基于單片機(jī)控制的快熱式

1、基于單片機(jī)控制的快熱式家用電熱水器的設(shè)計(jì)摘要隨著人們生活水平的不斷提高，單片機(jī)控制無疑是人們追求的目標(biāo)之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的，其中家用電熱水器就是一個(gè)典型的例子。在本設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)at89c51作為控制器來控制電路。本設(shè)計(jì)分別對硬、軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)說明。硬件包括加熱控制電路，溫度檢測電路，led數(shù)碼管及指示燈顯示電路及報(bào)警器驅(qū)動電路等的設(shè)計(jì)，比如，利用熱敏電阻對熱水器出口溫度進(jìn)行檢測；用溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路通過單片機(jī)的檢測間接測出溫度值；用單片機(jī)通過光耦給可控硅觸發(fā)信號，控制可控硅的導(dǎo)通角,而控制電熱絲的有效加熱功率；用繼電器來控制加熱電源，使其在關(guān)機(jī)和超溫保護(hù)的狀態(tài)下可靠的關(guān)斷；

2、用在繼電器線圈回路中串聯(lián)105的熔絲來防止溫度過高時(shí)加熱管干燒。軟件部分給出了部分程序流程圖的設(shè)計(jì)，包括主程序的設(shè)計(jì)、顯示掃描子程序的設(shè)計(jì)、按鍵掃描處理子程序的設(shè)計(jì)、加熱和控制程序流程圖的設(shè)計(jì)、溫度檢測程序的設(shè)計(jì)、頻率測試程序的設(shè)計(jì)。軟件編程采用c語言編寫，因?yàn)槠浜啙崱⑹褂梅奖沆`活、容易實(shí)現(xiàn)程序的模塊化和結(jié)構(gòu)化。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；電熱水器；溫度/頻率轉(zhuǎn)化測溫；二分查找法 design of rapid heating type household electric water heater based on single-chip microcomputer controlabstractas

3、people living standard rise ceaselessly, the single-chip microcomputer control is undoubtedly one of the goals of the people to pursue, it brings convenience is not negative, household electric water heater is a typical example of it. in this design uses at89c51 microcontroller as the controller to

4、control circuit. the design of hardware and software respectively design and explains. hardware including heating control circuit, temperature detection circuit, led digital pipe and indicator shows circuit and alarm driver circuit design, for example, using thermal resistance of the water heater ou

5、tlet temperature testing; use temperature/frequency conversion circuit is measured by single-chip microcomputer detection indirect temperature; with single-chip microcomputer controlled by light-coupler to trigger signal, control the conduction angles of the scr, and control of the resistance wire e

6、ffective heating power. use relay to control the heating power, so that the shutdown and over-temperature protection under the condition of reliable shut off; used in relays coil loop in tandem 105 melt silk of high temperature to prevent dry heating tube when burnt. software part gives part of the

7、program flow chart, including the design of main program design, the design of subroutines that display scanning, buttons scanning processing procedure design, heating and control program flowchart design, temperature detection program design, frequency test procedure design. software programming us

8、ing c language, because of it is simple and easy to use and agile and easy to implement procedures of modular and structured.key words: single-chip microcomputer; electric water heater; temperature/frequency conversion temperature measurement; binary search method 目錄摘要iabstractii1 緒論11.1 單片機(jī)的組成及特點(diǎn)11

9、.1.1 單片機(jī)的組成11.1.2 單片機(jī)的特點(diǎn)11.2 選題目的和意義21.3 國內(nèi)外發(fā)展情況31.4 即熱式電熱水器與普通電熱水器的區(qū)別31.5 設(shè)計(jì)要求41.6 設(shè)計(jì)內(nèi)容42 快熱式電熱水器的硬件設(shè)計(jì)62.1 硬件元件的選擇與方案論證62.1.1 單片機(jī)的選擇62.1.2 電源的選擇72.1.3 鍵盤的選擇72.1.4 顯示器的選擇82.1.5 驅(qū)動及加熱控制元件的選擇82.1.6 溫度檢測傳感器的選擇92.1.7 供電線路的選擇92.1.8 傳感器輸出的放大電路的選擇102.2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)102.2.1 加熱控制電路的設(shè)計(jì)112.2.2 過壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)112.2.3 溫度檢

10、測電路的設(shè)計(jì)122.2.4 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì)132.2.5 報(bào)警器驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)133 快熱式電熱水器的軟件設(shè)計(jì)143.1 主程序的設(shè)計(jì)143.2 顯示掃描子程序的設(shè)計(jì)143.3 按鍵掃描處理子程序的設(shè)計(jì)143.4 加熱和控制程序流程圖的設(shè)計(jì)173.5 溫度檢測程序的設(shè)計(jì)183.6 頻率測試程序的設(shè)計(jì)19結(jié)論22致謝23參考文獻(xiàn)24附錄a 控制源程序清單25附錄b系統(tǒng)總設(shè)計(jì)原理圖361 緒論1.1 單片機(jī)的組成及特點(diǎn)隨著人們生活水平的不斷提高，單片機(jī)控制無疑是人們追求的目標(biāo)之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的。其中家用電熱水器就是一個(gè)典型的例子，單片機(jī)正朝著高性能和多種方向發(fā)展趨勢將是進(jìn)

