基于单片机的家用热水器控制器的设计开题报告

毕业论文（设计）开题报告

论文题目：基于单片机的家用热水器控制器的设计

系部名称：信息工程系专业班级：自动081 学生姓名：xxx 学号：............指导教师：xxx 教师职称：讲师

20 年月日

毕业论文（设计）开题报告

一、文献综述：

一、背景及意义：

目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商不断追求的目标。快热式家用电热水器无需储水罐，热水即开即用，无需预热，减少了电能的浪费，应用价值极高。另外还具有体积小、使用安全、安装方便等优点。设计采用数码管显示水温，有功率档调节，出水温度自动控制。系统硬件电路设计包括加热控制、温度检测等电路的设计，系统程序设计包括主函数程序、显示扫描子函数程序、按键扫描处理子程序、加热控制函数程序与温度检测函数程序等的设计。

热水器是一种可供洗手间、厨房、浴室使用的家用电器。具有无污染、安全、保温时间长、使用方便等优点。随着人民生活水平的不断提高和我国电力工业的不断发展,电热水器得到不断普及。目前市场上有两种电热水器,连续水流式和贮水式。前者虽具有加热速度快和体积小等优点,但功率太大,大多数家庭的供电线路难以承受。而市场上贮水式电热水器大多数采用机械式控制器,存在控温精度低、加热时间长、可靠性差、功能单一等不足。针对上述情况,利用先进的单片机作为控制器的核心,结合模糊控制技术,可设计出一种多功能的电热水器控制器。根据MOTOROLA 公司的MC68HC05 系列单片机的资源情况,选用MC68HC05 构成电热水器的控制器能够实现对所有功能的控制。

对于家用电热水器来说，硬件系统是它的最基本的框架，是系统的所有功能的丛础。热水器控制电路数控部分采用AT89S52单片机作为控制核心。硬件的选择和所选硬件的性能对系统的功能实现以及系统的精度都有直接的影响，系统的设计成功与否很大程度上取决于硬件系统的设汁。本系统硬件方案论证包括单片机、温度检测传感器、加热控制驱动电路、电源电路、及键盘和显示等电路的选择。

二、主题

热泵热水器是继电热热水器、燃气热水器以及太阳能热水器之后出现的新型热水器，它避免了电热水器漏电、干烧及燃气热水器使用时易产生煤气中毒等安全隐患，克服了太阳能热水器受天气影响大等缺点，具有高效节能、安全环保、全天候运行、使用方便等优点[1]。

一款新型的智能家用电热水器。该热水器采用motarola 的MC68HC908GR8 系列的单片机作为控制中心，它具有抗干扰能力强，性能稳定等优点。本设计方案较为简单，但只要稍加改进并完善，即可投入批量生产。随着信息技术的发展，智能化的家用电器将逐渐走进人们的家庭。在该设计基础上，利用68HC908GR8 丰富的片上资源及SCI、USB模块通过电话线或网线和家用电脑及因特网相连，可实现对家用电器的远程集中控制，从而使人们的生活更加轻松方便。生活质量的提高使得消费者对电热水器的要求越来越趋向于智能化和数字化，因此我们采用motorola的ＭC68HC908 单片机作为控制中心设计了这款智能家用电热水器，型号暂定为ＭＨL—Ｉ。它抗干扰能力强，工作可靠稳定，完全满足高性能的电热水器的控制要求[2]。

太阳能热水器作为三大热水器之一，因其无污染、使用方便、长期投入成本低等特点，而越来越受到人们的青睐，但与之配套的控制器却还一直处于研究和开发阶段，为解决水温水位的自动控制问题，本电路专门设计水温的实时监测，并在设计中将水位多级化，实现更精确的测量。本次设计运用AT89C52单片机，设计一种自动控制电路，该电路用于太阳能热水器。当使用热水器时，可以自动进行温度检测和液位检测，使太阳能自动补水或排水，真正做到最简单化。并且该电路易于扩展，可实现多点的温度检测，或者更多点的液位检测。文章详细介绍基于单片机的太阳能热水器自动控制系统组成、硬件设计。太阳能热水器自动控制电路采用AT89S52单片机作为控制核心，外围加蜂鸣器控制电路、数码显示电路、水位检测电路、电机控制电路、按键电路、温度检测电路等。数码管实时切换显示当前温度与当前液位。当液位过高时，蜂鸣器报警，并且电机反转进入排水过程：当液位过低时，蜂鸣器报警，并且电机正转进入进水过程。本系统设计简单，成本低，性能优良，具有一定的稳定性和实用性[3]。

