快熱式家用電熱水器課程設(shè)計報告書

1、1引言現(xiàn)在熱水器大部分都是快熱式熱水器，它給我們的生活帶來了極大的便利，這使是它走進千家萬戶成為必然目前燃氣式熱水器因為它的安全隱患和越來越高的成本正在逐漸退出熱水器市場。而太陽能熱水器雖然環(huán)保無污染，但它壽誕天氣。氣候及安裝條件的嚴格限制。很難占據(jù)更大的市場份額。目前主流的貯水式電熱水器，體積龐大、預熱時間長、熱水儲量有限，已經(jīng)不適合現(xiàn)代生活的節(jié)奏。于是，快熱式熱水器小巧時尚的外觀，安全可靠的性能讓它有著廣泛的發(fā)展和應(yīng)用前景。普通電熱水器有以下幾個缺點：首先，因為電熱水器長期通電，保持60度以上的高溫，發(fā)熱管容易結(jié)垢，膽容易漏水，比較容易損壞。我們學校的電熱水器經(jīng)常因為結(jié)垢堵塞出水口水流越來

2、越小，給師生的飲水帶來不便；其次，管道及水箱本身熱量損耗大，等候熱水所用時間較長；再次，在熱水流出前都必須浪費一定量的冷水，根據(jù)管道的長短，這樣既不環(huán)保，又不經(jīng)濟。而快熱式熱水器克服了上述缺點。它安全、干凈、環(huán)保、即開即熱。35秒出熱水，無需等候，熱水使用時間不受限制。2系統(tǒng)總體方案功能要求用2位數(shù)碼管顯示出水溫度，能顯示設(shè)定功率檔位。溫度檢測顯示圍0099C，精確度土仁C。設(shè)置3個功率檔位指示燈，14檔一個燈亮，58檔兩個燈亮，9檔3個燈全亮。0檔無功率輸出，檔位燈不亮。設(shè)置3個輕觸按鈕，分別為電源開關(guān)鍵、“ +”鍵和“-”鍵。加熱功率分09檔，按“+”鍵依次遞增至9檔，按“-”鍵依次遞減至

3、0 0-9 檔功率依次為 0、1/9P、2/9P、3/9P、4/9P、5/9P、6/9P、7/9P、8/9P、P。膽溫度超過105C時停止加熱，防止干燒 方案論證 按快熱式電熱水器的功能要求，決定采用如圖 2.1所示的模塊組成系統(tǒng)，即電源電路、單片機控制器、溫度檢測電路、按鍵輸入電路、LED數(shù)碼管及指示燈電路、報警電路和加熱控制電路。圖2.1快熱式電熱水器系統(tǒng)組成框圖快熱式電熱水器為了達到“快熱”的效果，取消了儲水罐，使冷水在在進入加熱管后立即被加熱，這就要求加熱管有較大的功率，家 用電熱水器一般采用方便可靠的電熱絲加熱方法。根據(jù)熱學及流體力學原理結(jié)合實際實驗室測試，可以得到水溫與流量、加熱功

4、率之 間的關(guān)系如表2.1。表2.1中所列水溫值和流量值可以滿足大多數(shù)家庭用戶使用要求，當最大的加熱功率為7.5KW時，按220V供電計算電流約為34A,所以要求專線供電。表2.1水溫與流量、加熱功率的關(guān)系溫度° C水流量功率2升/分鐘2.5升/分鐘3升/分鐘3.5升/分鐘4升/分鐘4.5KW47423634325.5KW54484138356.5KW62544642387.5KW7060514641注：進水溫度 15C，輸入電壓 AC220V對于加熱功率的控制，最簡單的方法是由若干不同功率的電熱絲組合得到幾種加熱功率，但由于快熱式熱水器的加熱功率較普通的大，且檔位設(shè)置較多，用電熱絲組

