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