燃气热水器冷水循环利用系统VIP

I燃气热水器冷水循环利用系统摘要热水器作为日常生活中必不可少的设施之一，在使用过程中，常常出现水龙头开启一段时间之后，才会有热水流出的现象，造成了很多不必要的水资源浪费。本设计针对这一生活现象，设计开发了燃气热水器冷水循环利用系统。该系统能自动检测从热水器流出的水流温度，当温度不达标时，会通过循环管路返回到加热器进水管继续加热，从而减少了不必要的浪费。因此，开发热水器冷水循环利用系统，具有良好的环保价值和经济意义。由于目前燃气热水器使用过程中水资源浪费问题还没有引起足够的重视，市场上还没有发现类似的成型产品。故本文利用机械设计、自动控制等技术手段，以提高水资源利用率为目的，对燃气热水器冷水循环利用系统进行了设计研究，初步解决了热水器的水资源浪费问题。该项研究不仅具有一定的学术价值，而且具有广阔的应用前景。本论文概述了热水器的使用现状；介绍了该循环系统的核心部件单片机的工作原理；在分析热水器使用过程中出现的问题的基础上，详细陈述了系统的硬件设计思路，对温度传感电路、键盘、电子阀门控制电路进行了具体设计；根据应用特点，阐述了相应的电子换向阀结构设计过程，并提出了系统整体方案设计。关键词智能；循环；单片机；电磁换向阀IIGASWATERHEATERWITHCOLDWATERRECYCLINGSYSTEMABSTRACTWATERHEATERSISANESSENTIALPARTTODAILYLIFE,BUTOFTENTAPSOPENFORAPERIODOFTIMEUNTILHOTWATEROUTFLOW,WHICHCAUSEDALOTOFUNNECESSARYWASTEOFWATERRESOURCESTHEDESIGNLIFEFORTHISPHENOMENONANDTHEGASWATERHEATERCOLDWATERRECYCLINGSYSTEMISDESIGNEDTHESYSTEMCANAUTOMATICALLYDETECTTHEOUTFLOWOFWATERFROMTHEWATERHEATERTEMPERATURE,WHENTHETEMPERATUREISNOTSTANDARD,WILLRETURNTOTHECIRCULATIONLINETHROUGHTHEWATERPIPEINTOTHEHEATERTOHEATING,THUSREDUCINGUNNECESSARYWASTETHEREFORE,THEDEVELOPMENTOFTHEWATERHEATERCOLDWATERRECYCLINGSYSTEMSHASAGOODENVIRONMENTALVALUEANDECONOMICSIGNIFICANCEASTHEPROBLEMOFWATERWASTEDURINGINUSEOFGASWATERHEATERSHASNOTCAUSEDENOUGHATTENTION,SOTHEMARKETHASNOTYETFOUNDASIMILARMOLDINGPRODUCTSTHEREFORETHISSTUDYISFORTHEPURPOSEOFENHANCINGUTILIZATIONOFWATERRESOURCESBYTHEMEANSOFMECHANICALDESIGN,AUTOMATICCONTROLTECHNOLOGYANDOTHERSTHESTUDYISFORTHEGASWATERHEATERCOLDWATERRECYCLINGSYSTEM,PRELIMINARYTORESOLVETHEPROBLEMOFWASTAGEOFWATERHEATERSTHESTUDYISNOTONLYHAVEACERTAINACADEMICVALUEBUTALSOHAVEABROADPROSPECTTHISPAPEROUTLINESTHESTATUSUSEOFWATERHEATERSINTRODUCESTHECORECOMPONENTSOFTHECIRCULATORYSYSTEMTHEPRINCIPLEOFSCMONTHEBASISOFANALYSISEMERGINGISSUESINTHEPROCESSOFUSE,THESYSTEMSHARDWAREDESIGNISEXPLAINEDDETAILEDANDMAKEASPECIFICDESIGNFORTHETEMPERATURESENSINGCIRCUIT,KEYBOARDS,ELECTRONICVALVECONTROLCIRCUITFEATURESOFTHEAPPLICATIONEXPLAINEDTHEDESIGNPROCESSOFTHECORRESPONDINGELECTRONICVALVESTRUCTUREANDMAKETHEOVERALLDESIGNOFTHESYSTEMKEYWORDSSMART；CYCLE；SCM；ELECTROMAGNETIC1目录1绪论111热水器的使用现状112单片机的应用12设备总体技术方案421功用和组成422本文主要研究方案43硬件部分方案的确定631信号采集632A/D转换器的选取7321转换时间的选择7322ADC位数的选择733控制与显示方法分析8331单片机系统分析8332显示与键盘分析104硬件电路设计1241温度传感器的选择12411传感器的作用12412温度传感器分类12413AD594C工作原理、工作过程12