沸腾型全自动电热水器的设计.doc

河南科技学院 2009 届本科毕业论文（设计）论文题目: 沸腾型全自动电热水器的设计学生姓名： 潘光明所在院系： 机电学院所学专业： 机电技术教育导师姓名： 洪源完成时间： 2009年5月20日摘 要本文介绍一种沸腾型电热水器电子控制系统，该系统具有全自动控制功能，确保了电热水器沸腾后能及时跳闸。与目前该类器具相比，更具有开水决不混入生水，保证饮水卫生及开水指示直观醒目、简单、有效、不易损坏的特点。 电热水器由储水箱、进水电磁阀、电源，水位传感器、温度传感器及控制系统组成。控制系统是开水器的核心，控制系统的好坏决定电热水器的优劣。水箱水位检测及自动加水控制为保证饮用水不混入生水。设置高低水位检测，即当水面低于低水位时能自动加水，而当水箱水满，水面到达高水位点时则停止加水，这祥，在饮用开水时，开水水面一直高于低水位点，饮用水不会混入生水。为保证饮用水为开水，必须对水箱里的水温进行检测，当水温低于保温值时，控制加热元件工作，当水烧开时自动停止加热。此外，还对系统的硬件设置了加入了防干烧控制和报警功能。对软件采取抗干扰措施，以保障系统的稳定运行。关键词：电热水器，控制线路，时间继电器AbstractThis article introduces a boiling-type water heater electronic controlsystem,which has a completely automatic control function,To ensure that the water heater can not trip after boiling in time.Compared with the current all kinds of apparatus the water m ixed withraw water in no way.Guaranteed that the potable water health and the boiling water instructed direct-viewing striking,simple,effective,non-fragile characerristics.The electronic water heater consists of the water tank,the water valve,the powe r,the water level sensor,temperature sensor and control system.Control system is the core of boiling,the control system of the quality of the decision of the merits of electr ic boiling.the water level detection and control of automatically adding water automati cally in order to ensure drinking water is not mixed withraw water .To set the high an d low water level detection,when the water is below the low water level add water aut omatically, and when the water tank is full,the water level reached the high point is to stop adding water,so,in the drinking water,the water level has been higher than the low,the water will not be mixed withraw water.In order to ensure drinking water is boiling,The temperature of water must be tested in the water tank,when the water temperature is below the lowest value,To control the heating elements go to work,when the water boiled to stop heating automatically.In addition,the hardware is setted on the anti-dry control and alarm functions.anti-jamming software is taken to safeguard the stable operation of the system.Key words:The electronic water heater, Control circuit, Time relay目 录1 绪论12 总体设计方案12.1 进水控制12.2加热控制22.3 基本的设计要求23 系统的硬件设计23.1 温度控制与显示电路23.1.1 显示电路23.1.2 温度检测电路33.1.3 CPU主电路53.2 水位控制43.3 电加热电路53.4时间继电器控制电路53.5 漏电检测及报警电路63.6 电源电路74 系统的软件设计74.1 抗干扰设计74.2 程序设计75 结束语9致谢9参考文献9附录111 绪论电热水器是为人们提供温水或饮用水的电热器具，它具有卫生、方便、加热迅速等特点，得到了广泛的应用。