快熱式家用電熱水器-課程設(shè)計(jì)

1、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(jìn)千家萬戶成為必然目前燃?xì)馐綗崴饕驗(yàn)樗陌踩[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(yán)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(yù)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(yīng)用前景。普通電熱水器有以下幾個缺點(diǎn)：首先，因?yàn)殡姛崴鏖L期通電，保持60度以上的高溫，發(fā)熱管容易結(jié)垢，內(nèi)膽容易漏水，比較容易損壞。我們學(xué)校的電熱水器經(jīng)常因?yàn)榻Y(jié)垢堵塞出水口水流越

2、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(fèi)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(jì)。而快熱式熱水器克服了上述缺點(diǎn)。它安全、干凈、環(huán)保、即開即熱。35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(shè)定功率檔位。溫度檢測顯示范圍0099，精確度±1。設(shè)置3個功率檔位指示燈，14檔一個燈亮，58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(shè)置3個輕觸按鈕，分別為電源開關(guān)鍵、“+”鍵和“-”鍵。加熱功率分09檔，按“+”鍵依次遞增至9檔，按“-”鍵依

3、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以下時恢復(fù)。內(nèi)膽溫度超過105時停止加熱，防止干燒。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(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、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(dá)到“快熱”的效果，取消了儲水罐，使冷水在在進(jìn)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)

4、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。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，按220V供電計(jì)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(jìn)水溫度15，輸入電壓AC220V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

5、，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(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)。為了簡化電路又降低成本，本文采用了溫度/頻率轉(zhuǎn)換測溫法，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。3系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)快熱式熱水器控制系統(tǒng)電路如圖3.1，由7個部分電路組成：

6、單片機(jī)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(jī)，采用12M的晶振。89C51對電源要求不甚嚴(yán)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(qū)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(jī)通過光耦給可控硅觸發(fā)信號，控制可控硅的導(dǎo)

7、通角，從而控制電熱絲的有效加熱功率。為了在關(guān)機(jī)和超溫保護(hù)的狀態(tài)下能可靠地關(guān)斷加熱電源，電路中設(shè)計(jì)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(dāng)溫度超過105時，熱保險絲會熔斷，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)?？煽毓栌|發(fā)信號中需要對市電進(jìn)行過零檢測，以實(shí)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(shí)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(dāng)溫度變化時引起熱敏

8、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(shè)計(jì)按快熱式熱水器的功能，系統(tǒng)程序必需實(shí)現(xiàn)以下任務(wù)：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(jī)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)運(yùn)行的方法就是分時復(fù)用，在程序設(shè)計(jì)的時候要相應(yīng)地分配好各任務(wù)的CPU占用時間。對于以上幾個任務(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)時要求，而溫度檢測任務(wù)則可用定時（0.51s）實(shí)現(xiàn)。主函數(shù)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)置定時器及中斷系統(tǒng)的工作方式等初始化工作。由于51系

9、列單片機(jī)沒有停機(jī)指令，我們可以利用主程序設(shè)置死循環(huán)反復(fù)運(yùn)行各個任務(wù)。我們把有實(shí)時要求的子程序（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時間，然后根據(jù)溫度檢測定時的間隔時間，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)時要求的子程序（即顯示掃描、按鍵掃描、加熱控制）約占用5ms CPU時間，運(yùn)行測溫子程序的時間間隔為0.5s，那么循環(huán)次數(shù)應(yīng)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(wù)，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

10、函數(shù)負(fù)責(zé)逐個掃描檔位“+”鍵、檔位“-”鍵和開關(guān)鍵是否被按下，若有鍵被按下則作出相應(yīng)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(shè)定的加熱檔位和系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，來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。如有超溫標(biāo)志還應(yīng)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(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器T1賦一個延時參數(shù)，并打開定時器T1，允許其中斷。當(dāng)定時器T1計(jì)滿溢

11、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(dǎo)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(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，查找出與該頻率相應(yīng)的溫度值。事先在實(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，它是一個頻率對應(yīng)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Tab101 來表示，下標(biāo)為溫度，數(shù)組元素為頻率值。計(jì)算

12、溫度的方法采用高效準(zhǔn)確的二分法查表，查表的過程如下： 先給定查找的溫度的最大值Tmax和最小值Tmin，即確定查找的范圍，我們根據(jù)已有的溫度表默認(rèn)最大值Tmax=100，最小值Tmin=0； 假定測得溫度Temp為最大值和最小值之中間值即Temp=(Tmax+Tmin)/2； 將實(shí)際測得的頻率值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，即完成查找； 如果T0rig> Tabtemp，說明實(shí)際溫度應(yīng)該在Tmin和Temp之間（因?yàn)檫f減函數(shù)特性），所以修改查找范圍令Tmax=Temp，同理如果T0rig< Tabtemp