414外围电路设计1342A/D转换13421ADC0809工作原理132422管脚功能14423工作过程1543键盘设计16431单片机803116432输入键盘的设计1844控制器、振荡源和复位电路设计19441复位电路20442振荡源2045温度显示设计20451LED显示的特点21452工作过程2146电子阀门控制设计22461电子阀门工作原理22462阀门工作过程235机械结构的设计2551电磁阀的工作原理2552电磁阀的分类2553整体结构方案设计2654电磁换向阀的设计2755单向阀的设计3056密封装置的设计326结论33参考文献34谢辞3511绪论当前，随着国家对环保事业关注程度的提高，以及我国水资源的相对匮乏，如何节约用水引起了人们的高度关注。而在热水器的日常使用过程中，由于加热延时的原因，致使开始流出的水温度较低，无法正常使用，但平时很少有人注意这一细节，都是等水热了以后再进行使用，造成了水资源的白白浪费。因此，开发热水器冷水循环利用系统，对于在一定程度上节约水资源是十分有效和必要的。11热水器的使用现状社会在不停的发展，人们对生活质量的要求也再不断提高，高速快捷的生活方式也正不停的向我们袭来。“智能化，人性化”这些词眼正悄然进入我们的视线，总希望我们能生活在更方便快捷的环境中。简单的对于我们使用热水器来说，最想看见一种“龙头一开，热水即来”的现象，可是由于各方面的原因，总不能满足我们的要求。对于出热水前的那点凉水，浪费水是一个方面而等待它彻底流出也很浪费时间。洗澡时我们可以等，可是洗手洗菜我们也要等吗回答肯定是否定的，因此智能化的产品我们迫切需要。根据市场调查，目前国内外热水器供应商还都没有关注此事情，在市场上还没有发现类似的成型产品，因此，设计开发该循环系统不仅仅是环保方面的社会效益，也必将有着良好的经济效益，特别是当人们注意到这一小的生活细节时，必将对设计开发的循环系统报以浓厚的兴趣，可以说消费需求很旺盛，并且数量巨大，潜在的商机无限。112单片机的应用在该循环系统中是基于单片机的技术来设计实施得，那么对于单片机的技术是必须首要掌握的。单片机全称为单片微型计算机（SINGLECHIPMICROCOMPUTER）,又称微控制器（MICROCONTROLLERUINT）或嵌入式控制器（EMBEDDEDCONTROLLER）。它是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机，通常片内都含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总2线等。单片机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的。随着技术的发展，单片机片内集成的功能越来越强大，并朝着SOC（片上系统）方向发展。单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。把单片机应用于温度控制中，采用单片机做主控单元，无触点控制，可完成对温度的采集和控制的要求。单片机的历史第一代七十年代后期4位逻辑控制器件发展到8位。使用NMOS工艺（速度低，功耗大、集成度低）。代表产品MC6800、INTEL8048。第二代八十年代初，采用CMOS工艺，并逐渐被高速低功耗的HMOS工艺代替。代表产品MC146805、INTEL8051。第三代近十年来，MCU的发展出现了许多新特点（1）在技术上，由可扩展总线型向纯单片型发展，即只能工作在单片方式。（2）MCU的扩展方式从并行总线型发展出各种串行总线。（3）将多个CPU集成到一个MCU中。（4）在降低功耗，提高可靠性方面，MCU工作电压已降至33V。第四代FLASH的使用使MCU技术进入了第四代。2单片机的特点3A集成度高，功能强微型计算机通常由微处理器（CPU），存储器（RAM,ROM）以及I/O接口组成，其各个部分分别在不同得芯片上，然后，再有几个芯片组成一台微型计算机。单片机则是把CPU,RAM,ROMI/O接口，以及定时器计数器集成在一个芯片上。单片机与微型计算机相比，不仅体积减小，而且功能大为增强。MCS51系列单片机内部还有定时/计数器、串行接口以及中断系统等。甚至有的单片机还包括A/D转换器。B结构合理目前，单片机大多采用HARVARD结构。这是数据存储器与程序存储器相互独立得一种结构。而在许多微型计算机中，大部分采用两类存储器合二为一的方式。单片机采用独立结构主要有以下两种好处（1）存储容量大。（2）速度快。由于单片机只用于工业控制中，一般都采用较大得程序存储器，用于固化已调好的控制程序；而数据存储器的容量相对来讲用量比较小，只采用用来存放少量得随机数据，小容量随机存储器直接装在单片机内部，可使数据传输速度加快。C抗干扰能力强由于单片机得各种功能部件都集成在一个芯片上特别是存储器也集成在芯片内部，因而布线短，数据大部分在芯片内部传输，其不易受到外界干扰，从而增强了抗干扰的能力，使系统运行更可靠。D指令丰富单片机一般都要有传送指令、逻辑运算指令、转移指令、加减法运算指令等，有些单片机还具有乘除及除法运算指令，特别是位控制指令非常丰富。由于单片机得种类繁多。功能各异，在众多得系列单片机中总会有一种满足用户得要求，因此，由单片机组成的嵌入式系统越来越多受到人们得重视，是微机控制系统中应用最多得一种。