【正文】 數(shù)達(dá)100%，通過(guò)檢測(cè)，快熱式家用電熱水器比傳統(tǒng)的熱水器可節(jié)省40%的能耗，用多少熱水就加熱多少熱水，沒(méi)有熱水用不完的浪費(fèi)和使用中途熱水供應(yīng)不足的現(xiàn)象，熱水利用率100%，因?yàn)樗炔恍枰崆邦A(yù)熱，也不需保溫，省去了大量的額外開(kāi)支，給用戶(hù)帶來(lái)真正的實(shí)惠。即熱式產(chǎn)品作為新型環(huán)保產(chǎn)品在我國(guó)廣泛使用已是大勢(shì)所趨，符合現(xiàn)代消費(fèi)潮流。一切跡象都在預(yù)示著快熱式家用電熱水器的春天就要來(lái)臨了。 即熱式電熱水器與普通電熱水器的區(qū)別普通電熱水器有如下缺點(diǎn)：，長(zhǎng)期保持在六十度以上高溫，發(fā)熱管易結(jié)垢，內(nèi)膽易漏水，因而較易損壞；、熱量損耗大；；，根據(jù)管道的長(zhǎng)短，一般家庭中冷水損耗量大，基本可達(dá)1025升每次。而快熱式電熱水器克服了上述缺點(diǎn)。它有很多優(yōu)點(diǎn)，如：安全，干凈環(huán)保；即開(kāi)即熱，35秒出熱水無(wú)需等候，熱水使用時(shí)間不受限制，想用多少就用多少；用多少燒多少，省電省水，沒(méi)有損耗；內(nèi)置溫控儀保證溫度在3050度之間，解決溫度持續(xù)高溫導(dǎo)致的結(jié)垢漏水問(wèn)題。體積小不占空間，其中封閉式（尺寸為：24cm**25cm，類(lèi)似25*25的衛(wèi)生間地磚那么小，純白色。）可以隱藏在櫥柜內(nèi)，安裝方便，特別適合新裝修的房子，款式多樣，美觀(guān)實(shí)在，也是職工福利和客戶(hù)禮品的絕佳選擇。特別方便于洗滌和洗漱，是為現(xiàn)代家具廚房洗滌、衛(wèi)生間洗漱專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的快速電加熱熱水器，結(jié)合了燃?xì)鉄崴?、太?yáng)能熱水器和傳統(tǒng)儲(chǔ)水式電熱水器的諸多優(yōu)點(diǎn)。 設(shè)計(jì)要求，能顯示設(shè)定功率檔位?！?9℃，精確度為177。1℃。，1～4檔1個(gè)燈亮，5～8檔2個(gè)燈亮，9檔3個(gè)燈亮。0檔無(wú)功率輸出，檔位燈不亮。，分別為電源開(kāi)關(guān)、“+”鍵和“”鍵。加熱功率分0～9檔；按“+”鍵依次遞增至9檔，按“”鍵依次遞減至0檔。0～9檔功率依次為0、1/9P、2/9P、3/9P、4/9P、5/9P、6/9P、7/9P、8/9P和P[1]?！鏁r(shí)停止加熱，并蜂鳴報(bào)警，溫度降到45℃以下時(shí)恢復(fù)。℃時(shí)停止加熱，防止干燒。本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括硬件部分和軟件部分的設(shè)計(jì)。硬件部分分為元件選擇和電路的設(shè)計(jì)，元件選擇包括單片機(jī)、電源、鍵盤(pán)、顯示器、驅(qū)動(dòng)及加熱控制元件、溫度檢測(cè)傳感器等的選擇；電路包括加熱控制電路、過(guò)零檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路、LED數(shù)碼管及指示燈電路、報(bào)警器驅(qū)動(dòng)電路。軟件部分的設(shè)計(jì)即系統(tǒng)程序流程的設(shè)計(jì)，包括主程序的設(shè)計(jì)、顯示掃描子程序的設(shè)計(jì)、按鍵掃描處理子程序的設(shè)計(jì)、加熱控制程序流程圖的設(shè)計(jì)、溫度檢測(cè)程序的設(shè)計(jì)和頻率測(cè)試程序流程圖的設(shè)計(jì)等。其中，軟件編程采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，因?yàn)镃語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性和可維護(hù)性上比匯編語(yǔ)言有明顯的優(yōu)勢(shì)，Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)就是Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)[2]。也容易實(shí)現(xiàn)程序的模塊化和結(jié)構(gòu)化。此外關(guān)于快熱式電熱水器控制源程序在Keil u Vision2 ( )環(huán)境下調(diào)試。2 快熱式電熱水器的硬件設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，主要包括電源電路、單片機(jī)控制器、溫度檢測(cè)電路、按鍵輸入電路、LED數(shù)碼管及指示燈電路、報(bào)警電路和加熱控制電路。