课程设计--智能家用热水器设计

课程设计

课程：光电传感器应用技术

题目：智能家用电热水器

学生姓名：xxx xxx

学号：1108040114 1108040115 专业班级：光信息科学与技术1班指导教师：唐海波

成绩：

二○一四年五月十一日

目录

第1章绪论.......................................... - 1 -

1.1 智能家用热水器的应用前景...................... - 1 -

1.2 设计目标...................................... - 1 - 第2章 LZC-CI硬件设计................................ - 3 -

2.1 LZC-I的功能................................... - 3 -

2.2 关于MC68HC908GR8芯片简介 .................... - 4 -

2.3技术指标及特点................................. - 5 -

2.4 系统结构...................................... - 6 - 第3章温度检测程序设计............................. - 10 - 第4章软件设计..................................... - 12 - 结论.............................................. - 14 - 参考文献............................................ - 15 - 附：智能电热水器原理图.............................. - 16 -

第1章绪论

随着现代人们生活水平的不断提高，热水器作为现代家庭日常生活中的必须用品，在为家庭沐浴及洗刷等日常生活中扮演者极其重要的角色。它主要包括电热水器、燃气热水器和太阳能热水器，种类繁多，极大地方便了人们的生活。随着电子技术的飞跃发展，社会发展步入了信息时代，随着信息时代对人才高素质和信息化的要求，随着高等教育的普遍发展，人们的生活水平提高，对精神文明生活的要求也跟着提高，这对电子领域提出了跟更高的要求。实用、节能的智能电热水器更是得到人们的亲睐。本文采用Motorola单片机作为控制器设计了一款智能家用电热水器，基本实现了智能控制功能。

1.1 智能家用热水器的应用前景

目前市场上热水器主要有太阳能热水器、电热水器、燃气热水器。太阳能热水器的优点是安全、节能、环保，但其使用受天气原因的影响较大,已不能满足人们的需求；电热水器的优点是能适应任何天气变化，普通家庭可直接安装使用，长时间通电可以大流量供热水；使用时不产生废气，减少了对环境的影响。目前市场上销售的电热水器多数还带有防触电装置，从根本上保障了人们的安全。但其体积大，占据空间多，对电能浪费大，保养比较麻烦。燃气热水器的优点是加热快、出水量大、温度稳定、结水垢少、占地小、不受水量控制。缺点是使用时要排出大量的废气，废气中除了二氧化碳以外，还有一氧化碳，如果使用时关闭门窗，通风不良，一氧化碳会增加，严重时会发生中毒事故。因此智能电热水器越来越受到消费者的青睐。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。

1.2 设计目标

电热水器有即热式电热水器和储水式电热水器两种。除具有前面所述的优点以外，两种电热水器比较起来又各具特点。即热式热水器的优点是方便快捷、不占空间、安全、最大限度地减少了热量散失、出水温度恒定，缺点是功率较大，对电表、电线的要求较高，一般需要有至少30 安培的电表、4 平方毫米截面的铜线。储水式电热水器的优点是：功率要求低，一般在1200W 至3000W 之间，比较著名的品牌多设定在1500W 以下，不必对家庭中原有的电表及电线加以改造；因可实现上水停电（用水时切断加热管电源），使用更安全，可实现定时加热，对安装了分时计价电表的用户来说使用更为经济；缺点是加热慢，所带保温

储水罐占较大空间，不适合长时间连续用水，使用过程中大多需经常调节水温。由于用电功率方面的原因，即热式电热水器尚未成为市场主流，储水式电热水器的市场份额已得到快速递增。

在电热水器控制技术的发展历程中，安全技术先后经历了水电分离、漏电保出、水断电等几次较大的技术升级。在安全性提高的同时。电热水器的节能性、多功能化、智能化也成为其主要发展方向。从控制方式上来讲，原先大部分电热水器采用机械式温度控制，可靠性较差，一般只有简单的测量和控制，后来随着电子式控制的逐步发展应用，电热水器性能得到较大的提高。现在市场上较为先进的储水式电热水器能实现按设定水胆温度进行加热、上水停电、漏电保护、定时加热等功能，但仍难以满足人们对现代化家电的使用要求。在现如今众多的控制手段中，要满足低价格、高性能、尤其是智能化的要求，采用典型的嵌入式控制系统，因此我们采用Motorola单片机作为控制中心设计了这款智能家用电热水器LZC-I。

由于考虑到热水器的潮湿的工作环境对单片机的特殊要求，我们采用了摩托罗拉新推出的MC68HC08系列的单片机作为控制中心。它具有抗干扰能力强,工作可靠稳定,自带flash闪存等特点,完全满足高性能的电热水器的控制要求。同时考虑到家电业的激烈竞争，节约生产成本，我们用尽量简单的器件实现这些功能，并充分利用内外围功能，以提高产品的性价比，稍加改进，便能以较低成本应用于实际批量生产中。

