论文家用智能电热水器控制器完整0002.docx
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论文家用智能电热水器控制器完整0002
（论文）家用智能电热水器控制器完整
编号：
审定成绩：
XX大学
毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
家用智能电热水器控制器
学院名称：
学生姓名：
专业：
班级：
学号：
指导教师：
答辩组负责人：
填表时间：
年月
重庆邮电大学教务处制
随着人们生活质量的提高，人们对电热水器的要求越来越趋向于智能化和数字化。
其中，电热水器控制器性能的好坏不仅是电热水器性能好坏的体现，更关系到人身安全等重要内容。
因此，电热水器控制器的设计是智能电热水器的需要，同时也是电热水器的重要组成部分。
论文首先结合当前电热水器的发展现状和发展趋势，介绍了电热水器控制器研究的目的及意义。
在确定控制参数的基础上，详细介绍了控制器的各功能组成模块及工作原理。
根据电热水器工作原理进行控制器的硬件电路设计和软件设计。
最后深入介绍了控制器的调试方法和过程，以及对整个控制器的设计与实现工作进行总结。
硬件电路设计中充分利用51单片机的特点，主要对水温控制、水位控制和漏电检测模块进行了详细地分析设计。
其中，通过采用自制分段式水位传感器，实现了水位测量的低成本设计；对水温控制进行了完整的理论分析和算法设计，测量精度达到±1℃；通过分析漏电检测原理，在理论计算基础上设计了漏电检测电路。
软件部分在硬件平台的基础上实现电热水器的控制工作，包括液晶显示程序、按键扫描程序、水位控制程序、温度控制程序、漏电检测程序以及声音提示程序等。
本系统在软硬件设计的基础上，使用了计算机仿真演示。
通过计算机仿真，该控制器可以实现对水位控制、温度控制等功能，并能动态监测电热水器工作状况，这也验证了此设计的正确性。
【关键词】电热水器漏电检测温度控制水位控制
Abstractsummarized
【Keywords】Electricwaterheaterleakagedetectiontemperaturecontrolwaterlinecontrol
前言
随着国民经济的快速发展，热水器已经成为人们生活中必不可少的家用电器之一。
电热水器具有无污染、安全、保温时间长、使用方便等优点，越来越受到消费者的青睐。
有专家预计，借家电下乡等国家政策扶持，农村三、四级市场的拓展，以及行业技术升级、企业管理升级，2010年至2015年我国电热水器的需求量将呈现递增趋势，市场保有量将呈现较为平稳的增长态势[1]。
目前市场上有两种电热水器，连续水流式和贮水式。
前者虽具有加热速度快和体积小等优点，但功率太大，大多数家庭的供电线路难以承受。
而市场上贮水式电热水器大多数采用机械式控制器，存在控温精度低、加热时间长、可靠性差、功能单一、操作复杂、控制不方便等不足，很多控制器只具有水位和温度显示功能，不具有控制功能。
另外，电热水器安全也是大问题，普通电热水器多采用外配漏电保护器，有漏电发生时切断电源。
但一般漏电保护器质量参差不齐，漏电保护可靠性差，需要用户人工定期测试保护可靠性，这样用户无法实时知道漏电保护器的可靠性。
针对上述情况，利用单片机作为控制器的核心，可设计出一种多功能的电热水器控制器。
本文设计了一种智能电热水器微控制器，可以实现人机交互、水位控制、温度控制和漏电实时检测，若漏电时可同时切断加热管及控制器电源，并发声报警提示；热水器干烧报警，控制器故障指示等多种实用功能，方便用户使用。
第一章绪论
第一节电热水器发展现状及发展趋势
一、电热水器发展现状
经过20多年的发展，整个热水器行业已经从最初的小而少发展到现在的大而多，产品类型也随着技术不断成熟，由最初的燃气热水器独领风骚发展到今天的燃气式、电热式、太阳能、空气源热泵等多种类型。
