基于单片机的即热式热热水器

基于单片机的即热式热热水器基于单片机的即热式热热水器引言1。1选题目的和意义热水器是一种向用户提供热水使用并已经成为日常生活中不可或缺的家用电器，设计制造出更好的热水器是产品设计师和生产厂家不断追求的目标。它与普通电热水器有着不少差别，其中最明显的差别就是即热式电热水器中没有储水箱。虽然它没有储水箱，但是他依然能够满足使用者对热水的需求,这样的热水器等待出水时间短，大大减少能源浪费。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.太阳能热水器，燃气热水器和电热水器是热水器市场推出的三种不同类别的热水器产品.太阳能作为一种安全环保的可再生资源，只要有太阳的地方就可以使用,而且符合能源和环境政策，有开发利用的前途，但也提出了更高的要求,对建筑安装太阳能热水器的问题，天气的限制，适用范围窄，导致太阳能热水器不能出现时,独自在家庭中使用;燃气热水器由于以天然气为燃料,虽使用快捷、方便，但由于其安全隐患及越来越高的使用成本使其热水器市场不断减少。随着国家电网的完善，以及电气设施的改进,电力、家用电器行业的快速发展，在电热水器的快速发展提供了便利条件，必要条件。电热水器是理想的配套服务设施。电热水器又分为储水式电热水器和即热式电热水器。目前主流的储水式电热水器因其内部设有储水箱，使其体积大,使用前的等待时间长,使用的热水量与储水箱的体积有关,给家庭的生活带来极大的不便；与此同时时尚外观的即热式电热水器由于内部没有储水箱，使热水器的体积小巧，并且其等待出水时间短、安全环保，得到了大量消费者的青睐。据统计，即热式家用电热水器比储水式热水器节省了40%的能量，没有热水过多和使用中途没有热水的现象，省去了大量的额外开支，给用户带来真正的实惠。欧美地区已经使用即热式家用电热水器有很长时间了，它深受消费者的喜爱，这也说明了即热式家用电热水器将会主导整个市场普通电热水器有如下缺点:1.热水器发热管易结垢，内胆易漏水，较易损坏；2。管道热水、热量损耗大；3.等候用水时间长;即热式电热水器克服了以上的缺点。它具有许多优点：安全，环保，等待时间极短，有无限的热水，节电,节水，没有能量浪费；内置温控仪保证温度在30-50度之间。由于即热式电热水器体积不大,可以安装在厨房和卫生间的各个角落，而且安装方便，造型时尚，是家居的不二选择.它是专为方便现代家庭生活而生产的，使用方便，安全节能,同时，结合燃气热水器，太阳能热水器和储水式电热水器的许多优点。1。2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。热水器是一种向用户提供热水使用并已经成为日常生活中不可或缺的家用电器,设计制造出更好的热水器是产品设计师和生产厂家不断追求的目标.它要具有体积小，使用安全,安装方便等优点。在前几年，国内电热水器的产品在国内市场已经有一段时间,因为在那个时候,条件不成熟，高功率的电子产品一般无法正常使用,没有好的技术,来确保产品质量和使用的安全,各种因素限制其在中国的发展。近年来,随着人民生活水平的持续改进,加上国家电网改造和有关规定的出台，电力工业的快速发展,家用电热水器产品的前景在中国广泛。根据国家规范现有的商品房住宅设计线电线必须使用铜线,线切成每个住宅面积不少于10毫米,分支线不得少于2。5平方米不得少于40毫米，规格,所以现金住宅用户的新标准,使用上面的条件，家用电热水器的安全，以确保产品安全，没有危险的任何错误的，系数为100％,通过检测、能源消耗和快速加热式家用电热水器比传统的热水器可以节省40％,多少热水加热热水,热水不是取之不尽的浪费和使用中途热水供应短缺、水的利用率为100％，因为它不需要预热，没有绝缘,不需要额外的支出大量用户,带来实实在在的利益。作为一种新型环保产品，热产品广泛应用在我们的国家，这是时代的潮流，符合现代消费的趋势。