【正文】 2 節(jié)能、高效已成為熱水器行業(yè)間競爭的焦點及發(fā)展趨勢。 據(jù)調查，中國熱水器的普及率只有 70%左右。目前，%的居民家庭表示要在未來5 年中購買或更換熱水器。未來 5 年內我國城市熱水器需求量將平穩(wěn)增長，達到 4660 萬臺，熱水器行業(yè)即將迎來新一輪的消費高峰。據(jù)國務院發(fā)展研究中心市場經濟研究所推出的“中國城市熱水器市場研究咨詢報告”顯示，未來三年，我國熱水器市場將繼續(xù)保持平穩(wěn)發(fā)展的態(tài)勢，年增長保持在 6%左右。 就中國的具體情況而言，太陽能熱水器由于安裝位置的局限性，只適用于居住在頂樓的居民，且受天氣原因的限制，使用范圍狹窄，燃氣熱水器由于必須分室安裝，且須由專業(yè)人員安裝，并且燃氣熱水器不易調溫，需定期除垢，在使用中還易產生有害氣體，特別是使用液化石油氣和人工煤氣型的直排式燃氣熱水器，會產生輕度油煙，嚴重時甚至會危及生命。因此燃氣熱水器是一種人命關天的特殊產品，即使有百分之一的疏忽，帶給用戶的危險將是百分之百。 根據(jù)中國商業(yè)聯(lián)合會前不久的統(tǒng)計，電熱水器的市場份額在銷售數(shù)量和銷售收入兩個方面都已經超過了長期以來占優(yōu)勢的燃氣熱水器。該中心預計，在城市電網更大范圍改造和城市住房市場大規(guī)模啟動的帶動下，今后幾年我國電熱水器市場將呈現(xiàn)強勁增長勢頭。目前市場上的電熱水器分連續(xù)水流式和貯水式，前者雖具有加熱速度快和體積小的優(yōu)點，但需要的功率大，大多數(shù)家庭供電線路難以承受。而市場上傳統(tǒng)的機械式電熱水器控制功能不完善，而且精度低、可靠性差，生活質量的提高使得消費者對電熱水器功能提出延伸至全新的概念層面。熱水器技術未來將繼續(xù)朝著以下幾個方面發(fā)展： ① 智能化：從最初的手動旋鈕調節(jié)發(fā)展到如今數(shù)字化調節(jié)方式 ② 節(jié)能技術：從最初機械結構上的保溫節(jié)能到控制技術上的定時加熱或分步加熱技術轉變，由于在水溫很高時熱量流失較快，所以未采用該類技術的產品需要長時間在高溫區(qū)反復加熱，不僅啟動頻繁，而且耗電量很大，如果用戶可根據(jù)自己的實際需要設定好規(guī)定時段以進行定時倒計時加熱，則能將保溫耗電降至最低 ③ 安全穩(wěn)定性：由于電熱水器不同于一般的家電產品，涉及到人身安全，所以安全問題一直是各大廠家考慮的重點。隨著現(xiàn)在各種安全技術在電熱水器設計中的普遍應用，用電環(huán)境的日益規(guī)范，以及國家對電熱水器實行強制認證，安全技術已經成為衡量電熱水器的重要標準。其中安全技術主要體現(xiàn)在能自動檢測熱水器是否處于正常工作狀態(tài)，并具有調溫、恒溫、防干燒、防超高溫、防漏電等多項自檢功能，使用戶在使用過程中安全更有保障。 此外，隨著無線通信技術的發(fā)展，無線遠程控制也將是新一代電熱水器北京交通大學海濱學院畢業(yè)設計（論文） 3 的發(fā)展方向，用戶可以通過任何一部雙音頻固定電話或手機遙控熱水器的開/關、溫度設定等，并可查詢熱水器的工作狀態(tài)。現(xiàn)在市場上較為先進的儲水式電熱水器能實現(xiàn)上述等功能，但仍難以滿足人們對現(xiàn)代化家電的使用要求。在現(xiàn)如今眾多的控制手段中，要滿足低價格、高性能、尤其是智能化的要求，采用典型的嵌入式控制系統(tǒng)——單片機為核心的控制器應為首選。 課題任務 本設計主要是對市場現(xiàn)有產品的仿制，要能夠實現(xiàn)電熱水器的完整功能。以 80C51 單片機為核心配合傳感器、顯示器件、繼電器、電加熱器、報警器等外圍器件，采集熱水器儲水箱中的水位、水溫信號，通過控制電動機的運轉、電加熱器加熱來控制儲水器的水位、溫度。