随着全球经济快速发展，中国电器制造业的迅猛发展及城市建设步伐的不断加快，为热水科技产业带来了无限商机。
目前，创新、安全、节能、高效已成为热水器行业间竞争的焦点及发展趋势。
据调查，中国热水器的普及率只有70％左右。
目前，46.6％的居民家庭表示要在未来5年中购买或更换热水器。
未来5年内我国城市热水器需求量将平稳增长，达到4660万台，热水器行业即将迎来新一轮的消费高峰[2]。
据国务院发展研究中心市场经济研究所推出的“中国城市热水器市场研究咨询报告”显示，未来三年，我国热水器市场将继续保持平稳发展的态势，年增长保持在6％左右。
就中国的具体情况而言，太阳能热水器由于安装位置的局限性，只适用于居住在顶楼的居民，且受天气原因的限制，使用范围狭窄；燃气热水器由于必须分室安装，且须由专业人员安装，并且燃气热水器不易调温，需定期除垢，在使用中还易产生有害气体，特别是使用液化石油气和人工煤气型的直排式燃气热水器，会产生轻度油烟，严重时甚至会危及生命。
因此燃气热水器是一种人命关天的特殊产品，即使有百分之一的疏忽，带给用户的危险将是百分之百。
根据中国商业联合会前不久的统计，电热水器的市场份额在销售数量和销售收入两个方面都已经超过了长期以来占优势的燃气热水器。
该中心预计，在城市电网更大范围改造和城市住房市场大规模启动的带动下，今后几年我国电热水器市场将呈现强劲增长势头。
二、电热水器控制技术历程及趋势
目前市场上的电热水器分连续水流式和贮水式，前者虽具有加热速度快和体积小的优点，但需要的功率大，大多数家庭供电线路难以承受。
而市场上传统的机械式电热水器控制功能不完善，而且精度低、可靠性差，生活质量的提高使得消费者对电热水器功能提出延伸至全新的概念层面。
热水器技术未来将继续朝着以下几个方面发展：
1智能化：
从最初的手动旋钮调节发展到如今数字化调节方式；
2节能技术：
从最初机械结构上的保温节能到控制技术上的定时加热或分步加热技术转变，由于在水温很高时热量流失较快，所以未采用该类技术的产品需要长时间在高温区反复加热，不仅启动频繁，而且耗电量很大，如果用户可根据自己的实际需要设定好规定时段以进行定时倒计时加热，则能将保温耗电降至最低；
3安全稳定性：
由于电热水器不同于一般的家电产品，涉及到人身安全，所以安全问题一直是各大厂家考虑的重点。
随着现在各种安全技术在电热水器设计中的普遍应用，用电环境的日益规范，以及国家对电热水器实行强制认证，安全技术已经成为衡量电热水器的重要标准。
其中安全技术主要体现在能自动检测热水器是否处于正常工作状态，并具有调温、恒温、防干烧、防超高温、防漏电等多项自检功能，使用户在使用过程中安全更有保障。
此外，随着无线通信技术的发展，无线远程控制也将是新一代电热水器的发展方向，用户可以通过任何一部双音频固定电话或手机遥控热水器的开/关、温度设定等，并可查询热水器的工作状态。
现在市场上较为先进的储水式电热水器能实现上述等功能，但仍难以满足人们对现代化家电的使用要求。
在现如今众多的控制手段中，要满足低价格、高性能、尤其是智能化的要求，采用典型的嵌入式控制为核心的控制器应为首选。
第二节课题研究的目的及意义
传统家用电器较为典型的有空调机、电冰箱、吸尘器、电饭煲、洗衣机、消毒碗柜等。
新型家用电器有电磁炉、微波炉、电烤箱等。
无论是新型家用电器还是传统家用电器，其整体技术都在不断地提高，其中外观、材料、工艺、结构、器件、原理、功能及微电子技术的应用都有很大的变化。
因此，家用电器的总体水平和品质呈不断上升趋势。
家用电器的进步，关键在于采用了计算机控制技术，从而使家用电器从一种机械式的用具变成了一种具有智能的设备。
智能家用电器体现了家用电器目前最新的面貌和水平。
嵌入式家用电器由于单片机有体积小、功能强、可靠性高的明显特点，因而可以构成一个体积很小的控制器并嵌入到家用电器内部。
以单片机为核心所构成的控制器可以看作是家用电器的一个零件，这种结构方式就产生了嵌入式家用电器。