11、一步向著cmos化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。單片機(jī)采用面向控制的指令系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制功能特別高。cpu可以直接對i/o口進(jìn)行輸入、輸出操作及邏輯運(yùn)算，并且具有很強(qiáng)的位處理能力，能有針對性解決由簡單到復(fù)雜各類控制任務(wù)。單片機(jī)作為嵌入式應(yīng)用的微型計(jì)算機(jī)，由于其出色的性價(jià)比，極強(qiáng)的實(shí)用性，它取得了巨大的發(fā)展。從最早的4位單片機(jī)，到今天的16位，甚至32位單片機(jī)，單片機(jī)的應(yīng)用越來越成熟，要想設(shè)計(jì)出較好的快熱式電熱水器必須要以較強(qiáng)的單片機(jī)作為基礎(chǔ)，而單片機(jī)的發(fā)展正好為熱水器的開發(fā)奠定了前提條件。1.1.1 單片機(jī)的組成單片機(jī)是微型機(jī)的一個(gè)主要分支，在結(jié)構(gòu)上的最

12、大特點(diǎn)是把cpu、存儲器、定時(shí)器和多種輸入/輸出接口電路集成在一塊超大規(guī)模集成電路芯片上。就其組成和功能而言，一塊單片機(jī)芯片就是一臺計(jì)算機(jī)。 單片機(jī)是通過內(nèi)部總線把計(jì)算機(jī)的各個(gè)主要部件接為一體，其內(nèi)部包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。其中，地址總線的作用是在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)提供地址，cpu通過它們將地址輸出到存儲器或i/o接口；數(shù)據(jù)總線的作用是在cpu與存儲器或i/o接口之間，或存儲器與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)；控制總線包括cpu發(fā)出的控制信號線和外部送入cpu的應(yīng)答信號線等。1.1.2 單片機(jī)的特點(diǎn)由于單片機(jī)的各種結(jié)構(gòu)形式及它所采取的半導(dǎo)體工藝，使其具有很多顯著的特點(diǎn)，因而在各個(gè)領(lǐng)域都得到了迅猛的發(fā)展

13、。單片機(jī)主要有如下特點(diǎn)：有優(yōu)異的性價(jià)比。1.集成度高、體積小、有很高的可靠性。 單片機(jī)把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了芯片之間的連線，大大的提高了單片機(jī)的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強(qiáng)磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。2.控制功能強(qiáng) 為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、i/o口的邏輯操作以及微處理能力。單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)。3.低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。4.單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。1.2 選題目的和意義當(dāng)前，熱水器已成為日常生活中不可

14、或缺的家用電器，設(shè)計(jì)制造更實(shí)用、更方便、更安全、更節(jié)能的熱水器是產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和生產(chǎn)廠家不斷追求的目標(biāo)?？鞜崾诫姛崴髋c普通電熱水器最大的區(qū)別在于取消了儲水罐，熱水隨開隨用，無需預(yù)熱，減少了電能浪費(fèi)。另外，它還具有體積小，使用安全，水溫可以調(diào)節(jié)，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。熱水器是一種可供浴室，洗手間及廚房使用的家用電器。目前市場上熱水器主要品種有：電熱水器、太陽能熱水器、燃?xì)鉄崴?，就中國的具體情況而言，太陽能熱水器作為一種綠色環(huán)?？稍偕Y源，其開發(fā)和利用，因順應(yīng)中國的能源與環(huán)保政策，日益受到重視。加上日漸顯現(xiàn)的全球能源危機(jī)，進(jìn)一步加劇了太陽能熱水器行業(yè)的發(fā)展，盡管前景光明，可因?yàn)樘柲軣崴鞯哪茉蠢寐瘦^

15、低及它對建筑的諸多要求，而且安裝麻煩，接受太陽能的板片還得輕拿輕放，切勿撞擊，屬易碎品，加大了其使用的不安全與不保險(xiǎn)性。此外，其使用還受天氣原因的限制，適用范圍狹窄，導(dǎo)致太陽能熱水器行業(yè)的發(fā)展目前還存在很多障礙；燃?xì)鉄崴饔捎谝蕴烊粴鉃槿剂?，而燃料供?yīng)量有困難，且國家對其使用年限有規(guī)定，適合在低氣價(jià)地區(qū)使用，來滿足人們的需求，且不利于環(huán)境；人們在選擇熱水器時(shí)，除了要安全可靠和美觀耐用外，一次性購機(jī)費(fèi)和經(jīng)常性開支（能耗）也是人們考慮的重要環(huán)節(jié)，其中經(jīng)常性開支有時(shí)比一次性購機(jī)費(fèi)更能左右用戶的選擇，因此如何來降低熱水器的能源消耗，使用戶能以最小的代價(jià)獲得更大的收益，這是一個(gè)大多數(shù)用戶十分關(guān)心的問題。

16、隨著人們生活水平的不斷提高、日益增長的需求和電網(wǎng)供電能力的加強(qiáng)，越來越多的家庭選用電熱水器，電熱水器使用安全、衛(wèi)生、又無污染。今后幾年我國電熱水器市場將呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長勢頭，其產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)水平、服務(wù)規(guī)范將不斷提升，價(jià)格也會下降。而且全國電網(wǎng)的改造、電的普及、電價(jià)的大幅度下調(diào)，以及用電設(shè)施的改善，均為電熱水器的迅速普及提供了便利、必要的條件。電熱水器是家庭、公用住宅、小型飯店、賓館酒店理想的配套服務(wù)設(shè)施。相信今后幾年我國電熱水器市場仍將會迅猛發(fā)展。1.3 國內(nèi)外發(fā)展情況家用電熱水器在國外使用相當(dāng)廣泛，尤其是在歐美和東南亞地區(qū)。當(dāng)前，熱水器已經(jīng)成為日常生活中不可缺少的家用電器，設(shè)計(jì)制造更實(shí)用、更方便

