恒温热水器设计(DOC)

1、摘要 智能化的热水器一般的用单片机作为控制器， 能实现恒温和水位的自动调节 的功能，本设计是以 FPGA 和单片共同作为控制器件设的智能化热水器， 在减少 了一些外围器件的同时实现了恒温和水位的自动调节控制，还能实施时间监控， 根据不同的月份，不同的日期， 不同的时间而自动开启和关断热水器的电源， 从 而使得热水使用更加方便，设定后不需要人的干预，同时能节约电能。 本设计编 程语言使用 VHDL 语言和 C51，运行环境分别是 MAX+plus II 10.0 和el uVision3， 用 Proteus 7 Professional画系统的电路图并进行仿真调试， FPGA 芯片使用 Alt

2、er 公司的 EPF10K10TC144-4，单片机使用 STC89C52RC。关键词： C51、恒温控制、液位控制、时钟控制、键盘控制、液晶显示AbstractWater heater intelligent general single-chip microcomputer as the controller, can realize constant temperature and water level automatic adjustment function, the design is based on FPGA and single chip as the controller

3、 of the intelligent water heater, in reducing the number of peripheral devices at the same time to achieve the control of automatic adjustment of temperature and water level, but also the implementation of time monitoring, according to the different months, different date, different time and automat

4、ic opening and closing of the power of water heater, so that the hot water is more convenient to use, does not need to be set after the intervention, and at the same time, energy saving. The design of programming languages are VHDL and C51 respectively, running environment is MAX+plus II 10 and El u

5、Vision3, use Proteus circuit 7 Professional painting system and simulation, using FPGA chip of Alter company EPF10K10TC144-4, use STC89C52RC.Keywords ：C51, temperature control, level control, clock control, keyboard control, LCD display目录第一章 设计内容 . 1第二章 设计方案 . 2第三章 设计原理 . 4第一节 水位采集模块 4第二节 传感器原理 5第三节

6、 温度采集模块 6第四章 设计器材和电路图 . 8第一节 器材 8第二节 电路图 8结束语 . 11谢 辞. 12参考文献 . 13第一章 设计内容太阳能电热水器控制系统的设计方式很多。本设计采用单片机为中央处理 器，液晶显示模块，热电偶温度采集模块，水位采集模块，电加热模块，控制模 块。本课题设计的基于单片机的太阳能热水器在软件程序的控制下完成温度和 水位的实时显示功能，并能完成温度设定等功能，具体实现的功能目标为：显示水温和水位，电加热水温可任意设定；设置温度参数后，自动控制电辅助备加热； 为解决普通燃气热水器的出水温度不稳定的问题， 根据恒温热水器的工作原 理，对普通燃气热水器提出了一种

7、改进设计， 设计出了一种基于单片机控制， 并 结合储水箱和傍通阀， 充分利用电磁阀和比例阀的热水器工作系统。 经过试验仿 真发现，这种设计可以解决普通热水器出水温度不稳定的问题。 如果将该设计运 用于实际生产，必能更好的满足消费者需求，提高人们的生活质量。3第二章 设计方案图 2-1 太阳能电热水器整体结构示意图图2-2 太阳能电热水器工作流程图第三章 设计原理第一节 水位采集模块一、设计原理采用筒式电容传感器采集液位的高度。 主要利用其两电极的覆盖面积随被测 液体液位的变化而变化， 从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。 由于从 传感器得出的电压一般在 030mv之间，太小不易测量， 所

8、以要通过放大电路进行 放大。从放大电路出来的是模拟量，因此送入 ADC0809转换成数字量， ADC0809 连接于单片机，把信号送入单片机。显示电路连接于单片机用于显示水位的高度。二、系统框图图 3-1 系统框图被测物理量：主要是指非电的物理量，在这里为水位。传感器： 将输入的物理量转换成相应的电信号输出， 实现非电量到电量的变 换。传感器的精度直接影响到整个系统的性能，所以是系统中一个重要的部件。放大，整形，滤波：传感器的输出信号一般不适合直接去转换数字量，通常 要进行放大，滤波等环节的预处理来完成。A/D 转换器：实现将模拟量转换成数字量，常用的是并行比较型、逐次逼近 式、积分式等。在此

9、用到逐次逼近式。单片机： 目前的数据采集系统功能和性能日趋完善， 因此主控部分一般都采 用单片机。第二节 传感器原理电容式液位传感器系统；它利用被测体的导电率，通过传感器测量电路将液 位高度变化转换成相应的电压脉冲宽度变化， 再由单片机进行测量并转换成相应 的液位高度进行显示，该系统对液位深度具有测量、显示与设定功能， 并具有结 构简单、成本低廉、性能稳定等优点。一、传感器的组成图为传感器部分的结构原理图。它主要是由细长的不锈钢管 （ 半径为 R1）、 同轴绝缘导线 （ 半径为 R0）以及其被测液体共同构成的金属圆柱形电容器构成。 该传感器主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，