342设备总体技术方案21功用和组成热水器冷水循环利用系统主要由温度检测装置、冷水循环管路以及电子阀门等组成，如图1所示。该系统具有以下功能A能自动检测从热水器流出的水流温度，温度不达标时，会通过循环管路返回到加热器进水管继续加热；B从热水器流出的水流温度达标时，自动开启电子阀门，将热水放出。22本文主要研究方案A首先进行温度传感器的选择。由于机械接触式温度计可靠性较差，信号不能远距离传送，并且不能与其他信号相连接作为信息作进一步的处理，因而本循环系统采用电气接触式温度计。目前常用到的测温度的传感器有热电偶式和热敏电阻式，对于热敏电阻式温度传感器它非线性大，对环境温度敏感性大，测量易受干扰，因此选用热电偶式。根据要求选AD594C热电偶温度计，此芯片集测温时要求的线性化电路以及温度补偿电路于一体，而对于J型热电偶经激光修正后可得到10MV/C输出，满足使用要求。B其次是对电子阀门的设计。当热水被检测后达到温度的水流出龙头，而没有达到温度的水继续流入热水器中继续加热。考虑到它属于双向流动，两通道选择一路流通，那么就要使用一种换向阀来可以改变它的通路。可采用两位三通电磁换向阀来控制水流的开启与关闭。同时，电磁换向阀的电磁铁由温度控制装置内的温度传感器检测电路热水器温度检测装置电子阀门进水管出水管冷水热水图1热水器冷水循环利用系统组成框图框图5中输出的信号来进行控制。当温度检测装置检测到温度不符合要求时，传感器发出信号，从检测电路输出的高电平来控制电磁铁进行通电，致使两位三通电磁换向阀右位接通，将水流重新引导到热水器继续进行加热原理如图2所示C最终进行管道的设计。一种为将循环利用装置装在出热水端，达到要求的热水直接进入龙头，未达到的经换向阀的作用让其进入冷水端进行再加热循环。但是这种方案有一种缺陷，虽然可以检测到未达到温度的水，但是将它安装在出热水口，那么从热水口到龙头之间的热量损耗没有考虑在内。也就是说打开龙头也还是会有不达温度的水流出，失去检测的价值。另一种为将循环利用装置装在出水龙头的尾部，这样便可以轻松的检测到最终从龙头出来的水温，即不会产生热量损耗现象，也实现了对热水器智能化控制。真正实现“龙头一开，热水即来”的美好时代。根据本系统的设计理念，要求为节约、节能、高效，运用第一种方案势必还会造成一部分的浪费，那么第二种方案就为该系统的优选方案。详细DWG图纸三二1爸爸五四0六全套资料低拾10快起热水器温度检测装置电磁换向阀传感器电路供水图2电子阀门工作原理63硬件部分方案的确定根据系统基本要求，将本系统划分为如下几个部分信号调理电路8路模拟信号的产生与A/D转换器发送端的数据采集与传输控制器人机通道的接口电路31信号采集多路数据采集系统多采用共享数据采集通道的结构形式。数据采集方式有顺序控制数据采集和程序控制数据采集。方案一顺序控制数据采集，顾名思义，它是对各路被采集参数，按时间顺序依次轮流采样。原理如下图3所示，系统的性能完全由硬件设备决定。在每次的采集过程中，所采集参数的数目、采样点数、采样速率、采样精度都固定不变。若要改变这些指标，需改变接线或更换设备方能实现。数据采集时，控制多路传输门开启和关闭的信号来自脉冲分配器，在时钟脉冲的推动下，这些控制信号不断循环，使传输门以先后顺序循环启闭。图3顺序数据采集原理方案二程序控制数据采集，由硬件和软件两部分组成。跟据不同的采集需要，在程序存储器中，存放若干种信号采集程序，选择相应的采集程序进行采集工作，还可通过编新的程序，以满足不同采样任务的要求。如图4所示。7图4程序控制数据采集原理程序控制数据采集的采样通道地址可随意选择，控制多路传输门开启的通道地址码由存储器中读出的指令确定。即改变存储器中的指令内容便可改变通道地址。由于顺序控制数据采集方式缺乏通用性和灵活性，所以本设计中选用程序控制数据采集方式。待测量一般不能直接被转换成数字量，通常要进行放大、特性补偿、滤波等环节的预处理。被测信号往往因为幅值较小，而且可能还含有多余的高频分量等原因，不能直接送给A/D转换器，需对其进行必要的处理，即信号调理。如对信号进行放大、衰减、滤波等。通常希望输入到A/D转换器的信号能接近A/D转换器的满量程以保证转换精度，因此在直流电流电源输出端与A/D转换器之间应接入放大器以满足要求。32A/D转换器的选取321转换时间的选择转换速度是指完成一次A/D转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。A/D转换器型号不同，转换速度差别很大。通常，8位逐次比较式ADC的转换时间为100US左右。由于本系统的控制时间允许，可选8位逐次比较式A/D转换器。322ADC位数的选择A/D转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。要求精度为05。对于该8个通道的输入信号，8位A/D转换器，其精度为（31）80392输入为05V时，分辨率为8（32）85019612FSNVVA/D转换器的满量程值FSVADC的二进制位数N量化误差为（33）850981212FSNQVVADC0809是TI公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，包括一个8位的逼近型的ADC部分，并提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑，为模拟通道的设计提供了很大的方便。