发布时间 : 星期二 文章智能热水器系统设计更新完毕开始阅读
第1章 绪论
1.1 选题的背景、目的及意义
随着人们生活水平的提高，越来越多的智能热水器走进了每个家庭，这种热水器使用起来比较方便，逐渐代替了燃气热水器，能热水器的市场份额已经超过了80%，随着新能源的发展，太阳能智能热水器因为安装的局限性，还没有得到普及，对我国城镇居民中，人们在使用智能热水器的时候，非常注重产品的安全，环保，随着家电的普及，人们悠闲选择，电热水器和太阳能热水器，因为燃气热水器对环境会造成污染，随着国家对环保的重视，智能热水器在人们日常生活中所占的比例越来越大，在这种市场需求下，我们开发出了智能热水器，利用单片机来进行系统控制设计，使得人们在使用的时候非常方便安全。核心部件采用STC89C51单片机。
1.2 国内外研究状况和成果
据了解，热水器内胆最关键，如果内胆损坏就意味着整台机器报废。市场上常见的类型有搪瓷内胆、不锈钢内胆、钛金内胆、金圭内胆等，搪瓷内胆抗疲劳性差，不锈钢内胆焊缝容易漏水，目前比较先进的内胆主要是钛金内胆。
智能化技术的运用有两个好处，一是更方便，二是更节能，按照用户的使用习惯提前预先加热，让使用者随心享用热水。而在非用水时间则启动中温保温方程式，根据设定温度计算出最节能的保温温度，减小热水器内外温差，因而大大减少保温加热次数，真正做到不拔插头更省电。在节能上冰箱等家电产品已经走在了前面，热水器这种用电量很大的产品更加应该推进节能技术的普及。
在热水器研发中模拟大自然中的负离子功效，利用热水器的电能、空气气压、水压形成的势能和动能，作用于空气或水中的水分子使其发生破裂的，使空气中带负电荷的氧分子和微小的水分子结合，生成大量的负离子。
1.3 研究设想和实验设计
在设计中，采用STC89C51单片机作为核心控制单元，设计要求主要是来实现温度自动控制、水位自动控制、数字显示、键盘模块、编程接口、电源模块、报警模块等作为设计重点。
详细的实验设计方案：
STC89C51单片机供电电压为五伏，这样，就需要一个稳定的直流稳压电源来进行
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给它供电，因为我们家用电压为220伏，为了达到控制需求，我们对220伏电压进行了滤波、稳压方式使得输出电压为五伏，满足设计需求。因为单片机对环境的使用需要处非常高，为了不受环境的干扰，我们对单片机的供电单元进行了独立设计，别到使单片机硬件具有通用性，在系统配置上以显示器、按键等器件来构成。震荡电路选用12兆赫兹晶振和两个3030μF陶瓷平衡电容组成。在硬件使用上，重点考虑了硬件的通用性，例如：复位电路，通过按键复位和上电来进行结合设计，实现加减功能、确定功能的设置。在智能系统控制中我们还采用了红外遥控的控制功能，可以远距离进行智能化热水器的控制，方便了人们的使用需求，提高了系统的安全性。
智能热水器系统工作的时候，系统具有自检功能，来完成温度范围的设置，按键的设置，还可以利用，红外遥控器上的按键操作，和手动控制面板一样，来完成系统的检测设置，然后进行后台程序运行，由传感器元件进行检测水温，当水温低于设计数值的时候，系统进行自动加热，当温度高于控制设置数值的时候，系统自动停止加热，为了方便使用需求，我们在设计中还考虑了预约加热模式，预约时间范围为0-999分，设置的时间到了的时候系统进行自动加热。
第2章 硬件系统设计
2.1 方案验证
本课题是基于STC89C51单片机的智能电热水器的控制器的设计，要达到的控制要求有：（1）用LCD1602液晶显示水温、设置上下限和定时时间，（2）水温检测显示范围为00～99℃，精度为±1℃。（3）温度预设范围为0～99℃，当检测温度低于预设温度时，开始加热；检测温度高于预设温度时，停止加热。（4）设置4个程序按键。分别问设置按键、加键、减键、确定。（5）可以红外遥控，通过红外一体接收探头接收遥控器信号，执行与主板按键同等功能。
方案一：以STC89C51单片机为控制中心的智能电热水器
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STC89C51单片机具有结构简单、控制能力强、可靠性高、体积小、价格低等优点，在许多行业都得到了广泛的应用。以STC89C51单片机为核心，配以外围电路如时钟电路、复位电路、按键、显示器件即可构成交通灯系统，结构框图如图2.1.1：
方案二：PIC16C72单片机为控制器件的智能电热水器
以PIC16C72为控制芯片的电热水器，虽然功能很强大，但是存在一些很需要改进的地方：中断的现场保护是中断应用中一个很重要的部分由PIC16C72的指令系统中没有专门的PUSH(入栈)和POP(出栈)指令，所以要用一段程序来实现该功能。对可能用到的W寄存器和STATUS寄存器内容进行现场保护1然后在中断服务程序中对马达，继电器进行控制1漏电检测报警在中断里给出，而每50ms进入一次中断，所以发生漏电时最多50ms即可切断电源1入口→中断保护→控制马达→控制继电器如果用直流对电机进行控制，其转速太快，过调量太大，容易引起震荡。
图2.1.1 STC89C51控制的智能电热水器
电源电路 温度检测 加热电路 STC89C51 遥控电路 按键电路 显示电路 2.2 硬件系统设计
系统的硬件系统以STC89C51单片机为核心，主要分两部分：直流稳压电源和智能电热水器控制电路，其原理图见附录二。 2.2.1 电源电路
电源电路按元件类型可分为电子管稳压电路、三极管稳压电路、可控硅稳压电路、集成稳压电路等。根据调整元件与连接方法，可分为并联型和串联型；根据调整元件工作状态不同，可分为线性和开关稳压电路。本设计中采用了线性工作状态的线性集成稳压电源。
直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，设计框图：
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电源变压器 输入电压U1 整流滤波电路 稳压电路 输出电压U2 图2.2.1.1 直流稳压电源 各部分简介： （1）电源变压器
电源变压器作用是将电网220V的交流电压V1变换成整流滤波电路所需的交流电压V2。变压器副边与原边的功率比P2/P1=η，式中η为变压器的效率。
（2）整流滤波电路
接上负载时的桥式整流电容滤波电路的输出电压介于上述两者之间，其大小与放电时间常数RLC有关，RLC越大，U0越大。
（3）稳压电路
稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。由于三端式稳压器只有三个引出端子，具有应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而广泛应用。三端式稳压器有两种，一种称为固定输出三端稳压器，另一种称为可调输出三端稳压器。它们的基本组成及工作原理都相同，均采用串联型稳压电路。
（6）电路目的：给单片机及其他控制电路提供电源。
电源设计是电路设计很重要关节。它的稳定与否涉及到电路是否能稳定工作。按要求需要一个+5V电压，一个+12V左右可调电压。于是采用可调压芯片LM317，它是稳压芯片。LM317是三端稳压集成电路，最大输出电流为2.2A，输出电压范围为1.25V～37V。它具有输出电压可变、内藏保护功能、体积小、性价比高、工作稳定可靠等特点。用它制作输出电压可变稳压电源，调节可变电阻R2，便可从LM317输出端获得UO(可变输出电压)。
既然ID和IRl对调节输出电压UO都起到了一定作用，并且IR1是由R1提供，IRI大小也没有任何限制，LM317输出电压服从1.25+IDR2=UO关系。
可调稳压电路原理图如图2.4所示。
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