恒溫?zé)崴髟O(shè)計(jì)DOC

1、摘要智能化的熱水器一般的用單片機(jī)作為控制器，能實(shí)現(xiàn)恒溫和水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能，本設(shè)計(jì)是以FPGA和單片共同作為控制器件設(shè)的智能化熱水器，在減少了一些外圍器件的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了恒溫和水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，還能實(shí)施時(shí)間監(jiān)控，根據(jù)不同的月份，不同的日期，不同的時(shí)間而自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)斷熱水器的電源，從而使得熱水使用更加方便，設(shè)定后不需要人的干預(yù)，同時(shí)能節(jié)約電能。本設(shè)計(jì)編程語(yǔ)言使用VHDL 語(yǔ)言和C51，運(yùn)行環(huán)境分別是MAX+plus II 10.0和el uVision3，用Proteus 7 Professional畫(huà)系統(tǒng)的電路圖并進(jìn)行仿真調(diào)試，F(xiàn)PGA芯片使用Alter公司的EPF10K10TC144-4，單

2、片機(jī)使用STC89C52RC。 關(guān)鍵詞： C51、恒溫控制、液位控制、時(shí)鐘控制、鍵盤(pán)控制、液晶顯示Abstract Water heater intelligent general single-chip microcomputer as the controller, can realize constant temperature and water level automatic adjustment function, the design is based on FPGA and single chip as the controller of the intelligent wat

3、er heater, in reducing the number of peripheral devices at the same time to achieve the control of automatic adjustment of temperature and water level, but also the implementation of time monitoring, according to the different months, different date, different time and automatic opening and closing

4、of the power of water heater, so that the hot water is more convenient to use, does not need to be set after the intervention, and at the same time, energy saving. The design of programming languages are VHDL and C51 respectively, running environment is MAX+plus II 10 and El uVision3, use Proteus ci

5、rcuit 7 Professional painting system and simulation, using FPGA chip of Alter company EPF10K10TC144-4, use STC89C52RC.Keywords：C51, temperature control, level control, clock control, keyboard control, LCD display目 錄第一章 設(shè)計(jì)內(nèi)容1第二章 設(shè)計(jì)方案2第三章 設(shè)計(jì)原理4第一節(jié) 水位采集模塊4第二節(jié) 傳感器原理5第三節(jié) 溫度采集模塊6第四章 設(shè)計(jì)器材和電路圖8第一節(jié) 器材8第二節(jié) 電路

6、圖8結(jié)束語(yǔ)11謝 辭12參考文獻(xiàn)13第一章 設(shè)計(jì)內(nèi)容太陽(yáng)能電熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式很多。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)為中央處理器，液晶顯示模塊，熱電偶溫度采集模塊，水位采集模塊，電加熱模塊，控制模塊。本課題設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的太陽(yáng)能熱水器在軟件程序的控制下完成溫度和水位的實(shí)時(shí)顯示功能，并能完成溫度設(shè)定等功能，具體實(shí)現(xiàn)的功能目標(biāo)為：顯示水溫和水位，電加熱水溫可任意設(shè)定；設(shè)置溫度參數(shù)后，自動(dòng)控制電輔助備加熱；為解決普通燃?xì)鉄崴鞯某鏊疁囟炔环€(wěn)定的問(wèn)題，根據(jù)恒溫?zé)崴鞯墓ぷ髟?，?duì)普通燃?xì)鉄崴魈岢隽艘环N改進(jìn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了一種基于單片機(jī)控制，并結(jié)合儲(chǔ)水箱和傍通閥，充分利用電磁閥和比例閥的熱水器工作系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)

7、仿真發(fā)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)可以解決普通熱水器出水溫度不穩(wěn)定的問(wèn)題。如果將該設(shè)計(jì)運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)，必能更好的滿(mǎn)足消費(fèi)者需求，提高人們的生活質(zhì)量。第二章 設(shè)計(jì)方案圖2-1 太陽(yáng)能電熱水器整體結(jié)構(gòu)示意圖系統(tǒng)開(kāi)始工作開(kāi)始上水水位傳感器測(cè)水位判斷水位是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)Yes判斷水位是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)判斷水位是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)判斷水位是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)判斷水位是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器測(cè)溫判斷溫度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)Yes系統(tǒng)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)保溫水位傳感器測(cè)水位熱水器使用時(shí)加熱NoNo圖2-2太陽(yáng)能電熱水器工作流程圖第三章 設(shè)計(jì)原理第一節(jié) 水位采集模塊一、設(shè)計(jì)原理采用筒式電容傳感器采集液位的高度。主要利用其兩電極的覆蓋面積隨被測(cè)液體液位的變化而變化，從而引起