用它可直接将8个单端模拟信号输入，分时进行A/D转换，在多点巡回监测、过程控制等领域中使用非常广泛,所以本设计中选用该芯片作为A/D转换电路的核心。33控制与显示方法分析用单片机作为这一控制系统的核心，接受来自ADC0809的数据，经处理后通过串口传送，由于系统功能简单，键盘仅由两个开关和一个外部中断端组成，完成采样通道的选择，单片机通过接口芯片与LED数码显示器相连，驱动显示器显示相应通道采集到的数据。331单片机系统分析A复位电路单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。51的RST引脚是复位信号的输入端。复位电平是高电平有效，持续时间要有24个时钟周期以上。本系统中单片机时钟频率为6MHZ则复位脉冲至少应为4US。方案一上电复位电路上电瞬间，RST端的的电位与VCC相同，随着电容的逐步充电，充电电流减小，RST电位逐渐下降。上电复位所需的最短时间是振荡器建立时间加上二个机器周期，9在这段时间里，振荡建立时间不超过10MS。复位电路的典型参数为C取10UF,R取82K,故时间常数RC1010821082MS（34）63以满足要求。见图5方案二外部复位电路按下开关时，电源通过电阻对外接电容进行充电，使RES端为高电平，复位按钮松开后，电容通过下拉电阻放电，逐渐使RET端恢复低电平。见图6图5上电复位图6外部复位对比两种方案，由于外部复位电路中要通过按钮来完成。对于本系统来说，是属于家用型使用。在用户使用的过程中很有可能会忘记按钮的使用，那么就会对系统造成一定的影响，最终造成系统的错误，应此选择上电复位电路。B振荡源在MCS51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL119、XTAL218分别是此放大器的输入端和输出端。方案一内部方式与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起组成一个自激振荡器。方案二外部方式外部振荡器信号的接法与芯片类型有关。CMOS工艺的MCU其XTAL1端接外部时钟信号，XTAL2端可悬空。HMOS工艺的MCU则XTAL2端接外部时钟信号，XTAL1端须接地。803110332显示与键盘分析对系统发出命令和输出显示测量结果，主要是由键盘和LED数码显示器组成。缓慢变化信号和直流信号，要求用数码管适时地进行十进制显示，由于精度要达到05，所以这里用4只LED数码显示器来表示该十进制数，用4只七段数码显示器表示通道号。为实现通道的选取，用键盘实现控制功能。A译码方法用单片机驱动LED数码管有很多方法，按显示方式分，有静态显示和动态（扫描）显示，按译码方式可分硬件译码和软件译码之分。方案一硬件译码硬件译码就是显示的段码完全由硬件完成，CPU只要送出标准的BCD码即可，硬件接线有一定标准。方案二软件译码软件译码是用软件来完成硬件的功能，接线灵活，显示段码完全由软件来处理，是目前常用的显示驱动方式。B显示方法在该单片机系统中，使用7段LED显示器构成8位显示器，段选线控制显示的字符，位选线控制显示位的亮或暗。方案一静态显示静态显示，显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不用再管，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次数据。编程容易，管理简单，显示亮度高，显示数据稳定，占用很少的CPU时间。但引线多，线路复杂，硬件成本高。方案二动态显示动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据会有闪烁感，占用的CPU时间多。这两种显示方式各有利弊；静态显示虽然数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的硬件较多；动态显示虽然有闪烁感，11占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。当显示装置中有多个多段LED时，通常采用动态扫描驱动电路，节省开销。根据以上方案的确定，接下来便是对具体内容的设计。根据系统的要求，设计出符合要求的硬件电路。124硬件电路设计41温度传感器的选择411传感器的作用传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。为了对各种各样的信号进行检测、控制，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有电信号能够满足。电信号能较容易地进行放大、反馈、滤波、微分、存贮、远距离操作等。因此作为一种功能块的传感器可狭义的定义为“将外界的输入信号变换为电信号的一类元件。”412温度传感器分类实际应用的温度传感器主要有线绕电阻式、热敏电阻式和热电偶式。线绕电阻式温度传感器精度较高，但响应特性差；热敏电阻式传感器灵敏度高，响应特性较好，但线性差，适用温度较低；热电偶式精度高，测温范围宽，但需考虑放大器和冷端处理问题。