基于单片机控制的快热式.doc

辽宁宁科技大学本科生设计第I页基于单片机控制的快热式家用电热水器的设计摘要随着人们生活水平的不断提高，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中家用电热水器就是一个典型的例子。在本设计中采用单片机AT89C51作为控制器来控制电路。本设计分别对硬、软件进行设计说明。硬件包括加热控制电路，温度检测电路，LED数码管及指示灯显示电路及报警器驱动电路等的设计，比如，利用热敏电阻对热水器出口温度进行检测；用温度/频率转换电路通过单片机的检测间接测出温度值；用单片机通过光耦给可控硅触发信号，控制可控硅的导通角,而控制电热丝的有效加热功率；用继电器来控制加热电源，使其在关机和超温保护的状态下可靠的关断；用在继电器线圈回路中串联105的熔丝来防止温度过高时加热管干烧。软件部分给出了部分程序流程图的设计，包括主程序的设计、显示扫描子程序的设计、按键扫描处理子程序的设计、加热和控制程序流程图的设计、温度检测程序的设计、频率测试程序的设计。软件编程采用C语言编写，因为其简洁、使用方便灵活、容易实现程序的模块化和结构化。关键词：单片机；电热水器；温度/频率转化测温；二分查找法辽宁宁科技大学本科生设计第II页Designofrapidheatingtypehouseholdelectricwaterheaterbasedonsingle-chipmicrocomputercontrolAbstractAspeoplelivingstandardriseceaselessly,thesingle-chipmicrocomputercontrolisundoubtedlyoneofthegoalsofthepeopletopursue,itbringsconvenienceisnotnegative,householdelectricwaterheaterisatypicalexampleofit.InthisdesignusesAT89C51microcontrollerasthecontrollertocontrolcircuit.Thedesignofhardwareandsoftwarerespectivelydesignandexplains.Hardwareincludingheatingcontrolcircuit,temperaturedetectioncircuit,LEDdigitalpipeandindicatorshowscircuitandalarmdrivercircuitdesign,forexample,usingthermalresistanceofthewaterheateroutlettemperaturetesting；Usetemperature/frequencyconversioncircuitismeasuredbysingle-chipmicrocomputerdetectionindirecttemperature；Withsingle-chipmicrocomputercontrolledbylight-couplertotriggersignal,ControltheconductionanglesoftheSCR,andcontroloftheresistancewireeffectiveheatingpower.Userelaytocontroltheheatingpower,sothattheshutdownandover-temperatureprotectionundertheconditionofreliableshutoff；Usedinrelayscoilloopintandem105meltsilkofhightemperaturetopreventdryheatingtubewhenburnt.Softwarepartgivespartoftheprogramflowchart,includingthedesignofmainprogramdesign,thedesignofsubroutinesthatdisplayscanning,buttonsscanningprocessingproceduredesign,heatingandcontrolprogramflowchartdesign,temperaturedetectionprogramdesign,frequencytestproceduredesign.SoftwareprogrammingusingClanguage,becauseofitissimpleandeasytouseandagileandeasytoimplementproceduresofmodularandstructured.Keywords:single-chipmicrocomputer；electricwaterheater；temperature/frequencyconversiontemperaturemeasurement；binarysearchmethod辽宁宁科技大学本科生设计第III页目录摘要.IAbstract.II1绪论.11.1单片机的组成及特点.11.1.1单片机的组成.11.1.2单片机的特点.11.2选题目的和意义.21.3国内外发展情况.31.4即热式电热水器与普通电热水器的区别.31.5设计要求.41.6设计内容.42快热式电热水器的硬件设计.62.1硬件元件的选择与方案论证.62.1.1单片机的选择.62.1.2电源的选择.72.1.3键盘的选择.72.1.4显示器的选择.82.1.5驱动及加热控制元件的选择.82.1.6温度检测传感器的选择.92.1.7供电线路的选择.92.1.8传感器输出的放大电路的选择.102.2系统硬件电路的设计.102.2.1加热控制电路的设计.11辽宁宁科技大学本科生设计第IV页2.2.2过压保护电路的设计.112.2.3温度检测电路的设计.122.2.4数码管显示电路的设计.132.2.5报警器驱动电路的设计.133快热式电热水器的软件设计.143.1主程序的设计.143.2显示扫描子程序的设计.143.3按键扫描处理子程序的设计.143.4加热和控制程序流程图的设计.173.5温度检测程序的设计.183.6频率测试程序的设计.19结论.22致谢.23参考文献.24附录A控制源程序清单.25附录B系统总设计原理图.36本科生毕业设计第1页1绪论1.1单片机的组成及特点随着人们生活水平的不断提高，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的。其中家用电热水器就是一个典型的例子，单片机正朝着高性能和多种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。单片机采用面向控制的指令系统，实时控制功能特别高。CPU可以直接对I/O口进行输入、输出操作及逻辑运算，并且具有很强的位处理能力，能有针对性解决由简单到复杂各类控制任务。单片机作为嵌入式应用的微型计算机，由于其出色的性价比，极强的实用性，它取得了巨大的发展。从最早的4位单片机，到今天的16位，甚至32位单片机，单片机的应用越来越成熟，要想设计出较好的快热式电热水器必须要以较强的单片机作为基础，而单片机的发展正好为热水器的开发奠定了前提条件。1.1.1单片机的组成单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。单片机是通过内部总线把计算机的各个主要部件接为一体，其内部包括地址总线、数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。1.1.2单片机的特点由于单片机的各种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要有如下特点：有优异的性价比。1.集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了芯片之间的连本科生毕业设计第2页线，大大的提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。2.控制功能强为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及微处理能力。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。3.低功耗、低电压，便于生产便携式产品。4.单片机系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。1.2选题目的和意义当前，热水器已成为日常生活中不可或缺的家用电器，设计制造更实用、更方便、更安全、更节能的热水器是产品设计师和生产厂家不断追求的目标。快热式电热水器与普通电热水器最大的区别在于取消了储水罐，热水随开随用，无需预热，减少了电能浪费。另外，它还具有体积小，使用安全，水温可以调节，安装方便等优点。热水器是一种可供浴室，洗手间及厨房使用的家用电器。目前市场上热水器主要品种有：电热水器、太阳能热水器、燃气热水器，就中国的具体情况而言，太阳能热水器作为一种绿色环保可再生资源，其开发和利用，因顺应中国的能源与环保政策，日益受到重视。加上日渐显现的全球能源危机，进一步加剧了太阳能热水器行业的发展，尽管前景光明，可因为太阳能热水器的能源利用率较低及它对建筑的诸多要求，而且安装麻烦，接受太阳能的板片还得轻拿轻放，切勿撞击，属易碎品，加大了其使用的不安全与不保险性。此外，其使用还受天气原因的限制，适用范围狭窄，导致太阳能热水器行业的发展目前还存在很多障碍；燃气热水器由于以天然气为燃料，而燃料供应量有困难，且国家对其使用年限有规定，适合在低气价地区使用，来满足人们的需求，且不利于环境；人们在选择热水器时，除了要安全可靠和美观耐用外，一次性购机费和经常性开支（能耗）也是人们考虑的重要环节，其中经常性开支有时比一次性购机费更能左右用户的选择，因此如何来降低热水器的能源消耗，使用户能以最小的代价获得更大的收益，这是一个大多数用户十分关心的问题。