1、 本科 毕业设计 快热式电热水器的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 随着生活节奏的加快，人们越来越需要快捷方便的生活方式。 热水器已经成为日常生活中不可缺少的家用电器，设计制造更实用、更安全、更方便、更节能的热水器是 产品设计师和生产商家不断追求的目标。 本文即是对一个快热式电热水器的设计与研究，通过了解现有快热式电热水器的工作方式和功能作用，我们认识了电热水器内部的电路组成，分析了其实现控制功能的原理。这也为制作与完善一个快热式电热水器提供了实际有效的设计方法。 电热水器是由主电路、触发电路、电热元件、整流稳压电路、单片
2、机电路、温控显示电路及继电器控制电路等组成。单片机的软件设计要解决好温度数字转换、超温控制和水流开关信号的编程控制。由于冷水瞬间加热所需功率较大，安全性能要求高。故本电热水器控制电路的设计需考虑漏电保护、 超温控制、停水断电等有关人身安全和设备保护方面的诸多因素。 在快热式电热水器中，电热丝的加热功率由双向可控硅来控制，单片机通过光耦给可控硅触发信号，控制可控硅的导通角，从而可以控制电热丝的有效加热功率。为了能在关机和超温保护的状态下地关断加热电源，设计了继电器来控制加热电源。其中串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，防止加热管干烧。与电热丝并联
3、的 LED 发光管用来指示电热丝的工作状态，从而体现安全与保护。 单片机在快热式电热水器中发挥着重要的角色。本设计即是基于单 片机的快热式电热水器控制器的实验装置。 关键词： 单片机；电路；控制 II Abstract With the accelerating pace of life, people are more and more need quick and convenient way of life. Water heater has become indispensable to the daily life of household electrical appliances
4、， Design and manufacture more practical and more convenient, safer, more energy-saving water heater is product designers and production merchants to continuously pursue goal. This article is to a KuaiReShi electric water heater is the design and research. By understanding the existing Tankless elect
5、ric water heater way of working and functions, we met electric water heater internal circuitry, analyzes the implementation of the principle of controlling function. This also for production and perfect a Tankless electric water heater provides actual effective design method. Electric water heater i
6、s by the main circuit, trigger circuit, electric heating element, rectifier voltage circuit, SCM circuit, temperature display circuit and relay control circuit etc. MCU software design to solve good temperature digital conversion and overtemperature control and water flow switch signals programming
7、control. Due to cold water needed larger transient heating power, safety performance is high requirements. So the design of the control circuit of electric water heater leakage protection should be considered, the temperature control, water supply power outages and other relevant safety equipment in
8、 the protection of many factors. In Tankless electric water heater, resistanse wire by the heating power to control, microcontroller bidirectional thyristor controlled by light-coupler to triggered signals, control the conduction angles are controlled, which can control the resistanse wire effective
9、 heating power. In order to succeed in the shutdown and overtemperature protection shimoji shutoff heating power state, design the relay to control heating power. One of the series in relays coil loop of 105 melt wire for thermal fuse, when temperature is more than 105 , thermal fuse will fuse, prev
