【正文】 成之后，在下一章介紹系統(tǒng)的控制算法。 本章小結(jié) 本章 詳細(xì)介紹了系統(tǒng)各個(gè) 硬件 模塊的設(shè)計(jì)，采用分塊描述， 介紹了各個(gè)模塊的特點(diǎn)以及電路連接。cm）。自來(lái)水的電阻率為 1300Ω按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)， 220V 電壓下漏電電流小于 5mA，漏電時(shí)也能洗浴。 圖 隔電墻示意圖 “隔電墻 ”的專業(yè)名稱為 “水電阻衰減隔離法 ”。 漏電保護(hù)技術(shù) 為保證使用電熱水器時(shí)的用電安全，本設(shè)計(jì) 選擇“隔電墻”作為漏電保護(hù)。根據(jù)楞次定律，負(fù)載電感會(huì)產(chǎn)生同方向的電流，該電流會(huì)阻止可控硅的關(guān)斷，使該關(guān)斷的可控硅導(dǎo)通，也就是誤導(dǎo)通。 圖 加熱驅(qū)動(dòng)電路圖 由于負(fù)載加熱絲存在少量電感，屬于感性負(fù)載?？烧{(diào)范圍為 ?? 180~0 ，因此 PWM 波的頻率為工頻交流電頻率的 2 倍即頻率Hzf 100? ，即 PWM 波的周期 msT 10? 。 P24 端輸出頻率一定脈寬可調(diào)的 PWM 波， PWM 波的頻率由雙向可控硅的觸發(fā)角 錯(cuò)誤 !未找到引用源。同理，當(dāng)電源電壓在負(fù)半周時(shí)，可控硅承受反向電壓，晶閘管導(dǎo)通，工作在第三象限 [8]。雙向可控硅的伏安特性如圖 所示，無(wú)論門極是正的觸發(fā)電流還是負(fù)的觸發(fā)電流，都能觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通。當(dāng)輸入 15mA 以上電流時(shí)，二極管發(fā)光使光控可控硅導(dǎo)通，從而接通負(fù)載電路。 圖 MOC3042 引腳排列及內(nèi)部電路圖 管腳 1 和管腳 2 是輸入端，連接一個(gè)發(fā)光二極管。 大功率光耦 MOC3042 為了實(shí)現(xiàn)可控硅導(dǎo)通角的控制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)可控硅的過(guò)零可靠觸發(fā)，就必須在單片機(jī)與主電路之間接一個(gè)光耦驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器的輸出端必須耐高壓，這樣才能使可控硅可靠觸發(fā)導(dǎo)通。輸出的控制信號(hào)將控制加熱電路的繼電器的通斷 [6]。反之，通水時(shí)，霍爾器件輸出低電平?；魻柶骷敵龈唠娖绞谷龢O管截止。電路主要包括霍爾器件、放大電路與光耦。工作時(shí)令磁體與被測(cè)物運(yùn)動(dòng)來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)，并反饋信息?；魻柶骷惭b容易穩(wěn)定，耗能小，耐腐蝕，非常適合做電熱水器的水流傳感器。 水流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 在通水管內(nèi)無(wú)水時(shí)加熱易發(fā)生事故 ，因此需檢測(cè)水流，做到通水通電，斷水?dāng)嚯姟?單片機(jī)經(jīng)單線接口訪問(wèn) DS18B20 的協(xié)議（ protocol）如下： （ 1） 初始化； （ 2） ROM 操作命令； （ 3） 存儲(chǔ)器操作命令； 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 10 （ 4） 處理數(shù)據(jù)。 圖 DS18B20 電路連接圖 芯片的 3 號(hào)管腳 VCC 接 5V 直流電， 1 號(hào)管腳 CND 接地， 3 號(hào)管腳 DQ 接單片機(jī) 。 DS18B20 簡(jiǎn)介 與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比， DS18B20有以下特點(diǎn)： （ 1） DS18B20只要一條總線即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 DS18B20的通信； （ 2） 電路設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需使用其他元件，因此與單片機(jī)連接電路簡(jiǎn)單； （ 3） 電壓范圍： +~+， 可由單片機(jī)電源供電； （ 4） 測(cè)溫范圍廣，測(cè)量精度為 ℃ 。 溫度采集電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)選擇 DS18B20 作為 溫度傳感器，它在本控制系統(tǒng)中的作用是測(cè)量溫度并轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)字量。 I/O 端是數(shù)據(jù)傳輸端，接單片機(jī) 。 SCLK 總是輸入端，接單片機(jī)的 。 