5、合的方法需要幾組電熱絲和繼電器，成本增高且工作可靠性降低，所以比較理想的是采用可控硅控制功 率，電路簡單又控制方便。溫度檢測的方法較多，最經(jīng)典的方法就是用熱敏電阻（或熱敏傳感器）組成電橋來采集信號，再經(jīng)放大、AD轉(zhuǎn)換后送單片機。目前比較先進的方法是采用專門的集成測溫傳感器（如 DS18B20,直接將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給單片機。為了簡化電路又降低成本，本 文采用了溫度/頻率轉(zhuǎn)換測溫法，直接將溫度信息轉(zhuǎn)換成頻率信號，用單片機測出頻率大小，從而間接測出溫度值，溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路簡單可靠，成本低廉。3系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計快熱式熱水器控制系統(tǒng)電路如圖 3.1，由7個部分電路組成：單片機系統(tǒng)及外圍電路、

6、電源電路、按鍵輸入電路、LED數(shù)碼管及指示燈 電路、報警電路、加熱控制電路、溫度檢測電路控制器采用成本低廉且工作可靠的 89C51或其兼容系列的單片機，采用12M的晶振。89C51對電源要求不甚嚴格，電源電路采用普通 的市電降壓整流，然后經(jīng)集成穩(wěn)壓器（7805）穩(wěn)壓輸出+5V電壓。按鍵采用輕觸小按鈕。顯示電路采用兩位共陽數(shù)碼管，由2個三極管9012驅(qū)動，3個LED旨示燈用于指示加熱功率。報警電路采用 5V的自鳴式蜂鳴器。C3+5VU3BC2U3AR24U3CR4 100QC1U3DS274LS048050R2M卜0.056uF儀1KY口為C433P+5V20/9V：30K+5V31+5VR51

7、2 13赳14 -+5VEA/VPP0.0P0.1X1P0.2X2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7RESETINT0P2.CP2.1P2.2INT1P2.3T0P2.4T1P2 5P1.0P1.1P2.6P2.7P1.2RDP1.3WRP1.4PSENP1.5ALE/PP1.6TXDP1.7RXDU21918123467889C5116F -TT 10DS1DS2200 Q *8393837363534Q3Q423R924254.7K279012901228+5VR10174.7K33322122R19510QLED2LED3D2D51N4007*4Q2R20901510QR21LED

8、4U4YD1+5V1N4007U17805Vout510QR23U5MOC3023R82K/1WR25heateri.LED1R22©4.7KD6400720K/2WQ5 9012000u/16C50.1uF1FUSE»470u/100.1uC6Q6 BTA41TitleFast Water Heater circuit圖3.1快熱式家用電熱水器控制電路圖SizeNumberRevisionA4Date:10-Apr-2005Sheet ofFile:出版物熱水heaterheater1.DDrSwn By: Gavin Hu加熱控制電路123圖3.2為加熱控制電路原理圖，

9、電熱絲的加熱功率由雙向可控硅來控制， 單片機 通過光耦給可控硅觸發(fā)信號，控制可控硅的導通角，從而控制電熱絲的有效加熱 功率。為了在關(guān)機和超溫保護的狀態(tài)下能可靠地關(guān)斷加熱電源，電路中設(shè)計了繼電器來控制加熱電源。其中串聯(lián)在繼電器線圈回路的熔絲為105C的熱保險絲，當溫度超過105C時，熱保險絲會熔斷，防止加熱管干燒。與電熱絲并聯(lián)的LED發(fā)光管用來指示電熱絲的工作狀態(tài)?？煽毓栌|發(fā)信號中需要對市電進行過零檢測，以實現(xiàn)觸發(fā)脈沖的相位延時。本電路中是利用三極管8050和一個非門實現(xiàn)過零檢測的，電路如圖 3.3。圖3.2加熱控制電路圖+5VQ5D2D5T120V10K220/9V1N4007*43R32+5

10、VTR110KR21MU3DI INT18050Q1 74LS04TitleSizeA4Date:File:圖3.3過零檢測電路圖溫度檢測電路溫度檢測電路組成如圖3.4所示，溫度/頻率變換電路是利用反相器組成的RC多諧振蕩器，其中的R24是一個熱敏電阻，當溫度變化時引起熱敏電阻的阻值變 化，從而改變了振蕩器輸出的方波頻率。該頻率的估算可用如下公式：f 1.1RC圖3.4溫度檢測電路圖式3.14系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計C按快熱式熱水器的功能，系統(tǒng)程序必需實現(xiàn)以下任務(wù)：顯示掃描；按鍵掃描處理； 加熱控制；溫度檢測（包括超溫報警）。51系列單片機實現(xiàn)多任務(wù)運行的方法就 是分時復用，在程序設(shè)計的時候要相應(yīng)地

