快热式家用电热水器的设计本科学位论文.docx

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快热式家用电热水器的设计本科学位论文

阳泉职业技术学院

毕业设计说明书

毕业生姓名

：

李文海

专业

：

电气自动化技术

学号

：

0507241070

指导教师

：

刘爱萍

所属系（部）

：

信息系

二〇〇八年五月

阳泉职业技术学院

毕业设计评阅书

题目：

快热式家用电热水器的设计

　信息　系　　电气自动化技术专业姓名　李文海　　

设计时间：

2008年03月17日~2008年05月18日

评阅意见：

成绩：

指导教师：

　　　　　（签字）

职　　务：

200年　月　日

阳泉职业技术学院

毕业设计答辩记录卡

信息系　　电气自动化技术专业姓名李文海　　　　　

答辩内容

问题摘要

评议情况

记录员：

（签名）

成绩评定

指导教师评定成绩

答辩组评定成绩

综合成绩

注：

评定成绩为100分制，指导教师为30%，答辩组为70%。

专业答辩组组长：

　　　　　（签名）

　　　　　　　　　200年　　月　　

摘要

随着生活节奏的加快，快热式电热水器省时的特性越来越被生活忙碌的人群所认可。

随着用电环境的改善，不少新建楼房都可以安装即快热式电热水器，这催生了即热式电热水器的快速增长。

本设计的快热式电热水器系统以单片机为核心，辅以键盘，显示电路，利用热敏电阻对热水器出口温度进行检测，将温度转换成频率，并将其反馈到单片机，用单片机测出频率大小，从而间接测出温度值，温度/频率转换电路简单可靠，成本低廉。

对于加热功率的控制，本文采用了双向可控硅控制，单片机通过光耦给可控硅触发信号，控制可控硅的导通角，从而控制电热丝的有效加热功率。

为了在关机和超温保护的状态下能可靠地关断加热电源，电路中加入了继电器来控制加热电源。

其中串联在继电器线圈回路的熔丝为105℃时，热保险丝会熔断，防止加热管干烧。

与电热丝并联的LED发光管用来指示电热丝的工作状态。

快热式电热水器它体积小，重量轻，要使用热水时，即开即热，无须等待，省去了加热多余的热水，因此它具有省时、省电、省水的优点。

正是基于以上原因，快热式电热水器在今后有着极为广阔的发展前景。

关键字：

单片机温度双向可控硅继电器

Abstract

Withthepaceoflifespeedsup,Quickhot-waterheaterinthebusylivesofmoreandmorerecognizedbythecrowd.Withelectricitytheimprovementoftheenvironment,manynewbuildingsthatcanbeinstalledfasterheat-typeheaters,whichhastenedthebirthofhot-waterheaterthatistherapidgrowth.

ThedesignofthefastheatofthewaterheatersystemtoSCMastheSupplementedbykeyboardsupplementedbythekeyboard,displaycircuit,theuseofthermalresistanceofthewaterheatertemperaturedetectionexports,thetemperaturewillbeconvertedtofrequency,andfeedbacktothemicrocontroller,withSCMsizemeasuredfrequency,thusindirectlymeasuredtemperatureandtemperature/frequencyconversioncircuitissimpleandreliable,lowcost.Theheatingpowerofcontrol,thepaperadoptedatwo-waySCRcontrol,SCMthroughOptocouplerSCRtriggersignaltothecontroloftheSCRon-angleandthuscontroltheeffectiveelectricwireheatingpower.Inordertoshutdownandover-temperatureprotectionofthestatecanbereliablyheatedpowershutdown,joinedthecircuitintherelaytocontroltheheatingpower.Oneseriesintherelaycoilcircuitforthefuse105℃,thefusewillbehotlinkstopreventtheheatingofGanshao.ParallelwiththeelectricwireLEDLEDelectricwireusedtoindicatetheworkofstate.

Quickhot-waterheateritssmallsize,lightweight,tousethehotwater,-theheat,donothavetowaitandsavetheextrahotwaterheating,soithasatime-saving,energysaving,theprovincialwateradvantages.Itispreciselybecauseofthesereasons,fasterheat-typeheatersinthefuturehasaverybroadprospectsfordevelopment.

Keyword:

MCUtemperatureSCRtwo-wayrelay

第一篇绪论

第一章选题目的和意义

近年来，热水器行业的发展趋势可以用一句话来概括，即仍将呈现出以电热水器为主导，燃气燃水器为辅，太阳能热水器为补充，三者互相共生。

对电热水器而言，它具有安全、环保的特点，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。

快热式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。

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。

本设计主要通过80C51单片机来实现对电热水器的温度、功率显示及加热控制和继电保护，80C51单片机体积小，结构简单，功耗低。

相信今后几年低功耗必将成为电热水器这一行业的热点。

第二章国内外发展情况

快热式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。

前些年，快热式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，预示了即热式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10m㎡,分支引线不得小于2.5㎡，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、方便的快热式电热水器，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的春天就要来临了。

