快热式家用电热水器-课程设计

介绍目前，大多数热水器都是快速加热热水器，这给我们的生活带来了很大的方便，使它们不可避免地进入千家万户。目前，燃气热水器由于其潜在的安全隐患和不断增加的成本，正逐步退出热水器市场。尽管太阳能热水器环保无污染，但它有一个生日。对气候和安装条件的严格限制。很难占据更大的市场份额。目前，主流储水式电热水器体积大、预热时间长、热水储存量有限，不再适合现代生活的节奏。因此，快速加热热水器紧凑时尚的外观和安全可靠的性能使其具有广阔的发展和应用前景。普通电热水器存在以下缺点：第一，由于电热水器通电时间长，保持60度以上的高温，加热管容易结垢，内胆容易泄漏，容易损坏。我们学校的电热水器经常被水垢堵塞，出水口的水流越来越小，给老师和学生的饮水带来不便。其次，管道和水箱的热损失大，等待热水的时间长。第三，在热水流出之前必须浪费一定量的冷水，根据管道的长度，这既不环保也不经济。快速加热热水器克服了上述缺点。它安全、干净、环保，而且热得快。不需要等待3-5秒钟来排出热水，热水的使用时间不受限制。2系统总体规划功能要求使用2位数码管显示出水温度并设置动力装置。温度检测显示范围为0099，精度为1。设置3个动力档位指示灯，1-4档一个灯，5-8档两个灯，9档所有三个灯。档位0没有动力输出，档位灯不亮。设置3个轻触按钮，分别为开机键、“”键和“-”键。加热功率分为09档，按 键依次增加到9档，按-键依次减少到0档。0-9档的功率为0，1/9P，2/9P，3/9P，4/9P，5/9P，6/9P，7/9P，8/9P，p当出水温度超过65时，停止加热，并发出蜂鸣声报警。当温度降到45以下时，它将恢复。当内胆温度超过105时停止加热，以防干烧。项目方法根据快速加热电热水器的功能要求，决定采用图2.1所示的模块组成系统，即电源电路、单片机控制器、温度检测电路、按键输入电路、发光二极管数码管和指示灯电路、报警电路和加热控制电路。图2.1快速加热电热水器系统组成框图为了达到“快速加热”的效果，快速加热电热水器取消了储水箱，冷水进入加热管后立即被加热，这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式。根据热力学和流体力学原理，结合实际实验室试验，得出水温、流量和加热功率之间的关系，如表2.1所示。表2.1中列出的水温和流量值能够满足大多数家庭用户的使用要求。当最大加热功率为7.5KW时，基于220伏电源计算的电流约为34A，因此需要特殊的线路电源。表2.1水温、流量和加热功率之间的关系每分钟2升2.5升/分钟每分钟3升3.5升/分钟每分钟4升4.5千瓦47423634325.5千瓦54484138356.5千瓦62544642387.5千瓦7060514641注：进水温度为15，输入电压为交流220伏至于加热功率的控制，最简单的方法是通过组合几个不同功率的电热丝来获得几个加热功率。然而，由于快速加热热水器的加热功率比普通热水器的大，并且有更多的档位设置，组合电热丝的方法需要多组电热丝和继电器，这增加了成本并且降低了工作可靠性。因此，使用硅是理想的温度检测有许多方法。最经典的方法是用热敏电阻(或热敏电阻传感器)组成一个电桥来采集信号，然后放大和模数转换后送到单片机。目前，更先进的方法是使用一种特殊的集成温度传感器(如DS18B20)将温度直接转换成数字信号并发送给单片机。为了简化电路，降低成本，本文采用了温度/频率转换测温法。温度信息直接转换成频率信号，由单片机测量频率，从而间接测量温度值。温度/频率转换电路简单可靠，成本低。系统硬件电路的设计快速加热热水器的控制系统电路如图3.1所示，由七部分组成：单片机系统及外围电路、电源电路、按键输入电路、发光二极管数码管及指示灯电路、报警电路、加热控制电路和温度检测电路。控制器采用低成本、运行可靠的89C51或其兼容系列单片机，并采用12M晶振。89C51对电源要求不是很严格。电源电路采用普通市电降压整流，通过集成稳压器(7805)输出5V电压。轻轻按下按钮。显示电路采用两位公共正数码管，由两个三极管9012驱动，三个发光二极管指示灯指示加热功率。报警电路采用5V自鸣蜂鸣器。图3.1快速加热家用电热水器控制电路图加热控制电路图3.2是加热控制电路的示意图。电热丝的加热功率由双向晶闸管控制。单片机通过光耦控制晶闸管的导通角触发晶闸管，从而控制电热丝的有效加热功率。为了在关机和过热保护下可靠地关闭加热电源，电路中设计了继电器来控制加热电源。继电器线圈回路中串联的保险丝是105温度保险丝。当温度超过105时，热保险丝会熔断，以防止加热管烧干。与电热丝并联的发光二极管发光管用于指示电热丝的工作状态。可控硅触发信号需要过零检测市电，以实现触发脉冲的相位延迟。该电路采用三极管8050和非门实现过零检测。电路如图3.3所示。图3.2加热控制电路图图3.3过零检测电路图温度检测电路温度检测电路的组成如图3.4所示。温度/频率转换电路是由逆变器组成的RC多谐振荡器，其中R24是热敏电阻。当温度变化时，热敏电阻的电阻值也会变化，从而改变振荡器输出的方波频率。