电热水器种类很多，但是就目前的产品来看，都存在着水不能沸腾且冷热水混流，也就是人们所谓的“阴阳水”的问题。传统的热水器注水方式采用的是浮球阀，当箱内的水流出后冷水就会自动进入箱内，冷热水混流形成“阴阳水”，当人们饮用后造成无畏的伤害，且它所使用的地理位置也严重受到限制。本设计在保留原产品的基础上，加入了水位的检测及自动注水控制，沸腾后自动断电等电路，解决了传统产品的缺点。此外，还对系统的硬件和软件采取抗干扰措施，以保障系统的稳定运行。2 总体设计方案图1 结构示意图热水器结构如图1所示。系统通电加热管发热，并显示当前温度，温度逐渐上升，当水温达到温度传感器的设定值时，时间继电器通电，开始延时，延时时间到水沸腾，然后加热管停止加热。当箱内水位下降到低于水位探头1时，产生一个电信号送给进水电磁阀的控制电路，电磁阀打开进水口注水，水位超过水位探头3时，电磁阀断电，停止注水。电磁阀采用DF系列水用的电磁阀。本阀适用于以水或其它气液体为工作介质，可自动化控制或远程控制空气、水、油液体等工作介质管路的通断。适用温度-5125，开阀能力0.03-0.8Mpa，最高工作压力0.8Mpa，公称通径2.5-50mm。2.1 进水控制当水位传感器检测到水位低于水位探头2时，输出一个电信号去控制电磁阀，其线圈得电，形成电磁场，衔铁在磁力的作用下，打开阀门向箱内注水；它可以保证箱内有充足的水。当水位高于水位探头3时，输出一个电信号让电磁阀闭合，进水停止。通过水位探头与电磁阀打开与闭合来完成进水的循环过程。2.2加热控制水位探头1的位置高于加热管，其作用是当通电后若检测到水位低于探头1时，加热将不会能通电，这样就完成了防止干烧的控制。当水位高于探头1且水温低于85度时加热管通电，开始加热。当水加热到温度传感器的设定值，时间继电器通电开始延时，延时时间到加热管断电。通过时间继电器与温度传感器的双重控制可以保证水能循环加热。2.3 基本的设计要求 以单片机为主控芯片构成的电热水器控制器，其基本的设计要求：(1)具有漏电保护功能；(2)水沸腾后能自动断电；(3)温度低于85时自动加热；(4)测量水温，并通过显示器实时显示水温，其显示范围为0105 ；(5)具有超温断电保护并报警提示的功能;(6)出现传感器故障时，可迅速切断加热元件电源并报警提示;还要求控制器有较强的抗干扰能力，达到或超过家用电器检测标准，并符合国家安全认证和国际上的相关安全认证标准1。3 系统的硬件设计AT89S51电源电路温度检测电路漏电检测报警显示电路电加热电路时钟复位电路压力控制电路图2 系统框图3.1 温度控制与显示电路3.1.1 显示电路图3 显示电路根据温度的显示范围(0-105)需要三个LED数码显示器，采用共阳极静态显示。LED具有耗电省，成本低，配置灵活，安装方便等优点。显示器采用串行口设置为方式输出方式，外接74LS164移位寄存器构成显示器接口电路，如图3。3.1.2 温度检测电路由DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。DS18B20的性能特点：采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位），测温范围为-55-125，测量分辨率为0.0625,内含64位经过激光修正的只读存储器ROM，适配各种单片机或系统机，用户可分别设定各路温度的上、下限，内含寄生电源。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。DS18B20的管脚排列如图4所示。64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。不同的器件地址序列号不同2。 图4 DS18B20封装在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5K左右的上拉电阻。CPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作，如图5。图5 DS18B20应用电路3.1.3 CPU主电路CPU主电路主要包括复位电路，时钟电路，单片机。8051的外部振荡脉冲信号由XTAL2端输入，直接送到内部时钟电路。电容器C1和C2通常取30PF左右，振荡频率范围是1.2MHz12MHz。3.2 水位控制水位控制电路如图6所示。A 棒处于下限水位，棒处于上限水位，B棒在上、下限水位之间。