1、快热式电热水器的设计湖南工业职业技术学院课题实践开题报告书电气工程系电气自动化技术专业学生姓名班级电气S20088学号24课题名称快热式家用电热水器课题准备情况通过上网和图书馆查阅资料，参考电子工业出版社出版、彭为编写的单片机典型系统设计，北京航空航天大学出版社出版、楼然苗编写的单片机工程实训指导，中国电力出版社、吴国经编写单片机应用技术，电子工业出版社、戴佳编写的51单片机C语言应用程序设计实例精讲，清华大学出版社、朱清慧编写的PROTEUS教程等资料，并与指导老师和同学的共同讨论，我初步了解了本课题单片机技术、模糊控制理论、PID控制、传感器技术、C语言编程等相关知识。思路和方法运用单片机
2、技术、PID控制、LED数码显示等技术、传感器技术等技术，硬件采用ATMEL单片机AT89S52、LED数码显示管、温度传感器、热敏传感器等技术，软件利用PROTEL99绘制原理图，并利用C语言书写程序，使整个系统实现自动加热、温度检测、按键输入、LED数码管及指示灯显示、报警和调功率档控制等功能。拟重点解决的问题本系统采用ATMEL单片机AT89S52作为核心部件，需克服PID控制方式中存在的进入恒温状态所需时间长、控制精度低、PID参数设置方法复杂的问题，以及如何防止内胆干烧、如何实现温度检测、如何编写控制程序等问题。计划进度暑假根据课题要求，查阅相关资料、参考书，进一步加深对课题实践课题
3、的理解和认识；完成开题报告，并写出课题实践的摘要及目录；第17周根据课题要求，设计硬件电路，并写出工作原理；设计软件流程及编写程序，并对程序进行注释；第18周进行硬件及软件安装、调试及软硬件联调；第19周课题资料的整理、修改、完善、装订，并参加答辩。指导教师意见签名年月日快热式电热水器的设计快热式家用电热水器的设计摘要热水器已成为日常生活中不可缺少的家用电器，设计制造更实用、更方便、更安全、更节能的热水器是产品设计师和生产厂家不断追求的目标。快热式电热水器与普通电热水器最大的区别在于它取消了储水罐，热水随开随用，无须预热，减少了电能浪费。另外，它还具有体积小，使用安全，安装方便等优点。本设计要
4、求用2位数码管显示出水温度和功率档位，设置3个按键分别为电源开关键、档位上调和下调键，出水温度超过65时停止加热，并蜂鸣报警，温度降低到45以下时恢复加热。内胆温度超过105时停止加热，防止干烧。本文首先介绍了系统的总体组成，硬件中先描述了整体结构和各模块的相互关系。对于较新的可编程芯片又进一步介绍了其内部结构及外部特征。本软件采用模块化设计。在主程序模块下分成若干彼此独立的分模块，在各模块适当位置设置软件陷阱，进行冗余设计，在信号采集与处理程序中采用多种数字滤波的方法，以消除随机的尖脉冲千扰。本系统可以实现对热水器水温的实时控制，程序的可移植性强，有很好的推广、应用价值。性能达到目前国内的同
5、类设备水平，且价格低廉。关键字51系列单片机控制，LED数码显示，单片机，温度传感器，热敏传感器快热式电热水器的设计1目录第一章热水器功能介绍211功能要求2第二章方案论证3第三章系统硬件电路的设计531加热控制电路532温度检测电路633键盘与显示电路734核心部件单片机835整流和稳压电路836报警电路9第四章系统程序的设计1041主程序1042显示扫描子程序1043按键扫描处理子程序1344加热控制程序1345温度检测程序16第五章调试及性能分析20第六章系统的抗干扰措施2161系统干扰的来源2162硬件方面的抗干扰措施2163软件方面的抗干扰措施22631数字滤波消除数据采集误差226
6、32利用“看门狗”技术来实现PC的快恢复22633指令冗余22心得与总结24参考文献25附录一快热式电热水器硬件原理图26附录二程序27快热式电热水器的设计2第一章热水器功能介绍11功能要求当前，热水器已成为日常生活中不可缺少的家用电器，设计制造更实用更方便更安全更节能的热水器是产品设计师和生产厂家不断追求的目标。快热式电热水器与普通电热水器最大的区别在与它取消了储水罐，热水随开随用，无需预热，减少了电能浪费。另外，它还具有体积小，使用安全，安装方便等优点。其设计要求如下温度检测显示范围为0099，精确度为1。设置3个功率档位指示灯，14档1个灯亮，58档2个灯亮，9档3个灯全亮。0档无功率输