413AD594C工作原理、工作过程工作原理根据适用范围的要求，测温范围为080,测量精度为05。该系统选用AD594C热电偶温度传感器,它将热电偶测温时所要求的电流线性化,信号放大,断偶报警等功能集中与一体,是14脚双列直插PIP封装的一个芯片。片内采用激光校正工艺,使AD594与J型热电偶配合使用时,保证它们具有线性的电压/温度输入特性。AD594内部是由冰点补偿器,两个差动输入放大器,一个主放大器含有线性化补偿电路,加法器和断偶检测报警电路等组成。4管脚如下图7所示工作过程当J型热电偶输出得热电势经过一个差动输入放大器放大，冰点补偿器输出的冷端热电势经过另一个差动输入放大器放大，加法器综合两者信号时消除了冷端温度的13影响，其输出仅是热电偶热温度的函数。该输出信号加到主放大器后，一方面被进一步放大，同时使热电偶非线性得到线性化补偿，最后与输出的VOUT温度成线性关系。414外围电路设计ALMVCCALMCOMPVOUTFVCTCRCOMRTC12613147435981011IN12INALMALMAD594C图7AD594C管脚图A输入端1脚和14脚是热电偶信号的正负输入端。在测温时将J型热电偶输出的电压信号由此输入给片内差动放大器进行放大。B零点调整在5脚上加一固定正电压,引脚3加一可调电压。通过调节此电压改变同向端偏置电压大小,使芯片输出为零。芯片的8脚和9脚直接相连,利用片内反馈电阻R,使芯片的放大倍数为10MV/。C抗干扰设计为了使AD594具有良好的抗噪音能力和可靠的工作,在引脚9和10以及10与11之间分别接001UF和300UF的电容器,降低AD594对高频噪声干扰的响应。542A/D转换AD594完成了对温度的采集,将温度值转变为电压信号,但是在微机控制中处理的数据只能是数字量,所以该数据进入控制阶段时先要进行A/D转换,即将模拟信号转化为数字信号。421ADC0809工作原理采用ADC0809芯片完成A/D转换,它含有8位A/D转换器,8位多路开关,以及与微14型机算计兼容的控制逻辑的CMOS组件,其转换方法为逐次逼近型,精度为1LSB在A/D转换器的内部有一个高阻抗斩波稳定比较器,一个带模拟开关树组的256电阻分压器,以及一个逐次逼近型的寄存器。8路的模拟开关的通/断由地址锁存器和译码器控制,可以在8个通道中任意访问一个单边的模拟信号。其内部结构如图8所示。图8ADC0809内部结构422管脚功能IN7IN08个模拟量输入端START启动信号。当它为高电平时,A/D转换开始EOC转换结束信号。当A/D转换结束后,发出一个正脉冲,表示A/D转换完毕。此信号可用作转换是否结束的检测信号,或向CPU申请中断的信号。OE输出信号。当此信号有效时,允许从A/D转换器的锁存器中读取数字量。此信号也可以作为AD0809的片选信号,高电平有效。CLOCK实时时钟。ALE地址锁存允许,高电平有效。当ALE为高电平时,允许C、B、A所示的通道被选中,并把该通道的模拟量接入A/D转换器。C、B、A通道号选择端子。C为最高位,A为最低位。D7D0数字量输出端。15VREF,VREF参考电压端子。对于单级性模拟量输入信号,V5V,V0VVCC电源端子接5VGND接地端管脚如下图9所示423工作过程A启动任何一个A/D转换在开始转换前,都必须经过启动,才开始工作,此芯片采用电平启动方式。在ADC0809的启动引脚START上加上要求的高电平即可完成,一旦电平加上后,A/D转换即刻开始在此转换过程中,必须保持这一电平,否则将停止转换。B模拟通道选择经AD594C放大后的信号直接与芯片的IN0IN7端相接,经过芯片内的处理，得到的数字信号由输出端D7D0端输出。通过通道号选择端子C,B,A,决定由那一端的模拟通道来进行模拟量的输入。那么这就要求电路中需要一地址锁存器,来控制模拟通道的选择。本系统采用74LS373芯片,将它的输出端与ADC0809的通道好选择端子相连,决定那一位模拟通道被选中。000对应的IN0,001对应的IN1111对图9ADC0809管脚图16应的IN7。C时钟连接A/D转换的一个重要的连接信号是时钟,其频率是决定芯片转换速度的基准。整个的A/D转换过程都是在时钟的作用下完成的。本系统采用4分频的时钟连接,直接与CLOCK相连接。D参考电平参考电平的作用是供给其内部A/D转换器的标准电源。它直接关系到A/D转换的精度,因而对其电源的要求比较高,一般要求由稳压电源供电。ADC0809采用外电源供电,系统中的模拟信号是单极性的所以V接模拟地,V接参考电源5V。E转换结束信号直接与芯片EOC引脚相连,在向A/D转换器发出启动信号后,边开始查询A/D转换是否结束。一旦查询到A/D转换结束,则读出结果数据。这种方法程序设计简单,且实用性很强,是应用最多的一种方法6。这样经过该芯片转换就得到了系统处理要求的数字信号。43键盘设计431单片机80318031是一个40管脚的芯片,内含有输入输出P0,P1,P2,P3口以及一些其他辅助引脚,而P0口在接外存储器是与低地址总线低8位及数据总线复用。它在整个的系统中起到了中间的作用,利用它的引脚完成一系列的控制方式。A主电源引脚VCC和VSSVCC（40脚）接5V电压；VSS（20脚）接地。