一切迹象都在预示着即热式家用电热水器的春天就要来临了.1.3设计内容这此设计分为硬件部分和软件部分的设计.硬件部分分为元器件的选择和电路设计，元器件的选择，包括对单片机的选择、对电源的选择、对键盘的选择、对显示器的选择、对加热控制元件的选择、对水流量检测的器件选择、对温度检测的传感器的选择等；电路包括加热控制电路,过零检测电路，温度检测电路,LED数码管和指示灯电路，驱动电路报警。本设计的软件部分是系统程序流程的设计，包括主程序设计,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设计.2即热式电热水器的硬件设计即热式热水器基本结构图如下所示，冷水由进水口进入热水器，经加热管加热成为预定温度的热水后，从出水口流出。需要采集的信号有入水口的温度和水流检测信号，需要控制的信号有控制继电器导通的信号，还有要完成温度数据的实时显示和各工作阶段指示，出水温度的设置和显示等等。图2.1即热式热水器结构图系统的组成主要包括电源电路、单片机控制器、温度检测电路、水流量监测电路、按键输入电路、加热控制电路、LED数码管、指示灯电路和报警电路.硬件系统是最基本的框架,即热式电热水器是所有功能快速热水器系统的基础。为实现系统的功能和系统的精度是由硬件的选择直接影响所选择的硬件性能，硬件系统的设计在很大程度上决定了系统设计的成功。单片机温度检测水流量检测按键输入单片机温度检测水流量检测按键输入电源加热控制蜂鸣报警LED显示2.1硬件元件的选择与方案论证2。1.1单片机的选择方案一：由于8031芯片内部没有ROM,必须要连接外扩程序存储器才会有用，然而这样会给电路焊接造成不必要的困难,此外另外购买其他的芯片，如A/D转换及定时/计数器（PWM）等芯片，会造成成本较高,故不使用该方案.方案二：单片机51机的特点：①字长为8位。几乎绝大多数的单片机外围芯片都直接或间接的支持8位字长，这样可供它选择的余地相当大。②程序存储器与数据存储器分开。程序存储器和数据存储器的容量都是64KB。这样做的好处是可以尽可能使用大的存储器，无论是程序还是数据都是这样，在存储器价格日益低廉的今天，几乎可以用微不足道的价格换取相当可观的性能.③功能日益强大。现在程序存储器、数据存储器、掉电不丢失数据存储器、看门狗、A/D转换电路、驱动电路等都集中到一个芯片上。没有别的特殊要求，一个片子就能组成几乎十分完整的单片机系统.④软件上单片机的编制语言十分丰富，包括汇编语言、C语言，某些单片机甚至固化有解释型的BASIC语言，这样对编程语言的要求不高，只要学会一种语言即可，不用专门学习另一种语言。由于单片机AT89C51芯片中，拥有只读存储器部分，而这一部分采用了只读闪存模块，它能保存boos程序，便于程序的升级，同时它能在三伏的超低压下工作，再加上单片机ST89C51的价格低，稳定性好,可使用十二兆赫兹的晶振。此外，单片机AT89C51可以在低功耗模式下正常工作，还可以选择空闲和掉电模式两种模式。在空闲模式中，中央处理器暂时停止工作，而随机存储器的串行口维持其原本的功能。在掉电模式下，保存随机存储器数据,时钟震荡停止,同时停止芯片内其他功能。所以我们选择了89C51作为系统微处理器。2。1。2电源的选择方案一:干电池，对于干电池，其使用方便，稳定性好,但成本过高，且电能储存量太小，所以不采用.方案二：五伏电源，对于五伏电源来说，由于89C51对电源要求不高,电能能量大，不担心更换问题，经稳压管稳压后稳定性良好，成本低廉,所以采用此方案.2。1.3键盘的选择方案一：键盘选用行列式键盘,行列式键盘的接口方法，直接接口于单片机的I/O口上.键盘设置在行、列线的焦点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接+5V，被拉在高电平状态。但线路较复杂，价格较昂贵，不适用。