A棒接5v电源，B棒、C棒各通过一个电阻与地相连。供水时，水位上升，当达到上限时，由于水的导电作用，B棒、C棒联通5v。因此，b、c两端均为“1”状态，这时，应关闭电磁阀停止供水。当水位降到下限时，B棒、C棒都不能与A棒导通，因此b、c两端均为“0”状态。这时，应打开电磁阀供水。当水位处于上下限之间时，B棒与A棒导通。因C 棒不能与A棒导通，b端为“1”状态，c端为“0”状态。这时，无论电磁阀是打开的还是关闭的水位是上升的还是下降的，都应继续维持原有的工作状态6。图6 水位检测电路3.3 电加热电路图 7 电加热电路该部分的设计主要解决两个问题：弱电（单片机系统）和强电（AC220v）的隔离.对此,采用了光电耦合器和双向可控硅实现对电热丝的控制.电加热电路由电热板、双向可控硅，光电隔离器等组成。当温度传感器检测到箱内温度低于设定温度时，通过其输出口输出一个控制电平，经过光电隔离送到双向可控硅的控制栅极，可控硅触发导通，电热板有电流流过，通电对水加热，其电路图如图7。3.4时间继电器控制电路当贮水箱中的水位高于水位设定值后，限制开关K闭合。当温度低于温控器设定温度后，温控器开关JW闭合；中间继电器线圈KM1通电，触头KM1闭合； KM2线圈通电，触头KM2闭合，电热管R工作，指示灯XD通电发亮。KT线圈通电，触头KT闭合。当水温达到设定温度后，JW断开，线圈KM1失电，触头KM1断开。时间继电器KT失电，但触头KT因延时依然闭合，交流接触器线圈KM2依然通电，电热管R继续工件。达到预设的延时时间后，触头KT才断开，这时交流接触器线圈KM2失电，电热管R停止工件。指示灯XD熄灭，表示水可饮用。可见，只要延时时间设得合适，就能确保水被加热到沸腾后才跳闸。时间继电器延时时间的设定方法在调试电热水器时，先把时间继电器KT的线路切除，然后，如果是冬天可把温控器调到接近水沸腾的温度（99以上）,夏天则可以调到98-99左右，重新接上时间继电器，把时间设在2-5分钟即可。也可根据公式pt=4.2mT计算出时间，举例： 某厂的电热水器功率为p=6千瓦（电热管是纯电阻）， 容量为40L(升)即m=40千克。如果是夏天T=2（100 98）， 可算出延时时间t=56秒。考虑散热等因素，取两倍的时间2分钟比较合适。其电路如图8。KT图8 改进后的电气原理图3.5 漏电检测及报警电路图9 漏电检测电路电热水器工作在潮湿的场合，为了确保人身安全，控制器应具备漏电检测及报警功能，其电路图如图9。漏电检测是由漏电检测线圈的输出经整形后送入 IC 的中断输入端 IRQ。一旦漏电电流超过规定的阈值，单片机将立即响应中断，通过漏电开关，切断整个系统的供电电源，确保人身安全。系统中还设有报警功能，当超温或传感器出现故障时，蜂鸣器报警提示。它是用一位Abstract I/O 线来完成，从 I/O口输出一定频率的方波信号，由晶体三极管驱动蜂鸣器，使蜂鸣器发出声音1。3.6 电源图10 电源电路系统采用220V供电，220V市电经过T1降压、D1D4整流、C1滤波后产生12V直流电，作为继电器的驱动电压。12V电压经过7805稳压后产生5V电压，作为控制器的主电源。电容C2作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。同样电容C3为滤波电容，C4为高频旁路电容。R1为限流电阻，LED1为5V电源指示灯，如图10。在设计的过程中，滤波电容要尽量选择的大，因为在电路中要求电压比较稳定。4 系统的软件设计4.1 抗干扰设计为了防止程序在执行控制加热管动作时出现干扰，使用指令复执、程序卷回的方法，让程序在一段时间内连续循环执行这个动作，确保控制准确无误。在各功能模块子程序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，消除随机的尖脉冲干扰。4.2 程序设计开水箱的工作状态总共有三个，它们分别是初次使用、用水之后和闲置状态。三个状态所执行的动作是不相同的，所以要分别考虑每个的状态的所运用的程序，其中初次使用和用水之后都会检测水温及水位信号，然后根据检测到的水位及水温信号执行动作；当开水箱闲置时它只会检测水温，如果水温低于设定值时加热管就会通电，系统总流程图如图11。主程序用水之后检测水位，水温系统初始化低于探头2?Y是否漏电打开电磁阀，开始进水N检测水位，水温并显示水温低于探头3?低于探头1?NN关闭电磁阀，停止进水运行子程序Y打开电磁阀，开始进水子程序运行闲置时低于探头3?N关闭电磁阀，停止进水子程序水温低于85度?Y加热器通电N水温低于99度?时间继电器通电，延时2分钟后加热管断电图11 主程序流程图5 结束语本系统通过采用以AT89S51单片机作为核心检测、控制器件实现了电热水器的自动快速恒温的功能，克服了阴阳水的问题。并且加强了安全保护，加入了人为控制、抗干扰等功能，对传统的设计方案提出了改进措施，加入了前馈控制环节，使调温速度更快，精确性更高，加入多项保护措施使系统使用更安全可靠。