快热式家用电热水器的设计本科学位论文.docx

1、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

2、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

3、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AbstractWith the pace of life speeds up, Quick hot-water heater in the

4、busy lives of more and more recognized by the crowd. With electricity the improvement of the environment, many new buildings that can be installed faster heat-type heaters, which hastened the birth of hot-water heater that is the rapid growth. The design of the fast heat of the water heater system t

5、o SCM as the Supplemented by keyboard supplemented by the keyboard, display circuit, the use of thermal resistance of the water heater temperature detection exports, the temperature will be converted to frequency, and feedback to the microcontroller, with SCM size measured frequency, thus indirectly

6、 measured temperature and temperature / frequency conversion circuit is simple and reliable, low cost. The heating power of control, the paper adopted a two-way SCR control, SCM through Optocoupler SCR trigger signal to the control of the SCR on-angle and thus control the effective electric wire hea

7、ting power. In order to shut down and over-temperature protection of the state can be reliably heated power shutdown, joined the circuit in the relay to control the heating power. One series in the relay coil circuit for the fuse 105 , the fuse will be hot links to prevent the heating of Ganshao. Pa

8、rallel with the electric wire LED LED electric wire used to indicate the work of state.Quick hot-water heater its small size, light weight, to use the hot water,-the heat, do not have to wait and save the extra hot water heating, so it has a time-saving, energy saving, the provincial water advantage

9、s. It is precisely because of these reasons, faster heat-type heaters in the future has a very broad prospects for development. Keyword: MCU temperature SCR two-way relay 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

10、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，80C

11、51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

12、.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

13、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

14、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

15、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

16、，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

17、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PSD32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

18、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

19、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

20、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

21、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（=IC/IB, 表示变化量。），三极管的放大倍数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，UC=UB。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

22、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

23、“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

24、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

25、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

26、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

27、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： f1.1RC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

28、、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2247F的低频电容，在中间的电源与地线间并上0.1F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22F电解电容和0.1F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

29、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

30、相对而言有实时要求，而温度检测任务则可用定时（0.51s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

31、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