11、分配好各任務(wù)的 CPU占用時間。對于以 上幾個任務(wù)稍加分析可以看出，顯示掃描、按鍵掃描和加熱控制任務(wù)相對而言有 實時要求，而溫度檢測任務(wù)則可用定時（0.51s ）實現(xiàn)。B 主函數(shù)系統(tǒng)在上電復位后，先對溫度寄存器、檔位寄存器賦默認值，并進行清除超溫標 志，設(shè)置定時器及中斷系統(tǒng)的工作方式等初始化工作。由于51系列單片機沒有停機指令，我們可以利用主程序設(shè)置死循環(huán)反復運行各 個任務(wù)。我們把有實時要求的子程序（顯示掃描、按鍵掃描、加熱控制）放在最 層的循環(huán)中，計算其運行一次占用的CPU寸間，然后根據(jù)溫度檢測定時的間隔時 間，計算出該循環(huán)的循環(huán)次數(shù)。本例中每運行一次有實時要求的子程序 （即顯示 掃描、按鍵

12、掃描、加熱控制）約占用 5msCPU寸間，運行測溫子程序的時間間隔 為0.5s，那么 1循環(huán)次數(shù)應(yīng)為100次。圖4.1為主函數(shù)程序流程圖。顯示掃描子函數(shù)顯示子函數(shù)完成兩位共陽數(shù)碼管的掃描顯示任務(wù)，圖4.2為顯示掃描子函數(shù)程序 流程圖。圖4.1主函數(shù)程序流程圖圖4.2顯示掃描子函數(shù)程序流程圖按鍵掃描處理子函數(shù)按鍵掃描子函數(shù)負責逐個掃描檔位“ +”鍵、檔位“-”鍵和開關(guān)鍵是否被按下,若有鍵被按下則作出相應(yīng)處理。圖 4.3為按鍵掃描子函數(shù)程序流程圖。加熱控制函數(shù)加熱控制程序根據(jù)用戶設(shè)定的加熱檔位和系統(tǒng)當前的狀態(tài)，來決定是否加熱和控 制加熱的功率并點亮相應(yīng)的指示燈。如有超溫標志還應(yīng)打開蜂鳴器報警。圖

13、4.4 為加熱控制函數(shù)程序流程圖。加熱控制程序通過控制繼電器的通斷來決定是否給電熱絲通電加熱， 而加熱的功 率大小則由雙向可控硅的導通角決定。系統(tǒng)程序利用外中斷 INT1檢測市電的過 零點，檢測到過零點后，立即根據(jù)設(shè)定的加熱檔位給定時器 T1賦一個延時參數(shù)， 并打開定時器T1,允許其中斷。當定時器T1計滿溢出后觸發(fā)中斷，T1中斷程序 就會給可控硅發(fā)一個觸發(fā)信號，使其導通。圖 12.10、12.11分別是過零檢測函 數(shù)程序流程圖和可控硅觸發(fā)信號控制函數(shù)程序流程圖。圖4.5過零檢測函數(shù)程序流程圖圖4.6可控硅觸發(fā)信號控制程序流程圖打開測頻外中斷等待測試完成Tmin=0,Tmax=100Temp=(

14、Tmi n+Tmax)/2否是否是TOrig=Tabtemp?TOrig>Tabtemp?Tmax=TempTmin=Temp否Tmax-Tmin<=1?是否是Temp= TmaxTOrig 接近 Tabmax?Temp= Tmin否Temp>65?是否Temp<45?是置位超溫標志清除超溫標志刷新當前寄存器結(jié)束圖4.7溫度檢測函數(shù)程序流程圖溫度檢測函數(shù)溫度檢測函數(shù)的基本原理就是將溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路測得的頻率與事先建立好的 溫度/頻率表進行比較，查找出與該頻率相應(yīng)的溫度值。事先在實驗測試后建立 的溫度/頻率表是0100C溫度所對應(yīng)的頻率值，它是一個頻率對應(yīng)于溫度遞減 的

