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1、电热水器的控制系统设计应用电子技术专业学生 XXX指导教师 XX摘要：目前，电能热水器控制器一直处于研究和开发阶段，功能不断完善中，市面在售的控制器虽然有的控制器配有电加热辅助装置，但都不是全智能性的，给用户带来许多不便。单片机控制系统是对其水温与水位的不同进行检测和控制。系统采用AT89C52微控制器为数据处理器；采用Pt100传感器作为温度采集元件；采用TLC2201集成芯片作为信号处理电路；采用CS5513转换芯片作为A/D转换电路为微处理器提供数字信号；采用PCF8563芯片作为实时时钟/日历控制电路；选用IMP813芯片用于看门狗复位电路；采用以CH451芯片来实现LED的驱动设计和
2、键盘扫描控制电路。关键词：微控制器；看门狗；扫描；信号处理电路；数据采集引 言我国是热水器生产大国，伴随着住宅消费和人们对生活品质要求的提高，热水器已有一个高档的奢侈品成为居民乔迁新居，厨卫装修的必备家庭用具。 热水器按照能源类型分为：电热水器，燃气热水器和太阳能热水器。电热水器安全记录比燃气热水器好。太阳能热水器安装复杂，但节能环保。燃气热水器小巧，品种多使用方便。太阳能热水器收到安装场所的限制，不是每个家庭都可以使用的，北方由于天气的原因使用此类热水器的就更少了；燃气热水器目前较为常用的热水器产品之一，但如果家里以前没有安装过，重新安装比较麻烦，需要进行燃气和水的改造；电热水器以其方便，可
3、靠等优点收到了很多人的青睐。电热水器是指用电加热的热水器，是一种可供洗手间，厨房，浴室使用的加用电器，具有无污染，安全，保温时间长，使用方便等优势。电热水器看起来简单，实际上却是难以做好的一种家用电器，他的各个部分的设计如控制系统，水路，外壳，内丹制造，防烫伤制造等，都制约着电热水器的性能和发展。本章将以电热水器控制系统为例，详细介绍其设计与实现。1设计方案论证1.1设计的意义 随着国民经济的快速发展和改革开发的程度进一步扩展，人们的生活水品不断提高，国内外企业之间的交流不断扩大，国外先进的技术和管理经验逐步被国人引进，以人为本的理念不断被加强，热水器已有一个高档的奢侈品成为企业公共生活设施，
4、居民乔迁新居，厨卫装修的必备用具。它具有无污染、安全、保温时间长、使用方便等优点。目前国内市场电热水器已广泛使用，一般电热水器多采用双金属片机械温控器，这样温控精度不高，用户使用中无法显示水箱中温度，使用非常不便。另外，电热水器安全也是大问题，普通电热水器多采用外配漏电保护器，有漏电发生时切断电源，但一般漏电保护器质量参差不齐，漏电保护可靠性差，需要用户人工定期按键测试保护可靠性，这样用户无法实时知道漏电保护器的可嚣性。这种热水器已不适应现代生活的需求。由于电热水器进入市场的时间不长，所以在功能和控制方面还远没有达到成熟的程度。现在市场上一部分电储水式电热水器甚至还采用可靠性较差的机械式温度控
5、制，同时由于没有MCU芯片的参与，一般只有简单的测量和控制，难以满足人们对现代电器的要求。目前微电子的最新成果改善电热水器的性能已经完全可能和必要。目前，安全、节能、多功能、智能化是其主要发展方向。1.2设计方案选择 本设计采用单片机为主控芯片设计电热水器控制系统，其主要任务是对电热水器进行温度采集与显示、时钟的显示、热水器的开机方式控制等。主要功能如下：（1） 测量热水器内的温度，并通过显示器显示水温，显示范围为070摄氏度。（2） 正常状态下实时显示时钟。（3） 可手动校正时钟。（4） 可以人工设定热水器内的烧水的温度，范围在2070摄氏度之间，也可以无需设定，开关打开后自动烧水，最高温度
6、为70摄氏度。（5） 可以立即开机或在24小时内任意设定开机时间。（6） 具有一定的定时功能，限定烧水时间。（7） 当热水器内无水时，有报警提示，并且开关自动关闭。（8） 要求电热水器控制系统有较强的控制能力。1.3总体设计方案框图及分析电热水器控制系统的整体设计方案包括硬件设计方案和软件设计方案。硬件设计是指以微控制器为核心，由外界温度测量电路、实时时钟电路、键盘、复位与看门狗电路、热水器加热开关、LED显示电路、功能显示电路、报警电路组成，硬件设计方案如图1所示。 微控制器模板加热开关控制LED显示电路功能指示电路报警装置晶振电源A/D转换实时时钟键盘复位与看门狗电路信号调整电路温度传感器
7、图1 系统硬件框图根据功能需求说明，本着节约开发成本、增加系统可靠性、减小体积等原则进行电热水器控制系统的硬件设计。本系统采用51系列的单片机AT89C52作为整个系统的核心，利用AT89C52现有的接口组织外围应件模块。有益环境的特殊性，温度测量主要由PT1000铂电阻温度传感器、信号调整电路和基于CS5513的AD转换电路组成；用PCF8563芯片实现实时时钟，主要是去的时钟小时和分钟；键盘有四个按键组成；看门狗电路提高了系统的性能；LED显示电路使用CH451驱动芯片，用于显示时钟和温度；功能指示电路用发光二极管只是当前是什么功能；报警装置为单片机I/O接口驱动峰咛器，达到报警的效果。2
8、硬件电路设计2.1热水器控制器总体电路图2.2单元电路设计与原理分析 微控制器模块结合图1所示的系统硬件框图可以看出，在本系统所需的外围电路中，多数是使用微控制器的I/O接口，并且本系统并非实时系统，对为控制器的速度要求不高，所以在本系统中，选择了性价比较高的ATMEL单片机AT89C52。AT89C52是由美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的只读程序内存（PEROM）和256B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CP
