基于单片机控制的快热式电热水器设计(2稿)

学生__陈涛课程题目：基于单片机控制的快热式电热水器设计.——.学号学号_毕业论文〔设计课题基于单片机控制的快热式电热水器设计学生姓名院部电气工程学院专业班级指导教师吴慧二○一五年五月基于单片机控制的快热式电热水器设计摘要随着现代科技的不断发展进步,人们的生活水平也在不断的提高,方便、快捷、环保的家用电器不断的深入人们的生活,家用电热水器也满足不了这飞速发展的时代了,快热式电热水器的使用逐渐普及开来了。单片机是本设计的核心控制器,辅以键盘、显示器等智能一体化。本设计使用的是AT89C51单片机来控制电路。本设计主要分为两个部分,硬件电路设计和软件仿真。硬件电路设计主要包括加热控制电路,报警电路,LED显示,温度监控等,本设计使用双向可控硅,用单片机通过光耦给可控硅触发信号,可控硅的导通角就会随之变化,从而控制电热丝的有效加热功率,并且串联105℃的熔丝来防止温度过高时加热管干烧；软件包括主程序的设计,温度检测程序设计,频率测温程序设计,显示扫描程序的设计等,程序主要由C语言编写,并给出了仿真图设计。这种快热式电热水器,即开即热,使用安全方便,省时省电,适应于当前快节奏的生活,有着十分可观的发展前景。关键字：单片机；双向可控硅；电热水器；温度ABSTRACTWiththecontinuousprogressofscienceandtechnology,people'slivinglevelalsoincontinuousimprovement,convenient,fast,environmentallyfriendlyhomeappliancesintopeople'slives,homeelectricwaterheateralsomeeteraoftherapiddevelopmentofthe,fastheatingtypeelectricwaterheaterusegrewinpopularitytoopenthe.SCMisthecoreofthedesigncontroller,withkeyboard,monitorandotherintelligentintegration.ThisdesignusesAT89C51microcontrollertocontrolthecircuit.Thisdesignismainlydividedintotwoparts,hardwareandsoftware.Hardwaremainlyincludesheatingcontrolcircuitandalarmcircuit,LEDdisplay,temperaturemonitoring,usingabidirectionalthyristor,MCUthroughthecouplertoSCRtriggersignal,controlthyristorconductionangle,andcontroltheeffectiveelectricwireheatingpower,andseries105DEGCmoltenwiretopreventhightemperatureheatingtubedryburning.Thesoftwareincludesthemainprogramdesign,temperaturedetectionprogramdesign,frequencytemperatureprogramdesign,showingscanningprogramdesign,programmainlybytheClanguagecompilation,andgivessomeprogramflowdiagramdesign.Thisfastthermalelectricwaterheater,thatis,theheat,theuseofsafeandconvenient,savetimeandpower,adaptedtothecurrentfast-pacedlife,hasaveryconsiderabledevelopmentprospects.Keywords:singlechipmicrocomputer,bidirectionalSCR,electricwaterheater,temperature目录第1章绪论…………………41.1选题目的及意义…………41.2国内外发展情况及市场分析……………41.3设计内容要求……………4第2章总体电路设计………………………62.1设计总理念………………62.2元件选择…………………62.3电路设计…………………8第3章程序设计…………...123.1主程序设计…………123.2子程序设计…………13第4章软件仿真调试………………………144.1Proteus仿真调试…………124.2仿真结果…………………13结论…………………………..18参考文献…………………..19附录1………………………20附录2………………………29致谢………………………..