利用鍵盤上開關按鈕進行調節(jié)水溫的最大和最小限度，手動控制上水和加熱，設置水位水溫功能。采集熱水器儲水箱中水位和水溫信號，并完成水位和水溫的顯示，以及缺水報警系統(tǒng)。張勝： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設計 4 第 2 章 系統(tǒng)設計方案 設計原理 系統(tǒng)原理利用熱敏傳感器和水位傳感器檢測水溫和水位，并加以顯示。根據(jù)水位情況進行手動和自動上水控制。當水位從高到低，出現(xiàn)缺水狀態(tài)時，蜂鳴器報警，缺水指示燈亮，繼電器開始工作，熱水器容器上水，水位上升超過“低”水位后，缺水指示燈熄滅，蜂鳴器停止報警。水位至預置水位后繼電器關閉，停止上水；當水溫低于設定最低溫度時，加熱繼電器工作，當溫度加熱高于設定最高溫度的時候繼電器停止工作。此系統(tǒng)是為多子系統(tǒng)的綜合性控制系統(tǒng)，設計過程中也是分塊實現(xiàn)設計調試，最后進行綜合實現(xiàn)，以下就從各子系統(tǒng)的工作原理進行分別進行說明。單片機復位電路按鍵電路報警電路時鐘振蕩加水裝置溫度傳感器水位傳感器LED 顯示蜂鳴器報警圖 系統(tǒng)原理圖 子系統(tǒng)工作原理 溫度控制系統(tǒng) 該子系統(tǒng)利用低功耗單線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 實現(xiàn)溫度采樣，將采樣的溫度值通過單片機的 口送入單片機處理，然后實現(xiàn)水溫的控制,利用按鍵對水溫的值進行設置，當溫度高于上限或者低于下限后蜂鳴器報警，使之保持溫度在一定范圍內的穩(wěn)定。北京交通大學海濱學院畢業(yè)設計（論文） 5 本控制系統(tǒng)可以時時采集熱水器內部水溫通過 LED 顯示水溫，由于太陽能熱水器實際溫度不會超過 100 攝制度，所以本系統(tǒng)采用兩位顯示，測量范圍為 00~99 攝氏度，溫度可以精確到小數(shù)點后兩位。 水位控制系統(tǒng)該子系統(tǒng)能進行水位的控制，利用自制的 3 根導線對水位的信息進行采集，并通過單片機的 P2 口送入給單片機處理加工，通過發(fā)光二極管顯示器顯示，共有 3 個水位擋，沒水或者系統(tǒng)出錯后，蜂鳴器都報警，使系統(tǒng)的水位保持在一定的范圍內。本系統(tǒng)需顯示水位，水位分低、中、高三檔，均用發(fā)光二極管來指示。實驗證明，純凈水幾乎是不導電的，但自然界存在的以及人們日常使用的水都會含有一定的 Mg2+、Ca2+等離子，它們的存在使水導電。本控制裝置就是利用水的導電性來完成的。 當水位未達到 a 時，即 ha 時、這時傳感器的總阻值 R 為 3R，對應，系統(tǒng)處于缺水狀態(tài)。 當 ahb 時，傳感器電阻阻值 R 為 2R，對應，系統(tǒng)處于 30%水位。 當 bhc 時，傳感器電阻阻值 R 為 R，對應，系統(tǒng)處于 50%水位。 當 h=c 時，傳感器電阻阻值 R 為 0，對應，系統(tǒng)處于 100%水位。 其中，環(huán)形振蕩器產生的方波周期 T（或 f）可通過單片機的兩個定時/計數(shù)器（T0、T1）來確定，T1 用來計數(shù)，T0 用來定時。 報警系統(tǒng)該系統(tǒng)利用蜂鳴器報警，系統(tǒng)故障報警和水溫水位信息報警，以便及時掌握水溫水位控制系統(tǒng)的工作狀況，系統(tǒng)自己不能處理的就可以人工輔助處理，這樣能讓系統(tǒng)更好的運行在穩(wěn)定狀況下。 