基于單片機控制的快熱式電熱水器設(shè)計(2稿)

1、銅陵學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計）課 題 基于單片機控制的快熱式電熱水器設(shè)計 學(xué)生姓名 院 部 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級 指導(dǎo)教師 吳慧 二 一 五 年 五 月基于單片機控制的快熱式電熱水器設(shè)計摘 要隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展進步，人們的生活水平也在不斷的提高，方便、快捷、環(huán)保的家用電器不斷的深入人們的生活，家用電熱水器也滿足不了這飛速發(fā)展的時代了，快熱式電熱水器的使用逐漸普及開來了。單片機是本設(shè)計的核心控制器，輔以鍵盤、顯示器等智能一體化。本設(shè)計使用的是AT89C51單片機來控制電路。本設(shè)計主要分為兩個部分，硬件電路設(shè)計和軟件仿真。硬件電路設(shè)計主要包括加熱控制電路，報警電路，LED顯

2、示，溫度監(jiān)控等，本設(shè)計使用雙向可控硅，用單片機通過光耦給可控硅觸發(fā)信號，可控硅的導(dǎo)通角就會隨之變化,從而控制電熱絲的有效加熱功率，并且串聯(lián)105的熔絲來防止溫度過高時加熱管干燒；軟件包括主程序的設(shè)計，溫度檢測程序設(shè)計，頻率測溫程序設(shè)計，顯示掃描程序的設(shè)計等，程序主要由C語言編寫，并給出了仿真圖設(shè)計。這種快熱式電熱水器，即開即熱，使用安全方便，省時省電，適應(yīng)于當(dāng)前快節(jié)奏的生活，有著十分可觀的發(fā)展前景。關(guān)鍵字：單片機；雙向可控硅；電熱水器；溫度ABSTRACTWith the continuous progress of science and technology, people's l

3、iving level also in continuous improvement, convenient, fast, environmentally friendly home appliances into people's lives, home electric water heater also meet era of the rapid development of the, fast heating type electric water heater use grew in popularity to open the.SCM is the core of the

4、design controller, with keyboard, monitor and other intelligent integration. This design uses AT89C51 microcontroller to control the circuit. This design is mainly divided into two parts, hardware and software. Hardware mainly includes heating control circuit and alarm circuit, LED display, temperat

5、ure monitoring, using a bidirectional thyristor, MCU through the coupler to SCR trigger signal, control thyristor conduction angle, and control the effective electric wire heating power, and series 105 DEG C molten wire to prevent high temperature heating tube dry burning. The software includes the

6、main program design, temperature detection program design, frequency temperature program design, showing scanning program design, program mainly by the C language compilation, and gives some program flow diagram design.This fast thermal electric water heater, that is, the heat, the use of safe and c

7、onvenient, save time and power, adapted to the current fast-paced life, has a very considerable development prospects.Keywords: single chip microcomputer, bidirectional SCR, electric water heater, temperature目錄第1章 緒論41.1 選題目的及意義41.2 國內(nèi)外發(fā)展情況及市場分析41.3 設(shè)計內(nèi)容要求4第2章 總體電路設(shè)計62.1 設(shè)計總理念62.2 元件選擇62.3 電路設(shè)計8第3章

8、程序設(shè)計.123.1主程序設(shè)計.123.2 子程序設(shè)計.13第4章 軟件仿真調(diào)試144.1 Proteus仿真調(diào)試124.2 仿真結(jié)果13結(jié)論.18參考文獻.19附錄120附錄229致謝.第1章 緒論1.1選題目的及意義自1979年第一臺熱水器進入我國，三十多年來，熱水器的發(fā)展一直在不斷改進創(chuàng)新，安全、方便一直是所有熱水器廠商不斷追求的目標(biāo)。當(dāng)前而言，熱水器的使用已經(jīng)在社會普及開來了，按照原理的不同市場上的熱水器主要分為三種：太陽能熱水器，燃?xì)鉄崴?，電熱水器。太陽能熱水器使用的是太陽能，太陽能是一種綠色環(huán)保的可再生能源，太陽能的使用上合國家政策，下應(yīng)民眾需求，國家大力支持太陽能的開發(fā)使用，加