對(duì)于快熱式家用電熱水器來(lái)說(shuō)，硬件系統(tǒng)是它的最基本的框架，是系統(tǒng)的所有功能的基礎(chǔ)。硬件的選擇和所選硬件的性能對(duì)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)的精度都有直接的影響，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成功與否很大程度上取決于硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。溫度檢測(cè)按鍵輸入電源單片機(jī)LED顯示蜂鳴報(bào)警加熱控制 電熱水器系統(tǒng)組成框圖 硬件元件的選擇與方案論證 單片機(jī)的選擇方案一： 我們知道8031芯片內(nèi)部無(wú)ROM，需要外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器，由此造成電路焊接的困難，況且使用8031還要另外購(gòu)買(mǎi)其他的芯片，如A/D轉(zhuǎn)換及定時(shí)/計(jì)數(shù)器（PWM）等芯片，從而造成成本較高，不適用。方案二：?jiǎn)纹瑱C(jī)51機(jī)的特點(diǎn)：①字長(zhǎng)為8位。幾乎絕大多數(shù)的單片機(jī)外圍芯片都直接或間接的支持8位字長(zhǎng)，這樣可供它選擇的余地相當(dāng)大，這使得51單片機(jī)的應(yīng)用達(dá)到了無(wú)孔不入的地步。②程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)。程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量都是64KB。這樣做的好處是可以盡可能使用大的存儲(chǔ)器，無(wú)論是程序還是數(shù)據(jù)都是這樣，在存儲(chǔ)器價(jià)格日益低廉的今天，幾乎可以用微不足道的價(jià)格換取相當(dāng)可觀(guān)的性能。③功能日益強(qiáng)大。現(xiàn)在程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、掉電不丟失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、看門(mén)狗、A/D轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電路等都集中到一個(gè)芯片上。沒(méi)有別的特殊要求，一個(gè)片子就能組成幾乎十分完整的單片機(jī)系統(tǒng)。④軟件上單片機(jī)的編制語(yǔ)言十分豐富。包括匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言、PLM，某些單片機(jī)甚至固化有解釋型的BASIC語(yǔ)言，適應(yīng)幾乎所有人員的需要[3]。因?yàn)?9C51芯片內(nèi)部有ROM，且芯片ROM全部采用Flash ROM,它能于3V的超低壓工作，與MCS51系列單片機(jī)完全兼容，由于89C51單片機(jī)成本低廉且工作可靠，采用12MHz的晶振。此外，89C51還可以工作于低功耗模式，可通過(guò)兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)CPU，而RAM定時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存RAM數(shù)據(jù)，時(shí)鐘震蕩停止，同時(shí)停止芯片內(nèi)其他功能。所以我們選擇了89C51作為系統(tǒng)微處理器。 電源的選擇方案一：采用干電池，使用方便，安全可靠，但價(jià)格昂貴，且使用時(shí)間較短，所以不采用。方案二：由于89C51對(duì)電源要求不甚嚴(yán)格，+5V電源來(lái)源方便，且經(jīng)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓比較可靠，較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，所以采用此方案。 鍵盤(pán)的選擇方案一：鍵盤(pán)選用行列式鍵盤(pán)，行列式鍵盤(pán)的接口方法，直接接口于單片機(jī)的I/O口上。鍵盤(pán)設(shè)置在行、列線(xiàn)的焦點(diǎn)上，行、列線(xiàn)分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端。行線(xiàn)通過(guò)上拉電阻接+5V，被拉在高電平狀態(tài)。但線(xiàn)路較復(fù)雜，價(jià)格較昂貴，不適用。方案二：獨(dú)立式鍵盤(pán)是由若干個(gè)機(jī)械觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)構(gòu)成的，把它與單片機(jī)的I/O口線(xiàn)連起來(lái)，通過(guò)讀I/O口的電平狀態(tài)，如果按鍵不被按下，其端口就為一種電平，如果按鍵被按下，則端口就為另一種電平，即可識(shí)別出相應(yīng)的按鍵是否被按下。