
DS1302时钟芯片只通过3根线进行数据的控制与传递：
RST（Reset）、SCLK（Serialclock）、I/O（Dataline）。
由RST和SCLK控制命令，I/O传输数据。
时钟芯片的管脚X1、X2连接32.768MHz的晶振，提供振荡频率。
RST与单片机P3.5连接，RST是数据传输的控制端。
只有将RST置高电平才能对时钟芯片进行数据传输操作。
SCLK总是输入端，接单片机的P3.6。
SCLK上升沿，芯片写入数据；SCLK下降沿，单片机读取芯片数据。
I/O端是数据传输端，接单片机P3.7。
芯片通过该端口将时钟信息送至单片机[5]。
2.4温度采集电路的设计
本系统选择DS18B20作为温度传感器，它在本控制系统中的作用是测量温度并转换成温度数字量。
本节介绍了DS18B20的特点和它与单片机的连接。
2.4.1DS18B20简介
与传统的热敏电阻相比，DS18B20有以下特点：
（1）DS18B20只要一条总线即可实现单片机与DS18B20的通信；
（2）电路设计时无需使用其他元件，因此与单片机连接电路简单；
（3）电压范围：
+3.0V~+5.5V，可由单片机电源供电；
（4）测温范围广，测量精度为0.0625℃。
2.4.2DS18B20电路的设计
温度传感器与单片机的连接如图2.4所示。
图2.4DS18B20电路连接图
芯片的3号管脚VCC接5V直流电，1号管脚CND接地，3号管脚DQ接单片机P3.4。
该传感器能直接将检测到的温度转换为数字量，不需要进行A/D转换，无需使用任何外围元件，故与单片机之间的连接相当简单。
单片机经单线接口访问DS18B20的协议（protocol）如下：
（1）初始化；
（2）ROM操作命令；
（3）存储器操作命令；
（4）处理数据。
数据段DQ与单片机P34口连接进行双向通信，将采集的温度数据直接传送至单片机。
2.5水流检测电路的设计
在通水管内无水时加热易发生事故，因此需检测水流，做到通水通电，断水断电。
本设计选择霍尔传感器作水流检测元件。
霍尔器件安装容易稳定，耗能小，耐腐蚀，非常适合做电热水器的水流传感器。
本设计选择永久磁钢产生磁场。
工作时令磁体与被测物运动来检测磁场，并反馈信息。
水流检测电路如图2.5所示。
电路主要包括霍尔器件、放大电路与光耦。
未通水时，霍尔器件离磁钢较远，无法形成霍尔效应。
霍尔器件输出高电平使三极管截止。
从而光耦输出高电平，经非门后输出低电平的控制信号。
反之，通水时，霍尔器件输出低电平。
三极管导通，光耦输出高电平，经非门后输出高电平的控制信号。
输出的控制信号将控制加热电路的继电器的通断[6]。
图2.5水流检测电路
2.6加热驱动电路的设计
本设计需要对电热水器的加热功率进行控制调节，因此选择光耦与双向可控硅组成驱动电路，用来实现单片机对加热电路的控制；加热功率的控制调节由PWM脉宽调制技术来实现[7]。
2.6.1大功率光耦MOC3042
为了实现可控硅导通角的控制，并且能够实现可控硅的过零可靠触发，就必须在单片机与主电路之间接一个光耦驱动器，该驱动器的输出端必须耐高压，这样才能使可控硅可靠触发导通。
在本设计中采用的是MOC3042光电双向可控硅驱动器，该驱动器结构如图2.6所示。
图2.6MOC3042引脚排列及内部电路图
管脚1和管脚2是输入端，连接一个发光二极管。
管脚4和管脚6是输出端，连接一个光控双向可控硅。
当输入15mA以上电流时，二极管发光使光控可控硅导通，从而接通负载电路。
2.6.2驱动电路的工作原理
图2.7双向可控硅的伏安特性
要控制双向可控硅的导通，首先得了解晶闸管的导通及关断条件。
