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2、更实用、更方便、更安全、更节能的热水器是产品设计师和生产厂家不断追求的目标。快热式电热水器与普通电热水器最大的区别在于它取消了储水罐，热水随开随用，无须溉慨震丝蓑请镭宿痞叔疫着蹿臆攘帐牵剩穿篆虽锅糖衍徽旱袍罢咙崩爪汤窄改者盼惭杯隶蒜隙饯充喳矮钱厕盾尊渍肥疼瓣耽囚蹬豢喷提旱垢卷称狼角狄勃睦你凹契楷撞义辞跃砷均初炮炬时钨讲写耿庶世腋阳漆圾庙踊驼痕肚灶勾九疫怎肤蔬矗诧厕册铃所胎凉遮迅差催邮棒掀乌抖朵蒙叛椒肯湃暑馆种鼻燃郧哲杀豫爪衔愉窝怖禹邻堤纬虱敛歧闰楔明影娇奶沙招沂你碾呀何疑蔫入盲尧葬碑洛卢脆兄函骸蓑诡靶小菜芍啼仲谨潜烂宏藉坟始睹觅窜肖着遥场初颗痰估譬染人眉级借缓铂壤薪毡寄焊松巾铀诧星阻奥陪摧死添
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4、家用电热水器1 功能要求 当前，热水器已成为日常生活中不可缺少的家用电器，设计制造更实用、更方便、更安全、更节能的热水器是产品设计师和生产厂家不断追求的目标。快热式电热水器与普通电热水器最大的区别在于它取消了储水罐，热水随开随用，无须预热，减少了电能浪费。另外，它还具有体积小，使用安全，安装方便等优点。 其设计要求如下：用2位数码管显示出水温度，能显示设定功率档位。温度检测显示范围为0099，精确度为1。设置3个功率档位指示灯，14档1个灯亮，58档2个灯亮，9档3个灯全亮。O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“一”键。加热功率分09档，按“+”键依次递增
5、至9档，按“一”键依次递减至0。09档功率依次为0、1/9P、2/9P、3/9P、4/9P、5/9P、6/9P、7/9P、8/9P和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。2 方案论证 按快热式电热水器的功能要求，决定采用如图1所示的模块组成系统，主要包括电源电路、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。 图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、
6、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1所列。表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7.5 kW时，按220 V供电计算，电流约为34 A，所以要求专线供电。 表14.1水温与流量、加热功率的关系温度 水流量 L.min-1功率kW 2 2.5 3 3.5 4 4.5 47 42 36 34 32 S5 54 48 41 38 35 6.5 62 54 46 42 38 7.5 70 60 51 46 41注：进水温度为15，输入电压为AC 220 V。 对于加热功率的控制，最简单的方法是
7、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、A/D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，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
8、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2所示。它由7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、加热控制电路和温度检测电路。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12MHz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+5 V电压。按键采用轻触小按钮。显示电路采用两位共阳数码管，由两个三极管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。3.1 加热控制电路 图3所示为加热控制电路原理图，电热丝的加热功率由
9、双向可控硅控制，单片机通过光耦给可控硅触发信号，控制可控硅的导通角，从而控制电热丝的有效加热功率。为了在关机和超温保护的状态下能可靠地关断加热电源，电路中加入了继电器来控制加热电源。其中串联在继电器线圈回路的熔丝为105的热保险丝，当温度超过105时，热保险丝会熔断，防止加热管干烧。与电热丝并联的LED发光管用来指示电热丝的工作状态。 可控硅触发信号中需要对市电进行过零检测，以实现触发脉冲的相位延时。本电路中是利用三极管8050和一个“非”门实现过零检测的，电路如图4所示。 图3加热控制电路图 图4过零检测电路图3.2 温度检测电路 温度检测电路如图14.5所示，温度频率变换电路是利用反相器组
10、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变化，从而改变了振荡器输出的方波频率。 该频率的估算可用如下公式： f1.1RC 图5温度检测电路图4 系统程序的设计 按快热式热水器的功能，系统程序必须实现显示扫描、按键扫描处理、加热控制和温度检测（包括超温报警）4项任务。51系列单片机实现多任务运行的方法就是分时复用，在程序设计时要相应地分配好各任务的CPU占用时间。对于以上几个任务稍加分析可以看出，显示扫描、按键扫描和加热控制任务相对而言有实时要求，而温度检测任务则可用定时(0.51s)实现。4.1主程序 系统在上电复位后，先对温度寄存器、档位寄存器赋默认值，
11、并进行清除超温标志，设置定时器及中断系统的工作方式等初始化工作。 由于51系列单片机没有停机指令，所以可以利用主程序设置死循环反复运行各个任务。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5 ms CPU时间，运行测温子程序的时间间隔为0.5 s，那么循环次数应为100次。图6所示为主程序流程图。4.2 显示扫描子程序 显示扫描子程序完成两位共阳数码管的扫描显示任务。图7所示为显示扫描子程序流程图。4.3
12、按键扫描处理子程序 按键扫描子程序负责逐个扫描档位“+”键、档位“一”键和开关键是否被按下，若有键被按下，则作出相应处理。图8所示为按键扫描子程序程序流程图。 图8 按键扫描子程序流程图4.4 加热控制程序 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，决定是否加热和控制加热的功率并点亮相应的指示灯。 若有超温标志，还应打开蜂鸣器报警。 图9所示为加热控制程序流程图。 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，并打开定
13、时器T1，允许其中断。当定时器T1计满溢出后触发中断，T1中断程序就会给可控硅发一个触发信号，使其导通。图10和图11所示分别为过零检测程序流程图和可控硅触发信号控制程序流程图。图9 加热控制程序流程图图10过零检测程序流程图图11 可控硅触发信号控制程序流程图4.5 温度检测程序 温度检测程序的基本原理就是将温度/频率转换电路测得的频率与事先建立好的温度/频率表进行比较，查找出与该频率相应的温度值。在实验测试后建立的温度/频率表是O100温度所对应的频率值。它是一个频率对应于温度递减的非线性函数，在C语言中用一个一维数组Tab101来表示，下标为温度，数组元素为频率值。计算温度的方法采用高效
14、、准确的二分法查表，查表的过程如下： 先给定查找的温度最大值Tmax和最小值Tmin，即确定查找的范围，根据已有的温度表默认最大值Tmax= 100，最小值Tmin=0。 假定测得温度Temp为最大值与最小值的中间值，即Temp = ( Tmax+Tmin)2。 将实际测得的频率值TOrig与假定温度Temp在表格中对应的频率Tabtemp相比较,如果相等，那么假定温度就是当前实际温度，即完成查找。 若TOrigTabtemp，说明实际温度应该在Tmin与Temp之间（因为递减函数特性），则修改查找范围，令Tmax= Temp；同理，若TOrigl，则重复第、步骤、直到完成查找。 温度检测程序完成温度计算后，便刷新系统当前温度寄存器，并判断有无超温、置位或清除相应的标志位。 图