嵌入式家用电器有两种不同的类型，一种是非智能式的家用电器，一种是智能式的家用电器。
嵌入式非智能家用电器也称电脑型家用电器。
在这种家用电器中，单片机只对家用电器进行功能性的控制，也就是说，其控制作用只是实现家用电器的基本功能。
过去的电脑型电热水器，就是很典型的非智能家用电器。
在这种电热水器中，单片机是不考虑热水器贮水量的多少，它只是控制电阻丝加热，当贮水罐的水温达到一定温度时，则马上停止全功率加热，进入低功率保温。
单片机的存在，只是设置了延时开关、红绿灯状态显示等一些辅助性的功能，并没有实质性的改进。
这类家用电器虽然有单片机这样的嵌入式器件存在，但其控制功能未能反映人类的任何智能性活动，所以，一般称为非智能家用电器。
嵌入式智能家用电器也简称为智能家用电器。
在这种家用电器中，单片机不单对家用电器的基本功能进行控制，而且还模拟人智能活动的过程对热水器进行温度、水量和稳定性进行控制。
基于以上电热水器特性的分析，可以从电热水器的智能化、节能技术以及安全稳定性等这些方面对电热水器控制器进行设计。
本课题研究有如下的重要意义：
第三节本文研究的主要内容
本设计首先介绍了电热水器控制器的系统组成和工作原理；在确定工作原理的基础上引出了电热水器控制装置的硬件设计，主要有直流稳压电源设计、单片机最小系统电路设计、人机交互电路设计、水位控制电路设计、水温控制电路设计和漏电检测电路设计，其中详细分析了电源电路中各个器件的作用，功率器件的驱动电路设计过程和漏电检测电路的理论计算；根据电热水器功能实现的需要进行控制器的控制策略与软件设计，主要包括主程序设计和中断程序设计，其中主程序设计有水位控制程序设计、水温控制程序设计、人机交互的程序设计和漏电检测及声音提示程序设计；最后介绍了控制器的调试方法和调试过程，结尾论述了主要结论。
通过对各方面资料整理、分析、总结，结合电热水器控制原理，本论文提出了一种电热水器控制器系统的设计方案。
其内容分为以下几个方面：
第一章，结合当前电热水器的发展现状和发展趋势，介绍了电热水器控制器研究的目的及意义。
第二章，总体介绍了智能电热水器控制器硬件和软件知识，包括系统模块框图、主要元器件选型以及主程序流程图等。
第三章，分别从硬件和软件两个方面详细介绍了智能电热水器控制器的实现。
第四章，通过焊接的电路，按照提出的测试方法对控制器功能进行测试和分析，并运用仿真软件进行仿真演示。
第五章，总结了本次毕业设计所做的主要工作和系统设计中的不足。
第四节本章小结
本章首先介绍了热水器发展现状，尤其是中国电热水器的发展现状，接着又介绍了未来电热水器的发展趋势，引出了研究电热水器控制器设计的目的和意义，最后总体介绍了本论文研究的主要内容。
第二章系统总体设计
第一节系统概述
智能电热水器控制器（以下简称控制器）用于控制热水器在安全状态下工作，控制热水器水位、水温度，并且将检测到的信号测量值通过液晶显示屏显示，实现电热水器的控制功能。
根据控制器所需完成的控制功能，控制系统模块框图如图2.1所示。
包括电源模块、51单片机最小系统模块、人机交互模块、水位控制模块、温度控制模块、漏电检测以及声音提示模块等七个模块。
其中，电源模块为系统提供+12V和+5V电源；51单片机最小系统模块是整个系统的核心控制部分，用于完成系统的控制功能；人机交互模块实现单片机和外部的信息传递，包括液晶显示模块和按键模块，通过这两个模块进行系统控制策略的选择；水位控制模块实现水位的检测和控制，包括水位检测电路和电磁阀控制电路；温度控制模块实现温度的检测和控制，包括温度检测电路和加热电路；漏电检测模块用于检测是否漏电，使热水器在安全的状态下使用；声音提示用于发音提示热水器当前状态。
图2.1系统模块框图
本系统采用51单片机为核心控制器对整个系统进行控制，其控制过程如下：
首先通过人机交互模块设定系统的控制策略，接着通过水位控制模块对电磁阀进行进水控制，同时通过水位检测模块检测水箱中水位，然后通过温度控制模块对加热电阻进行控制，同时通过温度检测模块检测水箱中温度，并实时通过显示模块将水位、温度信号测量值发送给液晶显示屏显示，实现对热水器的控制。