方案二：使用要独立式键盘时,由于独立式键盘的按键是相互独立的,不存在任何联系，连接口多，那么就是将连接口和单片机的I/O口连接，连接的数量由实际的需求来决定，由于按键是否按下与I/O口的电平状态有关，那么读取/O口的电平状态，即可识别出按键是否被按下。独立式键盘采用下拉电平接法，这是一种常用的连接方法，而为了确保I/O口线有稳定的高电平，按键必须接低电平。由于本电路对键盘的要求低,它只需要用几个按键控制就可以了,独立式按键灵活性高,不会相互影响工作,成本低，实用又方便，所以本设计采用独立类型按键。2。1。4显示器的选择LED数码管显示器可分为两种显示方式：静态显示和动态显示.方案一:LED数码管静态显示，要使用译码驱动器，而指代码都由单片机I/O端口来控制每个数码管的显示。该方法的静态驱动编程简单，亮度高，缺点是占用I/O端口，,也给电路的焊接带来了一定的困难，因此不选用这种方案作为显示模块。方案二：LED动态数码管显示多用于需几个数码管的地方，使用分时显示，让数码管更快更好的工作，采用动态显示可以降低硬件成本和能量功耗.因为分时显示，显示驱动电路随时可以复用，通常各位数码管的段选线并联起来,然后由一个8位的I/O口控制；各位的位选线由另外的I/O口线控制。因为分时显示，要将数码管和显示驱动分时工作和复用，这样就降低了能量的使用，从而提高了使用效率,减少了数码管的数量.通常各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的位选线由另外的I/O口线控制。分时显示就是让各个数码管轮流使用,但并不同时显示,同一时间只使用一个数码管，并显示相应的信号，由于人演的视觉暂留效应,即人的眼睛对观察物体拥有一定的时间保留，只要下一个信号在这段时间内显示出来就可以了。在动态显示方式下电路设计简单，所以采用.2.1。5驱动及加热控制元件的选择方案一：

对于加热功率的控制，可以将不同功率的电热丝相互连接，组成的电路拥有不同的通路方式，从而有不同的功率，但由于所需要可选择的功率多，就会使电路过于复杂，不利于电路的焊接，会使电路的焊接过于困难，而且这种有电热丝的方法需要继电器，价格昂贵，稳定性差，所以不用这种方法。方案二：对于加热功率的控制,为了可以使用高功率，将晶闸管连入电路中，来控制电路，这个方法，价格低，可靠性高，利于控制,所以本次设计采用方案二做驱动及加热控制。2。1.6温度检测传感器的选择温度检测的方法很多，有热电偶，热敏电阻，还有专门的集成测温传感器等。方案一：本方案采用热敏电阻，它是将温度变换的元件，通过对参数的变化来对被测物体的温度进行测量。一般测量被测物体温度的热敏电阻将被测物体温度的变化转化为电阻变化,再通过测量敏感元件的电压和电流，然后通过对这些参数的变化来反映物体的温度变化.热敏电阻具有灵敏度高，非常优良的复现性，但由于测量的温度范围有限,成本较高，不符合本次设计要求,故不采用。方案二：本方案将温度信息转换成频率信号，直接测出电路中频率的大小,然后算出被测物体的温度，跟方案一相比，方案二价格低廉，测量的温度范围广，电路可操作性高.所以采用此方案。2.1.7传感器输出的放大电路的选择方案一：运算放大器LM324带有真差动输入的四运算放大器。该四运算放大器的工作范围广,低至三伏高至三十二伏，静态电流较低。它的性能特点是保护输出、真差动输入级、底偏置电流为最大100mA、每封装含四个运算放大器,具有业标准的引脚排列、输入端具有静电保护功能等等。但用在本电路中接线较复杂，会给电路的焊接工作增加不少困难，且价格昂贵,所以不用。方案二：本方案采用选择74LS04作为输出放大电路，可以作为驱动电路使用，使用较经济且性能也很理想，电路简单、方便、明了，所以在本方案中采用.2.2系统硬件电路的设计快热式热水器控制系统电路由加热控制、温度检测、数码管显示、水流量检测、复位等电路组成。