7、出，档位灯不亮。设置3个轻触按钮，分别为电源开关键、“”键和“”键。加热功率分09档，按“”键依次递增至9档，按“”键依次递减至0。09档功率依次为019P、29P、39P、49P、59P、69P、79P、89P、和P。出水温度超过65时停止加热，并蜂鸣报警，温度降到45以下时恢复。内胆温度超过105时停止加热，防止干烧。快热式电热水器的设计3第二章方案论证按快热式电热水器的功能要求，决定采用如图21所示的模块组成系统，主要包括电源电路、单片机控制器、温度检测电路、按键输入电路、LED数码管及指示灯电路、报警电路和加热控制电路。图21快热式电热水器系统组成框快热式电热水器为了达到“快热”的效果
8、，取消了储水罐，使冷水在进入加热管有较大的功率。家用电热水器一般采用方便、可靠的电热丝加热方法。根据热学及流体力学原理，结合实际实验室测试，可以得到水温与流量、加热功率之间的关系如表11所例。表11中所列水温值和流量值可以满足大多数家庭用户使用要求。当最大的加热功率为75KW时，按220V供电计算，电流约为34A，所示要求专线供电。水流量/L/MIN温度/202533540454742363432555448413835656254464238757060514641对于加热功率的控制，最简单的方法是由若干不同功率的电热丝组合得到几种加热功温度检测加热控制蜂鸣报警按键按钮LED显示电源单片机表
9、11水温与流量、加热功率的要求快热式电热水器的设计4率，但由于快热式热水器的加热功率较普遍的大，且档位设置较多，用电热丝组合的方法需要几组电热丝和蓄电器，成本增高且工作可靠性降低，所以比较理想的是采用可控硅控制功率，电路简单又控制方便。温度检测的方法较多，最经典的方法就是用热敏电阻（或热敏传感器）组成电桥来采集信号，再经放大、A/D转换后送单片机。目前比较先进的方法是采用专门的集成测温传感器（如DS18B20），直接将温度转换成数字信号传送给单片机。为了简化电路，降低成本，本文采用了温度/频率转换测温法，直接将温度信息转换成频率信号，用单片机测出频率大小，从而间接测出温度值，温度/频率转换电路
10、简单可靠，成本低廉。快热式电热水器的设计5第三章系统硬件电路的设计快热式热水器控制系统电路（附录一）是由7部分电路组成单片机系统及外围电路、电源电路、按键输入电路、LED数码管及指示灯电路、报警电路、加热控制电路和温度检测电路。控制器采用成本低廉且工作可靠的AT89S52单片机和12MHZ的晶振。AT89S52对电源要求不甚严格，电源电路采用普通的市电降压整流，然后经集成稳压器7805稳压输出5V电压。按键采用轻触小按钮。显示电路采用两位共阳数码管，由两个三极9012驱动。3个LED指示灯用于指示加热功率。报警电路采用3V的自鸣器。31加热控制电路图31所示为加热加热控制电路原理图，电热丝的加
11、热功率由双向可控控制，单片机遇光耦给可控硅触发信号，控制可控硅的导通角，从而控制电热丝的有效加热功率。为了在和超温保护的状态下能可靠的关断加热电源，电路中加入了蓄电器来控制加热电源。其中联在继电器线圈回路的熔丝为105的热保险丝，当温度超过105时，热保险丝会熔断阻止加热管干烧。于电热丝并联的LED发光管用来指示电热丝的工作状态。图31加热控制电路图可控硅触发信号中需要对市电进行过零检测的，电路如图32所示。R7510R82KR2220KR2347KR25HEATERQ6BTA41U5MOC3032220VD6IN4007Q59012F1FUSELED1K1P16P175V5V快热式电热水器的
12、设计6图32过零检测电路图32温度检测电路温度检测电路如图33所示，温度/频率变换电路中利用反相器组成RC振荡器，其中的R24是一个电敏电阻，当温度变化时引起热敏电阻的阻值变化，从而改变了振荡器输出的方波频率。该频率的估算可用如下公式F11RC图33温度检测电路图T1220/9V220V1234D2D51N4007X4R110KR21MR310KQ18050U3D74LS04INT15V12U3A74LS0434U3B74LS0456U3C74LS04C105UFR4100R241KINT0快热式电热水器的设计733键盘与显示电路键盘接口电路（图34）由按键SB1SB3组成，这3个按键分别接到
