快熱式家用電熱水器 課程設計報告書

./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)常因為結垢堵塞出水口水流越來越小,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。3—5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,能顯示設定功率檔位。溫度檢測顯示圍00~99℃,精確度±1設置3個功率檔位指示燈,1~4檔一個燈亮,5~8檔兩個燈亮,9檔3個燈全亮。0檔無功率輸出,檔位燈不亮。設置3個輕觸按鈕,分別為電源開關鍵、"+"鍵和"-"鍵。加熱功率分0~9檔,按"+"鍵依次遞增至9檔,按"-"鍵依次遞減至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。出水溫度超過65℃時停止加熱,并蜂鳴報警,溫度降到45膽溫度超過105℃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合實際實驗室測試,可以得到水溫與流量、加熱功率之間的關系如表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、加熱功率的關系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15℃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/頻率轉換測溫法,直接將溫度信息轉換成頻率信號,用單片機測出頻率大小,從而間接測出溫度值,溫度/頻率轉換電路簡單可靠,成本低廉。3系統(tǒng)硬件電路的設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、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?？刂破鞑捎贸杀镜土夜ぷ骺煽康?9C51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驅動,3個LED指示燈用于指示加熱功率。報警電路采用5V的自鳴式蜂鳴器。圖3.1快熱式家用電熱水器控制電路圖.加熱控制電路圖3.2為加熱控制電路原理圖,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。為了在關機和超溫保護的狀態(tài)下能可靠地關斷加熱電源,電路中設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105℃的熱保險絲,當溫度超過105可控硅觸發(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：式3.1圖3.4溫度檢測電路圖4系統(tǒng)軟件程序的設計按快熱式熱水器的功能,系統(tǒng)程序必需實現(xiàn)以下任務：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)多任務運行的方法就是分時復用,在程序設計的時候要相應地分配好各任務的CPU占用時間。對于以上幾個任務稍加分析可以看出,顯示掃描、按鍵掃描和加熱控制任務相對而言有實時要求,而溫度檢測任務則可用定時〔0.5~1s實現(xiàn)。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置死循環(huán)反復運行各個任務。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時間,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、按鍵掃描、加熱控制約占用5msCPU時間,運行測溫子程序的時間間隔為0.5s,那么循環(huán)次數(shù)應為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,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"-"鍵和開關鍵是否被按下,若有鍵被按下則作出相應處理。圖4.3為按鍵掃描子函數(shù)程序流程圖。圖4.3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的指示燈。如有超溫標志還應打開蜂鳴器報警。圖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4.4加熱控制函數(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的溫度值。事先在實驗測試后建立的溫度/頻率表是0~100℃溫度所對應的頻率值,它是一個頻率對應于溫度遞減的非線性函數(shù),我們在C語言中用一個一維數(shù)組Tab[101]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：①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；②假定測得溫度Temp為最大值和最小值之中間值即Temp=<Tmax+Tmin>/2；③將實際測得的頻率值T0rig與假定溫度Temp在表格中對應的頻率Tab[temp]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；④如果T0rig>Tab[temp],說明實際溫度應該在Tmin和Temp之間〔因為遞減函數(shù)特性,所以修改查找圍令Tmax=Temp,同理如果T0rig<Tab[temp],說明實際溫度應該在Temp和Tmax之間,則令Tmin=Temp；⑤檢查查找圍,如果Tmax-Tmin<=1,判斷T0rig更接近最大值對應的頻率Tab[Tmax]還是最小值對應的頻率Tab[Tmin],實際溫度值取頻率更接近的那個值即完成查找,⑥如果Tmax-Tmin>1,那么重復第②③④⑤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KeiluVision2V2.30〔C51.exeV7.0環(huán)境下調試通過,并下載到AT89C51測試運行成功。