第1章绪论1.1选题目的及意义自1979年第一台热水器进入我国,三十多年来,热水器的发展一直在不断改进创新,安全、方便一直是所有热水器厂商不断追求的目标。当前而言,热水器的使用已经在社会普及开来了,按照原理的不同市场上的热水器主要分为三种：太阳能热水器,燃气热水器,电热水器。太阳能热水器使用的是太阳能,太阳能是一种绿色环保的可再生能源,太阳能的使用上合国家政策,下应民众需求,国家大力支持太阳能的开发使用,加上能源危机的影响,太阳能电热水器的发展十分迅速。然而世界上没有哪一种能源是十全十美的,太阳能电热水器的使用受空间、天气的影响特别大,安装也非常麻烦,如果不能充分的接收到阳光,将无法使用,可见太阳能电热水器的发展还存在诸多的障碍。燃气热水器是使用燃气为燃料,通过燃烧加热的方式达到热水的目的,天然气是一种不可再生的资源,供应量是一个问题,它的使用对环境也有一定的破坏,而且燃气热水器的使用存在一定的安全隐患,煤气中毒的事件我们也是屡见不鲜。电热水器又分为储水式和即热式,储水式有一个带有内胆的水箱,通过电加热管进行加热；快热式的没有水箱,需要20安培甚至30安培以上的电流,即开即热,使用方便省时省水,安装空间小。随着生活品质的提高,越来越多的家庭选择安全、卫生、无污染的电热水器,事实也证明了,近年来电热水器市场的发展也是突飞猛进,而快热式电热水器更能适应着快节奏的生活方式,这一切都展现着快热式电热水器的远大前景。1.2国内外发展情况及市场分析一款再好的产品,不能被大众接受,没有市场,那也是失败的产品,快热式电热水器近年来新兴的一种产品,它在国内外的发展情况如何呢？它的市场如何呢？快热式电热水器在国外特别是欧美发达国家是十分普及了,相比于其他的电热水器,它更加的快捷方便,已经成为人们生活中不可分割的一部分。然而在国内,由于各种国情,快热式电热水器的普及遭遇了一定的阻碍,例如,国家电力条件的不允许,电价的原因等等。然而,随着电力工业的发展,全国电网的改造,电价的下调等,快热式电热水器已经逐步走进寻常百姓的家中了,这一切都表明,快热式电热水器的时代就要来了。20XX是快热式电热水器发展最迅速的一年,各种品牌的电热水器入雨后春笋般的出现在市场上,20XX可以说是丰收的一年了。电热水器市场的零售量由20XX的792万台增长至20XX的889万台,零售额由93.7增长至111.8亿元,20XX上半年零售量、额分别同比增长13.7%和17.3%。而快热式电热水器的在在其中的比例也也来越大。1.3设计内容要求针对快热式电热水器的使用需求,对它的的设计有一些要求,以满足各人群的需求。温度检测范围0~120℃,精确度在±1℃。用A/D转换将温度转化为电压信号。3、用LED显示管,最直接的显示出温度值,方便知晓。4、出水的温度一旦达到了80℃时立马报警,并且加热停止。第二章总体电路设计2.1设计总理念硬件系统的设计是本设计的基础框架,根据前面的设计要求,对本设计的总理念进行图像化：单片机LED显示A/D转换温度传感器单片机LED显示A/D转换温度传感器报警器报警器图2-1电路框图据图2-1可见,快热式电热水器主要需要设计电源电路、LED数码管及指示灯电路、报警电路和加热控制电路、单片机控制器、温度检测电路、按键输入电路,整个工作程序由这些电路组成,一起控制的,缺一不可。2.2元件选择对于本设计的元件主要有以下元件：2.2.1单片机选择：单片机是本设计的核心控制器,单片机的选择至关重要,几经思虑,决定使用89C51芯片。如图2-2所示：图2-2AT89C51逻辑引脚图89C51单片机成本低廉,工作可靠,适用于大规模生产使用,而且89C51能于3V的超低压工作,它的内部有全部采用FLASHROM的ROM,相比于其他的单片机,更能满足于我们的设计需求,所以我们选择89C51作为我们的微处理器。2.2.2模数转换器选择本设计采用的是ADC0831转化器,这是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道带有串行接口的A/D转换芯片。它体积小,性价比高,兼容性强,而且设计起来简单方便,符合本设计的要求。2.2.3驱动及加热控制元件的选择对于电热水器,家人使我们最主要的目的,加热功率的控制方法有很多,最简单直接的莫过于几种不同功率的电热丝组合,达到控制功率的目的,但是这种方法可靠性低,而且成本本很高。所以我们采用可控硅控制功率,由一个继电器来驱动,这样能经受较高的功率,而且可靠性高,成本低,完美的契合本设计的需求！