13、单片机的输入引脚P12,P13和PL4,按键SB1作为整个控制系统的启/停键，按键SB2、SB3作为设定键，用于设置温度的增减。当按键未按下时，相应的输入引脚上只能检测到高电平。而当按键按下时，相应的引脚上便会检测到低电平。因此，通过软件检测输入引脚上的电平值，便可检测到是否有按键按下。显示接口电路（图35）由2个LED7段数码显示管、2个三极管和限流电阻组成。在软件上采用动态轮流扫描方式，来控制数码管的显示。单片机的输出端口P0口通过限流电阻与数码管的阴极相连，用于控制7段数码管的字形显示。单片机的输出引脚P20和P21分别通过限流电阻和三极管与数码管的阳极相连，用于向它们提供选通信号。当端
14、口输出低电平时，相应的三极管导通，从而使相应的7段数码管选通。当端口输出高电平时，相应的三极管截止，从而使相应的7段数码管关闭。图34键盘接口电路图35显示电路图SB3SB1SB2VCCABFCGDEDPY1234567ABCDEFG8DPDPDS1ABFCGDEDPY1234567ABCDEFG8DPDPDS2Q2Q3R111KR121KR131KR141KR151KLED1LED2LED35VP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P25P26P27RSTXTAL1XTAL2INT1P10P11P12P13P14P15P16P17WRRDR3R101K快热式电热水器的设
15、计834核心部件单片机系统采用ATMEL公司生产的单片机AT89S52作为模糊处理的核心，该芯片是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBYTESISPINSYSTEMPROGRAMMABLE的可反复图36单片机复位与晶振电路擦写1000次的FLASH只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFLASH存储单元。AT89S52具有如下特点40个引脚，8KBYTESFLASH片内程序存储器，256BYTES的随机存取数据存储器RAM,32个外部双向输入了输出V0口，5个中断
16、优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗WDT电路，片内时钟振荡器。其晶振电路与复位电路如图36所示由于需要对芯片的供电电压VDD随时进行检测，一旦发现VDD电压下降到一个门槛值时就使芯片复位以免系统失控，采样如图317所示的复位电路。其门槛值计算如下U0737VZVV35整流和稳压电路在本控制器中使用了三种电源，它们分别是系统电源5V,测温放大电路中UA741的供电电源和PWM输出电源12V。EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178
17、P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10C122PC222P6000MHZR110KR21KD1Q15V快热式电热水器的设计9采用如图37所示的稳压电路。图37整流与稳压电路36报警电路报警电路如图38所示图38报警电路C5C4C6VIN1GND2VOUT3VOLTREGVIN1GND2VOUT3VOLTREGT1C9C81234D512V5V2200UF01UF01UF01UF100UFAC220VC7C11C1201UF220
18、0UF快热式电热水器的设计10第四章系统程序的设计按快热式热水器的功能，系统程序必须实现显示扫描、按键扫描处理、加热控制和温度检测（包括超温报警）4项任务。51系列单片机实现多任务运行的方法就是分时复用，在程序设计时更要相应地分配好各任务的CPU占用时间。对于以上几个任务稍加分析可以看出，显示扫描、按键扫描和加热控制任务相对而言有实时要求，而温度检测任务则可用定时（051S）实现。41主程序系统在上电复位后，先对温度寄存器、档位寄存器赋默认值，并进行清除超温标志，设置定时器及中断系统的工作方式等初始化工作，图41所示为主程序流程图。由于51系列单片机没有停机指令，所以可以利用主程序设置死循环反