設計方案 系統(tǒng)設計方案的選擇方案一：PIC16C72 單片機為控制器件的智能電熱水器 PIC16C72 是美國微芯(Microchip)公司推出的 8/11 位單片機，采用寬字節(jié)單周期指令，哈佛雙總線和 RISC 結構，其數(shù)據(jù)吞吐量最高可達 6MIPS，這幾乎是其它大多數(shù) 8 位微控制器速度的 4 倍 128 腳封裝的 PIC16C72 單片機內集成了以下主要功能：2KB 片內 ROM 程序存儲器，128KB 數(shù)據(jù)存儲器；22 位 I/O 線；5 路 8 位 A/D 轉換器，2 個 8 位，1 個 16 位多功能計數(shù)器/定時器，1 個捕捉/比較/脈寬調制(CCP)部件。 以 PIC16C72 為控制芯片的電熱水器，雖然功能很強大，但是存在一些很需要改進的張勝： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設計 6 地方：中斷的現(xiàn)場保護是中斷應用中一個很重要的部分由 PIC16C72 的指令系統(tǒng)中沒有專門的 PUSH(入棧)和 POP(出棧)指令，所以要用一段程序來實現(xiàn)該功能。對可能用到的 W寄存器和 STATUS 寄存器內容進行現(xiàn)場保護 1 然后在中斷服務程序中對馬達，繼電器進行控制 1 漏電檢測報警在中斷里給出，而每 50ms 進入一次中斷，所以發(fā)生漏電時最多 50ms即可切斷電源 1 入口→中斷保護→控制馬達→控制繼電器如果用直流對電機進行控制，其轉速太快，過調量太大，容易引起震蕩。 方案二:根據(jù)控制系統(tǒng)要求，首先確定 PLC 的控制模塊，估算出所需要的 I/O 點數(shù)（數(shù)字輸入/輸出量、模擬輸入/輸出量） ，再增加 10%~20%的備用量，以便隨時增加控制功能，保證系統(tǒng)投入運行后能夠替換個別故障點或彌補遺漏的點數(shù)，統(tǒng)計出 I/O 總點數(shù)后饑渴確定 PLC 的控制規(guī)模，從而確定存儲器（用于存儲用戶程序和數(shù)據(jù)）的容量，存儲器容量除了根據(jù) PLC 的控制規(guī)模確定。也可以按照如下方法計算，再增加 25%~30%的備用量，以便隨時增加用戶程序。一種方法是根據(jù)編程實際使用的節(jié)點數(shù)計算，即編完程序之后，根據(jù)節(jié)點數(shù)計算出實際使用容量。另一種方法是估算法，只有開關量時，所需內存總數(shù)=開關量（輸入/輸出）總數(shù)*10；只有模擬量輸入時，所需內存總數(shù)=模擬量路數(shù)*120。在模擬量輸入、輸出同時存在時，所需內存總數(shù)=模擬量路數(shù)*250；同時，應考慮 PLC 提供的內部繼電器和寄存器的數(shù)量，以便節(jié)省資源。系統(tǒng)控制框圖如下：圖 系統(tǒng)控制框圖 PLC 電源 16 點輸入 16 點輸出 主機自 自 溫 溫 消 手 手 自動 動 度 度 音 動 動 動/ 總 開 開 按 加 上 總手 開 關 關 鈕 熱 水 停動 選擇排 供 報 除水 水 警 塵閥 閥 器 器繼電器除塵電機北京交通大學海濱學院畢業(yè)設計（論文） 7 這種設計方法，需要使用節(jié)點數(shù)來計算一些數(shù)據(jù)比較繁瑣。所以不采用這種方法。方案三：單片機具有結構簡單、控制能力強、可靠性高、體積小、價格低等優(yōu)點，并且可以通過按鍵切換檢測壓力。但是在過程中只能檢測三點，雖然可以擴展，但是占了太多的 I/O 口，容易造成資源的浪費。而且僅顯示單元就占用了 12 個 I/O 口，同樣屬于資源浪費。在電機電路設計方面，采用的三極管的導通截止來控制點擊的正轉與反轉，雖然設計簡單，但是過多的使用三極管以及二極管類的元器件，也會使成本升高。而且，既然是熱水器的自動控制裝置，那么必不可少的就是溫度的檢測，而其他方案中卻忽略了這點，造成了最大的殘缺。通過以上三種設計方法的比較來看，實現(xiàn)電熱水器的智能控制可以有很多種方法?？梢圆捎每删幊绦蚩刂破?PLC，各種單片機來實現(xiàn)。