獨(dú)立式鍵盤(pán)有上拉電平和下拉電平兩種接法，通常采用下拉電平接法，即各按鍵開(kāi)關(guān)一端接低電平，另一端接單片機(jī)I/O口線(xiàn)，這是為了保證在按鍵斷開(kāi)時(shí)各I/O口線(xiàn)有確定的高電平[4]。本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立式按鍵，其是常用于需要少量幾個(gè)按鍵的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占用一根輸入端口線(xiàn)，各鍵的工作狀態(tài)不會(huì)相互影響。采用輕觸式獨(dú)立小按鈕，既實(shí)用又方便，因?yàn)楸倦娐穼?duì)鍵盤(pán)的要求不高，所以采用這種方案。 顯示器的選擇LED數(shù)碼管顯示器可分為兩種顯示方式：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。方案一：LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示，多片七段譯碼器驅(qū)動(dòng)顯示，這不僅增加了成本，還需要占用單片機(jī)多個(gè)I/O口，也給電路的焊接帶來(lái)了一定的困難，因此不選用這種方案作為顯示模塊。方案二：動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示一般用在需要多只數(shù)碼管顯示的場(chǎng)合，它采用分時(shí)的方法，讓每只數(shù)碼管輪流顯示。采用動(dòng)態(tài)顯示可以大幅的降低硬件成本和電源的功耗。因?yàn)榉謺r(shí)顯示，某一時(shí)刻只有一只數(shù)碼管在工作，顯示驅(qū)動(dòng)電路也可以分時(shí)復(fù)用。通常各位數(shù)碼管的段選線(xiàn)相應(yīng)并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位的I/O口控制；各位的位選線(xiàn)由另外的I/O口線(xiàn)控制。動(dòng)態(tài)方式顯示時(shí)各數(shù)碼管輪流分時(shí)選通，要使其穩(wěn)定顯示必須采用動(dòng)態(tài)掃描方式，即在每一時(shí)刻只選通一位數(shù)碼管，并送出相應(yīng)的段碼，在另一時(shí)刻選通另外一位數(shù)碼管，并送出相應(yīng)的段碼。雖然這些字符是在不同的時(shí)刻分別顯示，但由于人眼存在視覺(jué)暫留效應(yīng)，只要每位顯示間隔足夠短就可以給人以數(shù)碼管同時(shí)顯示的感覺(jué)[5]。在動(dòng)態(tài)顯示方式下電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，所以采用。 驅(qū)動(dòng)及加熱控制元件的選擇方案一： 對(duì)于加熱功率的控制，最簡(jiǎn)單的方法是由若干不同功率的電熱絲組合得到幾種加熱功率，但由于快熱式熱水器的加熱功率較普通的大，且檔位設(shè)置較多，用電熱絲組合的方法需要幾組電熱絲和繼電器，成本增高且工作可靠性降低，所以不用。方案二：通過(guò)一個(gè)繼電器驅(qū)動(dòng)，采用可控硅控制功率，能經(jīng)受較高的功率，所以可以設(shè)置較多的檔位，成本大大降低可靠性較高，而且電路簡(jiǎn)單，又控制方便，所以本方案采用。 溫度檢測(cè)傳感器的選擇溫度檢測(cè)的方法很多，有熱電偶，熱敏電阻，還有專(zhuān)門(mén)的集成測(cè)溫傳感器等。方案一：熱電偶傳感器是將溫度變化轉(zhuǎn)為電量變化的裝置，它利用敏感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化而變化的特性來(lái)達(dá)到測(cè)量目的。通常把被測(cè)溫度的變化轉(zhuǎn)化為敏感元件的電阻變化、電勢(shì)的變化，再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的測(cè)量電路輸出電壓或電流，然后由這些參數(shù)的變化來(lái)檢測(cè)對(duì)象的溫度變化。熱敏電阻具有靈敏度高、體積小、較穩(wěn)定、制作簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、易于維護(hù)、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)。但有變化率非線(xiàn)性，不適合測(cè)量高溫區(qū)等缺點(diǎn)。方案二：溫度檢測(cè)的方法較多，最經(jīng)典的方法就是用熱敏電阻（或熱敏傳感器）組成電橋來(lái)采集信號(hào)，再經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)。