1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化家用电热水器控制系统的设计一、 课题研究意义及现状随着人们生活水平的不断提高和生活节奏不断加快，热水器以其节能、环保、时尚、美观的特点让它在市场需求变得日益迫切。纵观热水器的行业，按不同的能量来源，可以分为燃气热水器、电热水器、太阳能热水器和热汞热水器。根据市场的调查，其中电热水器占据市场的份额是最大的，为 53%。中国电热水器产业起源于上世纪 80 年代，主要是靠国外引进和购买样品来仿制。依靠原始的电阻加热技术，把发热丝浸泡在水中来进行加热，安全技术主要依靠热水器本身的水系统的带电外壳和不带电外壳都要良好的进行接地。因此这种安全技术并不是很成熟，从而
2、引发了多起恶性的因漏电造成人体伤害的安全事故。竟而推动了电热水器安全技术的改革，从第一代的水电分离，第二代的漏电保护，第三代的出水断电再到第四代的防电墙。每一次的技术革新，都给电热水器的前景开辟了道路，但从理论上讲，加热管迟早会损坏，一旦绝缘失效，就还会发生漏电，就会威胁到用户的生命安全。所以在 2005 年我国工程技术人员自主创新研制出全球首创的“电磁超导热水器” 。采用由电转化成磁场，交频磁场再转换成热能的技术，使得水、电真正分离，主动把电从水系统中分割出去，从而拒绝漏电现象出现。另一个技术的飞跃就是从普通材料简单工艺到特殊复杂工艺的演变，内胆是电热水器的核心部件，内胆是否漏水决定了电热水
3、器的使用寿命，在上世纪 90 年代中期，电热水器开始了材料的演变，内胆从镀锌板向不锈钢，再向搪瓷内胆的演变加上内胆加工设备的改进和焊接工艺的改良，逐步解决了电热水器的漏水隐患。现搪瓷内胆以其不生锈，防腐蚀，较强耐压能力等优点逐渐成为技术主流。随着科技的不断革新，电热水器从早期的机械控制到电子控制，再从电子控制到智能控制。如樱花 6077x“智感芯” ，就能记忆学习消费者的沐浴习惯等其他智能化功能。如A.O 史密斯研制出 AES 自适应节能系统，可以根据用户的使用习惯提前预先加热，不需要人为设定，可自动记忆用户的用水记录。目前人们还可以通过互联网远程控制电热水器，使得生活越来越方便。总的说来，每
4、一个技术的飞跃无不凝结着各个厂商技术研发人员的智慧结晶，使得电热水器向着体积更小，加热更快，使用更安全，更节能更环保的方向发展，整个行业所有的努力只有一个目标，那就是让越来越多的家庭每天都能享受热水器所创造的舒适生活。二、课题研究的主要内容和预期目标本课题主要研究的内容是家用电热水器控制系统的设计，具体内容如下：（1）了解和研究家用电热水器控制系统的组成；（2）研究基于 psoc 单片机实现电热水器温度和水位控制的解决方案。（3）分析基于 psoc 的温度控制和液位控制的解决方案，确定系统设计中需要用到Cy8c29466 的内部结构、通用 I/O 数目、所需 Flash 及 SRAM 空间大小
5、等参数；（4）系统的整体硬件结构设计（包括芯片规划和外围电路设计） ；（5）Cypress Designer5.0 的学习和软件的操作使用；（6）选择合适的温度传感器、液位传感器，设计电热水器控制系统，绘制电路原理图，制作 PCB 板；（7）应用 C 语言编写系统应用程序，进行硬件电路的调试。预期目标：完成系统各模块电路的设计，并完成设计论文的编写。三、课题研究的方法及措施根据课题家用电热水器控制系统的研究，该系统主要基于 psoc 单片机来实现电热水器温度和水位控制，使越来越多的人能更好的享受电热水器带来的舒适感，现该系统组成框图如下：各个模块内容如下：1 主控制模块:利用 psoc 单片机
6、来实现电热水器温度和水位控制；2 数据采集模块：温度传感器，水位传感器；3 显示模块：专业液晶显示器或 7 段数码管（主要显示温度和水位） ；4 执行模块：上水阀门，电加热。四、课题研究进度计划毕业设计期限：自 2010 年 10 月 15 日至 2011 年 5 月 15 日。10 月 20 日-10 月 30 日：分析老师给的任务，搜集资料，进行系统设计方案制定，11 月 1 日-11 月 30 日：完成外文翻译、文献综述、开题报告。12 月 10 日-1 月 10 日：设计与写论文，系统模块软件设计，1 月 15 日-1 月 30 日：PCB 设计和制作，2 月 1 日-2 月 20 日
7、：撰写设计报告与论文。2 月 25 日-3 月 5 日：设计作品系统调试和完善，论文修改，4 月：准备答辩。五、参考文献1梁志颖.嵌入式系统晶片 PSoC 实作入门M.台湾：旗标出版社，2009，9.2叶朝辉，华成英.可编程片上系统(PSoC)原理及实训M.北京：清华大学出版社，2008，5.3戴国骏.系统可配置单片机原理与应用M.北京：机械工业出版社，2009，4.4朱明程，李晓滨.PSoC 原理与应用设计M.北京：机械工业出版社，2008，3.5BIT-Automotive Electronics Technical Innovation Center.Theory and Operati
