基于單片機(jī)控制的快熱式.doc

遼寧寧科技大學(xué)本科生設(shè)計(jì)第I頁(yè)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(wú)疑是人們追求的目標(biāo)之一，它所給人帶來(lái)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(lái)控制電路。本設(shè)計(jì)分別對(duì)硬、軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明。硬件包括加熱控制電路，溫度檢測(cè)電路，LED數(shù)碼管及指示燈顯示電路及報(bào)警器驅(qū)動(dòng)電路等的設(shè)計(jì)，比如，利用熱敏電阻對(duì)熱水器出口溫度進(jìn)行檢測(cè)；用溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路通過(guò)單片機(jī)的檢測(cè)間接測(cè)出溫度值；用單片機(jī)通過(guò)光耦給可控硅觸發(fā)信號(hào)，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(lái)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；用在繼電器線圈回路中串聯(lián)105的熔絲來(lái)防止溫度過(guò)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(cè)程序的設(shè)計(jì)、頻率測(cè)試程序的設(shè)計(jì)。軟件編程采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，因?yàn)槠浜?jiǎn)潔、使用方便靈活、容易實(shí)現(xiàn)程序的模塊化和結(jié)構(gòu)化。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；電熱水器；溫度/頻率轉(zhuǎn)化測(cè)溫；二分查找法遼寧寧科技大學(xué)本科生設(shè)計(jì)第II頁(yè)Designofrapidheatingtypehouseholdelectricwaterheaterbasedonsingle-chipmicrocomputercontrolAbstractAspeoplelivingstandardriseceaselessly,thesingle-chipmicrocomputercontrolisundoubtedlyoneofthegoalsofthepeopletopursue,itbringsconvenienceisnotnegative,householdelectricwaterheaterisatypicalexampleofit.InthisdesignusesAT89C51microcontrollerasthecontrollertocontrolcircuit.Thedesignofhardwareandsoftwarerespectivelydesignandexplains.Hardwareincludingheatingcontrolcircuit,temperaturedetectioncircuit,LEDdigitalpipeandindicatorshowscircuitandalarmdrivercircuitdesign,forexample,usingthermalresistanceofthewaterheateroutlettemperaturetesting；Usetemperature/frequencyconversioncircuitismeasuredbysingle-chipmicrocomputerdetectionindirecttemperature；Withsingle-chipmicrocomputercontrolledbylight-couplertotriggersignal,ControltheconductionanglesoftheSCR,andcontroloftheresistancewireeffectiveheatingpower.Userelaytocontroltheheatingpower,sothattheshutdownandover-temperatureprotectionundertheconditionofreliableshutoff；Usedinrelayscoilloopintandem105meltsilkofhightemperaturetopreventdryheatingtubewhenburnt.Softwarepartgivespartoftheprogramflowchart,includingthedesignofmainprogramdesign,thedesignofsubroutinesthatdisplayscanning,buttonsscanningprocessingproceduredesign,heatingandcontrolprogramflowchartdesign,temperaturedetectionprogramdesign,frequencytestproceduredesign.SoftwareprogrammingusingClanguage,becauseofitissimpleandeasytouseandagileandeasytoimplementproceduresofmodularandstructured.Keywords:single-chipmicrocomputer；electricwaterheater；temperature/frequencyconversiontemperaturemeasurement；binarysearchmethod遼寧寧科技大學(xué)本科生設(shè)計(jì)第III頁(yè)目錄摘要.IAbstract.II1緒論.11.1單片機(jī)的組成及特點(diǎn).11.1.1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(guó)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(pán)的選擇.72.1.4顯示器的選擇.82.1.5驅(qū)動(dòng)及加熱控制元件的選擇.82.1.6溫度檢測(cè)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).11遼寧寧科技大學(xué)本科生設(shè)計(jì)第IV頁(yè)2.2.2過(guò)壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì).112.2.3溫度檢測(cè)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(dòng)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(cè)程序的設(shè)計(jì).183.6頻率測(cè)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.36本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第1頁(yè)1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(wú)疑是人們追求的目標(biāo)之一，它所給人帶來(lái)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(shì)將是進(jìn)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(duì)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(duì)性解決由簡(jiǎn)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(lái)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(kāi)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)上的最大特點(diǎn)是把CPU、存儲(chǔ)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(tái)計(jì)算機(jī)。