B外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。17C控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP1RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（505V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。2ALE/PROG（30脚）当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。3PSEN（29脚）此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。4EA/VPP（引脚）当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。D输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）1P0口（39脚至32脚）是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用。2P1口（1脚至8脚）是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。对8052、8032，P10引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，18P11引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。3P2口（21脚至28脚）是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。4P3口（10脚至17脚）是准双向8位I/O口，在MCS51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能7。表41P3各口线的第二功能定义口线引脚第二功能P3010RXD（串行输入口）P3111TXD（串行输出口）P3212INT0（外部中断0）P3313INT1（外部中断1）P3414T0（定时器0外部输入）P3515T1（定时器1外部输入）P3616WR（外部数据存储器写脉冲）P3717RD（外部数据存储器读脉冲）432输入键盘的设计该装置是家用型产品,不同的季节人们会对温度有不同的要求。想要得到所需温度值,就要通过人机交换的方式,让其愿望变成机器语言，最终实现温度的控制。该方式则是键盘的输入。用8031的P1口,设计出矩阵式键盘。键盘处理程序的关键是如何识别键码,微型计算机对键盘的控制办法是“扫描”,可分为程控扫描法和中断扫描法程控扫描方式,需要占用CPU大量的时间,不管有没有19键按下,CPU总要在一定的时间内进行扫描,这对于单片机控制系统和智能仪表都是很不利的为了进一步节省机时系统采用的是中断扫描法这种方法的实质是,当没有键入操作时,CPU不对键盘进行扫描,以节省出大量的时间对系统进行监控和数据的处理一旦键盘键入,即向CPU申请中断CPU响应中断后,立刻转道响应的中断服务程序,对键盘进行扫描,判别键盘上闭合的键,并做相应的处理系统测量温度范围是080，输入键盘为矩阵33式总共为9个键,从0到8分别可以设置范围内的温度值中断扫描方式的硬件连线图如图10所示图10中断扫描方式的硬件连接图如图所示没有键按下时,所有的列线均为1经过8输入与非门74LS30及反向器74LS04,输出一高电平到8031的/INT0引脚,此时不申请中断。一旦有键按下,则高电平通过加到该行的二极管正端,是二极管倒通。同时,该列线输出低电平,从而使/INT0有效,向8031申请中断。8031响应后,即刻转至中断服务程序,查出键号,进一步作出相应的处理。44控制器、振荡源和复位电路设计复位即回到初始状态，是单片机经常进入的工作状态。单片机振荡电路的振荡周20期和时钟电路的时钟周期决定了CPU的时序。441复位电路单片机的复位是靠外部电路实现的。无论是HMOS还是CHMOS型，在振荡器正运行的情况下，8031Z中的RST引脚保持二个机器周期以上时间的高电平，系统复位。在RST端出现高电平的第二个周期，执行内部复位，以后每个周期复位一次，直至RST端变低。本文采用上电复位电路，相关参数为典型值图11复位电路442振荡源内部方式时钟电路如图12所示。外接晶体以及电容、构成并联谐振电路，1C2接在放大器的反馈回路中，内部振荡器产生自激振荡，一般晶振可在212MHZ之间任选。对外接电容值虽然没有严格的要求，但电容的大小多少会影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。外接晶体时，和通常选30PF1C2左右；外接陶瓷谐振器时，和的典型值为47PF。1C2图12内部振荡器方式RESTE2145温度显示设计451LED显示的特点时刻关注温度的动态,要求有温度的显示。采用LED显示器,它具有结构简单,体积小,功耗低,响应速度快,易于匹配,寿命长,可靠性高等优点。LED数码管是由发光二极管组成的,可以发出不同颜色的光,为了醒目常常采用红光。