17、、更安全、更節(jié)能的熱水器是產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和生產(chǎn)廠家不斷追求的目標(biāo)，它具有體積小，使用安全，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。前些年，家用電熱水器產(chǎn)品在國內(nèi)市場上曾經(jīng)出現(xiàn)過一段時(shí)間，由于當(dāng)時(shí)國內(nèi)電力條件不成熟，對大功率的電產(chǎn)品一般無法正常使用，也沒有好技術(shù)和科技來保證其產(chǎn)品質(zhì)量與使用的安全，種種因素限制了其在國內(nèi)的發(fā)展。近幾年來，隨著人們生活水平的不斷提高，國家電網(wǎng)改造和相關(guān)規(guī)定的出臺，電力工業(yè)迅速發(fā)展，預(yù)示了家用電熱水器產(chǎn)品在國內(nèi)的廣泛前景。根據(jù)國家住宅設(shè)計(jì)規(guī)范現(xiàn)有商品住房的電器線路導(dǎo)線必須采用銅芯線，每套住宅進(jìn)線截面積不小于10平方毫米，分支引線不得小于2.5平方毫米，電表規(guī)格不得小于40安，所以現(xiàn)購新標(biāo)準(zhǔn)住宅用

18、戶，都有條件使用上述這種安全、家用電熱水器，確保產(chǎn)品萬無一失，安全系數(shù)達(dá)100%，通過檢測，快熱式家用電熱水器比傳統(tǒng)的熱水器可節(jié)省40%的能耗，用多少熱水就加熱多少熱水，沒有熱水用不完的浪費(fèi)和使用中途熱水供應(yīng)不足的現(xiàn)象，熱水利用率100%，因?yàn)樗炔恍枰崆邦A(yù)熱，也不需保溫，省去了大量的額外開支，給用戶帶來真正的實(shí)惠。即熱式產(chǎn)品作為新型環(huán)保產(chǎn)品在我國廣泛使用已是大勢所趨，符合現(xiàn)代消費(fèi)潮流。一切跡象都在預(yù)示著快熱式家用電熱水器的春天就要來臨了。1.4 即熱式電熱水器與普通電熱水器的區(qū)別普通電熱水器有如下缺點(diǎn)：1.熱水器長期通電，長期保持在六十度以上高溫，發(fā)熱管易結(jié)垢，內(nèi)膽易漏水，因而較易損壞；2

19、.管道熱水、熱量損耗大；3.等候用水時(shí)間長；4.在熱水流出前都必須浪費(fèi)一定量的熱水，根據(jù)管道的長短，一般家庭中冷水損耗量大，基本可達(dá)10-25升每次。而快熱式電熱水器克服了上述缺點(diǎn)。它有很多優(yōu)點(diǎn)，如：安全，干凈環(huán)保；即開即熱，3-5秒出熱水無需等候，熱水使用時(shí)間不受限制，想用多少就用多少；用多少燒多少，省電省水，沒有損耗；內(nèi)置溫控儀保證溫度在30-50度之間，解決溫度持續(xù)高溫導(dǎo)致的結(jié)垢漏水問題。體積小不占空間，其中封閉式（尺寸為：24cm*9.5cm*25cm，類似25*25的衛(wèi)生間地磚那么小，純白色。）可以隱藏在櫥柜內(nèi)，安裝方便，特別適合新裝修的房子，款式多樣，美觀實(shí)在，也是職工福利和客戶禮

20、品的絕佳選擇。特別方便于洗滌和洗漱，是為現(xiàn)代家具廚房洗滌、衛(wèi)生間洗漱專業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的快速電加熱熱水器，結(jié)合了燃?xì)鉄崴?、太陽能熱水器和傳統(tǒng)儲水式電熱水器的諸多優(yōu)點(diǎn)。1.5 設(shè)計(jì)要求1.用2位數(shù)碼管顯示出水溫度，能顯示設(shè)定功率檔位。2.溫度檢測顯示范圍為0099，精確度為1。3.設(shè)置3個(gè)功率檔位指示燈，14檔1個(gè)燈亮，58檔2個(gè)燈亮，9檔3個(gè)燈亮。0檔無功率輸出，檔位燈不亮。4.設(shè)置3個(gè)輕觸按鈕，分別為電源開關(guān)、“+”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0檔。09檔功率依次為0、1/9p、2/9p、3/9p、4/9p、5/9p、6/9p、7/9p、8/9p

