毕业设计93沸腾型全自动电热水器的设计.docx
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毕业设计93沸腾型全自动电热水器的设计
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：
所在院系：
机电学院
所学专业：
机电技术教育
导师姓名：
完成时间：
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
Thisarticleintroducesaboiling-typewaterheaterelectroniccontrolsystem,whichhasacompletelyautomaticcontrolfunction,Toensurethatthewaterheatercannottripafterboilingintime.Comparedwiththecurrentallkindsofapparatusthewatermixedwithrawwaterinnoway.Guaranteedthatthepotablewaterhealthandtheboilingwaterinstructeddirect-viewingstriking,simple,effective,non-fragilecharacerristics.
Theelectronicwaterheaterconsistsofthewatertank,thewatervalve,thepower,thewaterlevelsensor,temperaturesensorandcontrolsystem.Controlsystemisthecoreofboiling,thecontrolsystemofthequalityofthedecisionofthemeritsofelectricboiling.thewaterleveldetectionandcontrolofautomaticallyaddingwaterautomaticallyinordertoensuredrinkingwaterisnotmixedwithrawwater.Tosetthehighandlowwaterleveldetection,whenthewaterisbelowthelowwaterleveladdwaterautomatically,andwhenthewatertankisfull,thewaterlevelreachedthehighpointistostopaddingwater,so,inthedrinkingwater,thewaterlevelhasbeenhigherthanthelow,thewaterwillnotbemixedwithrawwater.Inordertoensuredrinkingwaterisboiling,Thetemperatureofwatermustbetestedinthewatertank,whenthewatertemperatureisbelowthelowestvalue,Tocontroltheheatingelementsgotowork,whenthewaterboiledtostopheatingautomatically.Inaddition,thehardwareissettedontheanti-drycontrolandalarmfunctions.anti-jammingsoftwareistakentosafeguardthestableoperationofthesystem.
Keywords:
Theelectronicwaterheater,Controlcircuit,Timerelay
目录
1绪论1
2总体设计方案1
2.1进水控制1
2.2加热控制2
2.3基本的设计要求2
3系统的硬件设计2
3.1温度控制与显示电路2
3.1.1显示电路2
3.1.2温度检测电路3
3.1.3CPU主电路5
3.2水位控制4
3.3电加热电路5
3.4时间继电器控制电路5
3.5漏电检测及报警电路6
3.6电源电路7
4系统的软件设计7
4.1抗干扰设计7
4.2程序设计7
5结束语9
致谢9
参考文献9
附录11
1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-5～125℃，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0～105℃；
（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
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０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：
①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），②测温范围为-55℃--＋125℃，测量分辨率为0.0625℃,③内含64位经过激光修正的只读存储器ROM，④适配各种单片机或系统机，⑤用户可分别设定各路温度的上、下限，⑥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4DS18B20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5KΩ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5DS18B20应用电路
3.1.3CPU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1.2MHz～12MHz。
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=4.2m△T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AbstractI/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、D1～D4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。
用水之后
检测水位，水温
Y
打开电磁阀，开始进水
N
检测水位，水温并显示水温
N
N
运行子程序
Y
打开电磁阀，开始进水
子程序运行
闲置时
N
Y
加热器通电
N
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
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[17]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：
DISP1EQU6FH;显示缓冲区域
DISP2EQU6EH
DISP3EQU6DH
DISP4EQU6CH
DISP5EQU6BH;
D100EQU6AH;温度的百位数据缓存。
EVEQU69H;没有删分ＢＣＤ的温度值
DAYEQU68H
SUMEQU67H;控制订定时器1的中段次数
SUMMEQU66H;查表得出的定时器需要设置的延时初值的循环次数。
SVEQU65H;当前温度值
DUAN1_WEQU64H
DUAN2_WEQU63H
DUAN3_WEQU62H
DUAN4_WEQU61H;３段温度值
BEEPBITP2.7;蜂鸣器
DS18B20_INBITP3.7
CHCEK_ZEROBITP3.2
S10KEQU33H;一秒到，温度刷
MS50EQU34H;50MS的存储单元。
TEMPHDATA35H;从18b20中得到的温度
TEMPLDATA36H;从18b20中得到的温度
CBCDEQU38H;拆BCD
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG0003H
LJMPEX_ZERO
ORG000BH
LJMPTOIT
ORG001BH
LJMPTO2T
ORG0030H
MAIN；MOVSP,#70H
MOVTMOD,#11H
MOVTH0,#9EH
MOVTL0,#58H
MOVTH1,#0FFH
MOVTL1,#0E7H;T1定时为0.05ms
MOVS10K,#0
MOVSECOND,#0
MOVMINUTE,#0
MOVHOUR,#0
MOVDAY,#0
SETBBEEP
MOVS11,#1
MOVS22,#0
MOVS55,#0
MOVDUAN1_W,#30
MOVDUAN2_W,#37
MOVDUAN3_W,#40
MOVDUAN4_W,#38
MOVDAY_1,#6
MOVDAY_2,#10
MOVDAY_3,#20
MOVDISP1,#0H
MOVDISP2,#11H
MOVDISP3,#11H
MOVDISP4,#10H
MOVDISP5,#0FH;系统初始化
ACALLTZHDISP
SETBEA
SETBET0
SETBET1
CLRTR0
SETBEX0
CLRIT0
SETBPT0
SETBPT1
CLRPS
CLRPX0
CLRPX1
CLRCH_A;
SETBCH_B;
SETBCH_C;
CLRP0.0;
START；MOVA,S10K
CJNEA,#1,START1
LCALLWENDU
LCALLDISP
MOVS10K,#0
MAIN1；JBFLAG.1,NE7
JBS2,NET1
ACALLT12MS
JBS2,NET1
JNBS2,$
MAIN1_1；INCS22
MOVA,S22
NET1；CJNEA,#1,NE1
MOVR0,#DUAN1_W;Ｒ0送入第一段要调的温度单元地址
MOVDISP3,#11
MOVDISP2,#12
MOVDISP1,#1
LJMPTZ
NE1；CJNEA,#2,NE2
MOVR0,#DUAN2_W;Ｒ0送入第二段要调的温度单元地址
MOVDISP3,#11
MOVDISP2,#12
MOVDISP1,#2
LJMPTZ
NE2；CJNEA,#3,NE3
MOVR0,#DUAN3_W;Ｒ0送入第三段要调的温度单元地址
MOVDISP3,#11
MOVDISP2,#12
MOVDISP1,#3
LJMPTZ
SETBTR0
SETBEX0
MOVSV,D
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