9、上能源危機的影響，太陽能電熱水器的發(fā)展十分迅速。然而世界上沒有哪一種能源是十全十美的，太陽能電熱水器的使用受空間、天氣的影響特別大，安裝也非常麻煩，如果不能充分的接收到陽光，將無法使用，可見太陽能電熱水器的發(fā)展還存在諸多的障礙。燃?xì)鉄崴魇鞘褂萌細(xì)鉃槿剂希ㄟ^燃燒加熱的方式達到熱水的目的，天然氣是一種不可再生的資源，供應(yīng)量是一個問題，它的使用對環(huán)境也有一定的破壞，而且燃?xì)鉄崴鞯氖褂么嬖谝欢ǖ陌踩[患，煤氣中毒的事件我們也是屢見不鮮。電熱水器又分為儲水式和即熱式，儲水式有一個帶有內(nèi)膽的水箱，通過電加熱管進行加熱；快熱式的沒有水箱，需要20安培甚至30安培以上的電流，即開即熱，使用方便省時省水，

10、安裝空間小。隨著生活品質(zhì)的提高，越來越多的家庭選擇安全、衛(wèi)生、無污染的電熱水器，事實也證明了，近年來電熱水器市場的發(fā)展也是突飛猛進 ，而快熱式電熱水器更能適應(yīng)著快節(jié)奏的生活方式，這一切都展現(xiàn)著快熱式電熱水器的遠大前景。1.2 國內(nèi)外發(fā)展情況及市場分析一款再好的產(chǎn)品，不能被大眾接受，沒有市場，那也是失敗的產(chǎn)品，快熱式電熱水器近年來新興的一種產(chǎn)品，它在國內(nèi)外的發(fā)展情況如何呢？它的市場如何呢？快熱式電熱水器在國外特別是歐美發(fā)達國家是十分普及了，相比于其他的電熱水器，它更加的快捷方便，已經(jīng)成為人們生活中不可分割的一部分。然而在國內(nèi)，由于各種國情，快熱式電熱水器的普及遭遇了一定的阻礙，例如，國家電力條件

11、的不允許，電價的原因等等。然而，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，全國電網(wǎng)的改造，電價的下調(diào)等，快熱式電熱水器已經(jīng)逐步走進尋常百姓的家中了，這一切都表明，快熱式電熱水器的時代就要來了。2009年是快熱式電熱水器發(fā)展最迅速的一年，各種品牌的電熱水器入雨后春筍般的出現(xiàn)在市場上， 2010年可以說是豐收的一年了。電熱水器市場的零售量由2007年的792萬臺增長至2009年的889萬臺，零售額由93.7增長至111.8億元，2010年上半年零售量、額分別同比增長13.7%和17.3%。而快熱式電熱水器的在在其中的比例也也來越大。 1.3 設(shè)計內(nèi)容要求 針對快熱式電熱水器的使用需求，對它的的設(shè)計有一些要求，以滿足各人

12、群的需求。1、 溫度檢測范圍0120，精確度在±1。2、 用A/D轉(zhuǎn)換將溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號。3、用LED顯示管，最直接的顯示出溫度值，方便知曉。4、出水的溫度一旦達到了80時立馬報警，并且加熱停止。第二章 總體電路設(shè)計2.1設(shè)計總理念硬件系統(tǒng)的設(shè)計是本設(shè)計的基礎(chǔ)框架，根據(jù)前面的設(shè)計要求，對本設(shè)計的總理念進行圖像化：單片機LED顯示A/D轉(zhuǎn)換溫度傳感器報警器圖2-1 電路框圖據(jù)圖2-1可見，快熱式電熱水器主要需要設(shè)計電源電路、LED數(shù)碼管及指示燈電路、報警電路和加熱控制電路、單片機控制器、溫度檢測電路、按鍵輸入電路，整個工作程序由這些電路組成，一起控制的，缺一不可。2.2元件選擇對于本