发光二极管可以有多种组成形式,其中7段数码管应用最多,在本系统中采用此种形式的数码管来显示温度值8。它常用的显示方式有一种为动态显示,一种为静态显示。对于静态显示,它使用的元件比较多,且线路比较的复杂,因此本系统不采用这种显示方式。对动态显示,它的线路简单,价格便宜,适合于大量的生产,且在不执行显示程序时,就会立即停止显示,故本系统采用此种显示方式。452工作过程因为单片机8031引脚有限,因此要增加芯片才能完成温度显示,选用8155芯片作为增加的管脚。4位动态显示电路如13图所示如图所示,用8155的PA口输出显示码,PB口用来显示位选码。在完成对8155初始化后，取出一位要显示的数，利用软件译码的方法求出待显示的数所对应的7段显示码，然后由PA口输出，并进过74LS07驱动器放大后送到各个显示器的数据总线上。这时当位选信号PB中某一位为1（经过驱动变为低电平）时，对应位上的LED才发光。将各位从左到右一次进行显示，每个数码管连续显示1MS，显示完最后一位数后，再重复上述过程这样，便可以看见4位数同时显示。74LS07为6位驱动器,它为LED提供一定的驱动电流。于一片74LS07只有6个驱动器,故7段数码管需要两片进行驱动。8155的PB口经过75452缓冲器/驱动器反向后,作为位控信号。75452内部包括两个缓冲器/驱动器,他们各有两个输入端。所以,实际上是22两个双输入与非门电路,这就需要2片75452为4位数码管提供位选信号9。图134位动态显示电路46电子阀门控制设计电子阀门主要用于开启相应的管路系统，当温度未达到要求时，将A口打开，使水流循环回燃气热水器，当温度达标时，将B口打开，满足正常的使用要求，因而可采用两位三通电磁换向阀来控制水流的开启与关闭，同时，电磁换向阀的电磁铁由温度控制装置内的温度传感器检测电路输出的信号来进行控制。当温度检测装置检测到温度不符合要求时，传感器发出信号，从其检测电路输出高电平来控制电磁铁进行通电，致使两位两通电磁换向阀右位接通，将水流重新引导到热水器继续进行加热。461电子阀门工作原理在温度测量之后经过一系列的转化,得到的数字信号传入到芯片8031中根据系统的设置,外界需要的温度值,与测得的值是否一致,或大于或小于。若是小于设定值则就要求电子阀门动作改变其水流方式。在全自动的控制过程中,电子阀门要求为自动运行。23继电器是电器控制中常用的控制器件。一般由通电线圈和触点构成当线圈通电时,由于磁场作用,使开关触点闭合或打开。当线圈不通电时,则开关触点断开或闭合。一般线圈可以用直流低压控制常用的为9V,而触点输出部分可以直接与市电220V连接,有的继电器可以与低压电器配合使用。虽然继电器本身有一定的隔离作用,但是在与计算机接口连接时通常还是采用光电隔离器进行隔离10。本系统采用的是线圈为9V控制,触点输出部分直接与市电220V连接。462工作过程继电器图14继电器接口电路当开关量P31输出为高电平时,经反相驱动器7406变为低电平,使发光二极管发光,从而使光敏三极管导通,进而是三极管9031导通,因而使继电器J线圈通电,继电器触点J11闭合,使220V电源接通反之,当P31输出为低电压时,使断开图中的电阻是为限流电阻,二极管D的作用是保护晶体管T当继电器J吸合时,二极管D截止,不影响电路工作继电器释放时,由于继电器的线圈存在电感,这是晶体管T已经截止,所以会在线圈两端产生较高的感应电压。此时的电压极性为上负下正,正端接在晶体管的集电极上当感应电压与VCC之和大与晶体管T的集电极反向电压时,晶体管T有可能损坏加入二极管D后,继电器线圈产生的感应电流从二极管D流入,从而使晶体管T得到保护10。整个系统的工作过程首先打开电源，由键盘输入所要的温度值，系统开始工作。由J型热电偶将感受24到的温度值转化为电压值，在由温度传感器AD594C将电压信号放大处理，得到线性化的模拟量，由该芯片的输出端输出给数模转换芯片ADC0809。根据该芯片的转换将得到微型计算机处理时所需要的数字信号。在A/D转换的过程中，需要锁存器74LS373以及启动信号，它才能正常的工作。74LS373决定是哪一位的模拟量输入通道有效，启动信号有效后它才能正常的工作。然后将得到的数字量传入到单片机8031中，让其进行判断。当测得的温度值大于或等设定的温度值时，由8031控制的电磁换向阀不得电。而当测得的温度值小于设定值时电磁换向阀得电，从而改变水流通路完成水路换向。完成了硬件电路设计后，根据所设计的内容利用PROTEL软件绘制出原理图，然后再画出PCB图，完成硬件部分的设计。255机械结构的设计51电磁阀的工作原理电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压、气动。电磁阀用于控制液压流动方向，机械装置一般都由液压缸控制，所以就会用到电磁阀11。电磁阀的工作原理电磁阀里有密闭的腔，在不同位置的开有通孔，每个孔都通向不同的管路，腔中间是阀，一面是两块电磁铁，磁铁线圈通电阀体就会被吸引到那边，通过控制阀体的移动来挡住或露出不同排水的孔，而进水孔是常开的，水流就会进入不同的排水管，然后通过水的压力来推动活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置运动。