單片機(jī)是通過(guò)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(guò)它們將地址輸出到存儲(chǔ)器或I/O接口；數(shù)據(jù)總線的作用是在CPU與存儲(chǔ)器或I/O接口之間，或存儲(chǔ)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(hào)線和外部送入CPU的應(yīng)答信號(hào)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。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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第2頁(yè)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(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǔ)水罐，熱水隨開(kāi)隨用，無(wú)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(chǎng)上熱水器主要品種有：電熱水器、太陽(yáng)能熱水器、燃?xì)鉄崴?，就中?guó)的具體情況而言，太陽(yáng)能熱水器作為一種綠色環(huán)?？稍偕Y源，其開(kāi)發(fā)和利用，因順應(yīng)中國(guó)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(yáng)能熱水器行業(yè)的發(fā)展，盡管前景光明，可因?yàn)樘?yáng)能熱水器的能源利用率較低及它對(duì)建筑的諸多要求，而且安裝麻煩，接受太陽(yáng)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(yáng)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(guó)家對(duì)其使用年限有規(guī)定，適合在低氣價(jià)地區(qū)使用，來(lái)滿足人們的需求，且不利于環(huán)境；人們?cè)谶x擇熱水器時(shí)，除了要安全可靠和美觀耐用外，一次性購(gòu)機(jī)費(fèi)和經(jīng)常性開(kāi)支（能耗）也是人們考慮的重要環(huán)節(jié)，其中經(jīng)常性開(kāi)支有時(shí)比一次性購(gòu)機(jī)費(fèi)更能左右用戶的選擇，因此如何來(lái)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(wèn)題。隨著人們生活水平的不斷提高、日益增長(zhǎng)的需求和電網(wǎng)供電能力的加強(qiáng)，越來(lái)越多的家庭選用電熱水器，電熱水器使用安全、衛(wèi)生、又無(wú)污染。今后幾年我國(guó)電熱水器市場(chǎng)將呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長(zhǎng)勢(shì)頭，其產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)水平、服本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第3頁(yè)務(wù)規(guī)范將不斷提升，價(jià)格也會(huì)下降。而且全國(guó)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(guó)電熱水器市場(chǎng)仍將會(huì)迅猛發(fā)展。1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況家用電熱水器在國(guó)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、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(guó)內(nèi)市場(chǎng)上曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)一段時(shí)間，由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)電力條件不成熟，對(duì)大功率的電產(chǎn)品一般無(wú)法正常使用，也沒(méi)有好技術(shù)和科技來(lái)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(guó)內(nèi)的發(fā)展。近幾年來(lái)，隨著人們生活水平的不斷提高，國(guó)家電網(wǎng)改造和相關(guān)規(guī)定的出臺(tái)，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(guó)內(nèi)的廣泛前景。根據(jù)國(guó)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(gòu)新標(biāo)準(zhǔn)住宅用戶，都有條件使用上述這種安全、家用電熱水器，確保產(chǎn)品萬(wàn)無(wú)一失，安全系數(shù)達(dá)100%，通過(guò)檢測(cè)，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(méi)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(kāi)支，給用戶帶來(lái)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(guó)廣泛使用已是大勢(shì)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(lái)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(zhǎng)期通電，長(zhǎng)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.管道熱水、熱量損耗大；3.等候用水時(shí)間長(zhǎng)；本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第4頁(yè)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(zhǎng)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(kāi)即熱，3-5秒出熱水無(wú)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(méi)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(wèn)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?yáng)能熱水器和傳統(tǒng)儲(chǔ)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(cè)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(wú)功率輸出，檔位燈不亮。4.設(shè)