快热式家用电热水器-课程设计

1引言

现在热水器大部分都是快热式热水器，它给我们的生活带来了极大的便利，这使是它走进千家万户成为必然

目前燃气式热水器因为它的安全隐患和越来越高的成本正在逐渐退出热水器市场。而太阳能热水器虽然环保无污染，但它寿诞天气。气候及安装条件的严格限制。很难占据更大的市场份额。目前主流的贮水式电热水器，体积庞大、预热时间长、热水储量有限，已经不适合现代生活的节奏。于是，快热式热水器小巧时尚的外观，安全可靠的性能让它有着广泛的发展和应用前景。

普通电热水器有以下几个缺点：首先，因为电热水器长期通电，保持60度以上的高温，发热管容易结垢，内胆容易漏水，比较容易损坏。我们学校的电热水器经常因为结垢堵塞出水口水流越来越小，给师生的饮水带来不便；其次，管道及水箱本身热量损耗大，等候热水所用时间较长；再次，在热水流出前都必须浪费一定量的冷水，根据管道的长短，这样既不环保，又不经济。

而快热式热水器克服了上述缺点。它安全、干净、环保、即开即热。3—5秒出热水，无需等候，热水使用时间不受限制。

2系统总体方案

功能要求

用2位数码管显示出水温度，能显示设定功率档位。

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温度检测显示范围00~99℃，精确度±1℃。

设置3个功率档位指示灯，1~4档一个灯亮，5~8档两个灯亮，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、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。

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，即电源电路、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。

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图2.1 快热式电热水器系统组成框图

快热式电热水器为了达到“快热”的效果，取消了储水罐，使冷水在在进入加热管后立即被加热，这就要求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2.1。

表2.1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，所以要求专线供电。

表2.1 水温与流量、加热功率的关系

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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通的大，且档位设置较多，用电热丝组合的方法需要几组电热丝和继电器，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、AD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。为了简化电路又降低成本，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。

3系统硬件电路的设计

快热式热水器控制系统电路如图3.1，由7个部分电路组成：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、温度检测电路。

控制器采用成本低廉且工作可靠的89C51或其兼容系列的单片机，采用12M的晶振。89C51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2个三

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极管9012驱动，3个LED指示灯用于指示加热功率。报警电路采用5V的自鸣式蜂鸣器。

图3.1快热式家用电热水器控制电路图

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加热控制电路

图3.2为加热控制电路原理图，电热丝的加热功率由双向可控硅来控制，单片机

图3.3 过零检测电路图

温度检测电路

温度检测电路组成如图3.4所示，温度/频率变换电路是利用反相器组成的RC 多谐振荡器，其中的R24是一个热敏电阻，当温度变化时引起热敏电阻的阻值

个任务。我们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5ms CPU时间，运行测温子程序的时间间隔为0.5s，那么循环次数应为100次。图4.1为主函数程序流程图。

显示扫描子函数

显示子函数完成两位共阳数码管的扫描显示任务，图4.2为显示扫描子函数程序流程图。

图4.1主函数程序流程图图4.2显示扫描子函数程序流程图

按键扫描处理子函数

按键扫描子函数负责逐个扫描档位“+”键、档位“-”键和开关键是否被按下，若有键被按下则作出相应处理。图4.3为按键扫描子函数程序流程图。

图4.3按键扫描子函数程序流程图

加热控制函数

加热控制程序根据用户设定的加热档位和系统当前的状态，来决定是否加热和控制加热的功率并点亮相应的指示灯。如有超温标志还应打开蜂鸣器报警。图4.4为加热控制函数程序流程图。

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，而加热的功率大小则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，检测到过零点后，立即根据设定的加热档位给定时器T1赋一个延时参数，