这样便通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动12。52电磁阀的分类电磁阀从原理上分为三大类即直动式、分布直动式、先导式直动式电磁阀原理通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。特点在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25MM。分布直动式电磁阀原理它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。特点在零压差或真空、高压时亦能可靠动作，但功率较大，要求必须水平安装。先导式电磁阀原理通电时电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上26低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。特点流体压力范围上限较高，可任意安装需定制但必须满足流体压差条件。按照衔铁工作腔是否有水进入，电磁铁又分为干式和湿式两种，干式电磁铁由密封圈隔开，电磁阀内部没有液体进入，湿式则相反12。根据系统的要求，首先选择一种在油路中使用的电磁换向阀，根据结构设计一种在水路中使用的阀门。广州机床研究所研制的低中压阀门中，根据流量、通径选择一种电磁换向阀其型号为23DF3OEB12。它的通径为16/MM，额定压力为16/MPA，单电磁铁供电，使用电压为交流220V，满足使用的要求。单向阀，选择该研究所研制的一种型号为AF3EA15的阀门12。它开启压力为005MPA，满足使用的要求。53整体结构方案设计当测得的温度值没有达到我们的想要的温度时，为了节约用水将其不达要求的冷水，经过电磁换向阀的换向作用，让其重新回到加热腔内进行再次加热，达到要求后流出供人们使用。根据该系统的要求，选择使用直动式电磁换向阀就能够满足要求。而对于电磁铁则选择为干式电磁铁。对于该电磁换向阀内部结构的设计，其重点则是换向的稳定性，包括换向时间换向频率以及动作的可靠性。我的思路则是利用液压系统中的电磁换向阀进行改装，将以前用于油路的阀门经过改造实现在水路使用。在整个的系统中，阀门的使用相当于一个开关，达到温度的水流入常态位的通路，没有达到温度的水经过阀门得电改变其通路，让其流入另一通路，达到换向的作用。该系统采用两位三通的形式两两联通，利用阀芯以及台阶的作用先堵住一个腔内的流通，若电磁阀得电后利用电磁阀吸合所产生的力推动其内部的阀芯，改变台阶的27位置，从而改变水流的方向。在电磁阀使用的过程中，入口处的水流入到阀体内A腔。由于弹簧力的作用阀芯不运动保持原来的位置，应此水通路保持畅通，而由于台阶的作用其另一通路被堵住所以此时的阀门只有其中一个位置联通。而当电磁阀得电以后，由于产生了电磁力所以衔铁吸合，由推杆作用阀芯向下移动，使得台阶改变位置，从而A腔被堵住B腔打开，阀门换向。不得电时根据复位弹簧的作用，将推杆复位到常态位，又使得A腔流通，B腔停止工作。在整个运动的过程中，弹簧的起到了关键性的作用。应此对于弹簧的设计显得尤为重要。通常的情况下家庭中的供水压力为04MPA13，经过这个压力值才能将自来水压入到热水器中，等热水器经过加热后的热水经过热水出口流入到热水管中供人们使用。此时假设居民用水距离热水出口有10米左右,温度大约为40那么此时的进水压力为51GVP3/MKN则14MPA341051489702而（52）PSF得F133N54电磁换向阀的设计根据水的压力F133N，选择合适的电磁铁，要求在使用的过程中电磁吸合力最小为133N故选择SCHULTZ品牌下的GMP永磁保持铁，线圈可采用NASS德国原装，可直接使用。整个阀体的材料为铜,其许用应力为80MPA15A推杆的设计衔铁吸合以后带动推杆移动，从而改变台阶的位置进而改变水的流通方式。推杆受到的最大的压力为500N28由公式14（53）NFDA42故得D28MMNF661051085MPA对于该电磁阀的其他部位的横截面积，受力均相似最小直径为28MM，只要大于28MM都满足强度的要求。B支撑弹簧的设计根据运动的场合受力分析后得到水压力为133N，而电磁铁产生的电磁力为120N到500N，此时要想支撑弹簧能够将其位置保持不变，最小的力应为133N此时型变量为设为0MM，而最大的力为367N，此时它的形变量35MM。1根据工作环境故选用弹簧的材料为低锰弹簧钢14。2弹簧的中径D40MM,估取弹簧的直径为3MM，由要求选1570MPA，由080554BB得628MPA3弹簧的直径由公式55DDC得314056K65得13041根据MM57CFD26得MM38137根据标准现在改取D4MM4计算圈数5821FK29得MNKF693517由表16214取G82000MPA59FKDGDN348得N7圈5验算极限工作应力LIM510B560LIMMPA28971极限工作载荷由公式511DKDF8LI3LIM得N124891407LI6结构的设计D40MM长度为HNDHH30MM14512P03D12MM513C对复位弹簧的设计1根据工作环境故选用弹簧的材料为为低锰弹簧钢。142弹簧的中径D16MM,估取弹簧的直径为3MM，由要求选1