控制器使用单片机AT89C51,它能在三伏的超低压下工作，再加上单片机ST89C51的价格低，稳定性好，使用十二兆赫兹的晶振。电源选用五伏电源,由于89C51对电源要求不高，电能能量大，不担心更换问题，经稳压管稳压后稳定性良好，成本低廉.按键采用轻触小按钮.显示电路采用两位共阳数码管,由两个三极管9012驱动。3个LED指示灯用于指示加热功率。报警电路采用5V的自鸣式蜂鸣报警器。2.2。1电源电路的设计78XX系列集成稳压器的典型应用电路如下图所示，这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。采用集成稳压器LM7805,C301、C301分别为输入端和输出端滤波电容。图2.3电源电路图2。2.2温度检测电路的设计出水口温度检测电路使用逆变器的组合，当被测物体的温度变化时，热敏电阻R203的电阻阻值因而发生变化,然后输出频率发生改变,测量输出频率。因此,温度的值可以间接通过获得频率值。该频率的估算可用如下公式：f≈1.1RC图2。4温度检测电路图2.2.3加热控制电路的设计电热丝的加热功率由双向晶闸管控制，单片机给可控硅触发信号，控制晶闸管导通角,使得导通角按照单片机所给的信号调整，改变电路的参数,有效控制加热丝的加热功率。（单片机调节刺激角度和需要一个参数，这是交流零检测。导通角的大小决定了输出电流的大小。如果找到开关从0开始，那么以上所有收到的电力负荷。类似地，如果从90度到传导,只有一半的电力可以收到负载。只收到110v负载。通过调整导通角,可以改变负载的能量.有两个零信号在一个交换周期，和双向电流控制可以实现双向可控硅。当单片机实现,交流零信号首先获得,然后使用时间延迟。控制可控硅的输出。根据传感器的反馈值修改的角度指导,达到一个恒定的输出要求。）串联在继电器线圈电路保险丝是为了预防加热管干烧,从而损坏电路，减少电器使用寿命.图2。5加热控制电路图2。2.4复位电路的设计89C51单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。（1）上电复位.上电复位电路是一个简单的复位电路，RST引脚与C接在VCC复位,然后一个电阻到地上.电容器被指控通过电阻，RST出现在正脉冲,单片机复位完成。C,R与CPU时钟频率变化.(2）按键电平复位。按键电平复位是建立在上电复位电路的基础上，在复位电容上并联一个串电阻的按键，按下按键，单片机复位完成.选上位电平复位电路。A上电复位电路B按键复位电路图2。6复位电路图2.2。5时钟电路的设计时钟是单片机的核心,单片机内部每个功能部件操作单片机由大量的时序逻辑电路完成,该电路在时钟脉冲的控制下,一步一步的完成各种操作。单片机实现的指令顺序从罗程序内存读取指令,执行和一系列微操作控制,完成指定的操作，必须有秩序的协调行动.换句话说，它是一系列的微操作控制信号在时间有严格的优先级.单片机的时钟信号是对电路进行控制的.有两种类型的时钟电路，一个是内部时钟，另一种是外部时钟模式。本设计使用内部时钟方式。单片机的输入是芯片销XTAL1XTAL2输出接脚，这两个引脚分别于电容器串联，而振荡器与引脚跨连，从而构成一个新的震荡电路。A内部振荡电路B外部振荡电路图2。7时钟电路图2。2.6过压保护电路的设计过压保护电路将220V交流电变为直流电，通过电阻进行分压，保护单片机、温度测量、水流量测量、加热控制等电路，来实现过压保护。图2.8过压保护电路图2.2。7键盘电路的设计键盘的开关状态通过一定的电路转换为高，低电平状态。按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲.为了防止CPU多次处理按键的一次闭合，采用措施取消抖动。键盘电路设计采用的是独立式按键.由于独立式键盘的按键是相互独立的,不存在任何联系，连接口多，不存在按键工作互相影响的情况,而且这三个键分别为“+"键,“-"键和开关键，其中S1为“+”键，S2为“-”键，S3为开关键。