第2章 LZC-I硬件设计

2.1 LZC-I的功能

1. 远程控制功能：用户可以通过任何一部双音频固定电话或手机遥控热水器的开/关温度设定等并可查询热水器的工作状态。

2. 上水断电：在用户用水时自动切断加热管电源使用起来更为安全。

3. 定时加热功能：用户可任意设定24小时开机时间和关机时间使热水器按设定的时段定时加热例如设定用电低谷时段进行加热这样可降低使用成本。

4. 可控恒温：出水用户可在20-55°C范围内任意设定出水温度由单片机控制按照用户设定的温度恒温出水。

5. 温度与时间等的显示：可显示当前及预设的水胆温度与出水温度当前时间预设的开/关机时间并有预约开/关机加热功能开关漏电干烧指示。

6. 漏电保护：在加热管等发生漏电时立即自动切断电源并向用户给出漏电报警信号。

7. 干烧防护：在水胆缺水情况下即刻切断加热管电源并给出报警信号。

8. 按预设的温度对水胆进行加热控制：水胆水温可在20 -80°C范围内任意设定，由单片机实现记忆和加热控制，在水胆温度到达预设温度后自动停止加热低于预设温度3°C以上时自动恢复加热。用户可根据实际情况自行设定水胆温度例如热水需求量大时可调高水胆温度以满足用水需要而热水需求量少时则可将水胆温度调低以减少热量散失。

9. 控制器包括：两块相同的由微处理器、面板按键、LED指示灯和液晶显示屏及其输出电路组成的显示操作板；控制器包括一块由微处理器控制的具有两段自动量程转换的温度测量电路的、微处理器采用脉冲驱动电路驱动继电器的、具有实时时钟的主控制板，主控板上还具有独立于微处理器的包括温度传感器检测电路、继电器驱动电路的安全电路；控制器包括一块直流电源电路、电加热控制电路组成的直流电源及电加热控制板；主控板和显示操作板的接口电路使得主控板通过两根导线既能向显示操作板提供电源又能完成主控板与显示操作板之间的双向通讯。主控板和显示操作板的通讯协议使得通讯不影响显示操作板上微处理器的电源供应。当主控板上的微处理器发生故障时，微处理器脉冲驱动电路通过继电器断开电加热器与交流电源之间的连接。当安全电路检测到温度超过报警值、温度传感器短路、温度传感器断路故障时，安全电路通过继电器断开电加热器与交流电源之间的连接。本实用新型使用两块完全相同的显示操作板，方便安装调试与维护。

2.2 关于MC68HC908GR8芯片简介

图2.1 MC68HC908GR8芯片

MC68HC908GR8是一种低功耗，高性能的MC68HC08家族8-bit微控制器。这个家族的所有微控制器都使用MC68HC08中央处理元，因模块类型，存储器容量，类型和封装形式不同而不同。

MC68HC908GR8特性包括：

●基于C编译器的高性能MC68HC08结构优化

●与M6805，M146805和M68HC05系列完全向上兼容的对象代码

●8MHz内部总线频率

●时钟发生模块支持1-MHz至8-MHz晶振

●MSCAN08控制器

●FLASH程序存储器具有保密功能

●可与不需高压输入的个人计算机共同工作的片上编程硬件

●系统内编程

●系统保护特性

●低功耗设计，完全静态的stop/wait模式

●标准低功耗操作模式

●主控复位引脚和上电复位引脚

●串行外围接口模块

●增强型串行通信接口模块

●端口A，C和D输入引脚可选上拉网络

●所有端口引脚10-mA大电流驱动吸收能力

●16种寻址方式，256条指令，使编程灵活方便，效率大大提高。

●中断系统功能强大，有24个中断源。

●2个16位多功能定时/计数器（TIM1,TIM2）。定时中断模块内部有一个16位的定时计数器TCNT,16位模寄存器TMOD,8位模块状态寄存器TSC及两个通道寄存器和通道控制寄存器。每个通道有一个I/O口引脚，由用户选择这些引脚为一般I/O口线或专用I/O口线。通过编程，可实现计数器、软件定时器、输出比较和输入捕捉等多种功能。