第二节硬件总体选型
一、主要元器件选型原则
元器件选择必须要紧密结合功能需求和应用对象。
主要元器件的选择在考虑满足功能需求的同时，还必须要保证在特定环境下的稳定性能，同时还必须尽量降低成本。
CPU的选择具备以下特点：
存储器空间至少大于4K；具有至少一个外部中断源；具有至少一个定时计数器；可编程I/O口。
液晶显示屏要求编程简单，能显示温度和水位等信息，价格低廉。
水位监测装置要求安装简单，价格低廉。
温度传感器要求低电压供电、测温范围宽、安装简单、还要求数据为串行方式以节约单片机端口资源。
漏电检测模块中需要漏电电流互感器。
由于泄漏电流通常为毫安级，且必须用一匝穿芯的结构，用常规互感器在如此小的安匝数下很难进行测量。
二、主要元器件选型
1LCD1602：
显示2行，每行16个字符。
每个字符由5×7点阵构成[4]。
2DS18B20：
温度测量范围为-55℃～+125℃，可编程为9位～12位转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存[5]。
由于使用单总线通信方式，节省IO口资源。
3水位监测装置：
用8根不锈钢针分别置于水箱内的8种不同高度的位置，当某个钢针不接触水面时，其输出为高电平；当其与水面接触时则输出低电平。
它们的输出接至CPU的引脚，CPU对这些引脚进行判断后，送去显示相应的水位值，这种方法省去了传统的A/D转换器。
显示共分8档，每档为满水位的12.5%[6]。
4漏电互感器简介：
漏电保护器主要由检测元件、中间环节、执行机构及自检装置等部分组成。
漏电保护器的检测元件就是漏电电流互感器检测出的漏电电流信号，经中间机构放大，推动执行机构动作，切掉电源，达到安全保护的目的[7]。
第三节软件总体设计
从图2.1可以看出本应用涉及的输入输出通道较多，因此在设计中考虑到了单片机的I/O通道的充分利用。
对于只需要基本输入/输出功能的模块尽量不使用单片机特殊功能模块的专用引脚。
本系统软件部分实现对热水器的控制工作，包括人机交互、水位的控制、温度的选择和安全检测等功能。
一、单片机系统资源分配
单片机系统资源分配如表2.1所示，列出了本系统使用52单片机的所有的I/O资源。
包括人机交互模块、水位控制模块、温度控制模块、漏电检测模块以及声音提示模块等五个模块。
表2.1单片机系统资源分配
编号
模块名称
系统I/O资源占用表
接口功能定义
52单片机接口
1
人机交互模块
液晶显示模块
P0.0-P0.7、P3.4、P3.5
按键扫描
P2.4-P2.7
2
水位控制模块
水位检测
P1.0-P1.7
电磁阀
P2.2
3
温度控制模块
温度传感器
P2.0
加热电路
P2.1
4
漏电检测模块
外部中断0
P3.2
5
声音提示模块
蜂鸣器控制线
P2.3
在系统主要元器件选型确定之后，对单片机端口资源进行了定义，本系统中单片机端口主要用于五个模块，其中人机交互定义了液晶和按键扫描线，液晶显示定义了LCD1602控制线和数据线，需要十个端口，按键扫描需要四个按键，采用独立按键方法设计电路，因此需要四个端口；水位控制模块中定义了水位检测数据线和电磁阀控制线；温度控制模块定义了DS18B20控制线和加热电路的控制线；漏电检测线接到单片机内部自带的外部中断接口；声音提示模块也定义蜂鸣器的控制线。
在完成以上端口资源定义之后就确定了核心控制器和外围设备的连接方式，下一步的工作就是进行外围电路的设计。
二、系统软件总体设计
系统软件设计时采用模块化程序设计的方法，按照系统的结构与各部分的功能，将整个程序也划分为多个功能模块部分，分别进行编程，然后装配在一起。
系统软件部分主程序流程图如图2.2所示。
图2.2系统软件部分主程序流程图