8、對(duì)應(yīng)電容量變化的關(guān)系進(jìn)行液位測(cè)量。由于從傳感器得出的電壓一般在030mv之間，太小不易測(cè)量，所以要通過(guò)放大電路進(jìn)行放大。從放大電路出來(lái)的是模擬量，因此送入ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，ADC0809連接于單片機(jī)，把信號(hào)送入單片機(jī)。顯示電路連接于單片機(jī)用于顯示水位的高度。二、系統(tǒng)框圖圖3-1 系統(tǒng)框圖被測(cè)物理量：主要是指非電的物理量，在這里為水位。傳感器：將輸入的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的變換。傳感器的精度直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能，所以是系統(tǒng)中一個(gè)重要的部件。放大，整形，濾波：傳感器的輸出信號(hào)一般不適合直接去轉(zhuǎn)換數(shù)字量，通常要進(jìn)行放大，濾波等環(huán)節(jié)的預(yù)處理來(lái)完成。A/D轉(zhuǎn)換器：

9、實(shí)現(xiàn)將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的是并行比較型、逐次逼近式、積分式等。在此用到逐次逼近式。單片機(jī)：目前的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能和性能日趨完善，因此主控部分一般都采用單片機(jī)。第二節(jié) 傳感器原理電容式液位傳感器系統(tǒng)；它利用被測(cè)體的導(dǎo)電率，通過(guò)傳感器測(cè)量電路將液位高度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓脈沖寬度變化，再由單片機(jī)進(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的液位高度進(jìn)行顯示，該系統(tǒng)對(duì)液位深度具有測(cè)量、顯示與設(shè)定功能，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。一、傳感器的組成圖為傳感器部分的結(jié)構(gòu)原理圖。它主要是由細(xì)長(zhǎng)的不銹鋼管(半徑為R1)、同軸絕緣導(dǎo)線(xiàn)(半徑為R0)以及其被測(cè)液體共同構(gòu)成的金屬圓柱形電容器構(gòu)成。該傳感器主要利用其兩電

10、極的覆蓋面積隨被測(cè)液體液位的變化而變化，從而引起對(duì)應(yīng)電容量變化的關(guān)系進(jìn)行液位測(cè)量。圖3-2 傳感器原理圖1、測(cè)量原理由圖1可知，當(dāng)可測(cè)量液位H=0時(shí),不銹鋼管與同軸絕緣導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成的金屬圓柱形電容器之間存在電容C0，根據(jù)文獻(xiàn)得到電容量為:（1）式中,C0為電容量，單位為F；0為容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù)，單位為F/m，L為液位最大高度；R1為不銹鋼管半徑；R0為絕緣導(dǎo)線(xiàn)半徑，單位為m。當(dāng)可測(cè)量液位）為H時(shí)，不銹鋼管與同軸絕緣電線(xiàn)之間存在電容式中,為容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù)，單位為F/m。因此，當(dāng)傳感器內(nèi)液位由零增加到H時(shí)，其電容的變化量C可由式(1)和式(2)得由式可知，參數(shù)0,R1，R0都是定值。

11、所以電容的變化量C與液位變化量H呈近似線(xiàn)性關(guān)系。因?yàn)閰?shù)0，R1，R0，L都是定值，由式(2)變形可得:CH=a0+b0H(a0和b0為常數(shù))(4)?？梢?jiàn)，傳感器的電容量值CH的大小與電容器浸入液體的深度H成線(xiàn)性關(guān)系。由此，只要測(cè)出電容值便能計(jì)算出水位。第三節(jié) 溫度采集模塊此電熱水器中采集溫度主要利用集成溫度傳感器AD590，集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值VBE與熱力學(xué)溫度T和通過(guò)發(fā)射極電流I的下述關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)： 式中，K波爾茲常數(shù)；q電子電荷絕對(duì)值。集成溫度傳感器具有線(xiàn)性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。集

12、成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0時(shí)輸出為0，溫度25時(shí)輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為1A/K。利用AD590 傳感器測(cè)量水箱內(nèi)攝氏度，如圖2所示，電位器R2用于調(diào)整零點(diǎn)，R4用于調(diào)整運(yùn)放LF355的增益。調(diào)整方法如下：在0時(shí)調(diào)整R2，使輸出VO=0，然后在100時(shí)調(diào)整R4使VO=100mV。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至0時(shí)，VO=0mV，100時(shí)VO=100mV為止。最后在室溫下進(jìn)行校驗(yàn)。例如，若室溫為25，那么VO應(yīng)為25mV。冰水混合物是0環(huán)境，沸水為100環(huán)境。圖3-3用于測(cè)量攝氏溫度的電路要使圖2中的輸出為200mV/