21、和p1。5.出水溫度超過65時(shí)停止加熱，并蜂鳴報(bào)警，溫度降到45以下時(shí)恢復(fù)。6.內(nèi)膽溫超過105時(shí)停止加熱，防止干燒。1.6設(shè)計(jì)內(nèi)容本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括硬件部分和軟件部分的設(shè)計(jì)。硬件部分分為元件選擇和電路的設(shè)計(jì)，元件選擇包括單片機(jī)、電源、鍵盤、顯示器、驅(qū)動及加熱控制元件、溫度檢測傳感器等的選擇；電路包括加熱控制電路、過零檢測電路、溫度檢測電路、led數(shù)碼管及指示燈電路、報(bào)警器驅(qū)動電路。軟件部分的設(shè)計(jì)即系統(tǒng)程序流程的設(shè)計(jì)，包括主程序的設(shè)計(jì)、顯示掃描子程序的設(shè)計(jì)、按鍵掃描處理子程序的設(shè)計(jì)、加熱控制程序流程圖的設(shè)計(jì)、溫度檢測程序的設(shè)計(jì)和頻率測試程序流程圖的設(shè)計(jì)等。其中，軟件編程采用c語言進(jìn)行編寫，因

22、為c語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性和可維護(hù)性上比匯編語言有明顯的優(yōu)勢，keil c51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全windows界面。另外重要的一點(diǎn)就是keil c51生成的目標(biāo)代碼效率非常高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢2。也容易實(shí)現(xiàn)程序的模塊化和結(jié)構(gòu)化。此外關(guān)于快熱式電熱水器控制源程序在keil u vision2 v2.30(c51.exe v7.0)環(huán)境下調(diào)試。2 快熱式電熱水器的硬件設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的組成框圖如圖2.1所示，主要包括電源電路、單片機(jī)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

23、、報(bào)警電路和加熱控制電路。對于快熱式家用電熱水器來說，硬件系統(tǒng)是它的最基本的框架，是系統(tǒng)的所有功能的基礎(chǔ)。硬件的選擇和所選硬件的性能對系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)的精度都有直接的影響，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成功與否很大程度上取決于硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。溫度檢測按鍵輸入電源單片機(jī)led顯示蜂鳴報(bào)警加熱控制圖2.1 電熱水器系統(tǒng)組成框圖2.1 硬件元件的選擇與方案論證2.1.1 單片機(jī)的選擇方案一： 我們知道8031芯片內(nèi)部無rom，需要外擴(kuò)程序存儲器，由此造成電路焊接的困難，況且使用8031還要另外購買其他的芯片，如a/d轉(zhuǎn)換及定時(shí)/計(jì)數(shù)器（pwm）等芯片，從而造成成本較高，不適用。方案二：單片機(jī)51機(jī)的特點(diǎn)：字長為8

24、位。幾乎絕大多數(shù)的單片機(jī)外圍芯片都直接或間接的支持8位字長，這樣可供它選擇的余地相當(dāng)大，這使得51單片機(jī)的應(yīng)用達(dá)到了無孔不入的地步。程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開。程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量都是64kb。這樣做的好處是可以盡可能使用大的存儲器，無論是程序還是數(shù)據(jù)都是這樣，在存儲器價(jià)格日益低廉的今天，幾乎可以用微不足道的價(jià)格換取相當(dāng)可觀的性能。功能日益強(qiáng)大。現(xiàn)在程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、掉電不丟失數(shù)據(jù)存儲器、看門狗、a/d轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動電路等都集中到一個(gè)芯片上。沒有別的特殊要求，一個(gè)片子就能組成幾乎十分完整的單片機(jī)系統(tǒng)。軟件上單片機(jī)的編制語言十分豐富。包括匯編語言、c語言、plm，某些單片機(jī)甚至固化

25、有解釋型的basic語言，適應(yīng)幾乎所有人員的需要3。因?yàn)?9c51芯片內(nèi)部有rom，且芯片rom全部采用flash rom,它能于3v的超低壓工作，與mcs-51系列單片機(jī)完全兼容，由于89c51單片機(jī)成本低廉且工作可靠，采用12mhz的晶振。此外，89c51還可以工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)cpu，而ram定時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存ram數(shù)據(jù)，時(shí)鐘震蕩停止，同時(shí)停止芯片內(nèi)其他功能。所以我們選擇了89c51作為系統(tǒng)微處理器。2.1.2 電源的選擇方案一：采用干電池，使用方便，安全可靠，但價(jià)格昂貴，且使用時(shí)間較短，所以不采用。方案

26、二：由于89c51對電源要求不甚嚴(yán)格，+5v電源來源方便，且經(jīng)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓比較可靠，較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，所以采用此方案。2.1.3 鍵盤的選擇方案一：鍵盤選用行列式鍵盤，行列式鍵盤的接口方法，直接接口于單片機(jī)的i/o口上。鍵盤設(shè)置在行、列線的焦點(diǎn)上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。行線通過上拉電阻接+5v，被拉在高電平狀態(tài)。但線路較復(fù)雜，價(jià)格較昂貴，不適用。方案二：獨(dú)立式鍵盤是由若干個(gè)機(jī)械觸點(diǎn)開關(guān)構(gòu)成的，把它與單片機(jī)的i/o口線連起來，通過讀i/o口的電平狀態(tài)，如果按鍵不被按下，其端口就為一種電平，如果按鍵被按下，則端口就為另一種電平，即可識別出相應(yīng)的按鍵是否被按下。獨(dú)立式鍵盤有上拉電平和下拉電平兩種

