恒温热水器设计.docx

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恒温热水器设计

摘要

智能化的热水器一般的用单片机作为控制器，能实现恒温和水位的自动调节的功能，本设计是以FPGA和单片共同作为控制器件设的智能化热水器，在减少了一些外围器件的同时实现了恒温和水位的自动调节控制，还能实施时间监控，根据不同的月份，不同的日期，不同的时间而自动开启和关断热水器的电源，从而使得热水使用更加方便，设定后不需要人的干预，同时能节约电能。

本设计编程语言使用VHDL语言和C51，运行环境分别是MAX+plusII10.0和eluVision3，用Proteus7Professional画系统的电路图并进行仿真调试，FPGA芯片使用Alter公司的EPF10K10TC144-4，单片机使用STC89C52RC。

关键词：

C51、恒温控制、液位控制、时钟控制、键盘控制、液晶显示

Abstract

Waterheaterintelligentgeneralsingle-chipmicrocomputerasthecontroller,canrealizeconstanttemperatureandwaterlevelautomaticadjustmentfunction,thedesignisbasedonFPGAandsinglechipasthecontrolleroftheintelligentwaterheater,inreducingthenumberofperipheraldevicesatthesametimetoachievethecontrolofautomaticadjustmentoftemperatureandwaterlevel,butalsotheimplementationoftimemonitoring,accordingtothedifferentmonths,differentdate,differenttimeandautomaticopeningandclosingofthepowerofwaterheater,sothatthehotwaterismoreconvenienttouse,doesnotneedtobesetaftertheintervention,andatthesametime,energysaving.ThedesignofprogramminglanguagesareVHDLandC51respectively,runningenvironmentisMAX+plusII10andEluVision3,useProteuscircuit7Professionalpaintingsystemandsimulation,usingFPGAchipofAltercompanyEPF10K10TC144-4,useSTC89C52RC.

Keywords：

C51,temperaturecontrol,levelcontrol,clockcontrol,keyboardcontrol,LCDdisplay

目录

第一章设计内容1

第二章设计方案2

第三章设计原理4

第一节水位采集模块4

第二节传感器原理5

第三节温度采集模块6

第四章设计器材和电路图8

第一节器材8

第二节电路图8

结束语11

谢辞12

参考文献13

第一章设计内容

太阳能电热水器控制系统的设计方式很多。

本设计采用单片机为中央处理器，液晶显示模块，热电偶温度采集模块，水位采集模块，电加热模块，控制模块。

本课题设计的基于单片机的太阳能热水器在软件程序的控制下完成温度和水位的实时显示功能，并能完成温度设定等功能，具体实现的功能目标为：

显示水温和水位，电加热水温可任意设定；

设置温度参数后，自动控制电辅助备加热；

为解决普通燃气热水器的出水温度不稳定的问题，根据恒温热水器的工作原理，对普通燃气热水器提出了一种改进设计，设计出了一种基于单片机控制，并结合储水箱和傍通阀，充分利用电磁阀和比例阀的热水器工作系统。

经过试验仿真发现，这种设计可以解决普通热水器出水温度不稳定的问题。

如果将该设计运用于实际生产，必能更好的满足消费者需求，提高人们的生活质量。

第二章设计方案

图2-1太阳能电热水器整体结构示意图

No

图2-2

太阳能电热水器工作流程图

第三章设计原理

第一节水位采集模块

一、设计原理

采用筒式电容传感器采集液位的高度。

主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。

由于从传感器得出的电压一般在0~30mv之间，太小不易测量，所以要通过放大电路进行放大。

从放大电路出来的是模拟量，因此送入ADC0809转换成数字量，ADC0809连接于单片机，把信号送入单片机。

显示电路连接于单片机用于显示水位的高度。

二、系统框图

图3-1系统框图

被测物理量：

主要是指非电的物理量，在这里为水位。

传感器：

将输入的物理量转换成相应的电信号输出，实现非电量到电量的变换。

传感器的精度直接影响到整个系统的性能，所以是系统中一个重要的部件。

放大，整形，滤波：

传感器的输出信号一般不适合直接去转换数字量，通常要进行放大，滤波等环节的预处理来完成。

A/D转换器：

实现将模拟量转换成数字量，常用的是并行比较型、逐次逼近式、积分式等。

在此用到逐次逼近式。

单片机：

目前的数据采集系统功能和性能日趋完善，因此主控部分一般都采用单片机。

第二节传感器原理

电容式液位传感器系统；它利用被测体的导电率，通过传感器测量电路将液位高度变化转换成相应的电压脉冲宽度变化，再由单片机进行测量并转换成相应的液位高度进行显示，该系统对液位深度具有测量、显示与设定功能，并具有结构简单、成本低廉、性能稳定等优点。