用DS18B20测温，在其内部就能进行A/D转换，输出数字量与单片机直接进行通讯，无需外加转换器A/D，转换速度快，降低了成本，而且大大简化了电路，提高了集成度，使其满足小型化的要求。致谢非常感谢指导老师在毕业设计及论文写作中给予我的指导与帮助。从毕业设计和论文写作开始，指导老师就给我们制订了详尽却又环环相扣的计划，并且在每周都进行检查和指导，使我们循序渐进、有条不紊地在所学课程的基础上展开应用。在这个实用性很强的课题中，指导老师丰富的经验，渊博的知识，深邃的思想，严谨的治学风格、平易近人处事态度，让我们在学习知识和解决问题时感到无比的轻松和愉快，使我们少走了很多弯路，也让我们学到很多书本上没有的内容。至此论文定稿之际，对指导老师表示衷心的感谢! 感谢老师能在繁忙之中抽出时间为我提供耐心的指导，帮我们解决在设计过程中遇到的种种问题。在做毕业设计期间，我还有幸得到其它同学的大力帮助，有了他们，我才能克服各种困难，顺利完成毕业设计和论文。在这里一并向他们表示感谢！最后，再次向各位领导、各位老师致以崇高的敬意和最衷心的感谢！参考文献1国家标准局家用和类似用途电器的安全贮水式电热水器的特殊要求北京：国家标准局，GB4706.12-862张福学.传感器应用及其电路精选(上、下册)M北京；电子工业出版社,19923滕召生,童调生. 智能检测系统与数据融合M北京；机械工业出版社,19994李娜. 自动化仪表M北京；燕山大学出版社,20045康华光，邹寿彬电子技术基础数字部分M北京；高等教育出版社，1999.66王培东.单片机原理及应用M哈尔滨；哈尔滨工业大学出版社，1996.37姚福安.电子电路设计与实践M济南；山东科学技术出版社,20028余永权.模糊控制技术与模糊家用电器M北京：北京航空航天大学出版社,20029周明宝，瞿文龙电力电子技术M北京；机械工业出版社，1997.510宋春荣.通用集成电路速查手册M济南；山东科技大学出版社，1995.911徐君毅单片微型计算机原理与应用M.上海；上海科学技术出版社，198612金权林.电热水器的热平衡及参数选择J家用电器科技, 1996.113张汉屏.八通道温度巡查控制仪JElectronics, DIY 2001, (3)； 86- 87114徐征明.基于模糊模型设计自校正调节器的研究J自动化学报 ,1987 ,13(3)15陶永华.新型 PID 控制及其应用M. 北京；机械工业出版社，200216李科杰.新编传感器手册M北京；国防工业出版社,200217许毓荣影响温控器漂移的因素J 电机电器技术，2004，3：32-33附录：DISP1 EQU 6FH ;显示缓冲区域DISP2 EQU 6EHDISP3 EQU 6DHDISP4 EQU 6CHDISP5 EQU 6BH ;D100 EQU 6AH ;温度的百位数据缓存。EV EQU 69H ;没有删分的温度值DAY EQU 68HSUM EQU 67H ;控制订定时器1的中段次数SUMM EQU 66H ;查表得出的定时器需要设置的延时初值的循环次数。SV EQU 65H ;当前温度值DUAN1_W EQU 64HDUAN2_W EQU 63HDUAN3_W EQU 62HDUAN4_W EQU 61H ;段温度值BEEP BIT P2.7 ;蜂鸣器DS18B20_IN BIT P3.7CHCEK_ZERO BIT P3.2S10K EQU 33H ;一秒到，温度刷MS50 EQU 34H ;50MS的存储单元。TEMPH DATA 35H ;从18b20中得到的温度TEMPL DATA 36H ;从18b20中得到的温度CBCD EQU 38H ;拆BCD ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP EX_ZERO ORG 000BH LJMP TOIT ORG 001BH LJMP TO2T ORG 0030HMAIN； MOV SP, #70H MOV TMOD,#11H MOV TH0, #9EH MOV TL0, #58H MOV TH1, #0FFH MOV TL1, #0E7H ;T1定时为0.05ms MOV S10K,#0 MOV SECOND, #0 MOV MINUTE, #0 MOV HOUR, #0 MOV DAY, #0 SETB BEEP MOV S11, #1 MOV S22, #0 MOV S55, #0 MOV DUAN1_W, #30 MOV DUAN2_W, #37 MOV DUAN3_W, #40 MOV DUAN4_W, #38 MOV DAY_1, #6 MOV DAY_2, #10 MOV DAY_3, #20 MOV DISP1, #0H MOV DISP2, #11H MOV DISP3, #11H MOV DISP4, #10H MOV DISP5, #0FH ;系统初始化 ACALL TZHDISP SETB EA SETB ET0 SETB ET1 CLR TR0 SETB EX0 CLR IT0 SETB PT0 SETB PT1 CLR PS CLR PX0 CLR PX1 CLR