27、接法，通常采用下拉電平接法，即各按鍵開關(guān)一端接低電平，另一端接單片機(jī)i/o口線，這是為了保證在按鍵斷開時(shí)各i/o口線有確定的高電平4。本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立式按鍵，其是常用于需要少量幾個(gè)按鍵的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占用一根輸入端口線，各鍵的工作狀態(tài)不會相互影響。采用輕觸式獨(dú)立小按鈕，既實(shí)用又方便，因?yàn)楸倦娐穼︽I盤的要求不高，所以采用這種方案。2.1.4 顯示器的選擇led數(shù)碼管顯示器可分為兩種顯示方式：靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。方案一：led數(shù)碼管靜態(tài)顯示，多片七段譯碼器驅(qū)動顯示，這不僅增加了成本，還需要占用單片機(jī)多個(gè)i/o口，也給電路的焊接帶來了一定的困難，因此不選用這種方案作為顯示模塊。方案

28、二：動態(tài)數(shù)碼管顯示一般用在需要多只數(shù)碼管顯示的場合，它采用分時(shí)的方法，讓每只數(shù)碼管輪流顯示。采用動態(tài)顯示可以大幅的降低硬件成本和電源的功耗。因?yàn)榉謺r(shí)顯示，某一時(shí)刻只有一只數(shù)碼管在工作，顯示驅(qū)動電路也可以分時(shí)復(fù)用。通常各位數(shù)碼管的段選線相應(yīng)并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位的i/o口控制；各位的位選線由另外的i/o口線控制。動態(tài)方式顯示時(shí)各數(shù)碼管輪流分時(shí)選通，要使其穩(wěn)定顯示必須采用動態(tài)掃描方式，即在每一時(shí)刻只選通一位數(shù)碼管，并送出相應(yīng)的段碼，在另一時(shí)刻選通另外一位數(shù)碼管，并送出相應(yīng)的段碼。雖然這些字符是在不同的時(shí)刻分別顯示，但由于人眼存在視覺暫留效應(yīng)，只要每位顯示間隔足夠短就可以給人以數(shù)碼管同時(shí)顯示的感覺5

29、。在動態(tài)顯示方式下電路設(shè)計(jì)簡單，所以采用。2.1.5 驅(qū)動及加熱控制元件的選擇方案一： 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，所以不用。方案二：通過一個(gè)繼電器驅(qū)動，采用可控硅控制功率，能經(jīng)受較高的功率，所以可以設(shè)置較多的檔位，成本大大降低可靠性較高，而且電路簡單，又控制方便，所以本方案采用。2.1.6 溫度檢測傳感器的選擇溫度檢測的方法很多，有熱電偶，熱敏電阻，還有專門的集成測溫傳感器等。方案一：熱電偶傳感器是將溫度變化轉(zhuǎn)為電量變化

30、的裝置，它利用敏感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化而變化的特性來達(dá)到測量目的。通常把被測溫度的變化轉(zhuǎn)化為敏感元件的電阻變化、電勢的變化，再經(jīng)過相應(yīng)的測量電路輸出電壓或電流，然后由這些參數(shù)的變化來檢測對象的溫度變化。熱敏電阻具有靈敏度高、體積小、較穩(wěn)定、制作簡單、壽命長、易于維護(hù)、動態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)。但有變化率非線性，不適合測量高溫區(qū)等缺點(diǎn)。方案二：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、a/d轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)。目前比較先進(jìn)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(jī)。這種方法顯然比較先進(jìn)，但電路比較復(fù)雜，成本

31、也比較高2。方案三：為了簡化電路，降低成本，本文采用了溫度/頻率轉(zhuǎn)化測溫法，直接將溫度信息轉(zhuǎn)換成頻率信號，用單片機(jī)測出頻率的大小，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。所以采用此方案。2.1.7 供電線路的選擇快熱式電熱水器為了達(dá)到“快熱”的效果，取消了儲水罐，使冷水在進(jìn)入加熱管后立即被加熱，這就要求加熱管有較大的加熱功率。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(xué)及流體力學(xué)原理，結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)室測試，可以得到水溫與流量、加熱功率之間的關(guān)系如表2.1所列。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(dāng)最大的加熱功率為7.5kw時(shí)，按220v供電計(jì)

32、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)系水流量/(l/m)功率/kw 溫度/2253354454742363432555448413836656254464238757060514641注：進(jìn)水溫度為15，輸入電壓為ac220v。2.1.8 傳感器輸出的放大電路的選擇方案一：運(yùn)算放大器lm324帶有真差動輸入的四運(yùn)算放大器。該四運(yùn)算放大器可以工作在低到3v或者高于32v的電源下，靜態(tài)電流為mc1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。它的性能特點(diǎn)是保護(hù)輸出、真差動輸入級、底偏置電流為最大100m

33、a、每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器、具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ?、共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列、輸入端具有靜電保護(hù)功能。但用在本電路中接線較復(fù)雜，且價(jià)格昂貴，所以不用。方案二：采用74ls04作為輸出放大電路的選擇，它還可以作為驅(qū)動電路使用,74ls04是ttl電平反相器，使用較經(jīng)濟(jì)且性能也很理想，所以在本方案中采用。2.2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)快熱式熱水器控制系統(tǒng)電路如附錄圖b所示。它由加熱控制電路、過零檢測電路、溫度檢測電路、數(shù)碼管顯示電路、報(bào)警器驅(qū)動電路等電路組成。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(jī)，采用12mhz的晶振。89c51對電源要求不甚嚴(yán)格，電源電路采用普通的