15、非線性函數(shù)，我們在C語言中用一個一維數(shù)組Tab101來表示，下標為溫度， 數(shù)組元素為頻率值。計算溫度的方法采用高效準確的二分法查表，查表的過程如 下： 先給定查找的溫度的最大值 Tmax和最小值Tmin,即確定查找的圍，我們根 據(jù)已有的溫度表默認最大值Tmax=100最小值Tmin=0； 假定測得溫度Temp為最大值和最小值之中間值即 Temp=（Tmax+Tmin”2 將實際測得的頻率值T0rig與假定溫度Temp在表格中對應(yīng)的頻率Tabtemp 相比較，如果相等，那么假定溫度就是當前實際溫度，即完成查找； 如果T0rig> Tabtemp，說明實際溫度應(yīng)該在Tmin和Temp之間（因

16、為遞減 函數(shù)特性），所以修改查找圍令 Tmax=Temp同理如果T0rig< Tabtemp，說明 實際溫度應(yīng)該在Temp和Tmax之間，則令Tmin=Temp 檢查查找圍，如果 Tmax-Tmi*=1,判斷T0rig更接近最大值對應(yīng)的頻率 TabTmax還是最小值對應(yīng)的頻率 TabTmin，實際溫度值取頻率更接近的那個 值即完成查找， 如果Tmax-Tmin>1,那么重復第步驟直到完成查找。溫度檢測程序完成溫度計算后便刷新系統(tǒng)當前溫度寄存器，并判斷有無超溫、置位或清除相應(yīng)的標志位。圖4.7為溫度檢測函數(shù)程序流程圖。單片機使用外中斷INT0和計時器T0檢測輸入的頻率大小，為了減少測

17、量的系統(tǒng) 誤差相對值和隨機誤差對測量精度的影響，程序中取100個方波周期的和作為測量結(jié)果。程序中使用靜態(tài)變量 px0count進行外中斷的計數(shù)，在測量開始時，我 們給px0count賦值2是為了讓頻率測量有準確的起點。另外，為了區(qū)分測頻的 開始和結(jié)束，還使用了測頻開始標志位T0tst和測頻完成標志位Testok。圖4.8 為頻率測試函數(shù)程序流程圖。圖4.8頻率測試函數(shù)程序流程圖5系統(tǒng)程序清單以下是快熱式電熱水器控制源程序清單，采用C51編寫，在Keil uVision2 V2.30(C51.exe V7.0 )環(huán)境下調(diào)試通過，并下載到 AT89C51測試運行成功。/*快熱式熱水器程序MCU A

18、T89C51 XAL 12MHz*/#in clude <reg51.h>#include vintrins.h> #in clude <math.h>void delay (un sig ned in t);/void display(void);/un sig ned char keysca n(v oid); / void heatctrl(void);/void temptest(void);/sbit swkey=P1A0;/sbit upkey=P1Al；/sbit dow nkey=P1A2;/sbit buzz=P1A05;/sbit triac=

19、P1A6;/sbit relay=P1A7;/sbit led仁卩2八5;/sbit led2=P2A6;/sbit led3=P2A7;/sig ned char data ctemp; /延時函數(shù)顯示函數(shù)按鍵掃描處理函數(shù)加熱控制函數(shù)測溫函數(shù)開關(guān)鍵加熱檔位“ +”鍵加熱檔位“-”鍵蜂鳴器輸出端可控硅觸發(fā)信號輸出端繼電器控制信號輸出端加熱檔位指示燈1加熱檔位指示燈2加熱檔位指示燈3當前測得水溫寄存器顯示區(qū)緩存unsigned char data dispram2=0x10,0x10; /un sig ned char data heatpower,px0co unt;/計數(shù)器bit tempo