19、复运行各个任务。把有实时要求的子程序（显示扫描、按键扫描、加热控制）放在最内层的循环中，计算其运行一次占用的CPU时间，然后根据温度检测定时的间隔时间，计算出该循环的循环次数。本例中每运行一次有实时要求的子程序（即显示扫描、按键扫描、加热控制）约占用5MSCPU时间，运行测温程序的时间间隔为05S，那么循环次数应为100次。42显示扫描子程序显示扫描子程序完成两位共阳数码管的扫描显示任务。图42所示为显示扫描子程序流程图。快热式电热水器的设计11图41主程序流程图开始系统初始化I1按下扫描若有键按下，I6显示扫描加热控制温度检测刷新显示温度完成100次循环I0快热式电热水器的设计12图42显示
20、扫描子程序流程图赋位选初值清除位选送显示段码选通并延时2MS改变位选字消隐开始结束完成2位扫描快热式电热水器的设计1343按键扫描处理子程序按键扫描子程序负责逐个扫描档位“”键、档位“”键和开关键是否被按下，若有键下，则作出相应处理。图43所示为按键扫描子程序流程图。图43按键扫描子程序流程图44加热控制程序加热控制程序根据用户设定的加热档位和当前的状态，决定是否加热和控制加热功率并点亮相应的指示灯。若有超温标志，还应打开蜂鸣器报警。图44所示为加热控制程序发按键音、消抖加热键位加1返回值1加热档位减1返回值2关机，停止输出等待开关键再次按下开机，恢复工作返回值0开始结束键按下开关键按下键按下
21、发按键音、消抖发按键音、消抖快热式电热水器的设计14流程图。图44加热控制程序流程图断开继电器关闭可控硅蜂鸣报警关闭蜂鸣器接通继电器不加热指示灯不亮外中断控制加热1指示灯亮外中断控制加热1、2灯亮全功率加热指示灯全亮有超温标志加热档位开始结束快热式电热水器的设计15加热控制程序通过控制继电器的通断来决定是否给电热丝通电加热，而加热的功率由双向可控硅的导通角决定。系统程序利用外中断INT1检测市电的过零点，检测到过零立即根据设定的加热档位给定时器T1赋一个延时参数，并打开定时器T1，允许其中断。定时器T1计满溢出后触发中断，T1中断程序就会给可控硅发一个触发信号，使其导通。图46所示分别为过零检
22、测程序流程图和可控硅触发信号控制程序流程图。图45过零检测程序流程图根据设定档位给定时间器T1赋延时参数允许定时器T1中断打开定时器T1开始结束快热式电热水器的设计16图46可控硅触发信号控制程序流程图45温度检测程序温度检测程序的基本原理就是将温度/频率转换电路测得的频率与事先建立好的温度/频率表进行比较，查找出与该频率相应的温度值。在实验测试后建立的温度/频率表式0100温度所对应的频率值。它是一个频率对应于温度递减的非线性函数，在C语言中用一个一维组TAB101表示，下标为温度,数组元素为频率值。计算温度的方法采用高效、准确的二分法查表，查表的过程如下先给定查找的温度最大值TMAX和最小
23、值TMIN，即确定查找的范围，根据已有的温度表默认最大值TMAX100,最小值TMIN0。关闭定时器T1中断终止定时器运行输出可控硅导通信号延时，保证导通信号有足够的宽度开始结束结束可控硅导通信号快热式电热水器的设计17假定测得温度TEMP为最大值与最小值的中间值，即TEMPTMAXTMIN/2。将实际测得的频率值T0RIG与假定温度TEMP在表格中对应的频率TABTEMP相比较，如果相等，那么假定温度就是当前实际温度，即完成查找。若T0RIGTABTEMP,说明实际温度应该在TMIN与TMEP之间（因为递减函数特性），则修改查找范围，令TMAXTEMP同理，若T0RIG1,则重复第、步骤、直
24、到完成查找。温度检测程序完成温度计算后，便刷新系统当前温度寄存器，并判断有无超温、置位或清除相应的标志位。图47所示为温度检测程序流程图。快热式电热水器的设计18图47温度检测程序流程图单片机使用中断INT0和计时器T0检测输入频率的大小。为了减少测量的系统误差相对值和随机误差对测量精度的影响，程序中取100个方波周期的和作为测量结果。程序中使用静态变量PX0COUNT进行外中断的计数，在测量开始时，给PX0COUNT赋值2是为了让频率测量有准确的起点。另外，为了区分测频的开始和结束，还使用了测频开始标志位T0TST和测频完成标志等待测试完成打开测频外中断TEMP（TMINTMAX）/2TMI