图2。9键盘电路图2。2。8数码管显示电路的设计数码管显示电路的设计是使用分时显示，让数码管更快更好的工作，采用动态显示可以降低硬件成本和能量功耗，可以让信号可以更快更好显示出来。它的电路图如下图所示.图2。10数码管显示电路图2.2。9报警器驱动电路的设计在本设计中，为用户设计了超限警报，当温度低于设置的目标温度10摄氏度或高于10摄氏度时，蜂鸣器发出连续嘀嘀叫声，当温度超过80摄氏度时，系统进入鼓掌报警状态，蜂鸣器连续鸣叫，必须运用复位系统排除故障才能正常运行，当单片机输入低电平是，三极管导通,蜂鸣器工作发出连续鸣叫，而当单片机输入高电平时,三极管断开,蜂鸣器不工作。图2。11报警器驱动电路图2。2.10水流检测电路的设计由于即热式电热水器储水箱小，必须做到通水通电，断水断电，因此必须要检测水流，以防干烧事故发生，国内目前以采用LC振荡电路的接近开关为主，但由于工作环境等原因,故障率很高。而霍尔传感器安装方便，功耗小,频率高工作环境要求低，因此水流检测电路采用霍尔传感器检测水流。本电路采用霍尔传感器检测水流。当没有水通过入水口时，磁钢比霍尔传感器低一些，霍尔传感器无法形成磁场，霍尔传感器输出的高电平无法通过三极管，继电器被三极管断开，加热控制回路无法形成通路,也就无法工作，从而避免加热控制回路干烧的情况发生.当水流量大于零时，磁钢随水流升至霍尔器件的高度，使霍尔器件形成了一定的磁场强度，霍尔器件输出低电平，三极管导通,继电器导通，加热控制回路通路，正常工作。图2.12水流检测电路图3即热式电热水器的软件设计本设计的软件设计部分即为系统程序的设计。根据热水器的功能，系统程序必须实现4扫描任务:显示扫描、按键扫描处理、加热控制和温度测试。51系列单片机实现多任务操作时间重用的方法,在程序设计分配CPU的任务的时间.分析得出,温度检测和扫描要实时进行。3.1主程序的设计单片机复位完成后，整个系统开始初始化阶段,温度寄存器，寄存器分配指定默认值，清除和超级温度信号，定时器和中断系统的工作模式设置.单片机AT89C51没有停机指令,将程序设计成循环反复运行。子程序实时性要求在内部循环,计算的中央处理器运行一次的时间，然后根据温度测试的时间间隔，计算循环周期,然后开始正常工作，指令计算机不断进行操作。这种情况下一次运行的实时性要求（即显示子程序，扫描，按键扫描，加热控制)大约需要5毫秒的CPU时间,时间间隔为0。5的文字运行测试程序，然后循环次数应为100次.如下图所示,其中J代表水流量，当J=1时，水流量不为零，K为设置温度,I为出水口的水流温度。YYNNNYJ=1？按键扫描YYNNNYJ=1？按键扫描K显示扫描加热控制完成100次循环温度检测K-10≤I≤K+10？开始系统初始化刷新显示温度水流量检测结束3.2显示扫描子程序的设计显示扫描子程序完成两位共阳数码管的扫描显示任务。扫描子程序是用来显示出水口温度的值以及设定温度的值，先赋予其最初的数值，再消除，然后得到水口温度的值以及设定温度的值，将其显示在显示器上，延迟2ms，再将该数值消除，在从得到数值开始循环。图3。2显示扫描子程序流程图3.3按键扫描处理子程序的设计如果有一个按键被按下,按键扫描程序发现这一情况并将这一信号传给单片机，交由单片机处理.根据用户设置的加热档位和系统当前的状态,确定加热和控制加热的功率。如果有超过设定温度迹象,应该打开蜂鸣器报警。这将介绍其在加热处理的过程控制。按键开关被设计成一个机械开关，机械接触断开时、关闭时，由于机械接触的角色的灵活性,一个按钮开关关闭时,没有立即稳定连接,断开连接也不会突然断开连接。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。3按键扫描处理子程序流程图3。