10、ent heat tube dry heating. In parallel with resistanse wire the LED to indicate resistanse wire work state of work, so as to express security and protection. Tankless microcomputer in electric water heater plays an important role. This design that is based on single chip Tankless electric water heat
11、er controller experiment device. Keywords: singlechip; electrocircuit; control III 目 录 前言 . 1 第 1 章 绪论 . 2 1.1 快热式电热水器的研究动态和发展趋势 . 2 1.2 本设计研究的内容与所做的工作 . 3 第 2 章 快热式电热水器设计背景 . 4 2.1 热水器的分类 . 4 2.2 快热式电热水的工作原理 . 4 2.3 单片机的概述 . 4 2.3.1 单片机的应用 . 5 2.3.2 单片机的发展概况 . 6 第 3 章 硬件电路的设计 . 7 3.1 快热式电热水器系统组成框图
12、. 7 3.2 元件选择 . 7 3.2.1 AT89C51 单片机 . 7 3.2.2 12MHz 的晶振 . 10 3.2.3 双向可控硅 . 10 3.2.4 其他元件简介 . 10 3.3 温度传感器及放大电路设计 .11 3.4 过零检测电路图的设计 . 12 3.5 加热控制驱动电路的设计 . 13 3.6 显示电路的 设计 . 14 第 4 章 软件的设计 . 16 4.1 主函数 . 16 4.2 显示扫描函数 . 16 4.3 按键扫描处理子函数 . 17 4.4 加热控制函数 . 18 4.5 温度检测函数 . 21 小结 . 23 IV 致谢 . 错误 !未定义书签。 参
13、考文献 . 24 附录 1 单片机程序 . 25 附录 2 快热式家用电热水器控制电路图 . 33 1 前言 自 70 年代初的第一台“玉环牌”热水器在南京诞生以来，我们热水器行业从无到有，从有到优，已经经历了将近 40 年的发展时间，中国热水器行业正蓬勃的发展起来，在国民经济中占据了举足轻重的地位。刚开始，从国外引进和购买样品来仿制，这种热水器是原始的电阻加热技术，把发热丝浸泡在水中来进行加热的。由于它的安全技术 ， 1979-1996 年期间，引发了许多恶性的因漏电造成的人体伤害的安全事故，从而导致电热水器市场一时陷入黑暗的深渊。随着科学进一步的创新，技术的进步，新一代的安全技术措施推出，
14、即是用电子测试的方法测试漏电保护。随后，第二代、第三代安全技术装置的推出，都进一步提升了热水器的安全等级。到了 2002 年市场出现第四代安全技术，即是“防电墙技术”，这对电热水器的漏电问题进行了进一步的处理，尽量的减少对人体的危害。 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 师和生产商家不断追求的目标。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，不需预热，减少了电能浪费，另外还具有体积小、使用安全、安装方便等优点。 任何一种产品的上市，都希望在市场中有着顽强长久的生命力。当今科学技术日新月异，新的产品
15、要在这个时代背景下走的更远，创新成为至关重要的因素。随着节能观念的深入，节能、高效、安全则成为热水器不断创新的根本立足点。目前市场上 主流热水器在保证产品安全性能的基础上，积极响应国家相关政策，提升产品能效水平，随着与新能源结合产品的出现，热水器行业将走向 安全与节能并重，技术多元化发展的道路。 纵观近几十年， 燃气热水器因 为 安全隐患及石油价格上涨导致越来越高的使用成本正逐失去主导热水器市场的霸主地位；而太阳能热水器也因其受天气及安装条件 的 影响而很难占有更大市场份额；目前占主流的储水式电热水器体庞大、预热时间长、热散失导致热效率低下、热水储水量有限，已不适用现代生活的要求。 快 热式电
16、热水器以其加热快速、小巧美观、方便节能、安全可靠等特点，真正代表着热水器行业的发展方向 。快热式电热水器 市场将迎来空前暴涨的良机 ，快 热式电热水器将成为中国热水器的主流产品。 2 第 1 章 绪论 1.1 快热式电热水器的研究动态和发展趋势 当前，热水器已成为日常生活中不可缺少的家用电器，根据水流方式的不同，电热水器分为储水式和即热式 (快速式 )两种类型。储水式电热水器的优点是不必分室安装、不会产生有害气体、调温方便。但是储水式热水器在使用前需要预热，一次使用的量有限。同时，储水式热水器的体积较大、点用空间较多，形粗笨不够美观、预热时间太长、耗能高等因素，不太适合卫生间面积小的家庭使用。
17、所以现在普遍使用的储水式电热水器让消费者难以青睐。 为了克服传统储水式电热水器加热慢、效率低的缺点， 快热式电热水器应运而生，成为当前电热水器家族的新秀。顾名思义，快热式电热水器就是利用电热管、电热棒、玻璃管或塑料管加热，即开即热，无需预热和保温。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，不需预热，减少了电能浪费，另外还具有体积小、使用安全、安装方便等优点。从安全性方面看，即热式电热水器采用非金属加热体、水电隔离技术、漏电保护装置、接地保护等基本措施，使用安全系数比较高。而在体积上由于没了水箱部分，外形可以设计得小巧精致，比较适合在小空间使用。通过新加热材料的应用
18、实现快速加热水 ，通过单片机的应用实现全自动控制。快热式电热水器以其快速、小巧、安全、节能、环保等诸多特性适合了现代人们快节奏的生活需要，不受洗浴时间和人数影响，提高了人们的生活质量。 热水器，以其较强的实用性，受到广大城乡居民的喜爱，已经大量地进入千家万户。 自 70 年代初第一台“玉环牌”热水器在南京诞生以来，我们热水器行业从无到有，从有到优，已经经历了近 40 年发展时间，中国热水器行业正蓬勃的发展起来，在国民经济中占据了举足轻重的地位。刚开始，从国外引进和购买样品来仿制，这种热水器是原始的电阻加热技术，把发热丝浸泡在水中来 进行加热的。由于它的安全技术， 1979-1996 年期间，引
19、发了许多恶性的因漏电造成的人体伤害的安全事故，从而导致电热水器市场一时陷入黑暗的深渊。随着科学进一步的创新，技术的进步，新一代的安全技术措施推出，即是用电子测试的方法测试漏电保护。随后，第二代、第三代安全技术装置的推出，都进一步提升了热水器的安全等级。到了 2002 年市场出现第四代安全技术 “防电墙技术”，对电热水器的漏电问题进行了进一步的处理，尽量的减少对人体的危害。2006 年，是电热水器的一个里程碑，在这一年的中国国际家电展上，快热式电热水器展品数 量最多，越来越受到广大消费者的追捧和业内外人士的关注。快热式电热水器以其小巧的体积，比储水式电热水器更快的加热速度，容易安装，比燃气热水器