13、，說明實(shí)際溫度應(yīng)該在Temp和Tmax之間，則令Tmin=Temp； 檢查查找范圍，如果Tmax-Tmin<=1，判斷T0rig更接近最大值對應(yīng)的頻率TabTmax還是最小值對應(yīng)的頻率TabTmin，實(shí)際溫度值取頻率更接近的那個值即完成查找， 如果Tmax-Tmin>1，那么重復(fù)第步驟直到完成查找。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、置位或清除相應(yīng)的標(biāo)志位。圖4.7為溫度檢測函數(shù)程序流程圖。單片機(jī)使用外中斷INT0和計(jì)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(jī)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(jié)果。程序中使

14、用靜態(tài)變量px0count進(jìn)行外中斷的計(jì)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(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Keil uVision2 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 12MHzBuild by Gavin Hu, 2005.3.18-*/#includ

15、e <reg51.h>#include <intrins.h>#include <math.h>void delay(unsigned int); /延時函數(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); /加熱控制函數(shù)void temptest(void); /測溫函數(shù)sbit swkey=P10; /開關(guān)鍵sbit upkey=P11; /加熱檔位“+”鍵sbit downkey=P12; /加熱檔位“-”鍵sbit buzz=P105

16、; /蜂鳴器輸出端sbit triac=P16; /可控硅觸發(fā)信號輸出端sbit relay=P17; /繼電器控制信號輸出端sbit led1=P25; /加熱檔位指示燈1sbit led2=P26; /加熱檔位指示燈2sbit led3=P27; /加熱檔位指示燈3signed char data ctemp; /當(dāng)前測得水溫寄存器unsigned char data dispram2=0x10,0x10; /顯示區(qū)緩存unsigned char data heatpower,px0count; /加熱檔位寄存器、外中斷0計(jì)數(shù)器bit tempov,t0tst,testok; /超溫標(biāo)志、

17、測溫開始標(biāo)志、測溫完成標(biāo)志/*- 主函數(shù) void main(void) 無參數(shù)，無返回值 循環(huán)調(diào)用顯示、鍵掃描、溫度檢測、加熱控制函數(shù)-*/void main(void) unsigned char i,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(biāo)志swkey=0; /默認(rèn)開關(guān)鍵被按下，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)TMOD=0x11; /設(shè)定T0和T1工作方式為16位定時器TCON=0x05; /設(shè)置外中斷0和1為下降沿觸發(fā)IP=0x01; /設(shè)置外中斷0優(yōu)先IE=0x80; /打開總中斷while (1) i=1; do for

18、 (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(dāng)前檔位3s display(); /調(diào)用顯示函數(shù)一次約4ms heatctrl(); /調(diào)用加熱控制函數(shù) /end for (b=0;b<100;b+) temptest(); /每0.5s進(jìn)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 dispram1=j%10; /取個位數(shù)送顯示 j/=10; /取十位數(shù) dispram0=j?j:0x11; /送顯示（帶滅零） /end while

19、(1) /*- 延時函數(shù) void delay(unsigned int dt) 參數(shù)：dt，無返回值 延時時間=dt*500機(jī)器周期-*/void delay(unsigned int dt)register unsigned char bt; /定義寄存器變量for (; dt; dt-) for (bt=250; -bt; ); /此句編譯時以“DJNZ”實(shí)現(xiàn)，250*2=500機(jī)器周期/*- 顯示函數(shù) void display(void) 無參數(shù)，無返回值 兩位共陽數(shù)碼管掃描顯示-*/void display(void)unsigned char code table=0xc0,0xf

20、9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90, 0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xbf,0xff;unsigned char i,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=tabledisprami; /送顯示段碼 P2&=a; /選通一位 delay(4); /延時2ms a=_crol_(a,1); /改變位選字 P0=0xff; /消影 /*- 按鍵掃描處理函數(shù) unsigned char keyscan(void) 無

21、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-*/unsigned char keyscan(void)unsigned char i,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(guān)閉蜂鳴器 if (heatpower<9) heatpower+; /檔位加一 dispram0=0; dispram1=heatpower; /顯示當(dāng)前檔位 while (upkey=0) display(); /等待鍵釋放 r

22、eturn (1); /返回有鍵按下 else if (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(guān)閉蜂鳴器 if (heatpower>0) heatpower-; /檔位減一 dispram0=0; dispram1=heatpower; /顯示當(dāng)前檔位 while (downkey=0) display(); /等待鍵釋放 return (2); /返回有鍵按下 else if (swkey=0) /開關(guān)鍵 buzz=0; /打開蜂鳴器（發(fā)出按鍵音） fo