频率可通过以下公式估算：等式3.1图3.4温度检测电路图4系统软件程序设计根据快速加热热水器的功能，系统程序必须实现以下任务：显示扫描；按键扫描。加热控制；温度检测(包括超温报警)。51系列单片机实现多任务操作的方法是时分复用，在程序设计中应适当分配每个任务的CPU占用时间。对上述任务的简要分析表明，显示扫描、按键扫描和加热控制任务具有较高的实时性要求，而温度检测任务可以定时(0.51s)完成。主要功能上电复位后，系统将默认值分配给温度寄存器和档位寄存器，清除过温标志，设置定时器并中断系统工作模式等。由于51系列单片机没有关机指令，我们可以用主程序设置一个死循环来重复运行每个任务。在最里面的循环中放入有实时要求的子程序(显示扫描、按键扫描、加热控制)，计算一次运行占用的CPU时间，然后根据温度检测定时的间隔时间计算循环次数。在这个例子中，每次运行具有实时要求的子程序(即显示扫描、关键控制协议图4.1主功能程序流程图图图4.2显示扫描子功能程序流程图按键扫描处理子功能按键扫描子功能负责扫描“齿轮”键、“齿轮”键和“开”键是否被逐个按下。如果按下任何一个键，都会进行相应的处理。图4.3是按键扫描子功能程序的流程图。图4.3按键扫描子功能程序流程图加热控制功能根据用户设置的加热档位和系统的当前状态，加热控制程序确定是否加热和控制加热功率，并点亮相应的指示灯。如果有过热迹象，还应打开蜂鸣器发出警报。图4.4是加热控制功能程序的流程图。加热控制程序通过控制继电器的通断来确定是否给电热丝通电，加热功率的大小由三端双向可控硅开关的导通角决定。系统程序使用外部中断INT1来检测市电的过零点，并在检测到过零点后根据设定的加热档位立即给定时器T1分配一个延迟参数，并开启定时器T1使其中断。当定时器T1溢出并触发一个中断时，T1中断程序将向晶闸管发送一个触发信号，使其导通。图12.10和12.11分别是过零检测功能和可控硅触发信号控制功能的程序流程图。图4.4加热控制功能程序流程图图4.5过零检测功能程序流程图图4.6可控硅触发信号控制程序流程图图4.7温度检测功能程序流程图温度检测功能温度检测功能的基本原理是将温度/频率转换电路测量的频率与先前建立的温度/频率表进行比较，以找出对应于该频率的温度值。实验测试后预先建立的温度/频率表为0100温度对应的频率值。它是一个非线性函数，其频率对应于温度的降低。我们在C语言中使用一维数组Tab101，下标是温度，数组元素是频率值。计算温度的方法采用高效而精确的二分法查表。查找表格的过程如下：(1)首先，给出搜索温度的最大值Tmax和最小值Tmin，即确定搜索范围。根据现有的温度计，我们默认最大值Tmax=100，最小值Tmin=0；(2)假设测得的温度温度是最大值和最小值之间的中间值，即温度=(Tmax Tmin)/2；(3)将实际测量的频率值T0rig与表中假设温度对应的频率选项卡Temp进行比较，如果相等，则假设温度为当前实际温度，即完成搜索；(4)如果T0rig Tabtemp，实际温度应在Tmin和temp之间(由于功能特性下降)，因此将搜索范围修改为Tmax=Temp，类似地，如果T0rig Tabtemp，实际温度应在Tmin和Tmax之间，然后Tmin=Temp；(5)检查搜索范围。如果Tmax-Tmin=1，判断T0rig是更接近最大值对应的频率TabTmax还是最小值对应的频率TabTmin。实际温度值采用频率更接近的值来完成搜索。如果Tmax-Tmin1，重复步骤 ，直到搜索完成。温度计算完成后，温度检测程序刷新系统的当前温度寄存器，判断是否超温，设置或清除相应的标志位。图4.7是温度检测功能的程序流程图。微控制器使用外部中断INT0和定时器T0来检测输入频率。为了减小系统误差和随机误差的相对值对测量精度的影响，程序中采用100个方波周期之和作为测量结果。在程序中，静态变量px0count用于计算外部中断。在测量开始时，我们为px0count赋值2，以使频率测量有一个准确的起点。另外，为了区分频率测量的开始和结束，频率测量开始标记T0tst和频率测量co#包括无效延迟(无符号整数)；/延迟功能无效显示(void)；/显示功能无符号字符密钥扫描(void)；/按键扫描处理功能void heat ctrl(void)；/加热控制功能void temptest(void)；/温度测量功能sbit swkey=p10；/打开钥匙sbit upkey=p11；/加热装置 键sbit downkey=p12；/加热装置“-”键sbit buzz=p105；/蜂鸣器输出sbit triac=p16；/可控硅触发信号输出sbit relay=p17；/继电器控制信号输出sbit led1=p25；/加热装置指示灯1sbit led2=p26；/加热装置指示灯2sbit led3=p27；/加热装置指示灯3带符号的char数据；/当前测量水温寄存器无符号char数据反证2=0x10，0x 10 ；/显示区域缓存无符号充电数据热功率，px0计数；/加热齿轮寄存器，外部中断0计数器bit tempov，t0tst，testok/超温标志、测温开始