/*快熱式熱水器程序MCUAT89C51XAL12MHz*/#include<reg51.h>#include<intrins.h>#include<math.h>voiddelay<unsignedint>;//延時函數(shù)voiddisplay<void>;//顯示函數(shù)unsignedcharkeyscan<void>;//按鍵掃描處理函數(shù)voidheatctrl<void>;//加熱控制函數(shù)voidtemptest<void>;//測溫函數(shù)sbitswkey=P1^0;//開關鍵sbitupkey=P1^1;//加熱檔位"+"鍵sbitdownkey=P1^2;//加熱檔位"-"鍵sbitbuzz=P1^05;//蜂鳴器輸出端sbittriac=P1^6;//可控硅觸發(fā)信號輸出端sbitrelay=P1^7;//繼電器控制信號輸出端sbitled1=P2^5;//加熱檔位指示燈1sbitled2=P2^6;//加熱檔位指示燈2sbitled3=P2^7;//加熱檔位指示燈3signedchardatactemp;//當前測得水溫寄存器unsignedchardatadispram[2]={0x10,0x10};//顯示區(qū)緩存unsignedchardataheatpower,px0count;//加熱檔位寄存器、外中斷0計數(shù)器bittempov,t0tst,testok;//超溫標志、測溫開始標志、測溫完成標志/*主函數(shù)voidmain<void>無參數(shù),無返回值循環(huán)調用顯示、鍵掃描、溫度檢測、加熱控制函數(shù)*/voidmain<void>{unsignedchari,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;//默認開關鍵被按下,進入待機狀態(tài)TMOD=0x11;//設定T0和T1工作方式為16位定時器TCON=0x05;//設置外中斷0和1為下降沿觸發(fā)IP=0x01;//設置外中斷0優(yōu)先IE=0x80;//打開總中斷while<1>{i=1;do{for<j=0;j<100;j++>//循環(huán)100次約0.5s{if<keyscan<>>i=6;//如果有鍵按下,顯示當前檔位3sdisplay<>;//調用顯示函數(shù)一次約4msheatctrl<>;//調用加熱控制函數(shù)}//endfor<b=0;b<100;b++>temptest<>;//每0.5s進行一次測溫}while<--i>;//通過改變循環(huán)次數(shù)i的大小決定是否刷新顯示j=abs<ctemp>;//取溫度絕對值dispram[1]=j%10;//取個位數(shù)送顯示j/=10;//取十位數(shù)dispram[0]=j?j:0x11;//送顯示〔帶滅零}//endwhile<1>}/*延時函數(shù)voiddelay<unsignedintdt>參數(shù)：dt,無返回值延時時間=dt*500機器周期*/voiddelay<unsignedintdt>{registerunsignedcharbt;//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)voiddisplay<void>無參數(shù),無返回值兩位共陽數(shù)碼管掃描顯示*/voiddisplay<void>{unsignedcharcodetable[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,\0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xbf,0xff};unsignedchari,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=table[dispram[i]];//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}}/*按鍵掃描處理函數(shù)unsignedcharkeyscan<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*/unsignedcharkeyscan<void>{unsignedchari,ch;if<upkey==0>//"+"鍵{buzz=0;//打開蜂鳴器〔發(fā)出按鍵音for<i=0;i<5;i++>display<>;//延時消抖buzz=1;//關閉蜂鳴器if<heatpower<9>heatpower++;//檔位加一dispram[0]=0;dispram[1]=heatpower;//顯示當前檔位while<upkey==0>display<>;//等待鍵釋放return<1>;//返回有鍵按下}elseif<downkey==0>//"-"鍵{buzz=0;//打開蜂鳴器〔發(fā)出按鍵音for<i=0;i<5;i++>display<>;//延時消抖buzz=1;//關閉蜂鳴器if<heatpower>0>heatpower--;//檔位