23、r (i=0;i<30;i+) display(); /延時消抖 buzz=1; /關(guān)閉蜂鳴器 swkey=1; /置位開關(guān)鍵 while (swkey=0) display(); /等待鍵釋放 ch=IE; /暫存中斷控制字IE IE=0x00; /禁止中斷 P0=0xff; P1=0xff; P2=0xff; /清除端口輸出 dispram0=0x10; dispram1=0x10; /顯示“-” display(); while (1) while (swkey) display(); /等待開關(guān)鍵按下 buzz=0; /打開蜂鳴器（發(fā)出按鍵音） for (i=0;i<10;

24、i+) display();/延時消抖 buzz=1; /關(guān)閉蜂鳴器 if (swkey=0) break; /確認(rèn)開關(guān)鍵被按下 while (swkey=0) display(); /等待鍵釋放 IE=ch; /還原中斷控制字IE return (0); /返回?zé)o鍵按下 else return (0); /無任何鍵按下時由此返回/*- 加熱控制函數(shù) void heatctrl(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-*/void heatctrl(void)if (!tempov) /當(dāng)沒有超溫標(biāo)志時 relay=0; /接通繼電器 buzz=1; /關(guān)閉蜂鳴器

25、 switch (heatpower) /判斷加熱檔位 case 0: EX1=0;ET1=0;triac=1;led1=1;led2=1;led3=1;break;/0檔不加熱，指示燈不亮 case 1: case 2: case 3: case 4: led1=0;led2=1;led3=1;EX1=1;break; /14檔1號指示等亮 case 5: case 6: case 7: case 8: led1=0;led2=0;led3=1;EX1=1;break; /58檔1號、2號指示燈亮 case 9: EX1=0;ET1=0;led1=0;led2=0;led3=0;triac=

26、0;break; /9檔全功率，指示燈全亮 else /當(dāng)有超溫標(biāo)志時 relay=1; /斷開繼電器 EX1=0; ET1=0; triac=1; /關(guān)閉可控硅 buzz=0; /蜂鳴報警 /*- 測溫函數(shù) void temptest(void) 無參數(shù)，無返回值， 影響全局變量：ctemp，tempov 測量并查表計(jì)算溫度，判斷是否超溫-*/void temptest(void)signed char temp,tempmin,tempmax;unsigned int t0rig;unsigned int code temptab=0x6262,0x61eb,0x6171,0x60f7,0

27、x6047,0x5ff7,0x5f6e,0x5eef,0x5e53,0x5dbe,0x5d4b,0x5ca5,0x5c17, 0x5b6b,0x5ada,0x5a5c,0x599b,0x58ff,0x5869,0x57b0,0x570d,0x5663,0x55c6,0x550e,0x5444,0x5396, 0x52dd,0x5240,0x5189,0x50b0,0x5005,0x4f20,0x4e69,0x4db1,0x4cef,0x4c42,0x4b64,0x4aaa,0x49e1, 0x48fc,0x4847,0x476c,0x46b1,0x4604,0x4503,0x4449,0x43

28、56,0x4299,0x41c0,0x40ce,0x3ff0,0x3f2b, 0x3e33,0x3d86,0x3ca6,0x3bd2,0x3b26,0x3a39,0x3973,0x38a6,0x37ef,0x373f,0x3687,0x35c3,0x3507, 0x3487,0x33bc,0x32ed,0x324f,0x319e,0x3106,0x3053,0x2fa6,0x2f2a,0x2e88,0x2e00,0x2d63,0x2cd6, 0x2c65,0x2bae,0x2b28,0x2a97,0x2a07,0x298e,0x2914,0x287a,0x280d,0x278a,0x2703,

29、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(biāo)志EX0=1; /打開測頻外中斷testok=0; /清除測頻程序完成標(biāo)志while (!testok) display(); /等待測試完成t0rig=(unsigned int)TH0<<8|TL0; /字節(jié)合成字tempmin=0; /以下是二分查表法計(jì)算溫度值tempmax=100; /tempmin和tempmax

30、為溫度表的范圍while (1) temp=(tempmax+tempmin)/2; /假定當(dāng)前溫度為最大值與最小值之中點(diǎn)值 if (t0rig=temptabtemp) break; /若實(shí)際值等于假定值結(jié)束查找 else if (t0rig>temptabtemp) tempmax=temp;/若實(shí)際值大于假定值，減小查找范圍的最大值 else tempmin=temp; /若實(shí)際值小于假定值，增大查找范圍的最小值 if (tempmax-tempmin<=1) /若查找范圍已縮小到1度之間， /判斷實(shí)際值更接近哪個端點(diǎn) if (temptabtempmax+temptabtempmin>2*t0rig) temp=tempmax;/接近最大值取最大值 else temp=tempmin; /接近最小值取最小值 break; /結(jié)束查找 ctemp=temp; /刷新當(dāng)前溫度寄存器if (temp>65) tempov=1; /如果溫度超過65度置位超溫標(biāo)志 else if