●内置6路8位逐次逼近式A/D转换，其中两路用于温度采集和水位采集。

●键盘中断KBI提供多个可屏蔽的外部中断。PPA0~PTA3既可以作为键盘输入线按键时产生键盘中断，也可用作通用的I/O口。

●5个双向并行I/O口，21根口线，均可与其他模块共用。其中A口、D口具有内部上拉电阻，并有一个上拉控制器，通过编程选择。

●增强型串行通讯口和串行外设接口。其中SPI扩展为并行口驱动LED进行显示。

●两种节电方式（等待和停机）。CPU执行WAIT指令，使之在WAIT方式时，停止时钟使CPU停止工作，其他功能模块可以继续工作，使工作电流I降至12mA。在stop 模式下除IRQKBILVI可工作外，其他模块都停止工作。内部和外部的复位即允许的中断请求信号可以使CPU退出WAIT模式。外部中断键盘中断信号外部或LVI复位信号，可使CPU退出STOP模式。

2.3技术指标及特点

控制器的最主要目的是对水温进行控制，除此之外还实现下述功能：

(1).实时显示水温，范围为0-99℃

(2).具有预约功能，24h任意设定开机时间

(3).可在20-80℃范围任意设定水温

(4).具有LED数码显示实时温度，进行设定操作时闪烁显示设定水温、时间，并有预约、保温/加热指示

(5).配有遥控器，控制更加简单方便

(6).可随时察看和校正系统时钟

(7).超温断电保护并报警功能

(8).系统断电能保护设定数据

(9).出现漏电流故障时，迅速切断电源并提示报警功能

2.4 系统结构

图2.2 主控制器系统组成框图

69HC908GR8 69HC908GR8

是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。独立式按键的典型应用如图2.4。

图2.4独立式按键图2.5七段数码管如图2.5七段数码管按键输入均采用低电平有效，此外，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。当I/O口线内部有上拉电阻时，外电路不可接上拉电阻。独立式按键的软件常采用查询式结构。先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。

2.4.2实时水温及水位检测电路

查表后得到实时水温。水位检测为三个并联的不同阻值的电阻，电路的电极电流较小(几个微安)，电腐蚀小，适用水电阻变化范围大(几K一100K欧)。某电阻所在水位未到达，电阻截止；水位到达，电阻导通，组成并联电路。将不同阻值所分得的电压经转换后，可判断出水位信息（高、中、低、干烧）。

2.4.3漏电检测及报警电路

如图2.6所示，热水器工作环境潮湿，为了保证使

用者安全，控制器应具备漏电检测功能。在正常情况下，

流过磁环的电流大小相等，方向相反，磁环检测线圈无

感应电流信号，漏电检测集成电路输出低电平。当出现

漏电电流时，由于流过磁环的电流不平衡，于是磁环检

测线圈感应出漏电信号，经集成电路M54123L放大输出

高电平，经三极管倒相后输出至单片机。单片机接收到

漏电信号，则停止加热、保温及键盘操作，结束程序并发图2.6漏电检测电路

出报警信号，蜂鸣器连续鸣响。在漏电保护及自检不合格情况下，只有关闭电源及排除故障后，重新接通电源才能工作。

2.4.4加热及继电器失控保护电路

电热水器正常工作状态下，二继电器动作触点对加热管的电源能执行双极断开，可有效地保证当停止加热时，加热系统可完全与外电隔离，两只单极继电器同时出现故障的几率是极低的，但在热水器正常寿命期间，单只继电器出现此故障却是极有可能的，而且，此时如不及时处理解决，另一继电器很有可能不久后也跟着产生此类故障而导致真正的危险。因此，解决问题的关键是必须在有一继电器出现此故障后，系统可以及时检测到，并依靠另一暂时尚可以正常工作的继电器执行系统的安全保护措施，可以有效地检测到两个继电器中任一个或同时两个触点出现故障的情况。

2.4.5遥控部分

采用简单控制电路，将某些硬件电路用软件实现，并且充分考虑到了抗干扰问题。整个遥控器由于电池供电需要节省能量，采用低功耗模式，系统不工作时处于stop状态，用键盘信号中断低功耗模式进入正常模式，低压复位采用MC34064复位。键盘接入采用双列矩阵式，接入PTA0~PTA3口，设置为keyboard 状态，这样键盘一按下马上产生键盘中断，使系统由stop状态退出进入正常状态。红外信号输出采用软件编码方式，主控制器软件解码。为节省成本，显示采用LCD定制显示方式。

2.4.6恒温检测原理

为对水胆水温、出水温度进行控制及显示，需对水胆水温与出水温度进行检测。对于热水器来说，温度控制与显示的精度要求并不高，因此本设计采用负温度系数（NTC）热敏电阻作为测温元件，利用NTC热敏电阻阻值随温度变化而改变的特性实现测温。在水胆和混水管内各安装一个NTC热敏电阻，组成测温电路通过单片机对检测电路中特定的电压采样并进行转换，然后推算出水胆和混水管内的水温。