2.2.4温度检测传感器的选择温度检测的方法有很多,比如采用热敏电阻或热敏传感器组成电桥采集信号,然后经过放大、A/D转换后传至单片机,这种方法电路复杂,成本较高。再比如使用热电偶传感器将温度变化转化为电量变化来检测,但有变化率非线性,不适宜测量高温区。所以本设计采用了温度/频率转化测温法,将温度信息转换成频率信号,用单片机测出频率的大小,这样就能间接的得出温度变化信息了,而且电路设计相对来说要简单很多,成本也低。2.2.5传感器输出的放大电路选择：放大电路中运算放大器的选择主要有两种：LM324和74LS04。而经过比较以后发现,运算放大器LM324能够在3V以下或者32V以上的电源下工作,静态电流只是后者静态电流的五分之一。从某种程度上来说,是非常好的一种放大器选择,功能十分的强大。但是这种放大器要是用在本电路中接线较复杂,成本很高,完全没有必要。相比较之下,本设计还是决定使用74LS04作为输出放大电路的选择,它还可以作为驱动电路使用,74LS04是TTL电平反相器,使用较经济且性能也很理想。2.2.6电源选择：由于89C51对电源没什么要求,只要+5V电压即可,所以我们采用将市电整流成+5V电压,来源方便,经过稳压管稳压,也较为可靠。2.3电路设计2.3.1系统总设计原理见附录2图2-3-1控制器采用89C51单片机,采用12MHz的晶振。89C51的电源来源十分方便,只需要将普通市电整流,然后经集成稳压器稳压输出+5V电压,这样就可以作为电源使用。显示器使用动态显示方式,选用的是四位一体共阳极数码管。报警电路采用5V的自鸣式蜂鸣报警器。整个电路的设计基础就是这么多了。2.3.2温度检测电路设计图2-3-2温度检测电路设计图图2-3-2为温度检测电路的目标就是将测量的0到120度的温度放大为0到5V的电压。2.3.3A/D转换电路设计图2-3-3A/D转换电路图如图2-3-3所示,A/D转换电路中选用了ADC0831串行AD转换芯片作为做系统的AD转换芯片,设计简单,误差小,符合本设计要求。2.3.4显示设计图2-3-4显示电路设计图2.3.5报警电路设计图2-3-5报警电路设计图图2-3-5所示电路,当温度高于80度时红灯亮,当温度低于80度时,绿灯亮。复位电路设计图2-3-6复位电路设计图第3章程序设计3.1主程序设计由于89C51单片机没有停机命令,无法自己停止运行,所以本设计使它陷入死循环,不停的运行任务,然后把所有子程序〔显示扫描、按键扫描、加热控制等加入到循环中去,最后我们计算循环一次所需要的时间,再根据温度检测定时的间隔时间,来推算出该循环的循环次数,这样就可以间接的得到结果了。开始开始系统初始化系统初始化i=1i=1按键扫描按键扫描若有键按下i=6显示扫描显示扫描加热控制加热控制完成100次循环完成100次循环N温度检测Y温度检测__--i=1__--i=1Y刷新显示温度刷新显示温度图3-1主程序流程图3.2子程序设计3.2.1按键扫描子程序设计开始开始"+"键按下？"-"键按下？开关键按下？发按键音、消抖加热档位加1返回值1返回值2加热档位减1发按键音、消抖返回值0开机,恢复工作等待开关键再次按下关机,停止输出发按键音、消抖结束YNYNNY图3-2按键扫描子程序设计流程图按键扫描处理子程序是主要负责监控开关和档位键有没有被按下,根据具体情况,来执行具体的操作处理。同时它会比较当前的状态和设定的状态是否一致,来提示用户是否经行加热或者不加热的操作。一旦出现超温的情况,超温的指示灯就会亮起,提醒用户,当前水温已经超温了。这是一个非常人性化,非常方便的设计,能够帮助用户实时的掌控水温,并且具备一定的保护功能,实现起来也不难,是一个简单方便而又实用的好设计。3.2.2显示扫描子程序设计完成2位扫描消隐改变位选字选通并延时2ms送显示段位清除位选赋位选初值结束开始完成2位扫描消隐改变位选字选通并延时2ms送显示段位清除位选赋位选初值结束开始NY图3-3显示扫描子程序设计流程图3.2.3加热控制子程序开始开始有超温标志？断开继电器关闭可控硅蜂鸣报警接通继电器关闭蜂鸣器加热档位外中断控制加热1#、2#指示灯亮外中断控制加热1#指示灯亮不加热指示灯不亮全功率加热指示灯全亮结束YN图3.4加热控制程序设计流程图加热控制程序说到底其实就是由一个继电器和一个双向可控硅来控制的,本设计中电热丝是否加热,其实就是继电器是否通电的问题,通电就加热,不通电就不加热；而双向可控硅的导通角的大小,就直接关系着加热功率是大是小。本设计中程序会给定时器赋一个延时参数,这个延时参数就是用户设置的档位,它能打开定时器,决定是否中断。一旦定时器中断,可控硅会接到一个触发信号,就会导通,马上就能控制加热功率了。这种设计智能化非常高,双向可控硅这种材料完美的契合了我们的设计需求,可以说是本设计中的核心材料之一。