家用快热式电热水器的设计与制作

家用快热式电热水器的设计与制作绪论当今社会大部分人在使用热水器时，基本上都是采用的快热式的。这是因为它给人们带来了极大的方便，人们不再为热水器耗电量大而发愁，所以快热式电热水器走进千家万户应经成为必然的。我国也在不断大力提倡家庭使用快热式电热水器，这样可以为国家节省很多电能。使用电热水器的方便之处还在于我国的电力来源比较方便，电能是无污染、清洁的，很受人们欢迎。目前市场燃气热水器、太阳能热水器、储水式电热水器遍地开花，然而燃气热水器因其安全隐患及越来越高的使用成本正逐渐淡出热水器市场；而太阳能热水器也因其严格受天气、气候及安装条件影响而很难占有更大市场份额；而目前占主流的储水式电热水器体积庞大、预热时间长、热水储水量有限，已不适用现代生活节奏，于是快热式电热水器以其小巧时尚的外观、比储水式更快的加热速度、比燃气热水器更安全的特点横空出世！在欧洲、东南亚市场热水器发展历程充分证明了这一点。普通电热水器有如下缺点：1、热水器长期通电，长期保持在六十度以上高温，发热管易结垢，内胆易漏水，因而较易损坏；2、管道热水热量损耗大；3、等候用水时间太长；4、在热水流出前都必须浪费一定量的冷水，根据管道的长短，一般家庭中冷水损耗量大，基本可达10-25升/次。而快热式电热水器克服了上述缺点。它有很多优点，如：安全，干净环保；即开即热，3-5秒出热水无须等候，热水使用时间不受限制，想用多久就用多久；用多少烧多少，省电省水，没有损耗；内置温控仪保证温度在30-50度之间，解决温度持续高温导致的结垢漏水问题。体积小不占空间，其中封闭式（尺寸为：24cm*9.5cm*25cm，类似25×25的卫生间地砖那么小，纯白色。）可以隐藏在厨柜内，安装方便，特别适合新装修的房子，款式多样，美观实用，也是职工福利和客户礼品的绝佳选择。特别方便于洗涤，和洗漱，是为现代家居厨房洗涤、卫生间洗漱专业设计生产的快速电热水器，结合了燃气热水器和传统储水式电热水器优点。这里的快热式热水器的设计要求：（1）必须做到隋开随用，所以这就要求加热功率很大，以至于减少加热时间，所以温度检测元件的快速性就显得很重要。（2）要做到安全可靠，这就要求控制电路要准确及时，防止热水器烧干而引发火灾或出现爆炸危险危及人身安全。这里之所以设计快热式家用电热水器一是兴趣所致，二是正是看到了它的未来，即将来人们将越来越多的使用它。第1章总体功能要求本设计研究的内容和所做的工作本设计研究的内容和所做的工作本设计研究的内容和所做的工作本设计研究的内容和所做的工作（一）用2位数码管显示出水温度，能显示设定功率档位。（二）温度测试显示范围为00-99℃，精度为±1℃。（三）设置3个功率档位指示灯，1-4档1个灯亮，5-8档2个灯亮，9档3个灯全亮，0档无功率输出，档位灯不亮。（四）设置3个轻触按钮，分别为电源开关键、“+”键和“-”键。加热功率分为0-9档，按“+”键依次递增至9档，按“-”键依次递减至0。（五）出水温度超过65℃时停止加热，并蜂鸣报警，温度降至45℃以下时恢复。（六）内胆温度超过105℃时停止加热，防止干烧。第2章设计方案论证按快热式电热水器的功能要求，决定采用模块组成系统，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数码管及指示电路、报警电路和加热控制电路。快热式电热水器为了达到“快热”的效果，取消了储水罐，使冷水在进入加热管后立即被加热，着就要求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。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率，但由于快热式热水器的加热功率较普通的大，且档位设置较多，用电热丝组合的方法需要几组电热丝和继电器，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，本设计采用了温度/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/频率转换电路简单可靠且成本低廉。对于快热式家用电热水器来说，硬件系统是它的最基本的框架，是系统的所有功能的丛础。硬件的选择和所选硬件的性能对系统的功能实现以及系统的精度都有直接的影响，系统的设计成功与否很大程度上取决于硬件系统的设汁。本系统硬件方案论证包括单片机、温度检测传感器、加热控制驱动电路、电源电路、及键盘和显示电路的选择。2.1单片机的选择方案一：我们知道8031芯片内部无ROM，需要外扩程序存储器,由此造成电路焊接的困难，况且使用8031还需要另外购买其他的芯片，如A/D转换及定时/计数器（PWM）等芯片，从而造成成本较高，不实用。方案二：因为89C51芯片内部有ROM，且片内ROM全部采用FlashROM，它能于3V的超低压工作，与MCS-51系列单片机完全兼容，由于89c51单片机成本低廉且工作可靠，采用12MHz的晶振，需所以我们选择89C51作为系统微处理器。这就是快热式电热水器加热的基本方程式。2.2温度检测传感器的选择温度检测的方法很多，有热点阻，热电偶，热敏电阻，还有专门的集成测温传感器等。方案一：热电式传感器是将温度变化转化为电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。通常把被测温度的变化转换为敏感元件的电阻变化、电势的变化，再经过相应的测量电路输出电压或电流，然后由这些参数的变化来检测对象的温度变化。热敏电阻具有灵敏度高、体积小、较稳定、制作简单、寿命长、易于维护、动态特性好等优点。但有变化率非线性，不适合测量高温区等缺点。方案二：集成测温传感器如：DS18B20，直接将温度转换为数字信号传送给单片机。这种方法虽然比较先进，但电路也比较复杂成本也较高。方案三：温度/频率转化测温法，直接将温度信息转换成频率信号，用单片机测出频率的大小，从而间接测出温度值，温度/频率转换电路简单可靠，成本低廉。