目前比較先進(jìn)的方法是采用專(zhuān)門(mén)的集成測(cè)溫傳感器（如DS18B20），直接將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)。這種方法顯然比較先進(jìn)，但電路比較復(fù)雜，成本也比較高[2]。方案三：為了簡(jiǎn)化電路，降低成本，本文采用了溫度/頻率轉(zhuǎn)化測(cè)溫法，直接將溫度信息轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，用單片機(jī)測(cè)出頻率的大小，從而間接測(cè)出溫度值，溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路簡(jiǎn)單可靠，成本低廉。所以采用此方案。 供電線(xiàn)路的選擇快熱式電熱水器為了達(dá)到“快熱”的效果，取消了儲(chǔ)水罐，使冷水在進(jìn)入加熱管后立即被加熱，這就要求加熱管有較大的加熱功率。家用電熱水器一般采用方便、可靠的電熱絲加熱方法。根據(jù)熱學(xué)及流體力學(xué)原理，結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，可以得到水溫與流量、。，按220V供電計(jì)算，電流約為34A，所以要求專(zhuān)線(xiàn)供電。 水溫與流量、加熱功率的關(guān)系水流量/(L/m)功率/kW 溫度/℃22．533．544．547423634325．554484138366．562544642387．57060514641注：進(jìn)水溫度為15℃，輸入電壓為AC220V。 傳感器輸出的放大電路的選擇方案一：運(yùn)算放大器LM324帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。該四運(yùn)算放大器可以工作在低到3V或者高于32V的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。它的性能特點(diǎn)是保護(hù)輸出、真差動(dòng)輸入級(jí)、底偏置電流為最大100mA、每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器、具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ堋⒐材７秶鷶U(kuò)展到負(fù)電源、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列、輸入端具有靜電保護(hù)功能。但用在本電路中接線(xiàn)較復(fù)雜，且價(jià)格昂貴，所以不用。方案二：采用74LS04作為輸出放大電路的選擇，它還可以作為驅(qū)動(dòng)電路使用,74LS04是TTL電平反相器，使用較經(jīng)濟(jì)且性能也很理想，所以在本方案中采用。 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)快熱式熱水器控制系統(tǒng)電路如附錄圖B所示。它由加熱控制電路、過(guò)零檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路、數(shù)碼管顯示電路、報(bào)警器驅(qū)動(dòng)電路等電路組成?？刂破鞑捎贸杀镜土夜ぷ骺煽康?9C51或其兼容系列的單片機(jī)，采用12MHz的晶振。89C51對(duì)電源要求不甚嚴(yán)格，電源電路采用普通的市電降壓整流，然后經(jīng)集成穩(wěn)壓器（7805）穩(wěn)壓輸出+5V電壓。按鍵采用輕觸小按鈕。顯示電路采用兩位共陽(yáng)數(shù)碼管，由兩個(gè)三極管9012驅(qū)動(dòng)。3個(gè)LED指示燈用于指示加熱功率。報(bào)警電路采用5V的自鳴式蜂鳴報(bào)警器。 ，電熱絲的加熱功率由雙向可控硅控制，單片機(jī)通過(guò)光耦給可控硅觸發(fā)信號(hào)，控制可控硅的導(dǎo)通角從而控制電熱絲的有效加熱功率。而加熱電阻通過(guò)發(fā)光二極管來(lái)顯示加熱與否，當(dāng)加熱時(shí)二極管發(fā)光，而不加熱時(shí)二極管不發(fā)光，為了在關(guān)機(jī)和超溫保護(hù)的狀態(tài)下能可靠的關(guān)斷加熱電源，電路中加入了繼電器來(lái)控制加熱電源。其中串聯(lián)在繼電器線(xiàn)圈電路的熔絲為105℃的熱保險(xiǎn)絲，當(dāng)溫度超過(guò)105℃時(shí)，熱保險(xiǎn)絲會(huì)熔斷，防止加熱管干燒。與電熱絲并聯(lián)的LED發(fā)光管用來(lái)指示電熱絲的工作狀態(tài)。 加熱控制電路圖 過(guò)壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)此電路通過(guò)變壓器將