RST 與單片機(jī)太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 9 連接， RST 是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂贫?。?RST 和 SCLK 控制命令， I/O 傳輸數(shù)據(jù)。 其連接圖如圖 所示。 D0~D7 數(shù)據(jù) I/O 口，與單片機(jī)的 ~ 連接，通過(guò)與單片機(jī)并行通信將需要顯示的數(shù)據(jù)傳送至液晶。 R/W 是讀 /寫選擇端，與單片機(jī) 連接，當(dāng) R/W 接收低電平信號(hào)時(shí)，單片機(jī) 對(duì)液晶進(jìn)行寫操作；當(dāng) R/W 接收高電平信號(hào)時(shí)，單片機(jī)對(duì)液晶進(jìn)行讀操作。 圖 LCD1602 與單片機(jī)的連接圖 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 8 本液晶屏 有 16 個(gè)管腳， 1 號(hào)管腳接地， 2 號(hào)管腳接電源， 3 號(hào)管腳是液晶偏壓信號(hào)， 6 管腳接單片機(jī)的控制信號(hào)端， 7~14 管腳接單片機(jī)的數(shù)據(jù)端， 其接口信號(hào)如表 所示。 按鍵未按下， 到 是高電平， 有鍵按下時(shí)五個(gè)按鍵所對(duì)應(yīng) I/O口電平會(huì)被拉低， 單片機(jī)可以檢測(cè)到對(duì)應(yīng) I/O 輸入低電平，從而確定哪個(gè)按鍵按下。鍵盤與單片機(jī)的連接圖如圖 所示 。 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 7 第 2 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 在前面章節(jié)介紹了系統(tǒng)的功能需求分析與系統(tǒng)的整體框架設(shè)計(jì)之后，確定了本次設(shè)計(jì)所需的硬件，本章節(jié)對(duì)硬件部分的各個(gè)模塊電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。 本章小結(jié) 本章介紹了本設(shè)計(jì)所完成的功能，完成了即熱式電熱水器控制系統(tǒng)功能需求分析。普通新購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)住宅的用戶都能 方便的安裝，無(wú)需對(duì)排管線路做改變 [4]。 的標(biāo)準(zhǔn)銅芯線能承受的最大電流是 28A，在 220V 市電供電下，每根導(dǎo)線能接 6000W 的負(fù)載。由于即熱式電熱水器是一種大功率的家用電器，需選擇功率較大的電熱絲，對(duì)安裝電路要求較高。因此選擇方案二作為加熱驅(qū)動(dòng)模塊。并且通過(guò)控制可控硅的導(dǎo)通角達(dá)到調(diào)節(jié)加熱絲功率的目的。 方案二：通過(guò)光耦與雙向可控硅控制。通過(guò)控制通過(guò)繼電器線圈的電流來(lái)控制觸點(diǎn)的閉合與斷開(kāi)，達(dá)到控制加熱電路的通斷。 方案一：通過(guò)電磁繼電器控制。 ： 單片機(jī)輸出的信號(hào)是小功率的直流信號(hào)，無(wú)法直接控制 220V 電壓下加熱絲的工作 。 綜上所述，方案一對(duì)被測(cè)環(huán)境要求較高，而方案二的適用范圍廣，且檢測(cè)精度滿足設(shè)計(jì)需求。 方案二：霍爾水流傳感器。測(cè)量精度高，測(cè)量范圍大。 由于即熱式電熱水器功率較高，需要一個(gè)檢測(cè)裝置檢測(cè)加熱管內(nèi)的水流情況并反饋給單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)控制加 熱管加熱，防止干燒的情況出現(xiàn)?？梢蕴岣邌纹瑱C(jī)端口的利用率 。 方案二： 行列式鍵盤。 方案一： 獨(dú)立式按 鍵 。 ： 本設(shè)計(jì)需提供用戶手動(dòng)校正時(shí)間與設(shè)置溫度的功能，所以需要設(shè)計(jì)鍵盤來(lái)讓用戶輸入時(shí)間、溫度信息。并且有很好的溫度分辨率，最大溫度分辨率高達(dá) ℃， 測(cè)溫范圍相對(duì)較寬，可達(dá) 55℃ 到 125℃ 。但熱敏電阻可靠性差，測(cè)量溫度 精度 低，對(duì)于 1℃精度 的信號(hào)是不適用的，還得經(jīng)過(guò)專門的接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)才能由 單片機(jī) 進(jìn)行處理 [2]。 目前主流的溫度傳感器有 熱敏電阻 傳感器和數(shù)字溫度傳感器等 。 ： 本設(shè)計(jì)采集實(shí)時(shí)的水溫信息并提供給用戶，讓用戶知道當(dāng)前水溫以便調(diào)節(jié)自己所需水溫。時(shí)鐘芯片內(nèi)都集成了時(shí)鐘、日歷功能，高性能、低功耗，且具有閏年補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，外圍電路非常簡(jiǎn)單并具有掉電保護(hù)功能，給時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)很多方便。