基于$3F9488单片机的热泵热水器控制器是了一款以三星$3F9488单片机为核心的控制器。该控制器由主控板和液晶操作板构成，主控制板由多路温度与压力数据采集、开关量输入／输出控制、缺相与相序检测等硬件模块构成；液晶操作板具有系统参数显示、按键输入、故障报警等人机交互操作功能，主控制板和液晶操作板之间通过串口通讯进行数据交换。采用IAR for Samsung SAM8开发环境完成了软件设计。实际使用表明，该控制器可以安全可靠地控制家用、小型商用热泵热水器正常运行，操作简便、功能完善，具有较高的性价比。为了满足对热泵热水器智能控制的需求，本研究采用双$3F9488单片机开发了一款热泵热水器控制器。实际使用结果表明，该控制器工

作安全可靠、操作简易、成本低廉，能够满足家用和小型商用热泵热水器的控制应用需求[4]。

模糊控制技术是一种具有广阔应用前景的技术,采用16 位高性能单片机SPCE061A 结合模糊控制技术,设计了家用电热水器模糊控制系统,完成了系统硬件和软件设计计, 增强了系统功能,提高了系统的安全性。目前市场上有两种电热水器,连续水流式和储水式。前者虽然具有加热速度快和体积小等优点,但需要功率大, 储水式电热水器大多数采用机械式,存在温度控制简单、精度低、加热时间长、可靠性差且功能单一等不足。针对上述情况, 基于单片机电热水器模糊控制系统设计是利用先进的16位SPCE061A单片机作为控制器的核心,结合模糊控制技术,设计了一种多功能家用电热器模糊控制器[5]。

随着现代工业和城镇建设的快速发展，自然资源不断地被开采，能源需求日趋紧张，特别是经济的快速增长和人们对居住舒适环境的渴望，空调以迅猛的速度走入千家万户。因此，空调的节能性显得尤为重要。陈刚，吴长菊在《空调控制技术及发展方向的探讨》中详细介绍了当前各类型空调压缩机控制技术的基本原理和优缺点，并对空调控制技术的发展方向进行了探讨[1]。中央空调在为人们营造舒适环境的同时也带来了能耗问题,如何既满足空调舒适度、又最大限度地节约能源,已日益为人们所关注。在影响空调系统能耗的诸多因素中,空调系统的优化控制是很重要的方面。孟华，龙惟定，王盛卫的《中央空调水系统优化控制研究的发展及现状》介绍了优化控制的发展及优化控制基本思想。

家用空调的内在品质指标有很多，但最关键的除了能效比外，就是噪声。分体式空调室外机内装置的压缩机，是整个制冷系统的动力源，是整台空调的心脏，其消耗的功率占整台空调的97.80%。压缩机的振动及由振动引起的噪声，也成为空调特别是室外机噪声的主要来源。传统的对室外机振动、噪声的研究有很多，但多是以实验为手段，靠积累经验的方法取得的。传统的设计是在半理论、半经验和试验验证的基础上进行的，即“设计-----试制-----试验----改进”的过程，存在着研制开发周期长、成本高、走弯路的问题。李保泽，范颖涛在《空调室外机减振垫对振动和噪声影响的研究》中介绍利用有限元法对某型空调器室外机压缩机、减振垫、四通阀配管系统的几何模型和有限元模型，对模型进行模态分析，研究系统的振型和固有频率，研究三种硬度减振垫压缩机配管结构的振动情况。通过振动和噪声的实际测试，验证理论分析的正

确性[6]。

近来触摸屏的应用日趋普及，空调行业更是没有落后，给千百万的空调用户带来了许多方便。在夏心江，吴志国，胡钢的《触摸式液晶屏二次开发中几项关键技术研究》中探讨的就是液晶屏发展中的关键技术问题，包括触摸屏系统硬件设计和触摸屏二次开发相关软件设计[4]。由于触摸屏边缘电阻不均匀，不易找到变化规律，难于实现触摸屏坐标与点阵式液晶显示屏相互对应，会出现触摸点与液晶显示屏显示信息错位，造成触摸控制信息不灵敏。刘彬，韩进的《基于单片机的液晶显示触摸屏控制设计》基于AT89C51单片机和ADS7846芯片，辅以点阵式液晶显示屏，进行嵌入式触摸屏输入与显示系统的软硬件设计，实现触点测量与液晶屏上像素相对应, 实现预期的控制功能，提高触摸控制的灵敏度。

