1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 家用电热水器控制系统的设计 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 - 1 - 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 单片机来实现电热水器的整个工作。该电热水器的主要组成装置有温度传感，水位传感，液晶显示，上水阀门，加热开关，控制信号开关， PSoC 单片机。 该系统硬件部分是以 PSoC 单片机为核心装置，根据系统要求设计合理的 I/O接口，所需的 Flash 和 SRAM 空间大小等参数
2、。对温度控制和水位控制的方法进行刷选，最终确定实现方案。 系统的软件部分是用 C 语言编写的，最后对该系统的性能进行测试和分析，完成电热水器的温度和水位控制，并且温度和水位以数字的形式在显示器上显示。最终完成论文的编写。 关键词 ： PSoC 单 片机；控 制模块 - 2 - Abstract This paper mainly introduces PSoC microcomputer based on the control system of household electric water heater, Summaries respectively the function ofth
3、ehousehold electric water heater, working principle and structure, and through themain control module PSoC microcontroller to realize the whole work of electric water heater.Themain components of the water heater equipped with a temperature sensor, level sensor,LCD, water valves, heat switch, contro
4、l signal switching and PSoC microcontroller. The system hardware is PSoC singlechip device,according to the system to design a reasonable I/O interfaces, Flash and SRAM space for the required size and other parameters. Have a choose about temperature control and level control method，eventually deter
5、mine the scheme. Some of the system software is written in C language. Finally, have a testing and analysis on the system Performance. Completion of the water heater temperature and water level control, temperature and water level in digital form on a monitor.Finally, Completed the preparation of pa
6、pers. Key words: PSoC Miccroprocessor; control module - 3 - 目 录 1 引言 .1 1.1研究背景和意义 .1 1.2 国内外研究现状 .1 1.3 主要研究内容 .2 1.4 论文内容概述 .3 2 控制系统需求分析 .4 2.1 家用电热水器的结构 .4 2.2 家用电热水器的功能 .4 2.3常用设计方案介绍 .5 3 PSOC片上可编程系统概述 .6 3.1 PSOC简介 .6 3.2 PSOC 的特点 .7 3.3 PSOC 的应用 .7 4 系统硬件设计 .9 4.1控制系统组成 .9 4.2 主控模块设计 .9 4.3
7、温度控制模块设计 .10 4.3.1 温度传感器的选择 .10 4.3.2 温度检测电路设计 . 11 4.4 水位控制模块设计 .12 4.4.1 水位控制方法选择 .12 4.4.2 水位检测原理 .12 4.5 其它输入输出模块设计 .13 4.5.1 键盘控制模块 .13 4.5.2 液晶显示模块 .13 4.5.3 蜂鸣器模块 .14 5 系统软件设计 .15 5.1 PSOC单片机的开发环境 .15 5.2 温度检测功能软件设计 .16 5.3 水位检测功能软件设计 .18 5.4 控制系统程序设计流程图 .20 6 总结 .22 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .23