20、更加的安全等优势，逐步为大家所接受。一些新技术在快热式电热水器上得到了应用。 纵观近几十年， 燃气热水器因 为 安全隐患及石油价格上涨导致越来越高的使用成本正逐失去主导热水器市场的霸主地位；而太阳能热水器也因其受天气及安装条件 的 影响而很难占有更大市场份额；目前占主流的储水式电热水器体庞大、预热时间长、热散失导致热效率低下、热水储水量有限，已不适用现代生活的要求。 快 热式电热水器以 其加热快速、小巧美观、方便节能、安全可靠等特点，真正代表着热水器行业的发展方向 。 快热式电热水器 市场将迎来空前暴涨的良机 ，3 快 热式电热水器将成为中国热水器的主流产品。 伴随着市场不断提出的新要求，结合
21、着社会和科学技术的不断发展， 未来的热水器行业， 将走向与新能源结合的发展道路，更加的环保，更加的安全，给人类的日常生活带来更多的方便。 1.2 本设计研究的内容与所做的工作 本系统主要分为五个模块：单片机应用系统模块，该模块是整个系统的核心；温度检测模块，该模块采用热敏电阻，用于检测水温；加热控制模块，该模块在单片 机控制下利用电热丝来加热水；按键模块，该模块通过程序对键盘的循环扫描及时响应按键操作； LED 显示和蜂呜报警模块，该模块采用两个八段式共阴极数码管显示温度信息。本设计所需要达到的要求： （一） 每小时 200 升的水流量，能把水温提高 35 度。 （二） 恒温控制，加热功率自动
22、调节。 （三） 可以显示、调节出水温度。 （四） 有停水、超温保护功能。 4 第 2 章 快热式电热水器设计背景 2.1 热水器的分类 热水器按照原理不同可分为电热水器、燃气热水器、太阳能热水器三种。 电热水器分为储水式和即热式又称快速式电热水器。电热水器的特点是使用方便、 节能环保，能持续供应热水。 燃气热水器，按使用燃气的种类分为：人工煤气热水器、天然气热水器、液化石油气热水器； 按控制方式可分为：前制式热水器和后制式热水器；按给排气方式分为：直排式、烟道式、强制排气式、平衡式、强制给排气式；按安装位置可分为：室内安装式和室外安装式。 太阳能热水器是采用真空集热管组装的热水器，有光照便能产
23、生热水，可广泛用于家庭及工业用热水。 本论文则是快热式电热水器的设计。 2.2 快热式电热水的工作原理 快热式电热水器又称为快速或即热式电热水器，快热式电热水器的基本特点是：冷水过 热水出，一开水龙头，只要几秒钟内即能源源不断地供给热水，不用热水时，关上水龙头即可。 按加热形式不同，快热式电热水器可分为下列三种： 裸露电热丝加热式电热水器； 电热膜加热式电热水器； 电热管加热式电热水器。 快热式电热水器的加热器是设在一个槽框内，该槽框不能承受过高的水压，同时槽框的左右侧极和电热丝引入的两个极点，如果长期受到水压作用会损坏，所以，快热式电热水器不能做成后制式，而要做成前制式。另外，为了保证快热式
24、电热水器的安全使用，不发生无水干烧的情况，一般在冷水进口处安装有以水流为信号的 压力传感激动开关，压力传感激动开关的膜片所承受压力的能力有限，并且不能长时间承受压力，所以快热式电热水器一般都做成前制式。 典型的快热式电热水器主要由 单片机、报警电路、加热控制电路、过零检测电路和温度检测电路组成。 快热式电热水器是采用直接传导的加热方式进行工作的，由于电热元件置于槽板的槽中，所以当冷水流经槽中时便能直接流经电热元件表面而被加热。又因水槽似蛇形，所以进水口流入的冷水是逐步被加热的，在出水口处便可得到温度较高的热水。 2.3 单片机的概述 单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是 把 CP
25、U、存储器、定时器和多种输入 /输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言，一块单片机芯片即5 是一台计算机。 单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址， CPU 通过它们将地址输出到存储器或 I/O 接口；数据总线的作用是在 CPU 与存储器或 I/O 接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括 CPU 发出的控制信号线和外部送入 CPU 的应答信号线等 . 由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工 艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展
26、。单片机主要发如下特点： 一、有优异的性能价格比。 二、集成度高、体积小、有很高的可靠性。 单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。 三、控制功能强。 为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、 I/O 口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。 四、低功耗、低电压，便于生产便携式产品 。 五、单片机系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。 2.3.1 单片机的应用
27、由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面： 一、单片机在智能仪表中的应用 单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，同时可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性价比。 二、单片机在机电一体化中的应用 机电一体化是械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术 、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。 三、单片机在实时控制中的应用 单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。 四、单片机在分布式多机系统中的应用 在比较复杂的系统中，常采用 分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。