基于单片机的温度检测系统设计是基于单片机的数据采集系统的硬件组成及相关的接口电路设计。采用Visual Basic编写上位机监测软件，对数据进行实时的远程监测记录。传统的设备巡视温度测量方法是使用水银温度计和酒精（煤油）温度计，水银温度计受电磁场的干扰较大，酒精（煤油）温度计在测量温度较高的设备时误差非常大。因此，如果能够有效地自动监测各节点的温度，一旦出现温度异常情况，立刻上传报警，通知维护人员及时排除隐患，就能把故障消除在萌芽状态，从而达到安全供电的目的。发电厂，变电站的高压开关柜在长期运行过程中，开关柜触点和母线排连接处等部位因老化或接触电阻过大而发热，而这些发热部位的温度无法监测，最终会导致火灾事故。近年来，在电厂和变电站已发生多起开关柜过热事故，造成火灾和大面积的停电事故。解决开关柜过热问题是杜绝此类事故发生的关键。通过监测开关柜内触点温度的运行情况，可有效防止开关柜的火灾发生，但由于开关柜内高压的结构，无法进行人工巡查测温，因此实现温度在线监测是保证高压开关柜安全运行的重要手段。本项目来源于高压配电柜的温度监控工程，项目实现远程温度监控，可以在全国高压设备中推广使用，具有很高的经济效益。

“家用燃气热水器智能供热系统”是集燃气热水器与家用锅炉二功能于一身, 解决了家庭总体供热问题, 使燃气热水器一机多用, 相对减少了家庭开支, 同时使家庭采暖由固体燃料发展到气体燃料,开创了家庭供热的新途径。这种热水器的优点包括：一机多用。可以房间取暖、淋浴; 也可为厨房供热水等。性价比低, 燃料资源丰富。其价格只相当于市场上已有的机器人锅炉的25% 。燃料可以是液化石油气、人工煤气、

天然气和沼气等。比燃油资源丰富。控制系统智能化、数字化。用于房间采暖时,不需人员值班操作,只需预先设定(存储)上、下限温度值。当供热系统水温升到上限温度时,系统自动停止工作,散热器自然放热降温,降至下限温度时,自动开机工作加热升温;上、下限时刻,控制器还可以发出持续一分钟的声、光报警;显示循环水当前温度的液晶屏还具有时钟功能。系统控制参量可以是水温、室温和时间。具有显著的节能效果。热效率达87%, 是普通燃煤锅炉热效率的二倍以上[7]。

基于单片机AT89瞵2电热水器控制系统，该系统的功能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。设计了系统硬件以微控制器为控制核心，由外围温度检测电路、实时时钟电路、键盘、热水器加热开关、LED显示电路、功能指示电路、报警电路等组成。其中温度测量是电热水器控制系统的重要组成部分，主要采用的是Ptl000铂电阻温度传感器进行温度采集。基于单片机控制的电热水器，具有反应灵敏，抗干扰能力强，稳态温度波动小，达到设定的温度时间短，节省电能等要求[8]。

太阳能热水器辅助控制系统以单片机为核心, 对储水箱水位、水温等进行检测和显示低自上水、水满自停,防止溢水、无光照阴雨天或寒冷季节进行辅助加热,且温度可由用户预置在寒冷的冬季能对上水管道的水进行排空, 防止管道冻裂。具有漏电、防干烧等多种安全保护和声光报警功能[9]。

目前家庭住宅大多数安装了太阳能热水器,但是绝大多数生产厂家没有配置自动进水装置,这样给用户带来如下几点的不便:一是不知道水箱现有贮水量是多少。二是上水时不知道自来水的水压大小,有可能导致回流。三是水注满时因疏忽未及时关上进水阀而造成自来水大量流失。家用太阳能热水器自动进水控制器的研究正是针对这些情况设计一种自动进水控制器,能够显示水箱水位和进水水满时自动关闭阀门, 这样就不会因失误而出现断水和溢水情况[10]。

温度控制器用于自制家用电热水器的控制目前市场上出售的家用电热水器虽然性能日趋完善,但都有一个共同的缺点即用过之后仍保留一箱热水暂时用不上电子爱好者不妨自己动手做一个家用电热水器不但解决了这个问题,而且由于本电路具有防干烧、水位指示、恒温及漏电自动切断电源等功能因此使用起来安全感倍增[11]。