系统软件部分主要实现对热水器的控制工作，由液晶显示程序、按键扫描程序、水位控制程序、温度控制程序、漏电检测及声音提示程序和控制策略程序等七个部分组成。
其中，液晶显示程序显示热水器当前温度和水位；按键程序用于设置热水器状态；水位控制程序控制水箱的水位；温度控制程序控制热水器中水的温度；漏电检测及声音提示程序用于实时监测热水器安全状态，用于当热水器工作异常时声音报警提示作用。
第四节本章小结
本章首先总体对热水器控制器系统进行了描述，在确定控制参数的基础上，详细介绍了控制器的各功能组成模块及工作原理。
根据实现功能提出了系统硬件主要元器件选型原则，总体描述了选取的主要元器件，并对主控芯片的引脚进行定义。
最后对系统软件部分进行了总体说明，根据控制策略设计软件主程序流程图，主要包括水位控制程序设计、水温控制程序设计、人机交互程序设计和漏电检测以及声音报警提示程序设计等。
第三章系统实现
第一节硬件设计
本系统硬件部分包括电源电路、STC89C52单片机最小系统电路、人机交互电路、水位控制电路、温度控制电路、漏电检测电路以及声音提示电路等七部分。
电源电路为系统提供+12V和+5V电源；人机交互电路负责单片机和外界信息的交流；水位控制电路实现控制水的液位；温度控制电路实现控制水温度；漏电检测电路负责检测热水器是否在安全的状态下运行；声音提示电路负责热水器在非安全状态下时发出声响提示用户。
硬件设计部分主要完成以上电路的设计，包括各个电路的理论分析以及各个电路与单片机的连接等等。
一、电源电路设计
本系统需要两种电源，分别是+5V和+12V。
+5V用于52单片机、人机交互电路、温度检测电路、水位检测电路、漏电检测电路等；+12V用于温度控制部分继电器线圈和水位控制部分电磁阀。
本系统+12V电源直接通过外接12V的电源得到；+5V电源通过LM7805稳压芯片将+12V电压变成+5V。
图3.1是电源的原理图。
图3.112V转5V电源电路图
图中D1是防止电源正负极反接接入电路时损坏元件。
D2的作用是当输入端对地短路时，其电位迅速接近零电位，而输出端由于有大电容，储存很多电荷而来不及释放，其电位仍接近输出电压值VO，这时电容将通过稳压器的输出调整管释放电荷，其PN结在高于7V的反向偏置电压下会被击穿。
如果有了保护二极管，就能及时将电容的电荷释放，从而保护了稳压器。
发光二极管D3起到指示灯的作用。
在安装时，要尽量使滤波电容C1和0.1uF电容C3靠近稳压芯片，这样可以有效地防止瞬态过电压。
C2用于滤除稳压芯片输出处的纹波[8]。
二、单片机最小系统电路设计
STC89C52RC单片机最小系统包括52单片机芯片、时钟电路和复位电路。
本系统52单片机芯片采用STC89C52RC，该芯片内部有2个16位向上计数定时/计数器，有四种工作方式；5个中断源；一个串口通信接口；32个I/O口；内部RAM有256字节；内部ROM有8K字节[9]。
时钟电路通过内部时钟源提供时钟，外部只需要接一个振荡电路，振荡电路中的晶振频率是12MHz。
复位电路采用按键复位方式，当单片机复位引脚检测到至少24个时钟周期的高电平时会自动复位系统，系统会重新启动[10]。
STC89C52单片机最小系统设计原理图如图3.2所示。
图3.2STC89C52单片机最小系统电路图
三、人机交互电路设计
键盘与显示部分是用户和热水器之间进行信息传递的界面，用户主要通过键盘实现对热水器的控制操作，并通过显示界面了解热水器的工作参数与状态。
用户通过键盘进行的操作主要有设定水位和水温度。
显示部分显示设定水位和水温度，和当前热水器工作状态。
另外在用户查看或进行操作设定时提示用户当前显示的是什么数值项。
1、液晶显示电路
液晶显示屏采用LCD1602。
由于不需要从LCD1602读取数据，直接将液晶屏的读/写选择端（RW）接地，表示始终选择写数据状态。
所以该电路中需要引出10根线控制LCD1602，这10根线分别是数据/命令选择端（RS）、使能端（EN）以及8根数据线。