所以采用此方案。2.3传感器输出的放大电路的选择方案一：运算放大器LM324带有真差动输入的四运算放大器。该四放大器可以工作在低到3伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。它的性能特点是短跑保护输出、真差动输入级、底偏置电流为最大100mA、每封装含四个运算放大器、具有内部补偿的功能、共模范围扩展到负电源、行业标准的引脚排列、输入端具有静电保护功能。但用在本电路中接线较复杂，且价格昂贵所以不用。方案二：采用74LS04作为输出放大电路的选择，它还可以作为驱动电路使用，74ls04是TTL电平反相器，使用较经济且性能也很理想，所以在本方案中采用。2.4驱动及加热控制电路的选择方案一：若干不同功率的电热丝组合而成。但需要几组电热丝和继电器，成本增高且工作可靠性降低，所以不用。方案二：通过一个继电器驱动，采用可控硅控制功率，能经受较高的功率，所以可以设置较多的档位，成本大大降低可靠性较高，而且电路简单，所以本方案采用。2.5电源电路的选择方案一：采用干电池，使用方便，安全可靠，但价格昂贵，且使用时间较短，所以不采用。方案二：市电整流成+5v电压，由于89C52对电源要求不甚严格，市电来源方便，且经稳压管稳压也较可靠，较经济实惠，所以采用此方案。2.6显示器的选择LED数码管显示器可分为两种显示方式：静态显示和动态显示。方案一：LED数码管静态显示，多片七段译码器驱动显示，这不仅增加了成本，还需要占用单片机多个I/O口，也给电路的焊接带来一定的困难，因此不选用这种方案作为显示模块，所以排除此方案。方案二：LED数码管显示器动态显示方式下，将所有位的段选线并联在起，由位选线控制哪位接收字段码。采用动态扫描显示，也就是在显示过中，轮流向各位送出字形码和相应的字位选择，同一时刻只有一位显示，其他各位熄灭。利用显示器的余晖和人眼的视觉暂留现象，只要每一位显示足够短，则人看到的就是无为数码管同时显示。在动态显示方式下电路设计简单，以采用。2.7键盘的选择方案一：键盘选用行列式键盘，行列式键盘的接口方法，直接接口于单片机的I/O口上。键盘设置在行、列线的交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接＋5V，被拉在高电平状态。但线路较复杂，价格较昂贵。不适用。方案二：独立式按键是指直接用输入端口线构成的单个按键电路，常用于需要少量几个按键的计算机控制系统。每个独立式按键单独占用一根输入端口线，各键的工作状态不会相互影响。采用轻触式独立小按钮，即实用又方便，因为本电路对键盘的要求不高，所以采用这种方案。第3章系统总体设计3.1系统的工作流程（1）接通电源（2）开启电热水器（3）调节水量。（4）调节功率（5）检测出水温度，判断是否继续加热.。（6）排水。3.2快热式电热水器系统组成框图图3.1快热式电热水器系统组成框图3.3系统控制算法的设计实验测试后建立的温度/频率表是0—100c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语言中用一个一维数组b[101]来表示，下标为温度，数组元素为频率值。计算温度采用高效、准确的二分查找法。过程如下：1）先给定查找的温度最大值Tm和最小值Ti，即确定查找的范围，根据已有的温度表默认最大值Tm=100，最小值Ti=0。2）假定测的温度Te为最大值与最小值的中间值，即Te=（Tm+Ti）/23）将实际测的频率值T0rig与假定温度Te在表格中对应的频率Tab[temp]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。4）若T0rigTab[temp]，说明实际温度应该在Ti与Te之间，则修改查找范围，令Tm=Te；同理，若T0rigTab[temp]，说明实际温度应该在Te与Tm之间，则令Ti=Te；5）检查查找范围，若Tm-Ti=1,则判断T0rig更接近于最大值对应的频率Tab[Tm]还是最小值对应的频率Tab[Ti]，实际温度值取频率更接近的那个值既完成查找。6）若Tm-Ti.1则重复第2），3），4），5）步，直到查找完成。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。第4章系统硬件单元电路的设计本系统硬件电路主要包涵: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等部分。4.1单片机晶振电路AT89C52是一个低功耗40个管脚的高性能CMOS8位单片机片,内8KBISP的可反复擦写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MCS-51标准指令系统及80C51引脚结构芯片内集成了8bit通用中央处理器和ISPFlash存储单元功能强大的89C52可为智能家用电热水器控制系统提供高性价比的解决方案。主要性能特点:1、4kBytesFlash片内程序存储器；2、128bytes的随机存取数据存储器（RAM）；3、32个外部双向输入/输出（I/O）口；4、5个中断优先级、2层中断嵌套中断；5、6个中断源；6、2个16位可编程定时器/计数器；7、2个全双工串行通信口；8、看门狗（WDT）电路；9、片内振荡器和时钟电路；10、与MCS-51兼容；11、全静态工作：0Hz-33MHz；12、三级程序存储器保密锁定；13、可编程串行通道；14、低功耗的闲置和掉电模式。电热水器控制器是以单片机为核心包括了检测控制和人机接口三个部分采用模块化设计思想整个系统硬件电路包括单片机及其外围电路键盘及显示和片外存储电路温度电压以及流量检测电路加热护电路漏电检测电路电源电压和复位电路。在本系统设计中,采用了11.0592MHZ晶振,手动加上电复位.为了更好