双向可控硅的伏安特性如图2.7所示，无论门极是正的触发电流还是负的触发电流，都能触发双向可控硅导通。
当电源电压在正半周时，可控硅承受正向电压，此时晶闸管导通，工作在第一象限。
同理，当电源电压在负半周时，可控硅承受反向电压，晶闸管导通，工作在第三象限[8]。
光耦MOC3042的通断是由输入端控制的，单片机的P24端控制光耦的输入端。
P24端输出频率一定脉宽可调的PWM波，PWM波的频率由双向可控硅的触发角
决定，因为双向可控硅的触发角
可调范围为
，因此PWM波的频率为工频交流电频率的2倍即频率
，即PWM波的周期
。
2.6.3驱动电路的设计
加热驱动电路如图2.8所示。
图2.8加热驱动电路图
由于负载加热丝存在少量电感，属于感性负载。
因此当负载电流过零时，电感的存在负载电流不能即时发生变化。
根据楞次定律，负载电感会产生同方向的电流，该电流会阻止可控硅的关断，使该关断的可控硅导通，也就是误导通。
在可控硅两电极之间并联一个RC串联电路来吸收此电流[9]。
2.7漏电保护技术
为保证使用电热水器时的用电安全，本设计选择“隔电墙”作为漏电保护。
其示意图见图2.9所示。
图2.9隔电墙示意图
“隔电墙”的专业名称为“水电阻衰减隔离法”。
该技术利用水自身电阻，对电热水器中的通水管设计，材质的选择以及电气阻尼技术等形成“隔电墙”。
按照国家标准，220V电压下漏电电流小于5mA，漏电时也能洗浴。
由此可得水电阻
。
自来水的电阻率为1300Ω·cm（国标规定自来水在15℃时电阻率应大于1300Ω·cm）。
若绝缘管长L，内孔半径r，水介质电阻R，水电阻率
，则:
（2-1）
因此，当绝缘管长L大于106倍内孔半径的平方，即L>106r2,就可以保证自来水的水电阻作防漏电隔离。
2.8本章小结
本章详细介绍了系统各个硬件模块的设计，采用分块描述，介绍了各个模块的特点以及电路连接。
所有模块设计完成后，进行整理设计得到系统的总体原理图，具体原理图见附录。
硬件电路设计完成之后，在下一章介绍系统的控制算法。
第3章控制算法设计
为控制出水温度的稳定，需加入控制算法对电热丝加热效率进行控制，这里选择的是利用PID控制算法。
本章节介绍PID控制算法并建立数学模型，以及对系统的仿真。
3.1PID控制算法
本系统是一个简单离散控制系统，方框图如图6.1所示。
它由被控对象、检测元件、数字控制器、执行器构成。
图3.1控制系统框图
系统工作时，被控过程的输出信号（水温）y（t）通过DS18B20检测变换为数字量b（t），并将温度数字量b（t）反馈给控制器的输入端；控制器根据系统被控变量（温度）的设定值r（t）与b（t）进行比较，产生偏差信号e（t），按照PID算法进行运算输出控制信号u（t）（PWM占空比）执行器（加热丝）根据控制信号u（t），通过改变操作变量P（t）（加热功率）的大小，对被控对象（水）进行调节，克服扰动对系统的影响，从而使被控变量y（t）趋于设定值r（t），达到预期的控制目标。
3.2被控对象模型的建立
被控的热力对象如图所示3.2所示。
图3.2热力对象示意图
假设加热器不与外界产生热量交换，当输入水流量及温度（Ti）不变，加热器输入的热流量从P增加到P+pi，输出的热流量为P+po,输出水温变为TO+to，根据热平衡方程，则：
（3-1）
（3-2）
C为比热容（KJ/Kg·℃），R为热阻（℃·s/KJ），对式3-1变形，并将式3-2代入式3-1中，得：
（
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