8、 - 1 - 1 引言 1.1 研究背景和意义 我国是个热水器生产大国，伴随着住宅消费和人们对生活品质要求的提高，热水器已由一个高档的奢侈品成为居民乔迁新居、厨卫装修的必备家 庭用具。 电热水器是一种可供浴室及厨房使用的家用电器，就中国的具体情况而言，电热水器因其具有无污染、安全、保温时间长、使用方便等优点，越来越受到消费者的青睐 1。目前随着我国人们生活水平的提高，生活条件有了很大的改善，电热水器的的使用率也比以前更普及了。 热水器主要品种有：电热水器，太阳能热水器，燃气热水器。太阳能热水器作为一种绿色环保可再生能源，其开发和利用，因顺应中国的能源与环保政策，日益受到重视，加上全球的能源危机
9、，进一步家居了太阳能热水器行业的发展。但也由于太阳能的能源利用率较低及它对建筑的诸多要 求，受天气状况的限制，使用范围狭小，因此在太阳能行业的发展前景上存在很多障碍 2。燃气热水器由于石油、天然气等燃料的限制，且国家对其使用年限由规定，适合低气价地区使用。然而电热水器的制约因数就比较少，随着电网供电能力的增强，电价的大幅下降，这些有利的条件都为电热水器的普及提供了便利的条件。 1.2 国内外研究现状 中国电热水器产业起源于上世纪 80 年代，主要靠国外引进和购买样品来仿制。依靠最原始的电阻加热技术，但在使用过程中他的安全性并不是很好，常常会发生因漏电而造成人体伤害的安全事故。因早期的电热水器存
10、在 诸多质量问题，从而推动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。经历了多个阶段的技术改革，在技术上逐步趋于成熟 3。 电热水器的内胆是热水器的核心部件，是决定了热水器是否漏水的关键所在，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，现在的搪瓷内胆以其不生锈，防腐蚀，较强耐压能力等优点逐渐- 2 - 成为技术主流。 除了对热水器的耐用要求之外智能化技术运用也是今后的发展趋势，燃气热水器设有自动恒温控制，停气自动关机，超水温泄压等保 护功能，及时是临时的停气，仍然有储存的热水使用。智能化技术的使用有两个好
11、处，第一方便，第二节能，可以按照用户的使用习惯提前加热，让用户可以随心所欲的使用热水，假如用户不使用热水，那么就可以以保温的方式储存热水，这样就可以大大减少保温加热的次数，也可以大大节省电量。在传统的电热水器的基础上，不断地添加新功能，抓住人性化需要，出现一大批高端品牌电热水器，如阿里斯顿、比利奇、史密斯、海尔、美的等，先后推出了超大液晶屏、电子线控、超标、超薄时尚、双管加热、漏电保护、多水出口等新技术。 热水器的控制系统设计主要可以分 为机械控制，单片机程序控制和智能远程控制；机械控制主要是以按钮、旋钮等来实现加热和上水的功能；单片机程序控制就是用输入的程序来控制电热水器的水位和加热功能，将
12、温度和水位等数据在液晶屏上显示并且可以更加安全的工作 4；随着互联网的不断强大，现在的大多用户可以轻松地控制家用电器等设备，只需要通过手机等控制器来远程操作电热水器的一些功能。 1.3 主要研究内容 1 研究家用电热水的控制系统 （ 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。 2 硬件 电路及软件设计 （ 1）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 空间大小等参数； （ 2）系统的整体硬件结构设计 (包
13、括芯片规划和外围电路设计 )； （ 3） Cypress Designer5.0 的学习和软件的操作使用； （ 4）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； （ 5）应用 C 语言编写系统应用程序，进行系统功能的调试。 - 3 - 1.4 论文内容概述 本论文主要是研究家用电热水器的控制系统的设计方案，从微控制 器的选择，到传感器、显示器件等外围元件的确定，作了充分的讨论和论述。 论文的第一章阐述了电热水器的发展现状及课题的研究背景；第二章主要对控制系统需求展开了分析，介绍了电热水器的构造、控制系统的基本组成，提出了自己的设计思路；第三章主要介绍了 PSoC 可编程单片机的基本