4加热和控制程序流程的设计加热控制程序通过控制继电器的开关,决定是否给电气和电热丝加热，加热功率的大小是由双向晶闸管刺激角度。外部中断的使用INT1系统零交叉检测，检测后立即零加热展台设置定时器T1傅结合参数和打开定时器T1,以便它停止。当定时器T1计数溢出后触发中断，T1中断程序将使可控硅触发信号以其传导.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加热控制程序流程图3。5温度检测程序的设计温度检测程序的基本原理就是将温度/频率转换电路测得的频率与事先建立好的温度/频率表进行比较，查找出与该频率相应的温度值。在实验测试后建立的温度/频率表是0～100℃温度所对应的频率值。它是一个频率对应于温度递减的非线性函数，在C语言中用一个一维数组Tab[101]来表示，下标为温度，数组元素为频率值.计算温度采用高效、准确的二分查找法.查表的过程如下：先找到一个给定的最高温度和最低温度,假定测得温度Temp为最大值与最小值的中间值，即Temp=(Tmax+Tmin)/2.3。将实际测的频率值T0rig与假定温度Temp在表格中对应的频率Tab[temp］相比较，如果相等，那么假定温度就是当前实际温度，即完成查找。4.如果t0rig>选项卡（温度），应按照实际温度和温度之间（因为递减函数功能）,修改搜索范围，Tmax=温度;同理,若T0rig<Tab[temp]，说明实际温度应该在Temp与Tmax之间，则令Tmin=Temp;5。检查查找范围，若Tmax-Tmin<=1,则判断T0rig更接近于最大值对应的频率Tab［Tmax]还是最小值对应的频率Tab[Tmin］，实际温度值取频率更接近的那个值既完成查找[。6。若Tmax—Tmin〉1,则重复第2，3，4,5步骤,直到查找完成。温度检测程序完成温度计算后，便刷新系统当前温度寄存器，并判断有无超温、置位或消除相应的标志位。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温度检测程序流程图3。6频率测试程序的设计单片机使用外中断INT0和计数器T0检测输入频率的大小。为了减少测量的系统误差相对值和随机误差对测量精度的影响，程序中取100个方波周期的和作为测量结果.使用静态变量px0count外部中断计数程序，在测量开始px0count分配2是使频率测量的起点是准确的。另外，为了区分测频的开始和结束,还使用了测频开始标志位T0tst和测频完成标志位Testok。开始开始（X0中断）--px0count==0？？是起点？清除测频起点标志px0count=100计时器T0清0启动计时器T0停止计时器T0停止测频外中断置位测频完成标志结束YYNN图3.6频率测试程序流程图总结51系列单片机的设计瞬时家用电热水器、控制电路简单，易于操作，可靠性高，稳定性高。该方案主要体现在速度快,它采用双向晶闸管（SCR)来控制加热电路，该系统将极大地提高可靠性,因为晶闸管能够可靠的开启和关闭，根据栅极电压和使用LED及时检测电路、加热条件。设计的另一个优点是，它使用的温度/频率检测电路，通过电路的频率变化来反映出水口水流温度的变化，从而避免了由于热电阻的变化不能及时向单片机和滞后的问题.将远低于频率在抗外界干扰变化的干扰带来的变化，完全不涉及非线性误差引起的高温，使精度和可靠性都得到了很大的提高。参考文献[1］马长林,陈怡,程利民.单片机实践应用与技术［M］。北京:清华大学出版社,2008，209。[2］田立,田清,代方震。51单片机C语言程序设计快速入门［M]。北京:人民邮电出版社，2007，153—165.［3］汤竞南,沈国琴.51单片机语言开发与实例［M].北京:人民邮电社，2008，20-38,138—143。[4］张友德，赵志英,涂时亮。单片微型机原理、应用与实验[M］.上海：复旦大学出版社,2006.［5］耿国华.数据结构：