34、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，由兩個(gè)三極管9012驅(qū)動。3個(gè)led指示燈用于指示加熱功率。報(bào)警電路采用5v的自鳴式蜂鳴報(bào)警器。2.2.1加熱控制電路的設(shè)計(jì) 圖2.2所示為加熱控制電路原理圖，電熱絲的加熱功率由雙向可控硅控制，單片機(jī)通過光耦給可控硅觸發(fā)信號，控制可控硅的導(dǎo)通角從而控制電熱絲的有效加熱功率。而加熱電阻通過發(fā)光二極管來顯示加熱與否，當(dāng)加熱時(shí)二極管發(fā)光，而不加熱時(shí)二極管不發(fā)光，為了在關(guān)機(jī)和超溫保護(hù)的狀態(tài)下能可靠的關(guān)斷加熱電源，電路中加入了繼電器來控制加熱電源。其中串聯(lián)在繼電器線圈電路的熔絲為105的熱保險(xiǎn)絲

35、，當(dāng)溫度超過105時(shí)，熱保險(xiǎn)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)。圖2.2 加熱控制電路圖2.2.2 過壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)此電路通過變壓器將220v交流電變?yōu)?v的交流電，然后經(jīng)過橋式整流將其變?yōu)橹绷麟姡ㄟ^r2和r3進(jìn)行分壓，從而實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。電路如圖2.3所示。圖2.3 過壓保護(hù)電路圖2.2.3 溫度檢測電路的設(shè)計(jì)溫度檢測電路如圖2.4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(gè)熱敏電阻，當(dāng)溫度變化時(shí)引起熱敏電阻的阻值變化，因而電流發(fā)生變化，從而改變了振蕩器輸出的方波頻率。所以通過頻率值可以間接求得溫度值。該頻率的估算可

36、用如下公式： f1.1rc （2.1）它的電路圖如圖2.4所示。圖2.4 溫度檢測電路圖2.2.4 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì)數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì)是采用雙向共陽極串行接口電路，用來顯示加熱檔位，直觀性更強(qiáng),亦可大大減少電源的功耗。它的電路圖如圖2.5所示。圖2.5 數(shù)碼管顯示電路圖2.2.5 報(bào)警器驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)電路圖如圖2.6所示。圖2.6 報(bào)警器驅(qū)動電路圖3 快熱式電熱水器的軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)部分即為系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)。按快熱式熱水器的功能，系統(tǒng)程序必須實(shí)現(xiàn)顯示掃描、按鍵掃描處理、加熱控制和溫度檢測（包括超溫報(bào)警）4項(xiàng)任務(wù)。51系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)運(yùn)行的方法就是分時(shí)復(fù)用，在程序設(shè)計(jì)時(shí)要相應(yīng)地分

37、配好各任務(wù)的cpu占用時(shí)間。對于以上幾個(gè)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(shí)時(shí)要求，而溫度檢測任務(wù)則可用定時(shí)(0.51s)實(shí)現(xiàn)。3.1 主程序的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)在上電復(fù)位后，先對溫度寄存器、檔位寄存器賦默認(rèn)值，并進(jìn)行清除超溫標(biāo)志，設(shè)置定時(shí)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(jī)沒有停機(jī)指令，所以可以利用主程序設(shè)置死循環(huán)反復(fù)運(yùn)行各個(gè)任務(wù)。把有實(shí)時(shí)要求的子程序（顯示掃描、按鍵掃描、加熱控制）放在最內(nèi)層的循環(huán)中，計(jì)算其運(yùn)行一次占用的cpu時(shí)間，然后根據(jù)溫度檢測定時(shí)的間隔時(shí)間，計(jì)算出該循環(huán)的循環(huán)次數(shù)。本例中每運(yùn)行一次有實(shí)時(shí)要求的子程序（即顯示掃描、按鍵掃描、加熱控

38、制）約占用5 ms cpu時(shí)間，運(yùn)行測溫子程序的時(shí)間間隔為0.5s，那么循環(huán)次數(shù)應(yīng)為100次。圖3.1所示為主程序流程圖。3.2 顯示掃描子程序的設(shè)計(jì)顯示掃描子程序完成兩位共陽數(shù)碼管的掃描顯示任務(wù)。圖3.2所示為顯示掃描子程序流程圖。3.3按鍵掃描處理子程序的設(shè)計(jì)按鍵掃描處理子程序負(fù)責(zé)逐個(gè)掃描檔位“+”鍵、“-”鍵和開關(guān)鍵是否被按下，若有鍵按下，則作出相應(yīng)處理。具體根據(jù)用戶設(shè)定的加熱檔位和系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，決定是否加熱和控制加熱的功率并點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈。若有超溫標(biāo)志，還應(yīng)打開蜂鳴器報(bào)警。這將在加熱控制中介紹其處理過程。本設(shè)計(jì)所采用的按鍵開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈

39、性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合時(shí)不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時(shí)也不會一下子斷開。因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，為了不產(chǎn)生這種現(xiàn)象，保證系統(tǒng)的可靠性，所以采取了按鍵消抖的措施6。圖3.3所示為按鍵掃描處理子程序流程圖。開 始i=1按鍵掃描若有鍵按下i=6顯示掃描加熱控制完成100次循環(huán)溫度檢測-i=0？刷新顯示溫度開 始賦位選初值清除位選送顯示段碼選通并延時(shí)2ms改變位選字消 隱完成2位掃描結(jié) 束系統(tǒng)初始化nynyny 圖3.1 主程序流程圖 圖3.2 顯示掃描子程序流程圖開 始“+”鍵按下？“-”鍵按下？開關(guān)鍵按下？發(fā)按鍵音、消抖加熱檔位加1返回值1返回值2加熱檔位減1發(fā)按鍵音、消抖返