13、設(shè)計的元件主要有以下元件：2.2.1 單片機選擇：單片機是本設(shè)計的核心控制器，單片機的選擇至關(guān)重要，幾經(jīng)思慮，決定使用89C51芯片。如圖2-2所示：圖2-2 AT89C51邏輯引腳圖89C51單片機成本低廉，工作可靠，適用于大規(guī)模生產(chǎn)使用，而且89C51能于3V的超低壓工作，它的內(nèi)部有全部采用FLASH ROM的ROM，相比于其他的單片機，更能滿足于我們的設(shè)計需求，所以我們選擇89C51作為我們的微處理器。2.2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇本設(shè)計采用的是ADC0831轉(zhuǎn)化器，這是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種 8 位分辨率、雙通道帶有串行接口的A/D轉(zhuǎn)換芯片。它體積小，性價比高，兼容性強，而且設(shè)計起來

14、簡單方便，符合本設(shè)計的要求。2.2.3 驅(qū)動及加熱控制元件的選擇對于電熱水器，家人使我們最主要的目的，加熱功率的控制方法有很多，最簡單直接的莫過于幾種不同功率的電熱絲組合，達到控制功率的目的，但是這種方法可靠性低，而且成本本很高。所以我們采用可控硅控制功率，由一個繼電器來驅(qū)動，這樣能經(jīng)受較高的功率，而且可靠性高，成本低，完美的契合本設(shè)計的需求！2.2.4 溫度檢測傳感器的選擇溫度檢測的方法有很多，比如采用熱敏電阻或熱敏傳感器組成電橋采集信號，然后經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換后傳至單片機，這種方法電路復(fù)雜，成本較高。再比如使用熱電偶傳感器將溫度變化轉(zhuǎn)化為電量變化來檢測，但有變化率非線性，不適宜測量高溫區(qū)

15、。所以本設(shè)計采用了溫度/頻率轉(zhuǎn)化測溫法，將溫度信息轉(zhuǎn)換成頻率信號，用單片機測出頻率的大小，這樣就能間接的得出溫度變化信息了，而且電路設(shè)計相對來說要簡單很多，成本也低。2.2.5 傳感器輸出的放大電路選擇：放大電路中運算放大器的選擇主要有兩種：LM324和74LS04。而經(jīng)過比較以后發(fā)現(xiàn)，運算放大器LM324能夠在3V以下或者32V以上的電源下工作，靜態(tài)電流只是后者靜態(tài)電流的五分之一。從某種程度上來說，是非常好的一種放大器選擇，功能十分的強大。但是這種放大器要是用在本電路中接線較復(fù)雜，成本很高，完全沒有必要。相比較之下，本設(shè)計還是決定使用74LS04作為輸出放大電路的選擇，它還可以作為驅(qū)動電路使

16、用,74LS04是TTL電平反相器，使用較經(jīng)濟且性能也很理想。2.2.6電源選擇：由于89C51對電源沒什么要求，只要+5V電壓即可，所以我們采用將市電整流成+5V電壓，來源方便，經(jīng)過穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，也較為可靠。2.3電路設(shè)計2.3.1系統(tǒng)總設(shè)計原理見附錄2圖2-3-1控制器采用89C51單片機，采用12MHz的晶振。89C51的電源來源十分方便，只需要將普通市電整流，然后經(jīng)集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓輸出+5V電壓，這樣就可以作為電源使用。顯示器使用動態(tài)顯示方式，選用的是四位一體共陽極數(shù)碼管。報警電路采用5V的自鳴式蜂鳴報警器。整個電路的設(shè)計基礎(chǔ)就是這么多了。2.3.2 溫度檢測電路設(shè)計圖2-3-2 溫度檢測

17、電路設(shè)計圖圖2-3-2為溫度檢測電路的目標(biāo)就是將測量的0到120度的溫度放大為0到5V的電壓。2.3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計圖2-3-3 A/D轉(zhuǎn)換電路圖如圖2-3-3所示，A/D轉(zhuǎn)換電路中選用了ADC0831串行AD轉(zhuǎn)換芯片作為做系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計簡單，誤差小，符合本設(shè)計要求。2.3.4 顯示設(shè)計圖2-3-4 顯示電路設(shè)計圖2.3.5 報警電路設(shè)計圖2-3-5報警電路設(shè)計圖圖2-3-5所示電路，當(dāng)溫度高于80度時紅燈亮，當(dāng)溫度低于80度時，綠燈亮。2.3.6 復(fù)位電路設(shè)計圖2-3-6 復(fù)位電路設(shè)計圖第3章 程序設(shè)計3.1主程序設(shè)計由于89C51單片機沒有停機命令，無法自己停止運行，所以