8、on of PsoC EB/OL. 2010-11-17.http:/ JiaoCypress PSoC and DevelopingAdoptingEB/OLNew York：Cypress Semiconductor Corporation，2004(10)200807123http：/wwwcypresscom twec ecjnlarticleView7陈杰华.基于PSoC的智能温控仪的研发D.上海：上海大学，2004，2.8 刘高平，郑子含.基于PSoC的数字温度传感器设计J.实验技术与管理，2007，5：4952.9 张俊霞，李玉丽，徐家品.基于 PSoC 的数字温度传感器控制系统
9、J.中国西部科技2008,7(22).毕业论文文献综述电气工程及自动化基于温度传感器的数据采集系统综述摘要：随着温度数据的采集在各行各业都起着重要的作用 1，温度数据采集系统也需要更加的先进和智能化，以便可以更精确的测出数据，这系统主要包括传感器模块、模拟信号处理模块、A/D 转换模块等。加上计算机和单片机的组合，使得该系统的成本降低，体积减小，功能完善，数据处理能力提高，可靠性也提高。关键词： 数据采集系统；温度传感器；模拟信号处理；A/D 转换引言随着计算机的迅速发展，数据采集系统得到了很大的发展，这种技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业、农业等地方得到了较大的应用。在集成电路计术
10、的不断进步下，数据采集系统用更先进的模块式结构，通过简单的增加和更改模块，并根据系统编译，就可扩大或修改，组成一个新的系统 2。随着科学技术的发展，数据采集系统技术将向着高可靠性，高智能化方向发展，基于高智能化软件和网络，数据采集系统不仅能够进行远程操作与控制而且可以把数据采集结果通过网络显示在世界各地的 WEB 游览器中，实现数据采集的资源共享。在不同的领域里，温度的数据采集起着很重要的作用，在工业环境中，温度数据用于被控对象的控制参数，构成闭环的控制回路，严格精确的采集温度数据，可以保护设备不被损坏；在医疗仪器当中，温度数据的采集可以表征病人的体温或作为参考的重要参数3，在农用上，尤其在新
11、型的大棚种植技术方面，有了温度数据采集，就可以更好的种植。在气象方面，就可以对未来几天的天气做出很好的判断。然而随着电子技术的发展，对温度采集的精确度也越来越高。温度信息的获取传感器的定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常有敏感元件和转化元件组成。所以她是实现测试与自动控制（包括遥控、遥感、遥测）的首要环节 4。传感器是“一切信息的触觉” ，各领域对传感器的需求，因其应用目的的不同而有所变化。在温度数据采集系统中用到的传感器就是温度传感器，温度传感器发展的速度很快，按从温度变化引起物理参量变化可分为:热膨胀式温度传感器、热电式温度传感器、热电阻式温度传感器
12、、PN 结型温度传感器、红外温度传感器、热辐式温度传感器和集成温度传感器 5。在这里主要介绍一种数字温度传感器，给温度数据采集系统带来了全新的概念，由于采集的温度数据直接数字化输出，这样就不必花精力去解决模拟信号的传输、调理、变换过程中引入的误差 6。而数字温度传感器最为典型的就是 DS18B20，由美国 MAXM 公司推出，其内部集成了温度传感器模块、A/D 转换模块以及单线式数据控制模块 7，与其他温度传感器相比有以下特点：（1） 有独特的单线接口方式。DS18B20 在与微处理器连时仅需要一条接口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。（2） DS18B20 在使用中无需任何外
13、围元件。（3） 可用数据线供电，电压范围从 3.0 到 5.5V。（4） 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以接在同一线上，实现多点测温。（5） 可测量的温度范围从-55 。 到+125 。 C，测量精确度 0.5.C。（6） 用户可以设定温度报警门限值，并能长期保存。当检测的温度高于设定的温度，就可以停止加热，当检测的温度低于设定的温度，就会启动加热装置进行加热 8。DS18B20 芯片内部结构框图如图 1图 1 DS18B20 内部结构框图模拟信号的处理模拟信号一般来自于各种传感器的输出，而往往这些信号需要经过进行放大才能再进行 A/D 转换，为保证放大功能的实现，放大电路的质量、