相比 PIC 和 PLC，單片機技術新、先進、體積小、精度高、功能擴展極其方便，且衡量之下它的成本較之其它方案要低些。除此之外單片機的外圍電路也非常的簡單,系統(tǒng)緊湊,對于這種小規(guī)模的應用系統(tǒng),單片機具備了最佳的價格和最簡單的電路。再考慮到成本控制和軟硬件實現(xiàn)難度，采用方案三的控制系統(tǒng)設計，可以進一步提高電熱水器的智能作用，能夠保證持續(xù)的熱水供應，并能夠在異常情況下自動斷電，可以滿足人們日常生活的需要，提高了人們生活的質量。單片機的選擇方案一：采用 AT89C2051 芯片，它具有體積小、功耗小。含有中斷、定時/計數(shù)器。但 IO 口數(shù)和存儲空間相對較少，所以此芯片不利于系統(tǒng)的工作和系統(tǒng)功能的擴展。方案二：采用 AT89C51 芯片，它具有 AT89C2051 芯片的所有功能，且 IO 口數(shù)相對較多，價錢相對也比較便宜，但存儲空間不是非常大。方案三：采用 80C51 芯片，它具有 AT89C2051 和 AT89C51 芯片的所有功能，且 IO 口數(shù)非常多，比 AT89C2051 和 AT89C51 多，價錢雖然比 AT89C2051 和 AT89C51 昂貴，但存儲空間非常大，可以到達 8K。綜上所述，我選擇 80C51 芯片作為本次設計的主控芯片，主要因為這個芯片的存儲空間比較大，可以運用很多場所，與本設計也相符。 各部件控制系統(tǒng)方案溫度控制系統(tǒng)的設計方案討論如果采用熱電阻，電路需接 A/D 轉換電路，由單片機換算出實際溫度，電路結構復雜，而且也精度不高，DS18B20 可直接與單片機的 1 位 I/O 相接，電路結構簡單，占用單片機的口線資源少，精度高，而且成本低，DS18B20 以其各方面優(yōu)點作為溫度傳感器進行張勝： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設計 8 溫度采樣應用于此水溫水位控制系統(tǒng)中實在是當仁不讓。水位控制系統(tǒng)的設計方案討論此系統(tǒng)要進行水溫水位控制，馬上想到的是水溫水位的兩個參數(shù)的控制，在溫度傳感器采用 DS18B20 之后，對于水位的控制不假思索的想到要運用水位傳感器，經過幾天的資料搜集，發(fā)現(xiàn)水位的傳感器是通過壓力傳感器變換過來的，看到最多的是浮球式液位傳感器，而且此傳感器的適用溫度范圍和測試精度也適合該設計系統(tǒng)，但此方案的缺點是價格非常昂貴；后來又考慮采用應用于電子秤中的數(shù)字壓力傳感器，去測得整個容器中水的變化和容器中液位的換算關系，此想法基于電子秤能夠測得一張紙的重量，但是在實際應用中，考慮到容器的氧化，容器內部的水垢增多，而且容器的外置也會產生整個容器重量的變化，從而造成液位采集的不準確，此壓力傳感器的市場價格也比較昂貴，應用于此控制模型中也是一種浪費；因此我自制了 3 根線將容器中的液位分成了 3個水位擋，通過和電源正極的結合，利用水導電的特性，通過 9012 三極管等元件構成的驅動電路的電平轉換，將液位數(shù)據(jù)輸入 P2 口，通過單片機換算轉換成液位數(shù)據(jù)存入一個存儲器單元，隨時讀取。數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的設計方案討論為了能構造一個適合的人機界面，在諸多的顯示器件中數(shù)碼管的液晶字符性顯示器非常適合運用于此控制系統(tǒng)當中的，它的功能特性也完全適用于此設計系統(tǒng)的功能要求，也不會造成資源的浪費，所以就確定數(shù)碼管作為本此設計系統(tǒng)的顯示器件。為了配合顯示器件，就需設置按鍵，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和單片機的口線資源，為系統(tǒng)配制了 3