13、，可通過(guò)增大反饋電阻（圖中反饋電阻由R3與電位器R4串聯(lián)而成）來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，測(cè)量華氏溫度（符號(hào)為）時(shí)，因華氏溫度等于熱力學(xué)溫度減去255.4再乘以9/5，故若要求輸出為1mV/，則調(diào)整反饋電阻約為180k，使得溫度為0時(shí)，VO=17.8mV；溫度為100時(shí)，VO=197.8mV。AD581是高精度集成穩(wěn)壓器，輸入電壓最大為40V，輸出10V。第四章 設(shè)計(jì)器材和電路圖第一節(jié) 器材一、溫度傳感器被檢測(cè)信息傳感器檢測(cè)電路輸出單元本方案使用電阻式傳感器，由于檢測(cè)電路的種類(lèi)通常由傳感器類(lèi)型而定，所以電阻式傳感器需用一個(gè)電橋電路把電阻值變換成電壓或電流輸出，由于電橋輸出信號(hào)一般比較微弱，常常將電橋輸出信號(hào)

14、加以放大，所以在測(cè)量電路中一般還帶有放大器。二、銅熱電阻采用銅熱電阻進(jìn)行溫度的測(cè)量，測(cè)量范圍一般為50度150度。在此溫度范圍內(nèi)線(xiàn)性關(guān)系好，靈敏度比鉑電阻高，容易提純加工，價(jià)格便宜，復(fù)現(xiàn)性能好。與鉑相比，銅的電阻率低，所以銅電阻體積較大，且在測(cè)溫范圍內(nèi)化學(xué)物理特性穩(wěn)定。第二節(jié) 電路圖一、繼電器通過(guò)連接繼電器來(lái)控制電輔助加熱是否工作。 繼電器是一種電控制器件。它具有控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸出回路）之間的互動(dòng)關(guān)系。通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。當(dāng)輸入量（如電壓、電流、溫度等）

15、達(dá)到規(guī)定值時(shí)，繼電器被所控制的輸出電路導(dǎo)通或斷開(kāi)。二、電磁繼電器原理電磁繼電器一般由鐵芯、線(xiàn)圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線(xiàn)圈兩端加上一定的電壓，線(xiàn)圈中就會(huì)流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開(kāi)觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線(xiàn)圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來(lái)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）釋放。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對(duì)于繼電器的“常開(kāi)、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來(lái)區(qū)分：繼電器線(xiàn)圈未通電時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱(chēng)為“常開(kāi)觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱(chēng)為“常

16、閉觸點(diǎn)”。繼電器一般有兩股電路，為低壓控制電路和高壓工作電路。圖4-1 電磁繼電器結(jié)構(gòu)圖 三、液晶顯示模塊1、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(yáng)極串行接口電路，用來(lái)顯示加熱檔位，直觀(guān)性更強(qiáng)。它的電路圖如圖4-2所示：圖4-2 顯示電路控制模塊顯示模塊溫度采集模塊電加熱模塊水位采集模塊圖4-3 控制模塊結(jié)構(gòu)圖結(jié)束語(yǔ)本論文通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能熱水器設(shè)計(jì)中需要了解的相關(guān)名詞及需要掌握的熱水器設(shè)計(jì)的參數(shù)問(wèn)題的解決方法以及在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題作出了系統(tǒng)的介紹和總結(jié)。通過(guò)這次寫(xiě)關(guān)于太陽(yáng)能熱水器的論文讓我知道了在生活中我們使用太陽(yáng)能熱水器很方便又經(jīng)濟(jì)又方便使人們生活質(zhì)量更上一層樓。謝 辭在這次太陽(yáng)能設(shè)計(jì)的大作業(yè)即太陽(yáng)能熱水器設(shè)計(jì)與實(shí)踐中我遇到了很多的問(wèn)題。但我的指導(dǎo)老師在我完成這次作業(yè)中給予了我很大的幫助，如我在做太陽(yáng)能熱水器設(shè)計(jì)時(shí)不知道該怎么進(jìn)行時(shí)，老師給我講解了其設(shè)計(jì)的精髓和應(yīng)該注意的問(wèn)題，幫