双功能燃气热水器集洗浴和采暖功能于一体，是一种新颖的智能家电。本文采用高性能AVR单片机MEGA16L结合模糊控制技术，设计了家用双功能燃气热水器模糊控制

系统，完成了系统硬件和软件设计，实时运行实验表明该控制器能有效控制出水温度，并具有一定的参数鲁棒性，该控制系统已投入使用，用户反馈良好。双功能燃气热水器是既能提供生活热水，又能提供采暖热水的新型热水器。我国北方大部分城市居民冬天有取暖的需求，与集中供暖方式相比，利用双功能燃气热水器取暖有投资成本低、供热方式灵活、舒适、经济等优点，而且它可以向用户供应高质量的生活热水。双功能燃气热水器的优点再加上我国能源结构改善等有利因素，推动双功能燃气热水器在我国的普及应用。本文采用高性能的AVR单片机Mega16L为核心控制器，结合模糊控制技术，设计出一种家用的双功能燃气热水器控制系统[12]。

太阳能热水器控制器的设计与实现这篇论文给出了太阳能热水器控制器的功能设计和原理框图，建立了各功能模块的测量模型，分析了其设计原理和实现方法。设计中，充分利用PICl6C5X单片机的特点，实现了很高的性价比设计，主要对水温、水位和触漏电检测模块进行了详细地分析设计。其中，对水温测量进行了完整的理论分析和算法设计，测量精度达到±l C；通过采用分段式水位传感器，实现了水位测量和显示低成本设计；分析了触漏电检测和控制的可靠性设计。

太阳能热水器控制器就是为了解决太阳能热水器的固有缺点而设计的，主要设计有温度测量与显示、水位测量与显示、自动电辅助加热、自动进水、防空烧空晒、防触漏电、手动加热、手动进水、防冰冻、系统参数设置等功能[13]。

智能型电热水器的控制系统设计是利用PIC16C27单片机实现了对智能型电热水器的控制。其主要控制功能除了通常的控制加热和保护外，还具有较强的智能，包括根据用户设定的温度自动调节冷热水的混水比例，给出恒定温度的出水等* 同时介绍了系统的结构、硬件和软件设计。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。目前，安全、节能、多功能、智能化是其主要发展方向。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制，同时由于没有S-H 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。利用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。

本文利用PIC16C27单片机作为热水器的控制器核心，给出了一种智能型家用电热水器的设计，不但具有水胆温度的自动加热控制功能，而且可以实现出水温度的自动控制。其水胆温度和出水温度可以由用户自行设定，然后由单片机实现记忆和控制。在安全性方面，可以实现上水停电（用水切断加热管的电源）、漏电保护等功能。此外，

具有24h内的开机设定等智能功能[14]。

设计一种智能太阳能热水器控制器，使人们使用更加方便舒适。方法：利用单片机实时监测水温及水位。用水时，若日晒水温达不到设定值，单片机控制电加热器自动补温至设定温度，无须人为控制加热时问；缺水时能自动上水到设定值。采用外扩EEPROM对设置的参数具有断电保留功能，断电后，参数无须重新设置。结果：设计出一种智能太阳能热水器控制器．结论：该系统具有使用方便、稳定性高。节能等特点，实用性高。

电热水器是一种可供浴室洗手间及厨房使用的家用电器,市场上传统的机械式电热水器控制精度低、可靠性差, 随着人们生活质量的提高, 人们对电热水器的要求越来越趋向于智能化和数字化,笔者采用AT89C51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。该智能热水器具有以下功能使用高清晰度数码管实时显示水温,范围0~120C。可用键盘方便地设定水温,并显示设定的温度。按设定温度加热到相应水温,并具有保温功能。系统利用集成温度传感器AD590完成温度测量并转换成模拟电压信号,经由A/D转换器ADC0804转换成数字信号送到AT89C51单片机中,单片机将采集到的温度值与通过键盘设定的温度值进行比较。根据比较结果, 控制加热器的开断,同时将温度值实时显示在LED显示器上。

低流量的太阳能热水器--从7升/小时-15升/小时每集热面积---是最有前途的方式改善太阳能热水器性能。这种性能可以增加低流量的优势，取得了较好的在坦克的分层。为了这个目的，最有前途的技术，采用了地幔储罐在几个级别上收集液注射。这篇文章的目的是介绍一些数值从一个低流量的储罐和测试结果太阳能热水器。一个低流量的太阳能生活热水水系统模型的设计这种方法目前在几个欧洲探索国家提高太阳能电池的性能热水器在强烈的流量减少在主回路的一个因素率从5到10比较的一个经典forcedcirculation之一太阳能热水器，即从一个7至15升/小时每太阳能集热器面积，而不是50至70升/小时（国际能源机构，1996年）[15]。