一、传感器的组成

图为传感器部分的结构原理图。

它主要是由细长的不锈钢管（半径为R1）、同轴绝缘导线（半径为R0）以及其被测液体共同构成的金属圆柱形电容器构成。

该传感器主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。

图3-2传感器原理图

1、测量原理

由图1可知，当可测量液位H=0时,不锈钢管与同轴绝缘导线构成的金属圆柱形电容器之间存在电容C0，根据文献得到电容量为:

（1）

式中,C0为电容量，单位为F；ε0为容器内气体的等效介电常数，单位为F/m，L为液位最大高度；R1为不锈钢管半径；R0为绝缘导线半径，单位为m。

当可测量液位）为H时，不锈钢管与同轴绝缘电线之间存在电容

式中,ε为容器内气体的等效介电常数，单位为F/m。

因此，当传感器内液位由零增加到H时，其电容的变化量ΔC可由式

（1）和式

（2）得

由式可知，参数ε0,ε,R1，R0都是定值。

所以电容的变化量ΔC与液位变化量H呈近似线性关系。

因为参数ε0，ε，R1，R0，L都是定值，由式

（2）变形可得:

CH=a0+b0H（a0和b0为常数）（4）。

可见，传感器的电容量值CH的大小与电容器浸入液体的深度H成线性关系。

由此，只要测出电容值便能计算出水位。

第三节温度采集模块

此电热水器中采集温度主要利用集成温度传感器AD590，集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测：

式中，K—波尔兹常数；q—电子电荷绝对值。

集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。

集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。

电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。

电流输出型的灵敏度一般为1A/K。

利用AD590传感器测量水箱内摄氏度，如图2所示，电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放LF355的增益。

调整方法如下：

在0℃时调整R2，使输出VO=0，然后在100℃时调整R4使VO=100mV。

如此反复调整多次，直至0℃时，VO=0mV，100℃时VO=100mV为止。

最后在室温下进行校验。

例如，若室温为25℃，那么VO应为25mV。

冰水混合物是0℃环境，沸水为100℃环境。

图3-3用于测量摄氏温度的电路

要使图2中的输出为200mV/℃，可通过增大反馈电阻（图中反馈电阻由R3与电位器R4串联而成）来实现。

另外，测量华氏温度（符号为℉）时，因华氏温度等于热力学温度减去255.4再乘以9/5，故若要求输出为1mV/℉，则调整反馈电阻约为180k，使得温度为0℃时，VO=17.8mV；温度为100℃时，VO=197.8mV。

AD581是高精度集成稳压器，输入电压最大为40V，输出10V。

第四章设计器材和电路图

第一节器材

一、温度传感器

被检测信息——传感器——检测电路——输出单元

本方案使用电阻式传感器，由于检测电路的种类通常由传感器类型而定，所以电阻式传感器需用一个电桥电路把电阻值变换成电压或电流输出，由于电桥输出信号一般比较微弱，常常将电桥输出信号加以放大，所以在测量电路中一般还带有放大器。

二、铜热电阻

采用铜热电阻进行温度的测量，测量范围一般为—50度—150度。

在此温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯加工，价格便宜，复现性能好。

与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻体积较大，且在测温范围内化学物理特性稳定。

第二节电路图

一、继电器

通过连接继电器来控制电辅助加热是否工作。

继电器是一种电控制器件。

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）之间的互动关系。

通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“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。

当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，继电器被所控制的输出电路导通或断开。

二、电磁继电器原理

电磁继电器一般由铁芯、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）释放。

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”。

继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。

图4-1电磁继电器结构图

三、液晶显示模块

1、显示电路的设计

数码管显示电路的设计是采用双向共阳极串行接口电路，用来显示加热档位，直观性更强。

它的电路图如图4-2所示：

图4-2显示电路

水位采集模块

图4-3控制模块结构图

结束语

本论文通过对太阳能热水器设计中需要了解的相关名词及需要掌握的热水器设计的参数问题的解决方法以及在设计中应注意的问题作出了系统的介绍和总结。

通过这次写关于太阳能热水器的论文让我知道了在生活中我们使用太阳能热水器很方便又经济又方便使人们生活质量更上一层楼。

谢辞

在这次太阳能设计的大作业即太阳能热水器设计与实践中我遇到了很多的问题。

但我的指导老师在我完成这次作业中给予了我很大的帮助，如我在做太阳能热水器设计时不知道该怎么进行时，老师给我讲解了其设计的精髓和应该注意的问题，帮助我很好的完成了这次设计和实践。

在此我深深的感谢老师你对我的帮助和指导。

让我在社会实践的道路上有了新的认识和体会，更加深刻的理解太阳能这种资源的重要性。

最后我对老师说一句：

老师你辛苦了！

参考文献

1.沈兰荪.数据采集技术[M].合肥：

中国科技大学出版社，1990.1-3

2.樊尚春.传感器技术及应用[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2004.1-10

3.张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：

高等教育出版社，2004.

4.张毅刚，彭喜元，谭晓昀，曲春波.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：

哈尔滨工业大学出版社，1997