40、回值0開機(jī)，恢復(fù)工作等待開關(guān)鍵再次按下關(guān)機(jī)，停止輸出發(fā)按鍵音、消抖結(jié) 束ynynny 圖3.3 按鍵掃描子程序流程圖開 始有超溫標(biāo)志？斷開繼電器關(guān)閉可控硅蜂鳴報(bào)警接通繼電器關(guān)閉蜂鳴器加熱檔位外中斷控制加熱1#、2#指示燈亮外中斷控制加熱1#指示燈亮不加熱指示燈不亮全功率加熱指示燈全亮結(jié) 束yn 圖3.4 加熱控制程序流程圖3.4 加熱和控制程序流程圖的設(shè)計(jì)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(dǎo)通角決定。系統(tǒng)程序利用外中斷int1檢測市電的過零點(diǎn)，檢測到過零點(diǎn)后，立即根據(jù)設(shè)定的加熱檔位給定時(shí)器t1賦一個(gè)延時(shí)參數(shù)，并打開定時(shí)器t1，允許其中斷

41、。當(dāng)定時(shí)器t1計(jì)數(shù)溢出后觸發(fā)中斷，t1中斷程序就會給可控硅發(fā)一個(gè)觸發(fā)信號，使其導(dǎo)通。圖3.4所示為加熱控制程序流程圖。圖3.5和圖3.6所示分別為過零檢測程序圖和可控硅觸發(fā)信號控制程序流程圖。根據(jù)設(shè)定檔位給定時(shí)器t1賦延時(shí)參數(shù)允許定時(shí)器t1中斷打開定時(shí)器t1結(jié) 束開始（t1中斷）結(jié)束可控硅導(dǎo)通信號輸出可控硅導(dǎo)通信號延時(shí)，保證導(dǎo)通信號有足夠的寬度關(guān)閉定時(shí)器t1中斷終止定時(shí)器運(yùn)行結(jié) 束開始（過零信號）圖3.5 過零檢測程序流程圖 圖3.6 可控硅觸發(fā)信號控制程序流程圖3.5 溫度檢測程序的設(shè)計(jì)溫度檢測程序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(jìn)行比較，查找出與該頻率

42、相應(yīng)的溫度值。在實(shí)驗(yàn)測試后建立的溫度/頻率表是0100溫度所對應(yīng)的頻率值。它是一個(gè)頻率對應(yīng)于溫度遞減的非線性函數(shù)，在c語言中用一個(gè)一維數(shù)組tab101來表示，下標(biāo)為溫度，數(shù)組元素為頻率值。計(jì)算溫度采用高效、準(zhǔn)確的二分查找法。查表的過程如下：1.先給定查找的溫度最大值tmax和最小值tmin，即確定查找的范圍，根據(jù)已有的溫度表默認(rèn)最大值tmax=100，最小值tmin=0。2.假定測得溫度temp為最大值與最小值的中間值，即temp=(tmax+tmin)/2。3.將實(shí)際測的頻率值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(dāng)前實(shí)際溫度，即完成查

43、找。4.若t0rig tabtemp，說明實(shí)際溫度應(yīng)該在tmin與temp之間（因?yàn)檫f減函數(shù)特性），則修改查找范圍，令tmax=temp；同理，若 t0rigtabtemp，說明實(shí)際溫度應(yīng)該在temp與tmax之間，則令tmin=temp;5.檢查查找范圍，若tmax-tmin1,則重復(fù)第2，3，4，5步驟，直到查找完成。 溫度檢測程序完成溫度計(jì)算后，便刷新系統(tǒng)當(dāng)前溫度寄存器，并判斷有無超溫、置位或消除相應(yīng)的標(biāo)志位7。圖3.7所示為溫度檢測程序流程圖。3.6頻率測試程序的設(shè)計(jì)單片機(jī)使用外中斷int0和計(jì)數(shù)器t0檢測輸入頻率的大小。為了減少測量的系統(tǒng)誤差相對值和隨機(jī)誤差對測量精度的影響，程序中取

44、100個(gè)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(jìn)行外中斷的計(jì)數(shù)，在測量開始時(shí)，給px0count賦值2是為了讓頻率測量有準(zhǔn)確的起點(diǎn)。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(biāo)志位t0tst和測頻完成標(biāo)志位testok。圖3.8所示為頻率測試程序流程圖。開 始打開測頻外中斷等待測試完成tmin=0，tmax=100temp=(tmin+tmax)/2t0rig=tabtemp?t0rigtabtemp?tmax=temptmin=temptmax-tmin65?temp45?刷新當(dāng)前寄存器清除超溫標(biāo)志置位超溫標(biāo)志結(jié) 束nyynnyynynny圖3.7 溫度檢測程序流