3.2.4温度检测流程设计开始开始打开测频外中断等待测试完成Tmin=0,Tmax=100Temp=<Tmin+Tmax>/2T0rig==Tab[temp]?T0rig>Tab[temp]?Tmax=TempTmin=TempTmax-Tmin<=1?T0rig接近Tab[max]?Temp=TmaxTemp=TminTemp>65?Temp<45?刷新当前寄存器清除超温标志置位超温标志结束NYYNNYYNYNNY图3-5温度检测程序设计流程图我们之前就会建立好一个温度/频率表,这个温度/频率表是0～120℃温度值对应的频率值,而温度检测程序就是将电路中测量得到的频率跟我们建立好的温度/频率表进行一个比较,找出与该频率所对应的温度。至于温度的计算,我们采用的是二分查找法,这样更加高效、准确。第4章软件调试仿真本设计中使用的是proteus软件仿真,proteus软件是集模拟电路、数字电路、模数转化为一体的仿真平台,也是,目前非常普遍的一款仿真软件。4.1Proteus仿真调试在仿真调试中主要就是几个电路拼接在一起,按照一定的顺序绘制电路,会更加的有条理,不容易出错。我们第一步先绘制显示电路,然后再绘制报警电路,因为这两个电路在单片机的同一侧,显示电路在上,报警电路在下,第三步绘制复位电路,最后再来绘制温度检测电路,应为温度检测电路最复杂。4.1.1LED显示电路的连接如图4-1-1所示：图4-1-14.1.2报警灯电路连接如图4-1-2所示：图4-1-24.1.3晶振复位电路连接如图4-1-3所示：图4-1-3温度测量电路连接如图4-1-4所示图4-1-4我们完成所有电路的连接以后,在ProteusISIS界面中单击Source〔源程序,这时候会弹出一个下拉菜单,在这个下拉菜单中找到"Add/RemoveSourceFiles"<添加/移开源程序>选项,单击它,如图4-1-5和图4-1-6所示。图4-1-5图4-1-6然后界面中会跳出如图4-1-7所示的弹窗,找到"CodeGenerationTool"〔目标代码生成工具,单击这个选项,在其中选取ASEM51。图4-1-7单击界面上的"New"按钮,会弹出一个弹窗,在其中的文件名框中输入新建源程序的名字,如图4-1-8和4-1-9所示。图4-1-8图4-1-9然后单击"打开"按钮,会弹出一个弹窗,询问是否创建,单击选择"是",如图4-4-10所示。图4-1-10好了,到了这一步,我们已经成功建立Tem.ASM文件了,这个文件是在Source下的,如图4-1-11所示:图4-1-11如果想要打开汇编语言编译窗口,我们只需要点击刚刚我们新建成的"Tem.ASM",如图4-1-12所示。图4-1-12我们再一点点的将程序输入到里面去〔输入时请小心仔细,一个字符的错误,就会导致整个程序运行的失败,再次修改耗时耗力。如图4-1-13所示：图4-1-13在Source下有一个"BuildAll",这是编译结果,它会显示在弹出的对话框中。这样就能成功的在单片机中加载目标代码,如图4-1-14、4-1-15和-1-16所示：图4-1-14图4-1-15图4-1-16最后点击OK,左下角有一个仿真按钮,单击它就可以进行仿真了。4.2仿真结果当给温度传感器输入0度时,可以发现电压表显示0.03V,误差在1度范围内,电压和温度测量电路的输出电压成10倍关系,与此同时绿色报警灯亮说明符合设计要求,但LED显示值为002,如果电路和程序均无错误LED显示值应该为000,因此说明系统某部分仍存在错误,如图4-2-1所示。图4-2-1红绿灯的情况就是报警,温度传感器温度值发生改变红绿灯的情况就会改变。当温度不超过80度是,绿灯适量的,LED显示为080。一旦温度超过80度,红灯就会亮了,绿灯灭了,LED显示大于80度,报警指示电路工作正常,如图4-2-2和4-2-3所示。图4-2-2图4-2-3结论经过了这么长时间的努力,我终于完成了我的毕业设计,完成了基于单片机控制的快热式电热水器的设计,实现了温度、频率的相互转化,达到在出水温度到了80℃,继电器断开,加热停止,出水温度低于45℃,继电器又会接通,立马开始加热,并且内胆温度达到了105℃,停止加热,这样就不会出现干烧的情况了。本设计中89C51单片机、温/频转化法、双向可控硅等的使用都是十分重要且关键的的,这些元件的配合,完美的实现了本设计的预期目标。从初始的结构设想,到整体框架的设计,再到每个细节的设计,最后所有部分组合的设计,整个过程包含的内容太多,全面的提高了我的所有能力。尽管本设计还有不足的地方,有些地方可能还需要研究改进,无法做到尽善尽美,但本次设计中,我查阅大量资料,让我对我自己的所学,有了一个更全面的了解,更重要的是开拓了我的视野,让我对单片机的指示了解更多了。快热式电热水器就是我们生活中的