減一dispram[0]=0;dispram[1]=heatpower;//顯示當前檔位while<downkey==0>display<>;//等待鍵釋放return<2>;//返回有鍵按下}elseif<swkey==0>//開關鍵{buzz=0;//打開蜂鳴器〔發(fā)出按鍵音for<i=0;i<30;i++>display<>;//延時消抖buzz=1;//關閉蜂鳴器swkey=1;//置位開關鍵while<swkey==0>display<>;//等待鍵釋放ch=IE;//暫存中斷控制字IEIE=0x00;//禁止中斷P0=0xff;P1=0xff;P2=0xff;//清除端口輸出dispram[0]=0x10;dispram[1]=0x10;//顯示"--"display<>;while<1>{while<swkey>display<>;//等待開關鍵按下buzz=0;//打開蜂鳴器〔發(fā)出按鍵音for<i=0;i<10;i++>display<>;//延時消抖buzz=1;//關閉蜂鳴器if<swkey==0>break;//確認開關鍵被按下}while<swkey==0>display<>;//等待鍵釋放IE=ch;//還原中斷控制字IEreturn<0>;//返回無鍵按下}elsereturn<0>;//無任何鍵按下時由此返回}/*加熱控制函數(shù)voidheatctrl<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*/voidheatctrl<void>{if<!tempov>//當沒有超溫標志時{relay=0;//接通繼電器buzz=1;//關閉蜂鳴器switch<heatpower>//判斷加熱檔位{case0:{EX1=0;ET1=0;triac=1;led1=1;led2=1;led3=1;break;}//0檔不加熱,指示燈不亮case1:case2:case3:case4:{led1=0;led2=1;led3=1;EX1=1;break;}//1~4檔1號指示等亮case5:case6:case7:case8:{led1=0;led2=0;led3=1;EX1=1;break;}//5~8檔1號、2號指示燈亮case9:{EX1=0;ET1=0;led1=0;led2=0;led3=0;triac=0;break;}//9檔全功率,指示燈全亮}}else//當有超溫標志時{relay=1;//斷開繼電器EX1=0;ET1=0;triac=1;//關閉可控硅buzz=0;//蜂鳴報警}}/*測溫函數(shù)voidtemptest<void>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*/voidtemptest<void>{signedchartemp,tempmin,tempmax;unsignedintt0rig;unsignedintcodetemptab[]={0x6262,0x61eb,0x6171,0x60f7,0x6047,0x5ff7,0x5f6e,0x5eef,0x5e53,0x5dbe,0x5d4b,0x5ca5,0x5c17,\0x5b6b,0x5ada,0x5a5c,0x599b,0x58ff,0x5869,0x57b0,0x570d,0x5663,0x55c0x52dd,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,0x3687,0x35c3,0x3507,\0x3487,0x33bc,0x32ed,0x324f,0x319e,0x3106,0x3053,0x2fa6,0x2f2a0x2c65,0x2bae,0x2b28,0x2a97,0x2a07,0x298e,0x2914,0x287a,0x280d,0x278a,0x2703,0x2687,0x2626,\0x25e5,0x256d,0x24ee,0x2489,0x2414,0x23bc,0x2356,0x22d9,0x2278,0x2203};//溫度頻率表px0count=2;//測頻中斷函數(shù)參數(shù)t0tst=1;//置測頻程序開始標志EX0=1;//打開測頻外中斷testok=0;//清除測頻程序完成標志while<!testok>display<>;//等待測試完成t0rig=<unsignedint>TH0<<8|TL0;//字節(jié)合成字tempmin=0;//以下是二分查表法計算溫度值tempmax=100;//tempmin和tempmax為溫度表的圍while<1>{temp=<tempmax+tempmin>/2;//假定當前溫度為最大值與最小值之中點值if<t0rig==temptab[temp]>break;//若實際值等于假定值結束查找elseif<t0rig>temptab[temp]>tempmax=temp;//若實際值大于假定值,減小查找圍的最大值elsetempmin=temp;//若實際值小于假定值,增大查找圍的最小值if<tempmax-tempmin<=1>//若查找圍已縮小到1度之間,{//判斷實際值更接近哪個端點if<temptab[tempmax]+temptab[tempmin]>2*t0rig>temp=tempmax;//接近最大值取最大值elsetemp=tempmin;//接近最小值取最小值break;//結束查找}}ctemp=temp;//刷新當前溫度寄存器if<temp>65>tempov=1;//如果溫度超過65度置位超溫標志elseif<temp<45>tempov=0;//當溫度回落到45度以下時清除超溫標志}/*測溫頻率測試函數(shù)voidtempfrequency<void>使用外部X0中斷,寄存器組1測出溫度——頻率轉換電