快热式家用电热水器的设计毕业设计论文Word文档格式.docx
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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。
参考资料
1、楼然苗.《单片机工程实训指导》.北京航空航天大学出版社，2007年.
2、彭为.《单片机典型系统设计》.电子工业出版社，2006年.
3、吴国经.《单片机应用技术》.中国电力出版社，2004年.
4、戴佳.《51单片机C语言应用程序设计实例精讲》.电子工业出版社，2007年.
5、朱清慧.《PROTEUS教程》.清华大学出版社，2008年.
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
蒋鹏祥
班级
电气S2008-8
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
指导教师意见
签名：
年月日
湖南工业职业技术学院课题实践考核表
快热式电热水器的设计
完成
及
自我
评价
通过自身将近一个学期的努力与探索，基本上完成了此次工程实训的设计，虽然本实训在完成过程当中并不是很顺利，但通过不断的学习与探索，让我学会了求知，学会了在面对困难时能够迎难而上，在遇到不懂得地方能够仔细琢磨，这次工程实训的设计让我受益匪浅。
指导
教师
评语
评分
签名：
年月日
评阅
答辩
小组
组长签名：
实践
评审组
审核
经综合考核该学生课题实践成绩评定为
组长签名：
快热式家用电热水器的设计
摘要
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
第一章热水器功能介绍
1.1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。
其设计要求如下：
●温度检测显示范围为00～99℃，精确度为±
1℃。
●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。
●设置3个轻触按钮，分别为电源开关键、“+”键和“-”键。
加热功率分0~9档，按“+”键依次递增至9档，按“-”键依次递减至0。
0~9档功率依次为0﹑1∕9P∕、2∕9P、3∕9P、4∕9P、5∕9P、6∕9P、7∕9P、8∕9P、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。
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2.1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2.1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，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1.1所例。
表1.1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7.5KW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/℃
2.0
2.5
3
3.5
4.0
4.5
47
42
36
34
32
5.5
54
48
41
38
35
6.5
62
46
7.5
70
60
51
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/频率转换电路简单可靠，成本低廉。
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。
3.1加热控制电路
图3.1所示为加热加热控制电路原理图，电热丝的加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3.1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3.2所示。
图3.2过零检测电路图
3.2温度检测电路
温度检测电路如图3.3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：
f≈1.1RC
图3.3温度检测电路图
3.3键盘与显示电路
键盘接口电路（图3.4）由按键SB1-SB3组成，这3个按键分别接到单片机的输入引脚P1.2,P1.3和Pl.4,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3.5）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P2.0和P2.1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3.4键盘接口电路
图3.5显示电路图
3.4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8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复
图3.6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MCS-51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3.6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3.17所示的复位电路。
其门槛值计算如下：
3.5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。
采用如图3.7所示的稳压电路。
图3.7整流与稳压电路
3.6报警电路
报警电路如图3.8所示
图3.8报警电路
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（0.5～1S）实现。
4.1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4.1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0.5s，那么循环次数应为100次。
4.2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4.2所示为显示扫描子程序流程图。
图4.1主程序流程图
图4.2显示扫描子程序流程图
4.3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4.3所示为按键扫描子程序流程图。
图4.3按键扫描子程序流程图
4.4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4.4所示为加热控制程序流程图。
图4.4加热控制程序流程图
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4.6所示分别为过零检测程序流程图和可控硅触发信号控制程序流程图。
图4.5过零检测程序流程图
图4.6可控硅触发信号控制程序流程图
4.5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0~100℃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Tab[101]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：
①先给定查找的温度最大值Tmax和最小值Tmin，即确定查找的范围，根据已有的温度表默认最大值Tmax=100,最小值Tmin=0。
②假定测得温度Temp为最大值与最小值的中间值，即Temp=（Tmax+Tmin）/2。
③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T0rig>
Tab[temp],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Tmax=Temp;
同理，若T0rig<
Tab[temp],说明实际温度应该在Temp与Tmax之间，则令Tmin=Temp;
⑤检查查找范围，若Tmax-Tmin≤1,则断定T0rig更接近最大值对应的频率Tab[Tmax]还是最下值对应的频率Tab[Tmin]，实际温度值取频率更接近的那个值即完成查找。
⑥若Tmax-Tmin>
1,则重复第①、②、③、④、⑤步骤、直到完成查找。
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4.7所示为温度检测程序流程图。
图4.7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和测频完成标志位Testok.