9、U）和Flash存储单元。AT89C52提供以下标准功能：8KB Flash闪速存储器，256B内部RAM，32个I/O接口线3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路；同时，AT89C52可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节点工作模式：空闲方式和掉电方式。 温度测量在控制领域中，温度的检测与控制占有很重要的地位，温度测控在各个领域都得到了广泛应用。温度测控式热水器控制系统的一个重要的组成部分，而且涉及的元器件比较多，较为复杂。本系统中温度测量主要有Pt1 000铂电阻温度传感器、信号调理电路和模数转换电路三部分组成。2.2.3 P
10、t1 000铂电阻温度传感器 铂电阻时温度传感器的敏感元件，起点组与温度成一定的函数关系。铂电阻温度传感器是利用其电阻与温度成一定的温度传感器。铂电阻具有测量范围大、测量精度高、稳定性好、示值复现性高和耐氧化特点，被用来作为0926温度区内的国际标准温度计。 本系统采用Pt1 000，即R0=1000欧【，温度要求范围为070摄氏度，所以适合式：Rt=R0【1+At+Bt(平方)】，由于铂电阻的特性曲线是非线性的，因此在设计时必须进行线性化校正。此外，对电阻性温度传感器，对铂电阻连线的引线不同，所造成的误差则不同。因此必须涉及消除传感器引线电阻对温度的影响。 信号调理电路传感器输出的电压信号较
11、弱，所以合适的放大电路是必需的，而且为了减小放大电路对测量电桥的影响，放大电路应具有高输入阻抗的特性，并且具有低漂移、高精度及较强的抗干扰能力。本系统采用的是TLC2201。TLC2201。是一款高精度、低噪声的功率运算放大器，先进的LinCMOS工艺使其应用相当广泛。而且价格适中，在仪器仪表中有较好的性价比。模数转换电路 对于A/D转换器的选择，一般是从转换器的位数、转换器的转换速率、与主CPU接口，以及数据输出方式是否方便、对启动信号的要求、稳定性及抗干扰能力等几个方面来分析决定。本系统中数据采集部分的采集对象是温度，他的变化速率较低，但是精度要求较高，因此在保证精度位数的同时不需要很快的
12、转换速率。综合比较后，我们选择了一种串行输出的AD转换器CS5513。CS5513是Cirrus Logic公司生产的20位串行输出模数转换芯片，具有成本低、易于使用、可进行直流测量的优点。该产品包含一个4阶的调制器和一个滤波器，可有效地抑制线性噪声。同时偏上带有振荡器，无需外加时钟源，可以使用+5V的电源，或者多种双电源配置。2.2.6实时时钟实时时钟选择PHILIPS公司的PCF8563芯片实现，它是一款工业级低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片。它提供一个可编程时钟输出，一个终端输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过IC总线接口串行传递。最大总线速度为400Kb/s，每次读写数据后，内嵌的
13、字地址寄存器会自动产生增量。2.2.7 看门狗复位电路 在单片机工作现场，为了避免电源电压降低时，使CPU在电源电压降低于某一值时时停止工作，处于复位状态，带电压恢复正常后，CPU再脱离复位状态，进入正常工作状态;还可能有各种干扰源这些干扰源可能导致程序飞跑，造成死机或者程序不能正常运行。如果不及时回复或使系统复位，就容易造成损失。看门狗电路的作用就是在程序跑飞或者死机时，能有效地使系统复位，以使系统恢复正常运行。 本系统选用IMP813芯片用于看门狗电路，IMP813主要是作为Watchdog计数器重订用的。在1.6秒内若CPU不触发复位看门狗定时器，则WDO将输出低电平。复位电路分为上电复
14、位、手工复位和自动复位。2.2.8 LED显示电路（1） LED数码管显示原理通常所说的的LED显示器由7个发光二极管组成，因此也称之为七段数码显示器，其排列形状如图2。此外，数码管中还有一个圆点发光二极管，用于显示小数点。通过七个发光二极管亮灭的不同组合，可以显示多种数字、字母及其它字符。图4 LED数码管脚图（2） LED数码管动态显示原理LED数码管的显示主要分为静态和动态显示两种方式，静态显示方式下，一个八位端口只能驱动一个数码管，如要驱动四个数码管将占用四个端口共32位，而单片机的端口是非常有限的，因此对于要求有多个数码管显示的单片机系统往往采用动态显示的方法。动态显示就是采用动态扫
15、描的方法逐个地循环点亮各位显示器一小段时间，通常为几微妙。这样虽然在某一时段只有一位数码管被点亮，但是由于人眼的视觉暂留效应，实际效果与静态显示完全一样。根据经验，四位数码管动态显示，每位数码管显示的时间不应大于10ms，否则会有闪烁感。（3） LED显示器中的发光二极管共有两种连接方法： 共阳极接法 把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共端接高电平（51单片机系统中通常为5V）。其它端输入低电平时对应发光二极管段亮，反之则灭。 共阴极接法将发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时公共阴极接低电平（51单片机系统中通常接地）。这样其它端输入高电平时对应发光二极管段亮，反之则灭。(4)矩阵式按键的工作原理键盘分两大类：编码键盘和非编码键盘，独立式按键属于非编码键盘，只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如键的识别，决定按键的读数等仅靠软件完成，故硬件较为简单，但占用CPU较多时间。非编码键盘的键输入程序应完成的基本任务1.监测有无键按下；2.判断是哪个键按下；3.完成键处理任务。矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上。节省I/O口。行线通过上拉电阻接到+5V上。无按键时，行线处于高电