随着人们生活水平的不断提高、日益增长的需求和电网供电能力的加强，越来越多的家庭选用电热水器，电热水器使用安全、卫生、又无污染。今后几年我国电热水器市场将呈现强劲增长势头，其产品质量、技术水平、服本科生毕业设计第3页务规范将不断提升，价格也会下降。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、必要的条件。电热水器是家庭、公用住宅、小型饭店、宾馆酒店理想的配套服务设施。相信今后几年我国电热水器市场仍将会迅猛发展。1.3国内外发展情况家用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。当前，热水器已经成为日常生活中不可缺少的家用电器，设计制造更实用、更方便、更安全、更节能的热水器是产品设计师和生产厂家不断追求的目标，它具有体积小，使用安全，安装方便等优点。前些年，家用电热水器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，也没有好技术和科技来保证其产品质量与使用的安全，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，预示了家用电热水器产品在国内的广泛前景。根据国家住宅设计规范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10平方毫米，分支引线不得小于2.5平方毫米，电表规格不得小于40安，所以现购新标准住宅用户，都有条件使用上述这种安全、家用电热水器，确保产品万无一失，安全系数达100%，通过检测，快热式家用电热水器比传统的热水器可节省40%的能耗，用多少热水就加热多少热水，没有热水用不完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家用电热水器的春天就要来临了。1.4即热式电热水器与普通电热水器的区别普通电热水器有如下缺点：1.热水器长期通电，长期保持在六十度以上高温，发热管易结垢，内胆易漏水，因而较易损坏；2.管道热水、热量损耗大；3.等候用水时间长；本科生毕业设计第4页4.在热水流出前都必须浪费一定量的热水，根据管道的长短，一般家庭中冷水损耗量大，基本可达10-25升每次。而快热式电热水器克服了上述缺点。它有很多优点，如：安全，干净环保；即开即热，3-5秒出热水无需等候，热水使用时间不受限制，想用多少就用多少；用多少烧多少，省电省水，没有损耗；内置温控仪保证温度在30-50度之间，解决温度持续高温导致的结垢漏水问题。体积小不占空间，其中封闭式（尺寸为：24cm*9.5cm*25cm，类似25*25的卫生间地砖那么小，纯白色。）可以隐藏在橱柜内，安装方便，特别适合新装修的房子，款式多样，美观实在，也是职工福利和客户礼品的绝佳选择。特别方便于洗涤和洗漱，是为现代家具厨房洗涤、卫生间洗漱专业设计生产的快速电加热热水器，结合了燃气热水器、太阳能热水器和传统储水式电热水器的诸多优点。1.5设计要求1.用2位数码管显示出水温度，能显示设定功率档位。2.温度检测显示范围为0099，精确度为±1。3.设置3个功率档位指示灯，14档1个灯亮，58档2个灯亮，9档3个灯亮。0档无功率输出，档位灯不亮。4.设置3个轻触按钮，分别为电源开关、“+”键和“-”键。加热功率分09档；按“+”键依次递增至9档，按“-”键依次递减至0档。09档功率依次为0、1/9P、2/9P、3/9P、4/9P、5/9P、6/9P、7/9P、8/9P和P1。5.出水温度超过65时停止加热，并蜂鸣报警，温度降到45以下时恢复。6.内胆温超过105时停止加热，防止干烧。1.6设计内容本设计的设计内容包括硬件部分和软件部分的设计。硬件部分分为元件选择和电路的设计，元件选择包括单片机、电源、键盘、显示器、驱动及加热控制元件、温度检测传感器等的选择；电路包括加热控制电路、过零检测电路、温度检测电路、LED数码管及指示灯电路、报警器驱动电路。软件部分的设计即系统程序流程的设计，包括主程序的设计、显示扫描子程序的设计、按键扫描处理子程序的设计、加热控制程序流程图的本科生毕业设计第5页设计、温度检测程序的设计和频率测试程序流程图的设计等。其中，软件编程采用C语言进行编写，因为C语言在功能上、结构性、可读性和可维护性上比汇编语言有明显的优势，KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点就是KeilC51生成的目标代码效率非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势2。也容易实现程序的模块化和结构化。此外关于快热式电热水器控制源程序在KeiluVision2V2.30(C51.exeV7.0)环境下调试。