但由于系統(tǒng)晶振誤差、溫漂、中斷響應(yīng)時(shí)間的不確定性及定時(shí)器重新裝載時(shí)間常數(shù)所帶來(lái)的誤差，使得最終計(jì)時(shí)的誤差偏大，決定它不能用來(lái)作為時(shí)鐘的時(shí)間基準(zhǔn)。 方案一： 由單片機(jī)提供時(shí)鐘信息。 綜上所述，考慮本次設(shè)計(jì)需要的顯示量較多且含有字符，故選擇 LCD1602作顯示屏。指令操控簡(jiǎn)單，顯示內(nèi)容多樣，可以雙行顯示，可以顯示字符、字段，顯示英文、阿拉伯?dāng)?shù)字、漢語(yǔ)等。但是不能顯示字符，不能滿足本設(shè)計(jì)的顯示需求。 目前主流的顯示器有 LED 數(shù)碼管和 LCD 液晶屏。 控制方案設(shè)計(jì) ： 顯示模塊主要通過(guò)顯示包括時(shí)間、預(yù)設(shè)溫度和實(shí)時(shí)溫度等信息，讓用戶直觀明了的了解電熱水器當(dāng)前水溫以及工作狀態(tài)。鍵盤掃描通過(guò)返回不同的鍵值來(lái)完成不同的按鍵功能；時(shí)間 顯示電路中液晶 與時(shí)鐘芯片 和 CPU 通信 各 需使用一路串口通信 [1]；溫度采集電路中 單片機(jī)通過(guò) DS18B20 訪問(wèn) 協(xié)議（ protocol）與 DS18B20 通信；驅(qū)動(dòng)控制使用中斷來(lái)產(chǎn)生 PWM。 圖 系統(tǒng)框圖 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 4 軟件功能需求分析 結(jié)合當(dāng)前科技環(huán)境使用情況，軟件設(shè)計(jì)選擇 C 語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編程，結(jié)合硬件方案的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)溫度采集、時(shí)間顯示、 驅(qū)動(dòng)控制、鍵盤輸入等功能。 在滿足實(shí)際功能需求，縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本的前提下， 本設(shè)計(jì)選擇ATMEL 單片機(jī) AT89C52 為主要芯片，由時(shí)鐘模塊和溫度檢測(cè)模塊 為單片機(jī)提供時(shí)間和溫度，輸出至液晶屏顯示，通過(guò)按鍵更改時(shí)間與預(yù)設(shè)溫度，并由單片機(jī)輸出控制加熱驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)熱水進(jìn)行加熱。 功能需求分析 結(jié)合當(dāng)前電熱水器的現(xiàn)狀，本次設(shè)計(jì)的電熱水器需要完成如下功能： 采集熱水溫度，為用戶提供熱水器的實(shí)際水溫信息； 用戶可以手動(dòng)設(shè)置溫度和校正時(shí)間； 控制熱水器出水溫度穩(wěn)定，給用戶一個(gè)舒適的洗浴環(huán)境； 自動(dòng)檢測(cè)熱水器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)通水通電，斷水?dāng)嚯?，防止干燒? 做好漏電保護(hù) ，保證用戶在使用過(guò)程中的用電安全。 第 一 章介紹了系統(tǒng)的功能需求分析 與方案的太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 2 選取，并介紹了系統(tǒng)整體框架的設(shè)計(jì) ；第 二 章講述了硬件系統(tǒng) 的 設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)包括鍵盤電路、時(shí)鐘電路、溫度檢測(cè)電路、水流檢測(cè)電路、顯示電路、驅(qū)動(dòng)加熱電路等多個(gè)部分 ；第 三 章介紹了系統(tǒng) 控制算法的設(shè)計(jì) ， 以及利用 MATLAB 對(duì)控制算法的仿真 ；第 四 章闡述了軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對(duì)整體軟件系統(tǒng)流程 和各個(gè)子程序 流程進(jìn)行了詳細(xì)介紹 ； 第 五 章 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了 Protues 仿真 ；第 六 章是本次設(shè)計(jì)的結(jié) 論 。該 控制系統(tǒng)將采用 PID 控制算法來(lái)完成對(duì)水溫的控制，解決水溫突變的狀況。采用 PID控制能達(dá)到較好地控制效果，可以較好的控制出水溫度，提供用戶一個(gè)舒適的洗浴環(huán)境。而隨著國(guó)家電網(wǎng)的轉(zhuǎn)型，電費(fèi)價(jià)格普遍下降，以及電力設(shè)施的改善，也表明了熱水器的發(fā)展前景。其中儲(chǔ)水式使用前需要的預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，使用過(guò)程中水溫?zé)o法調(diào)節(jié)，而即熱式電熱水器即開(kāi)即熱，只需幾秒的預(yù)熱時(shí)間即可得到源源不斷的熱水供應(yīng)。