25、N0TMAX100TEMPTMAXTEMPTMINTMAXTEMPTMINTEMP置位超温标志清除超温标志结束开始刷新当前寄存器T0RIGTAB【TEMP】TEMP65TEMPINCLUDEINCLUDEVOIDDELAYUNSIGNEDINT/延时函数VOIDDISPLAYVOID/显示函数UNSIGNEDCHARKEYSCANVOID/按键扫描处理函数VOIDHEATCTRLVOID/加热控制函数VOIDTEMPTESTVOID/测温函数SBITSWKEYP10/开关键SBITUPKEYP11/加热档位“”键SBITDOWNKEYP12/加热档位“”键SBITBUZZP105/蜂鸣器输出端
26、SBITTRIACP16/可控硅触发信号输出端SBITRELAYP17/继电器控制信号输出端SBITLED1P25/加热档位指示灯1SBITLED2P26/加热档位指示灯2SBITLED3P27/加热档位指示灯3SIGNEDCHARDATACTEMP/当前测得水温寄存器UNSIGNEDCHARDATADISPRAM20X10,0X10/显示区缓存UNSIGNEDCHARDATAHEATPOWER,PX0COUNT/加热档位寄存器、外中断0计数器BITTEMPOV,T0TST,TESTOK/超温标志、测温开始标志、测温完成标志快热式电热水器的设计28/主函数VOIDMAINVOID无参数，无返回
27、值循环调用显示、键扫描、温度检测、加热控制函数/VOIDMAINVOIDUNSIGNEDCHARI,JCTEMP15/初始化水温寄存器HEATPOWER5/初始化加热档位为5当TEMPOV0/清除超温标志SWKEY0/默认开关键被按下，进入待机状态TMOD0X11/设定T0和T1工作方式为16位定时器TCON0X05/设置外中断0和1为下降沿触发IP0X01/设置外中断0优先IE0X80/打开总中断WHILE1I1DOFORJ0J0HEATPOWER/档位减一DISPRAM00DISPRAM1HEATPOWER/显示当前档位WHILEDOWNKEY0DISPLAY/等待键释放RETURN2/返
28、回有键按下ELSEIFSWKEY0/开关键BUZZ0/打开蜂鸣器（发出按键音）FORI0ITEMPTABTEMPTEMPMAXTEMP/若实际值大于假定值，减小查找范围的最大值ELSETEMPMINTEMP/若实际值小于假定值，增大查找范围的最小值IFTEMPMAXTEMPMIN2T0RIGTEMPTEMPMAX/接近最大值取最大值ELSETEMPTEMPMIN/接近最小值取最小值BREAK/结束查找CTEMPTEMP/刷新当前温度寄存器IFTEMP65TEMPOV1/如果温度超过65度置位超温标志ELSEIFTEMP45TEMPOV0/当温度回落到45度以下时清除超温标志/测温频率测试函数V
29、OIDTEMPFREQUENCYVOID使用外部X0中断，寄存器组1测出温度频率转换电路的频率/VOIDTEMPFREQUENCYVOIDINTERRUPT0USING1IFPX0COUNTRETURN/找齐起点或计数IFT0TST/如果是起点T0TST0/清除测频开始标志PX0COUNT100/取100个方波为一次测频TH00TL00/清除计时器T0快热式电热水器的设计36TR01/开始计时ELSE/如果是终点TR00/停止计时EX00/停止测频外中断TESTOK1/置位测频完成标志/加热控制过检测函数VOIDPASS0VOID使用外部X1中断，寄存器组2检测过点，给定时器T1赋初值/VOI
30、DPASS0VOIDINTERRUPT2USING2UNSIGNEDCHARCODEPOWERTAB0XD8,0XF0,0XE2,0X63,0XE5,0X25,0XE8,0X3E,0XEB,0X16,0XED,0XDA,0XF0,0XB2,0XF3,0XCB,0XF7,0X8D,0XF7,0X8D/10个功率档位的可控硅导通角延时参数表TH1POWERTAB2HEATPOWER1TL1POWERTAB2HEATPOWER1/市电过零后，根据当前设置的档位给定时器T1赋延时参数ET11/允许定时器T1中断TR11/打开定时器T1/可控硅触发信号控制函数VOIDTRIACCTRLVOID使用定时器T1中断，寄存器组3快热式电热水器的设计37向可控硅送出触发信号/VOIDTRIACCTRLVOIDINTERRUPT3USING3REGISTERUNSIGNEDCHARITRIAC0/输出可控硅导通信号ET10/关闭定时器T1中断TR10/终止定时器运行FORI0I2I/延时，保证导通信号有足够的宽度TRIAC1/完成可控硅导通信号