14、温度漂移影响、抗干扰能力、增益稳定以及失调程度等因素具有很重要的作用 9，在某些情况下，要求放大器的增益能控制，对传感器的非线性能进行线性化补偿。此外对于生物电信号的放大以及核电站等噪声背景下的信号放大，考虑到安全因素，还要将传感器与放大电路实现带暖气隔离，需要采用隔离电路 8。模拟信号处理的示意图如图 2图 2 模拟信号处理示意图信号放大的方法有很多，有集成运算放大器，又可分为很多种型号，如 OP07 通用放大器、TLV2221 低耗单运算放大器、TLC254 斩波放大器等 5。还有一种方法就是运放外围电路，按应用的范围又可分为通用运算放大器电路（包括理想运算放大器电路、同相运算放大器电路、
15、反相运算放大电路） ，测量放大电路，滤波放大电路。在为得到更清晰，更精确的信号，往往要进行信号的滤波，因为在测量系统中从传感器拾取的信号，其中包含噪声和许多与被测量无关的信号，所以要通过一定的技术滤掉信号中的多余的频率分量，这使得滤波技术显的非常重要。滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，胆囊管信号与噪声分布在不同频带中时，可以从频率域实现信号与噪声的分离 5。按处理的信号形式的不同，可以分为模拟和数字两大类，而噪声滤波器适用于温度等直流信号的滤波，目的是虑减其中频率较高的信号，这些频率过高的信号往往由于 A/D 转换无法完成而成为失真信号，如果不进行滤波，将会降低测量的精度。模数信号
16、转换电子计算机所处理和传送的都是不连续的数字信号，而实际中遇到的大都是连续变化的模拟量，模拟量经过传感器转换成电信号后，需经模/数转换成数字信号才可输入到数字系统中进行处理和控制，因而 A/D 转换器是现实世界中模拟信号向数字信号转换的桥梁，是电子技术发展的关键所在 2。广泛的用于多媒体、通信、自动化、仪器仪表等领域，对不同的领域，A/D 转换器都有相应的优化设计方案，数据的采集和智能仪器中，常采用传统方式的 A/D 转换器，如逐次逼近型、积分型、压频变换型等。在选用 A/D 转换器时，不仅要考虑应用的精度、速度等因素，还要看输入信号的形式、输如信号的范围等 9。它基本的工作原理如图 3。图
17、3 A/D 转换原理示意图A/D 转换器的主要发展趋势是单片集成以硅为主导发展技术，并加速以硅为基础的异质结技术的发展；混合和模块的集成 A/D 转换器是军事和航天系统的主导产品，将和硅芯片技术并行发展，因此低电源、低功耗、高速、高精度的 A/D 转换器将主导发展产品，并将在农用电子系统中显示重要地位。总结主要根据温度数据采集系统的的应用前景和该系统的组成模块作简要的介绍，随着传感器等向着智能化发展，A/D 转换器向着低电源、低能耗、高速、高精度发展，数据采集系统定将向着新的方向发展，向着网络化，智能化发展 10。参考文献1刘高平，郑子含.基于 psoc 的数字温度传感器设计J,浙江万里学院，
18、EDA 重点试验室， 2007,5:49-52.2李念强，魏长智，潘建军，张羽.数据采集技术与系统设计M.机械工业出版社，2009.2.3彭永供，杨若波.3 种温度数据采集系统的设计与选型J，南昌大学 信息工程学院， 2009,28:108-112.4张洪润主编，傅谨新，吕泉，张亚凡副主编.传感器技术大全M.北京航空航天大学出版社 2007.10.5李希文，赵健，李志奇，白小平.传感器与信号调理技术M.西安电子科技大学出版社2008.12.6 RUAN Ju-an，ZENG Qing，Zi-xiong， LING Wei-yuan. high-sensitivity temperature s
19、ensor Based on long-period fiber grating.J. Optoelectronics Letters.2008.7柴锁柱，金顺利.基于 DS18B20 的温湿度采集系统设计J,南京工业职业技术学院 计算机与软件学院.2010-9. 3:104-105.8张萌，和湘，姜斌.单片机应用系统开发M.北京.清华大学出版社 20077.79王力虎，李红波.PC 控制及接口程序设计实例M.北京.科学出版社 2004.10 Berger ,J.mojarradi,M.peltz. Miniaturized Date Acquisition System For Extreme Temperature EnvironmentsJ.Aerospace Conference 2008IEEE 10:1-12. 毕业设计（20_ _届）家用电热水器控制系统的设计摘 要本文主要介绍基于 PSoC 单片机实现家用电热水器的控制系统，分别概述了家用电热水器的功能，工作原理和结构组成，并通过主控制模块 PSoC 单片