14、情况，以及开发工具等；第四章介绍了基于 PSoC 单片机的电热水器控制系统的硬件电路设计；第五章阐述了系统的软件设计。 - 4 - 2 控制系统需求分析 2.1 家用电热水器的结构 现在家用的电热水器大多是封闭式的，这种电热水器的的结构主要包括蓄水水箱、近出水 阀门、电加热元件和控制电路板等。为安全起见，电热水器内部还会有漏电保护，机内过热保护，防干烧保护，超温保护，接地保护，水电分离，发热组件等 5。如图 2-1 是家用电热水器的基本结构框图。 图 2-1 家用电热水器的基本结构框图 2.2 家用电热水器的功能 现在的家用电热水器都有着很多的功能，比如它可以方便的给用户提供热水，并实时监测水
15、箱内的水温。当水温低于某一设定值时，电热水器就开始进行加热工作；电热水器还能检测水箱内的水位，当水位低于设定值时，会自动实施上水工作；为方便用户，温度和水位可以在电热水器的外部 显示器上显示，用户还可对水温进行系统性的设定，范围可以在 0100之间；现在的电热水器的安全性能也变的越来越高，除了防电漏电的技术愈见成熟之外，还配备了报警器等保护装置，当水位或温度超标时，系统就报警，开启保护装置。 随着智能技术在人们生活中的不断发展，因此智能技术在电热水器的应用上给其带来了更多的便利和安全，用户可以进行远程遥控和定时预约，用户可以根- 5 - 据机子的生活习惯设定时间和水温等参数，既方便又节能。 2
16、.3 常用设计方案介绍 家用电热水器根据不同功能需求，其控制系统的组成也就不同。控制系统的设计主要是看 其采用的主控芯片，下面介绍几种基于微处理器的控制系统。 （ 1）用 MCS-51 单片机系列就可以完成一个电热水器的控制系统，用AT89C52 作为整个系统的核心，利用 AT89C52 现有的接口组织外围硬件模块。温度测量可以用 Pt100 的铂电阻温度传感器，再和信号调理电路和基于 CS5513 的A/D 转换电路组成温度测量模块。用 PCF8563 芯片实现实时时钟，在 LED 显示器上显示，显示器用 CH451 驱动芯片，这样就可以方便用户直接从显示器上得到确切的时间和温度。更先进一点
17、的话，还可以给电热水器加个报警装置，使用户可以更放 心的使用电热水器。 （ 2）结合模糊控制技术，选用 PIC 单片机作为控制系统的核心，设计更完善的电热水器控制系统，更大的特点是具有较强的智能性和漏电保护功能。加热装置用 Cu100 为温度传感器，用两根 PTC 系列的 MZ41 型陶瓷波纹式电热丝为加热器，水温控制原理应用模糊控制 6。 （ 3）采用 FPGA 来作为控制器， FPGA 是超大规模可编程逻辑器件，逻辑资源很多，灵活性和通用性很大，使用方便，硬件测试和实现快捷开发较快，产品上市时间短，也便于技术维护和系统功能扩展，也可以节约系统面积。但由于其价格昂贵，在市场上的竞争 力还是不
18、大。 （ 4）近年来， PSoC 可编程系统以其极端灵活和无需任何汇编语言或 C 语言编程的特点，在各个领域都很受欢迎。以 PSoC 单片机来实现电热水器的温度和水位的控制，如用 Cy8C29466 芯片作为核心控制，由于设计灵活、开发周期较短，可以提高新产品上市的速度，再加上制作的费用也不是很高，相信在以后的市场发展战略上，肯定是会占着重要的地位 7。 （ 5）随着科技的不断更新，互联网的不断强大，现在也有基于互联网的远程控制，因此我们用户可以通过互联网实现智能家用电热水器的远程控制，电热水器内部的接收器可以接收我 们通过互联网发出的短息，这样，即使我们不在家也可以方便的控制电热水器的加热和
19、上水问题。 - 6 - 3 PSoC 片上可编程系统概述 3.1 PSoC 简介 PSoC（ Programmable System On Chip）即 片上可编程系统 是在一个专有的MCU（ Microprogrammed Control Unit）内核周围集成了可配置的模拟和数字外围器件，利用芯片内部的可编程互联阵列，有效地配置芯片上的模拟和数字块资源，达到可编程片上系统的目的 8。这是 一种全新的器件，是一种对标准的 “全数字式 ”微控制器设计和纯粹 的模拟设计和介乎两者之间的所有具有同等的高适应性器件。其集成了微控制器以及嵌入式系统中通常围绕微控制器周围的模拟和数字组件，模拟功能的器件
20、包括 PGA、 开关式电容器、 滤波器及比较器等；数字功能的器件包括定时器、计数器、 PWM、 SPI 和 UART 等 ；另外系统还集成了模拟信号和数字信号的接口模块 ADC 和 DAC。图 3-1是 PSoC 片上系统的内部结构图 。 图 3-1 PSoC 片上系统的内部结构图 新近推出的 PSoC Express 是第一款有助于系统工程师进行基于微控制器设计的开发工具，而且不需要任何汇编语言或 C 语言编 程的知识，在比以往技术更高的抽象水平上，不再需要开发有关固件，因此很快就可以完成一个设计。直接就可以用 PSoC器件进行模拟和编程。确定设计是否可行就可以直接借助 PSoC Express来仿真，还可以生成并下载器件编程文件。