20、v,t0tst,testok; /超溫標志、測溫開始標志、測溫完成標志加熱檔位寄存器、外中斷0/*主函數(shù) void ma in (void)無參數(shù)，無返回值循環(huán)調(diào)用顯示、鍵掃描、溫度檢測、加熱控制函數(shù)*/ void main (void)un sig ned char i,j;ctemp=15;/初始化水溫寄存器heatpower=5;/初始化加熱檔位為5檔tempov=0;/清除超溫標志swkey=0;/默認開關(guān)鍵被按下，進入待機狀態(tài)TMOD=0x11;/設(shè)定T0和T1工作方式為16位定時器TCON=0x05;/設(shè)置外中斷0和1為下降沿觸發(fā)IP=0x01;/設(shè)置外中斷0優(yōu)先IE=0x80;/

21、打開總中斷while (1)i=1;dofor (j=O;j<1OO;j+)/循環(huán)100次約0.5s如果有鍵按下，顯示當前檔位3sdisplay。；/調(diào)用顯示函數(shù)一次約4msheatctrl();/調(diào)用加熱控制函數(shù)if (keysca n() i=6;/end for (b=0;b<100;b+)每0.5s進行一次測溫通過改變循環(huán)次數(shù)i的大小決定是否刷新取溫度絕對值取個位數(shù)送顯示取十位數(shù)送顯示（帶滅零）temptest();/ while (-i);/顯示j=abs(ctemp);/dispram1=j%10;/j/=10;/dispram0=j?j:0x11;/end while

22、 (1)/*延時函數(shù) void delay(unsigned int dt)參數(shù)：dt，無返回值延時時間=dt*500機器周期*/void delay (un sig ned int dt)register un sig ned char bt;/定義寄存器變量for (; dt; dt-)for (bt=250; -bt; );/此句編譯時以“ DJNZ 實現(xiàn)，250*2=500機器周期/*顯示函數(shù) void display(void)無參數(shù)，無返回值兩位共陽數(shù)碼管掃描顯示*/ void display(void)codeun sig nedchartable=0xc0,0xf9,0xa4,

23、0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xbf,0xff;un sig ned char i,a;a=0xfe;/位選賦初值for (i=0; i<2; i+)/循環(huán)掃描兩位數(shù)碼管P2|=0x1f;/清除位選P0=tabledisprami;/送顯示段碼P2&=a;/選通一位delay(4);/延時2msa=_crol_(a,1);/改變位選字P0=0xff;/消影“ +”鍵打開蜂鳴器（發(fā)出按鍵音）延時消抖關(guān)閉蜂鳴器檔位加一顯示當前檔位等待鍵釋放返回有鍵按下/*按鍵掃描處理函數(shù) unsig

24、ned char keyscan(void)無參數(shù)，返回值:無符號字符型，無鍵按下為 0,有鍵按下為其它影響全局變量：heatpower*/un sig ned char keysca n(v oid)un sig ned char i,ch;if (upkey=0)/buzz=0;/for (i=0;i<5;i+) display(); /buzz=1;/if (heatpower<9) heatpower+; / dispram0=0;dispram1=heatpower; /while (upkey=0) display(); /else if (dow nkey=0)/re

25、turn (1);/打開蜂鳴器（發(fā)出按鍵音）延時消抖關(guān)閉蜂鳴器檔位減一顯示當前檔位等待鍵釋放返回有鍵按下開關(guān)鍵打開蜂鳴器（發(fā)出按鍵音）延時消抖關(guān)閉蜂鳴器置位開關(guān)鍵等待鍵釋放暫存中斷控制字IE禁止中斷清除端口輸出buzz=O;/for (i=0;i<5;i+) display。; / buzz=1;/if (heatpower>0) heatpower-; / dispram0=0;dispram1=heatpower; / while (dow nkey=0) display(); / return (2);/else if (swkey=0) /buzz=0;/for (i=0;