第三章本设计研究的内容和所做的工作

（一）用2位数码管显示出水温度，能显示设定功率档位。

（二）温度测试显示范围为00-99℃，精度为±1℃。

（三）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个灯全亮，0档无功率输出，档位灯不亮。

（四）设置3个轻触按钮，分别为电源开关键、“+”键和“-”键。

加热功率分为0-9档，按“+”键依次递增至9档，按“-”键依次递减至0。

（五）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。

（六）内胆温度超过105℃时停止加热，防止干烧。

第二篇元件选择

第一章80C51单片机的介绍

80C51或其兼容系列的单片机：

80C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中最基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。

它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。

    80C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出（I/O）口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。

   此外，80C51还可工作于低功耗模式，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，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。

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：

（一）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。

（二）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。

（三）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。

（四）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。

（五）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。

（六）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。

（七）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μPSD32××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、上电复位电路等等。

第二章共阳极数码管的结构和工作原理

共阳极数码管:

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

第三章其它元件的介绍

12MHz的晶振：

晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。

通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。

有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。

在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。

高级的精度更高。

有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器。

双向可控硅：

可控硅也称作晶闸管，它是由PNPN四层半导体构成的元件，有三个电极，阳极A，阴极K和控制极G。

可控硅在电路中能够实现交流电的无触点控制，以小电流控制大电流，并且不象继电器那样控制时有火花产生，而且动作快、寿命长、可靠性好。

在调速、调光、调压、调温以及其他各种控制电路中都有它的身影。

可控硅分为单向的和双向的，符号也不同。

单向可控硅有三个PN结，由最外层的P极和N极引出两个电极，分别称为阳极和阴极，由中间的P极引出一个控制极。

单向可控硅有其独特的特性：

当阳极接反向电压，或者阳极接正向电压但控制极不加电压时，它都不导通，而阳极和控制极同时接正向电压时，它就会变成导通状态。

一旦导通，控制电压便失去了对它的控制作用，不论有没有控制电压，也不论控制电压的极性如何，将一直处于导通状态。

要想关断，只有把阳极电压降低到某一临界值或者反向。

双向可控硅的引脚多数是按T1、T2、G的顺序从左至右排列（电极引脚向下，面对有字符的一面时）。

加在控制极G上的触发脉冲的大小或时间改变时，就能改变其导通电流的大小。

与单向可控硅的区别是，双向可控硅G极上触发脉冲的极性改变时，其导通方向就随着极性的变化而改变，从而能够控制交流电负载。

而单向可控硅经触发后只能从阳极向阴极单方向导通，所以可控硅有单双向之分。

三极管：

三极管是一种控制元件，主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。

但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用。

IC的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放大倍数β（β=ΔIC/ΔIB,Δ表示变化量。

），三极管的放大倍数β一般在几十到几百倍。

三极管在放大信号时，首先要进入导通状态，即要先建立合适的静态工作点，也叫建立偏置，否则会放大失真。

在三极管的集电极与电源之间接一个电阻，可将电流放大转换成电压放大：

当基极电压UB升高时，IB变大，IC也变大，IC在集电极电阻RC的压降也越大，所以三极管集电极电压UC会降低，且UB越高，UC就越低，ΔUC=ΔUB。

继电器：

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

电磁继电器的工作原理和特性：

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：

继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

振荡电路：

能够产生振荡电流的电路叫做振荡电路。

一般由电阻、电感、电容等元件和电子器件所组成。

由电感线圈l和电容器c相连而成的lc电路是最简单的一种振荡电路，

振荡电路主要是用来稳定频率和选择频率。

此外电路中还用到5V的自鸣式蜂鸣器、稳压器（7805）、轻触小按纽、热保险丝、RC多谐振荡器、热敏电阻等元件。

第三篇方案论证

按快热式电热水器的功能要求，决定采用如图1所示的模块组成系统，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数码管及指示电路、报警电路和加热控制电路。

图1快热式电热水器系统组成框图

快热式电热水器为了达到“快热”的效果，取消了储水罐，使冷水在进入加热管后立即被加热，着就要求加热管有较大的功率。

家用电热水器一般采用方便，可靠的电热丝加热方法。

根据热学及流体力学原理，结合实际实验室测试，可以得到水温与流量、加热功率之间的关系如表1所列

表1水温与流量、加热功率之间的关系

对于加热功率的控制，最简单的方法是由若干不同功率的电热丝组合得到几种加热功率，但由于快热式热水器的加热功率较普通的大，且档位设置较多，用电热丝组合的方法需要几组电热丝和继电器，成本增高且工作可靠性降低，所以比较理想的是采用可控硅控制功率，电路简单又控制方便。

温度检测的方法较多，最经典的方法就是用热敏电阻（或热敏传感器）组成电桥来采集信号，再经放大，A/D转换后送单片机。

目前比较先进的方法是采用专门的集成测温传感器（如DS18B20），直接将温度转换成数字信号传送给单片机。

为了简化电路，降低成本，本文采用了温度/频率转换测温法，直接将温度信息转换成频率信号，用单片机测出频率大小，从而间接测出温度值，温度/频率转换电路简单可靠，成本低廉。