2.4.7温度检测电路

如图2. 7为温度检测电路，其中R T1、R T2为热敏电阻，分别安装于水胆和混

水管内。当R T1、R T2随水胆温度和出水温度变化而改变时，电阻R1，R2上的电压也相应的发生变化。所选热敏电阻参数R0为47KΩ, β值为4050K。68HC08GR8的转换输入引脚，分别用与对电阻R1，R2上的电压进行采样，然后由片内的转换模块进行转换，转换的电压参考电压设置为单片机电源电压。

图2.7 温度检测电路

第3章温度检测程序设计

图3.1为温度检测流程。进行转换后，出水温度检测和水胆水温检测均进行相同的数值处理，将转换结果换算为温度值，因此换算过程编制成子程序，以调用子程序的方式进行。在不用水时，无需对出水温度进行控制，显示当前出水温度也无意义，因此不用水时不对出水温度进行检测。其中在第一次设置好转换通道及启动转换模块之后、开始转换之前为采样阶段，其间的程序执行时间应不小于所要求的最小采样时间t。而在此之后的转换的采样阶段则穿插进行温度计算。

图3.1 温度检测程序流程

第4章软件设计

系统软件由主程序，中断服务程序及若干功能模块子程序组成。其中主控制器子程序包括A/D转换子程序（水位、水温），加热控制子程序（使用输出比较功能），遥控信号处理子程序，定时控制的任务子程序，漏电、干烧保护子程序等组成。中断主要有定时中断，键盘输入中断等。

1.主程序：主程序要先初始化系统的工作参数，主要是CPU 的定时器，COP 模块、A/D转换、端口、键中断等的工作模式参数设定。之后系统主程序循环调用各个功能模块子程序。对相关事件的处理依靠标志位和判断标志位实现。

2.加热控制子程序：判断标志位有否预约、加热标志。之后依流程进行处理。为防止加热丝频繁启动，加热控制采用回差控制，停止加热后只有实时水温低于目标温度一定温度后，才会再次启动加热丝工作。为满足不同功率要求，加热方式有快速加热和普通两种，在一般情况下及预约状态下均采用普通方式，以控制用电功率。

3.遥控信号处理子程序：发送：当遥控器按键按下，设置标志位，并通过动态扫描方式读取键号，之后按标志位及键号利用输出比较进行编码发送。接收：利用输入捕捉功能获得建好，接受成功后设标志位并读取键号供主程序进行处理。

4.定时控制的任务子程序：值到达是在定时功能启用的情况下根据用户设定的24 小时定时开机和关机时间，定时打开和关闭水胆加热功能。在定时功能启用的情况下，每当系统时钟的时间用户设定的开机或关机时间时，系统自动打开或关闭水胆加热功能。

图4.1 555定时器的电路原理图和电路符号

5.漏电检测原理：将火线和零线同时穿过一个环形磁芯，形成漏电互感器的初级线圈，数百匝的次级线圈输出漏电信号。当系统没有漏电时，电源输入线

中的火线电流与零线电流完全平衡，次级线圈输出的漏电信号为零。当系统发生漏电时，火线电流与零线电流将失去平衡，其合成电流就是漏电流，次级线圈输出的漏电信号的大小和漏电流大小成正比。

6.上水断电：上水断电功能是指用户用水时热水器加热管自动停止加热，停止用水时恢复正常的加热功能，以保证使用安全。

7.干烧防护：在水胆缺水的情况下，如果加热管持续通电加热会产生高温，从而造成加热管及其周边部件的过热、损坏。采取一定的干烧防护措施，可在水胆缺水时保护加热管及其周边部件不受损坏。

结论

本文采用69HC908GR8单片机做主控芯片，利用温度传感测量温度≥设定温度停止加热器，采用PIC16C72采集温度，并配上键盘/显示电路以及加热器；加热状态灯灭控制电路等，电路简单、运行稳定、工作精度高，且通过键盘可以方便地进行温度设定，具有一定的实用价值。

本设计也有一些方面需要进一步讨论，进一步完善：

（1）由于69HC908GR8单片机结构简单，相比其他单片机来说，在实际运用中无法达到更多的设计要求。

（2）水位电极易结水垢。电极间加直流，电路简单，但电极容易结晶水垢，如果采用加交流信号，可以减缓水垢的影响。

（3）水温检测只采用了一点作为温度测量点，精度不高。这是硬件的问题，由于没有找到很好的检测器件，造成实验结果有较小的误差。

（4）由于温度的惯性很大，这个惯性的时间常数与多种因素有关，简单根据温度的设定值与测量值的比较来控制加热电路的通断不太合理。

参考文献

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附：智能电热水器原理图