图4.8所示为频率测试程序流程图。
4.8频率测试程序流程图
第五章调试及性能分析
快热式热水器硬件电路不包含任务可调节元件，因此只要器件质量可靠，引脚焊接正确，硬件电路无需调试。
该电路中测温部分的振荡电路对电容C1的容量比较敏感，若此电路要批量化生产，可在热敏电阻R24上再串一个可变电阻，以补偿C1的容量变化。
在初次试做本电路或关键硬件参数有调整事，应对系统软件中控制加热功率的可控硅导通延时参数表和温度/频率转换表这两部分进行调试。
可控硅导通延时参数主要由市电的频率和过零检测电路的脉冲宽度决定，可以先根据市电频率，按等功率的要求计算理论值，再根据过零检测电路的脉冲宽度加以调整。
温度/频率转换表可以用对照标准温度计实测的办法进行测试。
用这个方案设计的快热式家用电热水器，电路简单，成本较低，经试验运行证明工作稳定可靠，在无需改变硬件的条件下，如加入PID等自动控制程序还可以升级成自动控温的电热水器。
第六章系统的抗干扰措施
干扰就是有用信号以外的噪声以及造成计算机等设备不能正常工作的破坏因素。
控制系统的好坏往往取决于其抗干扰能力的强弱。
好的控制系统不仅要求其各环节的设计和配置具有完备的功能，而且要求其具有良好的抗干扰性和稳定性，否则再完善的系统和功能设计，抗干扰性能不好，亦将前功尽弃。
6.1系统干扰的来源
干扰的来源一般可以来源分为内部干扰和外部干扰。
内部干扰通常是由于系统自身结构设计的不合理、制造工艺的缺陷等造成的，比如系统分布电容、分布电感引起的藕合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，对点接地造成电位差引起的干扰等。
而外部干扰都是由外界环境因素决定的，诸如空间电或磁的影响，典型的有输电线和电气设备发出的电磁场，通信广播发出的无线电波，太阳或其它天体辐射出的电磁波，空中雷电，火花放电、弧光放电、辉光放电等放电现象，甚至气温、湿度等气象条件。
在抗干扰技术方面，根据以往的经验，主要有硬件抗干扰和软件抗干扰，采取硬件措施一般可以将绝大部分干扰拒之门外，但仍然可能有少数干扰进入系统中，引起不良后果，所以，作为系统抗干扰的第二道防线，软件措施是必不可少的。
通常硬件抗干扰效率高，但需要增加系统的硬件投资和扩大设备的体积，而软件抗干扰投资低，但由于软件抗干扰措施是以CPU的开销为代价的，可能影响到系统的工作效率和实时性，因此，在实际应用中，多半是软硬件抗干扰措施相结合，最终才能形成一个完整成功的抗干扰系统。
在本文中，我们主要使用了软硬件抗干扰技术，下面主要来讲述抗干扰的一些措施。
6.2硬件方面的抗干扰措施
在电源设计中采用多级滤波和多级稳压的方法来消除瞬态干扰，减小纹波电压，提高直流输出电压的稳定性，以消除电源电压波动和浪涌冲击产生的干扰。
在信号的采集与信号的传送过程中采用带有光电耦合器的接口电路，实现单片机系统与外设之间的电隔离，以消除来自外部的各个方面的干扰。
6.3软件方面的抗干扰措施
6.3.1数字滤波消除数据采集误差
生产现场由传感器检测到的信号不可避免地要混杂一些干扰信号，特别是传输线较长时更是如此。
在模拟控制系统里，都是由硬件组成的各种各样滤波器干扰信号。
在数字控制系统里，除一些必要的硬件滤波器很多滤波任务可以由数字滤波器承担。
数字滤波器的实质上是一种数字处理方法，是由计算机程序实现的数学运算。
数字滤波也称为软件滤波。
数字滤波在数字控制系统里得到成功的应用，因为与硬件滤波相比，数字滤波有很多优点:
1.数字滤波器是由程序实现的，不需增加硬设备，而且可以多个输入通道共用（使用时调用滤波子程序即可），因而成本低。
2.由于数字滤波是由程序实现的，不需硬设备，因而可靠性好，稳定性高，不存在阻抗匹配问题。
3.使用灵活，修改方便。
4.可以实现硬件滤波无法实现或难以实现的滤波任务。
6.3.2利用“看门狗”技术来实现PC的快恢复
当“跑飞”的PC指向程序区，且在执行到软件陷阱之前己经形成了一个死循环，在这种倩况下只能采用“看门狗”技术来实现PC的快速自恢复。
具体做法是为系统设置一个程序运行监视系统，利用它使系统复位而重新初始化，重新执行主控程序或进入出错处理程序.程序运行监控系统有多种，实现方法各不相同，本控制器是利用单片机内置的“看门狗”来完成，程序中每各隔一段时间访问WATCHDOG一次，利用其一级溢出和二级溢出功能实现程序跑飞后的自动返回。
6.3.3指令冗余
计算机控制系统在受到某种干扰后，CPU可能将部分操作数当作指令代码来执行，此时将引起程序混乱。
在计算机指令中，有单字节指令、双字节指令和三字节指令等，当程序弹飞在单字节指令的时候，它将自动纳入正常程序轨道，当弹飞到双字节指令时，程序可能落在其操作数上，从而继续出错，当程序弹飞到三字节指令时，程序可能落在其两个操作数中的任一个，出错的机会更大。
因此，在程序中应当多采用单字节指令，特别是在一些关键的地方，人为的插入一些单字节指令或者将有效单字节指令重复书写，即指令冗余。
指令冗余会适当的增加CPU的负荷，降低系统运行效率，但能够很好的保证系统在特定环境下的具有较高的稳定性和容错性。
心得与总结
好快啊，一转眼我们就快要毕业了，还有几个月的时间我们就要毕业，走上社会这个大家庭了。
在这段时间里，大家都在准备毕业实践。
这个毕业实践既是对理论知识的检验，也是动手能力的表现。
毕业实践是为我们即将步入
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