第四篇系统硬件电路设计

快热式热水器控制系统电路2（附录4）所示。

它由七部分电路组成：

单片机系统及外围电路、按键输入电路、LED数码管及指示电路、报警电路和加热控制电路和温度检测电。

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。

第一章加热控制电路

　　图3放在论文中所示为加热控制电路原理图，电热丝的加热功率由双向可控硅控制，单片机通过光耦给可控硅触发信号，控制可控硅的导通角，从而控制电热丝的有效加热功率。

为了在关机和超温保护的状态下能可靠地关断加热电源，电路中加入了继电器来控制加热电源。

其中串联在继电器线圈回路的熔丝为105℃时，热保险丝会熔断，防止加热管干烧。

与电热丝并联的LED发光管用来指示电热丝的工作状态。

可控硅触发信号中需要对市电进行过零检测，以实现出发脉冲的相位延时。

本电路中利用三极管8050和一个“非”门实现过零检测的，电路如图4放在论文中所示。

第二章温度检测电路

温度检测电路如图5放在论文中所示，温度/频率变换电路是利用反相器组成的RC多谐振荡器，其中的R24是一个热敏电阻，当温度变化时引起热敏电阻的阻值变化，从而改变了振荡器输出的方波频率。

该频率的估算可用如下的公式：

f≈1.1RC

图1加热控制电路图

图2过零检测电路图

图3温度检测电路图

第五篇硬件电路制作

制作硬件电路首先应根据电路原理图，使用计算机绘图软件，如protel,绘制出PCB印制板图，其次将购买的器件焊接在线路板上，为保证所设计系统能在现场可靠工作，制作时要注意以下几点。

（一）尽量采用高质量的印制电路板，孔化电阻、线距、熔剂、阻焊剂、打孔精度、镀金厚度、基板质量、是否数控打孔和热风整平等因素，都会影响应用系统的调试、使用和寿命，差的板半年左右就出问题，而且时好时坏，很难维修。

（二）在电路板上尽量多加去耦电容，一般在电路板电源入口处并上22～47μF的低频电容，在中间的电源与地线间并上0.1μF左右的高频小电容去耦，每四个14脚以上的芯片附近也须加上22μF电解电容和0.1μF的高频小电容去耦。

这样能保证减小电源线及地线上的毛刺，保证可靠工作。

（三）很好的安排地线、电源线走线，电源线尽量粗、尽量多、尽量组成网络。

模拟地、数字地、电源地、大地分开走线，在一点上可靠连接。

小信号、模拟信号用屏蔽线，在板上走线时尽量靠近地线，远离大电流信号线、电源线。

数字部分既会干扰小信号线，又会受大电流信号及电源线干扰，也要很好安排。

（四）直流供电尽量使用开关电源，开关电源很少受市电的电压波动、频率波动的影响，也能隔离从电源线进入的传导干扰。

输入输出接口应尽量采用光电隔离器，使控制系统做成全浮空的系统，使之不受传导干扰的影响。

（五）某些小信号线、器件、电路板应加电磁屏蔽板或罩。

第六篇控制系统的软件设计

快热式热水器的功能，系统程序必须实现显示扫描、按键扫描处理、加热控制和温度检测（包括超温报警）4项任务。

51系列单片机实现多任务运行的方法就是分时复用，在程序设计时要相应地分配好各任务的CPU占用时间。

对于以上几个任务稍加分析可以看出，显示扫描、按键扫描和加热控制任务相对而言有实时要求，而温度检测任务则可用定时（0.5～1s实现）。

第一章主程序

　　系统在上电复位后，先对温度寄存器、档位寄存器赋默认值，并进行清除超温标志，设置定时器及中断系统的工作方式等初始化工作。

　　由于51系统单片机没有停机指令，所以可以利用主程序设置死循环反复运行各个任务。

把有实时要求的子程序（显示扫描、按键扫描、加热控制）约占用5msCPU时间，运行测温子程序的时间间隔为0.5s，那么循环次数应为100次。

图6所示为主程序流程图。

第二章显示扫描子程序

显示扫描子程序完成两位共阳数码管的扫描显示任务。

图7所示为显示扫描子程序流程图。

第三章按键扫描处理子程序

按键扫描子程序负责逐个扫描档位“+”键、档位“-”键和开关键是否被按下，若有键被按下，则作出相应处理。

图8所示为按键扫描子程序流程图。

第四章加热控制程序

　　加热控制程序根据用户设定的加热档位和系统当前的状态，决定是否加热和控制加热的功率并点亮相应的指示灯，若有超温标志，还应打开蜂鸣器报警。

图9所示为加热控制程序流程图。

加热控制程序通过控制继电器的通断来决定是否给电热丝通过加热，而加热的功率大小则由双向可控硅的导通角决定。

系统程序利用外中断INT1检测市电的过零点，检测到过零点后，立即根据设定的加热档位给定时器T1赋一个延时参数，并打开定时器T1，允许其中断。

当定时器T1计满益出后触发中断，T1中断程序就会给可控硅发一个触发信号，使其导通。

图10和11所示分别为过零检测程序流程图和可控硅触发信号控制程序流程图。

第五章温度检测程序

　　温度检测程序的基本原理就是将