图3.3是LCD1602的控制电路。
接口说明如下：
图3.3LCD1602的控制电路
2、按键电路
本设计中的键盘采用独立式键盘，每个按键占用单片机一个I/O口。
本系统有4个独立的按键，用于用户向控制器发送数据。
这四个按键的功能分别是功能选择按键、加1按键、减1按键和确认按键。
按键电路原理图如图3.4所示[12]。
图3.4按键电路图
四、水位控制电路设计
根据电热水器功能需要，将水位控制电路分为水位检测电路和电磁阀进水电路两部分进行独立设计。
其中水位检测电路采用自制传感器，实现低成本水位检测；
1、水位检测电路
水位检测电路如图3.5所示。
水位传感器可以自制，用8根不锈钢针分别置于水箱容积的8平分位置，在电极间加电流，电路简单，直流电压通过470K电阻和钢针（无水开路，有水侧有十几K电阻）分压，钢针上的压降不大，当某个钢针不接触水面时，其输出为高电平；当钢针与水面接触时则输出为低电平。
分别接入CPU的P1.0-P1.7引脚，CPU对这些引脚进行判断后，送去显示相应的水位值，这种方法省去了传统的A/D转换器。
显示共分8档，每档为满水位的12.5%。
图3.5水位检测电路
2、电磁阀进水电路
电磁阀进水电路如图3.6所示。
驱动电路采用达林顿管驱动继电器，实现单片机端口控制电磁阀电路。
其中继电器选用JQC-16F，线圈电压为12V，触点部分可以承受14V20A的直流电[13]。
图中的Q1是达林顿管，型号是TIP122[14]，进行强弱电的隔离实现继电器的控制，其中D5是二极管起续流保护作用。
R19起到提高单片机端口驱动能力。
该电路的工作过程如下，当P22端口为高电平时，NPN达林顿三极管导通，驱动继电器线圈产生电磁场，此时继电器的衔铁被吸下，使得电磁阀接入12V电源，电磁阀电路处于导通状态，电磁阀工作打开进水口。
反之，P22为低电平时，电磁阀电路处于断开状态，进水口关闭[15]。
电磁阀通电时，处于导通状态；电磁阀断电时，处于关断状态。
图3.6电磁阀进水电路
五、温度控制电路设计
在传统的温度测量系统中，一般采用热电偶或铂电阻进行温度测量。
在这些电路中，有这样一些问题必须解决:
为了进行准确的温度测量，必须给铂电阻提供一个良好的恒流源；由于热电偶出来的信号是模拟信号，所以此信号在送给CPU之前必须先进行A/D转换，然后再送给CPU进行处理;并且热电偶的信号很微弱，只有十几毫安，因此在A/D转换之前通常还需要进行增益放大，因此，采用热电偶和铂电阻进行温度测量，需要考虑很多问题，构成的系统也比较复杂。
DALLAS公司推出的数字式温度传感器DS18B20很好地解决了这样一些问题，DS18B20采用单总线接口，只需占用单片机的一个I/O口，其外围电路也非常简单。
并且DS18B20将测得的温度信号转换为数字量输出，可以与单片机直接相连，而不需进行信号放大和A/D转换，大大简化了电路的设计，因此系统采用了DS18B20作为温度传感器进行温度采集。
1、温度检测电路
使用DS18B20温度传感器采集温度，DS18B20最大的特点是单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线来完成。
DS18B20的电源供电方式有2种：
外部供电方式和寄生电源方式。
外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。
在外接电源方式下，可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3V时，依然能够保证温度量精度。
无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接10KΩ左右的上拉电[16]。
在这里采用外部供电方式供电。
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