CH_A; SETB CH_B; SETB CH_C; CLR P0.0;START； MOV A, S10K CJNE A, #1, START1 LCALL WENDU LCALL DISP MOV S10K, #0 MAIN1； JB FLAG.1,NE7 JB S2, NET1 ACALL T12MS JB S2, NET1 JNB S2, $MAIN1_1；INC S22 MOV A, S22 NET1； CJNE A, #1, NE1 MOV R0, #DUAN1_W ;0送入第一段要调的温度单元地址 MOV DISP3, #11 MOV DISP2, #12 MOV DISP1, #1 LJMP TZ NE1； CJNE A, #2, NE2 MOV R0, #DUAN2_W ;0送入第二段要调的温度单元地址 MOV DISP3, #11 MOV DISP2, #12 MOV DISP1, #2 LJMP TZ NE2； CJNE A, #3, NE3 MOV R0, #DUAN3_W ;0送入第三段要调的温度单元地址 MOV DISP3, #11 MOV DISP2, #12 MOV DISP1, #3 LJMP TZ SETB TR0 SETB EX0 MOV SV, DUAN1_W ;系统开始运行，调入第一段温度 SETB FLAG.1 MA1； CJNE A, #2, MAIN2 CLR TR0 CLR EX0 SETB RUN CLR TR1 SETB CONTROL_G MOV S55, #0 MAIN2；LJMP START; 一秒定时中段 (时钟程序);*TOIT； PUSH PSW PUSH ACC MOV TH0, #03CH MOV TL0, #0B0H INC MS50 MOV A, MS50 CJNE A, #20, RETURN ;20 MOV S10K, #1 MOV MS50, #00H INC SECOND MOV A, SECOND CJNE A, #60, RETURN MOV SECOND, #0 INC DAY MOV A, DAY CJNE A, DAY_1, N1 MOV SV, DUAN2_W N1； CJNE A, DAY_2, N2 MOV SV, DUAN3_W SETB FLAG.0 ;第二段温度送出 N2； CJNE A, DAY_3, N3 CLR FLAG.0 MOV SV, DUAN4_W N3； MOV A, DAY CJNE A, #60, RETURN MOV MINUTE, #0 INC HOUR ; JNB FLAG.0, PASS ;如果标志位为0，通过 ; INC DJ ; MOV A, DJ ; CJNE A, #2, PASS PASS；MOV A, HOUR MOV A, HOUR CJNE A, #24, RETURN MOV HOUR, #0 INC DAY RETURN；POP ACC POP PSW RETI ;* ;定时器1中段程序 TO2T； PUSH ACC PUSH PSW DJNZ SUM, CHU CLR CONTROL_G CLR P0.0 CLR TR1 CHU； MOV TH1, #0FFH MOV TL1, #0E7H ;T1定时为0.05ms POP PSW POP ACC RETI ;* ;通过外部中断口调整温度EX_ZERO；PUSH ACC PUSH PSW MOV TH1,#0FFH MOV TL1,#0E7H ;T1定时为0.05ms SETB P0.0 SETB CONTROL_G MOV SUM, SUMM ;SUMMM 差值查出的，中段次数 SETB TR1 POP PSW POP ACC RETI KIND； ACALL TZHDISP ACALL T12MS ACALL T12MS JB S1, NET10 ACALL T12MS JB S1, NET12 JNB S1, $ KIND1；INC S11 MOV A, S11 NET10；CJNE A, #1, NET11 MOV DUAN1_W, #20 MOV DUAN2_W, #21 MOV DUAN3_W, #22 MOV DUAN4_W, #23 MOV DAY_1, #5 MOV DAY_2, #10 MOV DAY_3, #15 MOV DISP1, #1 MOV DISP2, #1 MOV DISP3, #1 MOV DISP4, #1 MOV DISP5, #1 CLR CH_A; SETB CH_B; SETB CH_C;NET11； CJNE A, #2, NET12 MOV DUAN1_W, #10 MOV DUAN2_W, #11 MOV DUAN3_W, #12 MOV DUAN4_W, #13 MOV DAY_1, #10 MOV DAY_2, #15 MOV DAY_3, #20 MOV DISP1, #2 MOV DISP2, #2 MOV DISP3, #2 MOV DISP4, #2 MOV DISP5, #2