26、i<30;i+) display(); /buzz=1;/swkey=1;/while (swkey=0) display(); / ch=IE;/IE=0x00;/P0=0xff;P1=0xff;P2=0xff;/顯示“-等待開關(guān)鍵按下打開蜂鳴器(發(fā)出按鍵音延時消抖關(guān)閉蜂鳴器確認開關(guān)鍵被按下等待鍵釋放還原中斷控制字IE返回無鍵按下無任何鍵按下時由此返回dispram0=0x10;dispram1=0x10;/display。；while (1)while (swkey) display。；/buzz=0;/for (i=0;i<10;i+) display。;/buzz=1;/i

27、f (swkey=0) break; /while (swkey=0) display(); /IE=ch;/return (0);/else return (0);/*加熱控制函數(shù)void heatctrl(void)無參數(shù)，無返回值判斷是否加熱、加熱功率及檔位指示燈處理*/void heatctrl(void)if (!tempov)/當沒有超溫標志時relay=0;/接通繼電器buzz=1;/關(guān)閉蜂鳴器switch (heatpower)/判斷加熱檔位case 0: EX1=0;ET1=0;triac=1;led1=1;led2=1;led3=1;break;/0加熱，指示燈不亮case

28、 1:case 2:case 3:case 4: led1=0;led2=1;led3=1;EX1=1;break; /14檔case 5:case 6:case 7:case 8: led1=0;led2=0;led3=1;EX1=1;break; 58檔燈亮case 9: EX1=0;ET1=0;led1=0;led2=0;led3=0;triac=0;break; /9檔不1號指示等亮1號、2號指示檔全功率，指示燈全亮當有超溫標志時斷開繼電器關(guān)閉可控硅蜂鳴報警else/relay=1;/EX仁0; ET1=0; triac=1;/buzz=0;/*測溫函數(shù) void temptest(v

29、oid)無參數(shù)，無返回值，影響全局變量： ctemp，tempov測量并查表計算溫度，判斷是否超溫*/void temptest(void)sig ned char temp,tempm in ,tempmax;un sig ned int t0rig;codeun sig nedinttemptab=0x6262,0x61eb,0x6171,0x60f7,0x6047,0x5ff7,0x5f6e,0x5eef,0x5e53,0x5dbe,0x5d4b,0x5ca5,0x5c17,0x5b6b,0x5ada,0x5a5c,0x599b,0x58ff,0x5869,0x57b0,0x570d,0

30、x5663,0x55c6,0x550e,0x5444,0x5396,0x52dd,0x5240,0x5189,0x50b0,0x5005,0x4f20,0x4e69,0x4db1,0x4cef,0x4c42,0x4b64,0x4aaa,0x49e1,0x48fc,0x4847,0x476c,0x46b1,0x4604,0x4503,0x4449,0x4356,0x4299,0x41c0,0x40ce,0x3ff0,0x3f2b,0x3e33,0x3d86,0x3ca6,0x3bd2,0x3b26,0x3a39,0x3973,0x38a6,0x37ef,0x373f,0x3687,0x35c3,

31、0x3507,0x3487,0x33bc,0x32ed,0x324f,0x319e,0x3106,0x3053,0x2fa6,0x2f2a,0x2e88,0x2e00,0x2d63,0x2cd6,0x2c65,0x2bae,0x2b28,0x2a97,0x2a07,0x298e,0x2914,0x287a,0x280d,0x278a,0x2703,0x2687,0x2626,'測頻中斷函數(shù)參數(shù) 置測頻程序開始標志 打開測頻外中斷 清除測頻程序完成標志等待測試完成； /溫度頻率表px0cou nt=2;/t0tst=1;/EX0=1;/testok=0;/while (!testok)

32、display。；/tempm in=O;/以下是二分查表法計算溫度值tempmax=100;/tempm in和tempmax為溫度表的圍while (1)temp=(tempmax+tempmi n)/2;/點值if (t0rig=temptabtemp) break; /假定當前溫度為最大值與最小值之中若實際值等于假定值結(jié)束查找else if (t0rig>temptabtemp) tempmax=temp;/減小查找圍的最大值若實際值大于假定值,else tempm in=temp;/最小值if (tempmax-tempm in<=1)/ /if (temptabtempmax+temptabtempm in >2*t0rig)最大值取最大值else temp=tempmi n;/break;/ctemp=temp;/if (temp>