18、本設(shè)計使它陷入死循環(huán)，不停的運行任務(wù)，然后把所有子程序（顯示掃描、按鍵掃描、加熱控制等）加入到循環(huán)中去，最后我們計算循環(huán)一次所需要的時間，再根據(jù)溫度檢測定時的間隔時間，來推算出該循環(huán)的循環(huán)次數(shù)，這樣就可以間接的得到結(jié)果了。開始 系統(tǒng)初始化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)N溫度檢測Y_ -i=1NY刷新顯示溫度 圖3-1 主程序流程圖3.2子程序設(shè)計3.2.1按鍵掃描子程序設(shè)計圖3-2按鍵掃描子程序設(shè)計流程圖按鍵掃描處理子程序是主要負(fù)責(zé)監(jiān)控開關(guān)和檔位鍵有沒有被按下，根據(jù)具體情況，來執(zhí)行具體的操作處理。同時它會比較當(dāng)前的狀態(tài)和設(shè)定的狀態(tài)是否一致，來提示用戶是否經(jīng)行

19、加熱或者不加熱的操作。一旦出現(xiàn)超溫的情況，超溫的指示燈就會亮起，提醒用戶，當(dāng)前水溫已經(jīng)超溫了。這是一個非常人性化，非常方便的設(shè)計，能夠幫助用戶實時的掌控水溫，并且具備一定的保護功能，實現(xiàn)起來也不難，是一個簡單方便而又實用的好設(shè)計。3.2.2顯示掃描子程序設(shè)計完成2位掃描消隱改變位選字選通并延時2ms送顯示段位清除位選賦位選初值結(jié)束開始 NY圖3-3 顯示掃描子程序設(shè)計流程圖3.2.3加熱控制子程序圖3.4 加熱控制程序設(shè)計流程圖加熱控制程序說到底其實就是由一個繼電器和一個雙向可控硅來控制的，本設(shè)計中電熱絲是否加熱，其實就是繼電器是否通電的問題，通電就加熱，不通電就不加熱；而雙向可控硅的導(dǎo)通角的

20、大小，就直接關(guān)系著加熱功率是大是小。本設(shè)計中程序會給定時器賦一個延時參數(shù)，這個延時參數(shù)就是用戶設(shè)置的檔位，它能打開定時器，決定是否中斷。一旦定時器中斷，可控硅會接到一個觸發(fā)信號，就會導(dǎo)通，馬上就能控制加熱功率了。這種設(shè)計智能化非常高，雙向可控硅這種材料完美的契合了我們的設(shè)計需求，可以說是本設(shè)計中的核心材料之一。3.2.4 溫度檢測流程設(shè)計圖3-5 溫度檢測程序設(shè)計流程圖我們之前就會建立好一個溫度/頻率表，這個溫度/頻率表是0120溫度值對應(yīng)的頻率值，而溫度檢測程序就是將電路中測量得到的頻率跟我們建立好的溫度/頻率表進行一個比較，找出與該頻率所對應(yīng)的溫度。至于溫度的計算，我們采用的是二分查找法，

21、這樣更加高效、準(zhǔn)確。第4章 軟件調(diào)試仿真本設(shè)計中使用的是proteus軟件仿真，proteus軟件是集模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)轉(zhuǎn)化為一體的仿真平臺，也是，目前非常普遍的一款仿真軟件。4.1 Proteus仿真調(diào)試在仿真調(diào)試中主要就是幾個電路拼接在一起，按照一定的順序繪制電路，會更加的有條理，不容易出錯。我們第一步先繪制顯示電路，然后再繪制報警電路，因為這兩個電路在單片機的同一側(cè)，顯示電路在上，報警電路在下，第三步繪制復(fù)位電路，最后再來繪制溫度檢測電路，應(yīng)為溫度檢測電路最復(fù)雜。4.1.1 LED顯示電路的連接如圖4-1-1所示：圖4-1-14.1.2 報警燈電路連接如圖4-1-2所示：圖4-1-