45、程圖開始（x0中斷）-px0count=0？是起點(diǎn)？清除測頻起點(diǎn)標(biāo)志px0count=100計(jì)時(shí)器t0清0啟動計(jì)時(shí)器t0停止計(jì)時(shí)器t0停止測頻外中斷置位測頻完成標(biāo)志結(jié) 束yynn圖3.8 頻率測試程序流程圖結(jié)論本次設(shè)計(jì)的快熱式家用電熱水器采用51系列單片機(jī)對電路進(jìn)行簡單的控制，系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較高。本方案著重體現(xiàn)在速度之快上，它采用雙向晶閘管（即可控硅）對加熱電路進(jìn)行控制，這樣系統(tǒng)的可靠性就大大增強(qiáng)，因?yàn)榫чl管能夠根據(jù)門極電壓可靠的接通和斷開，而且采用發(fā)光二極管來及時(shí)的檢測電路的加熱情況。而設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)勢還在于它采用了溫度/頻率檢測電路，通過電路頻率的變化及時(shí)的反映當(dāng)時(shí)的溫度變化，這樣就避免了

46、因?yàn)闊崦綦娮璧淖兓荒芗皶r(shí)的傳給單片機(jī)而帶來的滯后問題。頻率的變化受到外界的干擾要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電阻變化所帶來的干擾，而且完全不涉及非線性造成的溫度過高時(shí)造成的錯(cuò)誤，因此準(zhǔn)確性，可靠性都得到了大大提高。在設(shè)計(jì)中還采用了兩位共陽數(shù)碼管來反應(yīng)功率檔位，通過它們的亮滅數(shù)量輸出加熱功率，及時(shí)的提醒使用者當(dāng)時(shí)的水溫變化情況，更加清晰，也能減少功耗。而在設(shè)計(jì)中還采用了輕觸式按鈕來調(diào)節(jié)功率的檔位，其中按“+”按鈕時(shí)逐漸增加功率檔位，而按“-”按鈕時(shí)逐漸減小功率檔位，還有一個(gè)是控制電源開關(guān)的通斷，即總開關(guān)。設(shè)計(jì)中還采用報(bào)警器來及時(shí)的反應(yīng)溫度是否超標(biāo)，提示操作者是否繼續(xù)加熱熱水器。盡管這次設(shè)計(jì)中我還不能做到盡善盡美，

47、一些內(nèi)容還是有待于進(jìn)一步的研究，因?yàn)楫吘刮覀兊闹R有限，而且以前還沒有接觸過單片機(jī)的具體設(shè)計(jì)與深入研究，但為了這次論文設(shè)計(jì)，我還是看了不少資料，特別是很多有關(guān)單片機(jī)設(shè)計(jì)的書籍，再加上我們學(xué)習(xí)了一些理論知識，開拓了我的視野，使我親身了解到了單片機(jī)的用處是如此的廣泛。在設(shè)計(jì)中我遇到了很多困難，讓我對一些生疏的知識有了溫習(xí)與鞏固，對其有了更加深刻的了解，比如二分查找算法。在本次課程設(shè)計(jì)中，我真正了解到實(shí)踐與理論相結(jié)合的重要性，以前總是在頭腦中產(chǎn)生一些想法，卻從來沒有機(jī)會去認(rèn)真的研究它，以至于不知道結(jié)果是成功還是失敗，但通過這一次畢業(yè)設(shè)計(jì)終于可以使我通過自己的努力與導(dǎo)師及同學(xué)的幫助親自完成了一個(gè)設(shè)計(jì)，

48、雖然成果難免有不足之處，但終究是親自動手去做的，收益是可想而知的。 致謝時(shí)光荏苒，四年的大學(xué)時(shí)光即將結(jié)束，在這里，我首先要感謝我的導(dǎo)師赫健老師，本文在大綱的確定，初稿的完成以及最終定稿，都有賴于赫健老師的悉心指導(dǎo)。在設(shè)計(jì)過程中，赫健老師一直給我很大的幫助，幫我分析遇到的困難，支持、鼓勵(lì)我解決問題的信心，使我的設(shè)計(jì)得以順利完成。此外，我還要感謝電信學(xué)院的各位老師，感謝他們傳授我知識以及對我的關(guān)懷與鼓勵(lì)。最后感謝對我有幫助的同學(xué)，謝謝他們給我的照顧與關(guān)心。我深深的知道，幾句簡單的話語根本無法表達(dá)對你們的感激之情，只有在心里默默的祝福我的老師、同學(xué)們，祝你們一生幸福安康！參考文獻(xiàn)1郇玉龍,趙寧,盧洪

49、武.用at89c51單片機(jī)設(shè)計(jì)智能家用電熱水器eb/ol.http:/www.do /p-17343095.html.2湯競南,沈國琴.51單片機(jī)語言開發(fā)與實(shí)例m.北京:人民郵電出版社,2008,20-38,138-14 3.3韓成.拿來就用單片機(jī)m.北京:人民郵電出版社,2008,1-5.4馬長林,陳怡,程利民.單片機(jī)實(shí)踐應(yīng)用與技術(shù)m.北京:清華大學(xué)出版社,2008,209.5田立,田清,代方震.51單片機(jī)c語言程序設(shè)計(jì)快速入門m.北京:人民郵電出版社,2007, 153-165.6張友德,趙志英，涂時(shí)亮.單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)m.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2006，294.7

50、耿國華.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):c語言描述m.北京:高等教育出版社,2005,250-253.附錄a 控制源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 u vision2 v2.30（c51.exe v7.0）環(huán)境下調(diào)試通過，并下載到at89c51測試運(yùn)行成功。/*-快熱式熱水器程序mcu at89c51 xal 12 -*/#include#include#includevoid delay(unsigned int); /延時(shí)函數(shù)void display(void); /顯示函數(shù)unsigned char keyscan(void); /按鍵掃描處理函數(shù)void heatctrl(void); /加熱控制函