10、 从而引起 对应电容量变化的关系进行液位测量。图 3-2 传感器原理图1、测量原理由图 1 可知，当可测量液位 H=0时,不锈钢管与同轴绝缘导线构成的金属圆 柱形电容器之间存在电容 C0，根据文献得到电容量为 :式中,C0 为电容量，单位为 F；0 为容器内气体的等效介电常数，单位为 F/m， L 为液位最大高度； R1为不锈钢管半径； R0 为绝缘导线半径，单位为 m。 当可测量液位)为 H时，不锈钢管与同轴绝缘电线之间存在电容式中, 为容器内气体的等效介电常数，单位为 F/m。因此，当传感器内液位由 零增加到 H时，其电容的变化量 C可由式(1) 和式(2) 得由式可知，参数 0, ,R1

11、，R0都是定值。所以电容的变化量 C与液位变 化量 H呈近似线性关系。因为参数 0，R1，R0，L都是定值，由式 (2) 变形 可得:CH=a0+b0H(a0和 b0 为常数)(4) 。可见，传感器的电容量值 CH的大小与电 容器浸入液体的深度 H成线性关系。由此，只要测出电容值便能计算出水位。第三节 温度采集模块此电热水器中采集温度主要利用集成温度传感器 AD590，集成温度传感器实 质上是一种半导体集成电路， 它是利用晶体管的 b-e 结压降的不饱和值 VBE与热力学温度 T 和通过发射极电流 I 的下述关系实现对温度的检测： 式中， K波尔兹常数；q电子电荷绝对值。集成温度传感器具有线性

12、好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优 点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。 电压输出型的灵敏度一般为 10mV/K，温度 0时输出为 0，温度 25时输出 2.982V。电流输出型的灵敏度一般为 1 A/K。利用 AD590 传感器测量水箱内摄氏度，如图 2 所示，电位器 R2用于调整零 点， R4用于调整运放 LF355的增益。调整方法如下：在 0时调整 R2，使输出 VO=0，然后在 100时调整 R4使 VO=100m。V如此反复调整多次，直至 0时， VO=0m，V100时 VO=100mV为止。最后在室温下进行校验。 例如，若室温为 25，

13、那么 VO应为 25mV。冰水混合物是 0环境，沸水为 100环境。1）5图 3-3 用于测量摄氏温度的电路要使图 2 中的输出为 200mV/，可通过增大反馈电阻（图中反馈电阻由 R3 与电位器 R4串联而成）来实现。另外，测量华氏温度（符号为）时，因华氏 温度等于热力学温度减去 255.4 再乘以 9/5 ，故若要求输出为 1mV/，则调整反 馈电阻约为 180k ，使得温度为 0时，VO=17.8mV；温度为 100时，VO=197.8mV。 AD581是高精度集成稳压器，输入电压最大为 40V，输出 10V。15第四章 设计器材和电路图第一节 器材一、温度传感器 被检测信息传感器检测电

14、路输出单元 本方案使用电阻式传感器， 由于检测电路的种类通常由传感器类型而定， 所 以电阻式传感器需用一个电桥电路把电阻值变换成电压或电流输出， 由于电桥输 出信号一般比较微弱， 常常将电桥输出信号加以放大， 所以在测量电路中一般还 带有放大器。二、铜热电阻采用铜热电阻进行温度的测量， 测量范围一般为 50 度 150度。在此温度 范围内线性关系好， 灵敏度比铂电阻高， 容易提纯加工， 价格便宜， 复现性能好。 与铂相比，铜的电阻率低， 所以铜电阻体积较大， 且在测温范围内化学物理特性 稳定。第二节 电路图、继电器通过连接继电器来控制电辅助加热是否工作。继电器是一种电控制器件。它具有控制系统（

15、又称输入回路） 和被控制系统 （又称输出回路）之间的互动关系。 通常应用于自动化的控制电路中， 它实际上 是用小电流去控制大电流运作的一种 “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。当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时， 继电器被所控制的输出电路导通或断开。二、电磁继电器原理 电磁继电器一般由铁芯、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

16、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）释放。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 “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” 。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路三、液晶显示模块1、显示电路的设计 数码管显示电路的设计是采用双向共阳极串行接口电路，用来显示加热档 位，直观性更强。它的电路图如图 4-2 所示：200*8R11 R12 R13 R14 R15R16 R17 R1812345678DS?a DPY bcdpg dp

17、DPY_7-Q?PNP1+5SEG_D PR94.7K图 4-2 显示电路R104.7K图 4-3 控制模块结构图结束语本论文通过对太阳能热水器设计中需要了解的相关名词及需要掌握的热水 器设计的参数问题的解决方法以及在设计中应注意的问题作出了系统的介绍和 总结。通过这次写关于太阳能热水器的论文让我知道了在生活中我们使用太阳能 热水器很方便又经济又方便使人们生活质量更上一层楼。谢辞在这次太阳能设计的大作业即太阳能热水器设计与实践中我遇到了很多的 问题。但我的指导老师在我完成这次作业中给予了我很大的帮助， 如我在做太阳 能热水器设计时不知道该怎么进行时， 老师给我讲解了其设计的精髓和应该注意 的问题，帮助我很好的完成了