隨著電熱水器的智能化，相信市場(chǎng)前景會(huì)越來(lái)越好。越來(lái)越多的電熱水器往著智能化、節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展。但是不可否認(rèn)的是，電熱 水器仍然占行業(yè)的主導(dǎo)地位?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，智能化熱水器將成為人們的首選，市場(chǎng)前景廣闊。它能給用戶提供直觀、數(shù)字化的體驗(yàn)，而且能精確地采集和控制環(huán)境中的水溫?，F(xiàn)在人們的生活質(zhì)量提高了，人們期盼有一種既安全，又方便的熱水器，在浴室和廚房提供熱水。然而，市場(chǎng)上傳統(tǒng)的熱水器可靠性差，存在一定的安全隱患。最后對(duì)系統(tǒng) 進(jìn)行仿真，系統(tǒng)能正確顯示時(shí)間與溫度，準(zhǔn)確控制加熱電路的通斷，達(dá)到了預(yù)期控制目標(biāo)。系統(tǒng)選用 AT89C52 作為主控制器，同時(shí)結(jié)合鍵盤模塊、顯示模塊、時(shí)鐘模塊、溫度采集模塊、水流檢測(cè)模塊和驅(qū)動(dòng)模塊等完成硬件電路的設(shè)計(jì)。 教研室 意見(jiàn) 教研室主任（專業(yè)負(fù)責(zé)人）簽字： 年 月 日 說(shuō)明：一式兩份， 一份裝訂入學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi) ，一份交學(xué)院（直屬系）。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 學(xué)院（直屬系）：電子信息工程學(xué)院 時(shí)間： 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 設(shè)計(jì)（論文）題目 即熱式電熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 主要研 究?jī)?nèi)容 掌握控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和一般步驟； 運(yùn)用單片機(jī)完成對(duì)即熱式電熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 熟練運(yùn)用 C 語(yǔ)言進(jìn)行編程。 研究方法 理論研究 主要技術(shù)指標(biāo) (或研究目標(biāo) ) 通過(guò)對(duì)即熱式電熱水器控制系統(tǒng)功能需求分析，給出設(shè)計(jì)方案，完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，繪制電路原理圖，完成控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)模擬仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制 系統(tǒng)的性能。 I 目錄 摘要 .......................................................................................................................................I ABSTRACT........................................................................................................................ II 引言 ...................................................................................................................................... 1 第 1 章 系統(tǒng)功能需求分析與控制方案設(shè)計(jì) ................................................................. 3 功能需求分析 ...................................................................................................... 3 硬件功能需求分析 .................................................................................. 3 軟件功能需求分析 .................................................................................. 4 控制方案設(shè)計(jì) ..................................................................