22、24.1.3 晶振復(fù)位電路連接如圖4-1-3所示：圖4-1-34.1.4溫度測量電路連接如圖4-1-4所示圖4-1-4我們完成所有電路的連接以后，在Proteus ISIS界面中單擊Source（源程序），這時候會彈出一個下拉菜單，在這個下拉菜單中找到“Add/Remove Source Files”(添加/移開源程序)選項，單擊它，如圖4-1-5和圖4-1-6所示。 圖4-1-5圖4-1-6然后界面中會跳出如圖4-1-7所示的彈窗，找到“Code Generation Tool”（目標(biāo)代碼生成工具），單擊這個選項，在其中選取ASEM51。 圖4-1-7單擊界面上的“New”按鈕，會彈出一個彈

23、窗，在其中的文件名框中輸入新建源程序的名字，如圖4-1-8和4-1-9所示。圖4-1-8圖4-1-9然后單擊“打開”按鈕，會彈出一個彈窗，詢問是否創(chuàng)建，單擊選擇“是”，如圖4-4-10所示。圖4-1-10好了，到了這一步，我們已經(jīng)成功建立Tem.ASM文件了，這個文件是在Source下的，如圖4-1-11所示:圖4-1-11如果想要打開匯編語言編譯窗口，我們只需要點擊剛剛我們新建成的“Tem.ASM”，如圖4-1-12所示。圖4-1-12我們再一點點的將程序輸入到里面去（輸入時請小心仔細(xì)，一個字符的錯誤，就會導(dǎo)致整個程序運行的失敗，再次修改耗時耗力）。如圖4-1-13所示：圖4-1-13在So

24、urce下有一個“Build All”，這是編譯結(jié)果，它會顯示在彈出的對話框中。這樣就能成功的在單片機中加載目標(biāo)代碼，如圖4-1-14、4-1-15和-1-16所示：圖4-1-14圖4-1-15圖4-1-16最后點擊OK，左下角有一個仿真按鈕，單擊它就可以進行仿真了。4.2 仿真結(jié)果當(dāng)給溫度傳感器輸入0度時，可以發(fā)現(xiàn)電壓表顯示0.03V，誤差在1度范圍內(nèi)，電壓和溫度測量電路的輸出電壓成10倍關(guān)系，與此同時綠色報警燈亮說明符合設(shè)計要求，但LED顯示值為002，如果電路和程序均無錯誤LED顯示值應(yīng)該為000，因此說明系統(tǒng)某部分仍存在錯誤，如圖4-2-1所示。圖4-2-1紅綠燈的情況就是報警，溫度傳

25、感器溫度值發(fā)生改變紅綠燈的情況就會改變。當(dāng)溫度不超過80度是，綠燈適量的， LED顯示為080。一旦溫度超過80度，紅燈就會亮了，綠燈滅了，LED顯示大于80度，報警指示電路工作正常，如圖4-2-2和4-2-3所示。圖 4-2-2圖4-2-3結(jié)論經(jīng)過了這么長時間的努力，我終于完成了我的畢業(yè)設(shè)計，完成了基于單片機控制的快熱式電熱水器的設(shè)計，實現(xiàn)了溫度、頻率的相互轉(zhuǎn)化，達到在出水溫度到了80，繼電器斷開，加熱停止，出水溫度低于45，繼電器又會接通，立馬開始加熱，并且內(nèi)膽溫度達到了105，停止加熱，這樣就不會出現(xiàn)干燒的情況了。本設(shè)計中89C51單片機、溫/頻轉(zhuǎn)化法、雙向可控硅等的使用都是十分重要且關(guān)鍵的的，這些元件的配合，完美的實現(xiàn)了本設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)。從初始的結(jié)構(gòu)設(shè)想，到整體框架的設(shè)計，再到每個細(xì)節(jié)的設(shè)計，最后所有部分組合的設(shè)計，整個過程包含的內(nèi)容太多，全面的提高了我的所有能力。盡管本設(shè)計還有不足的地方，有些地方可能還需要研究改進，無法做到盡善盡美，但本次設(shè)計中，我查閱大量資料，讓我對我自己的所學(xué)，有了一個更全面的了解，更重要的是開拓了我的視野，讓我對單片機的指示了解更多了?？鞜崾?/p>