家用电热水器模糊控制器的设计是针对情况利用其缺点是温控简单、精度低、加热时间长、可靠性差且功能单一等情况,利用先进的单片机作为控制器的核心结合模糊控制技术,设计的一种多功能电热水器控制器。控制器的主要目的是对贮水式热水器进行水温控制。热水器的开机方式应具有立即开机和定时开机功能。除此之外, 本控制器还具有以下特点:1、可实时显示水温,其显示范围为0～99℃;2、可在20～80℃的范

围内任意设定水温;3、可在24小时内任意设定开机时间;4、可随时查看和校正实时时钟;5、具有漏电保护功能,，一旦对外漏电电流超过15mA,漏电保护器可在1/10秒内自动切断电源,保证人身安全;6、具有超温断电保护并报警提示的功能;7、出现传感器故障时,可迅速切断加热丝电源并报警提示;8、系统掉电时能够保持设定数据。

基于单片机的数据采集系统的硬件组成及相关的接口电路设计。采用Visual Basic编写上位机监测软件，对数据进行实时的远程监测记录。鉴于上述系统功能要求以及智能仪表的体积小、成本低、功能强、抗干扰并尽可能达到更高精度的要求，本系统在硬件设计方面具有如下特点：(1)控制主板采用ATMEL 89S52作为核心芯片。作为与MCS-51系列兼容的单片机，无论在运算速度，还是在内部资源上均可胜任本系统的要求。根据日常温度测量范围的要求，本系统采用DS18B20作为温度传感器，采用ADC0831芯片对电压进行测量。（2）整个系统遵循冗余原则以及模块化原则，并尽可能选用典型、常用、易于替换的芯片和电路，为系统的开放性、标准化、模块化打下了良好的基础。

综上可总结知：在全球能源形势紧张、气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。太阳能以其清洁、源源不断、安全等显著优势，成为关注重点。在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的，其产业化进程也较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步。太阳能热水器已成为我国第一个实现商业化的可再生能源产业。自1998年起，中国就成为太阳能热水器第一大制造和消费的市场，现已经发展成为一个重要的产业。目前，太阳能热水器与电、燃气热水器三分热水器市场。2007年，我国太阳能热水器年产量达2340万平方米，比2006年同期增长30％：总保有量达10800万平方米，比2006年同期增长20％；市场销售额约为320亿元人民币。

目前，太阳能热水器控制系统一直处在研究与开发阶段。市面上绝大多数的控制器结构简单，功能单一，智能化程度低下，用户界面不人性化，只具有液位显示功能，不具有温度显示功能。并且当水位加到一定程度时也没有什么措施，只能通过手动的方法来控制水位的高度。根据以上情况，开发出一种太阳能热水器智能控制系统，解决目前市面上太阳能热水器控制系统存在的问题。

三、参考文献

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[2] 张平川,许兴广.基于单片机电热水器模糊控制系统设计[J].2007（10）：145-146

[3] 季晓芳,张春来.家用电热水器控制系统的实验研究[J].电子测试,2009(10):77-81

[4] 李银华.家用电热水器模糊控制器的设计[J].家用电器科技,1999(3):23-24

[5] 董万春.家用燃气热水器智能供热系统[J].信息技术,2001(2):8-10

[6] 谭树龙,王瑞玲.家用太阳能热水器控制器[J].单片机及应用,1994(9):31

[7] 周云龙.家用太阳能热水器自动进水控制器的研究[J].电子仪器仪表用户,1999(6):8-10

[8] 郑权.可靠适用的温度控制器[J].电子制作,2000(1):17-19

[9] 徐鹏,谭智,但远宏.双功能燃气热水器模糊控制系统设计[J].Automation＆Instrumentation,2010(7):24-27

[10] 李章勇,官方勇.太阳能热水器智能控制器研制[J].2008年家用自动控制器技术国际研讨会,2008（11):177-180

[11] 苗红蕾.一款新型的智能家用电热水器[J].邢台职业技术学院学报,2005(11):60-63

[12] 郁玉龙,赵宁卢,洪武.用AT89C51单片机设计智能家用电热水器[J].实用电子制作,2007(10):33-35

[13] 蔡满军,吴磊.智能温度控制器的设计[J].自动化仪表,2010(10):68-75

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[15]Surachai Panich.Development of Fuzzy Controller for Water Level in Stream Boiler Tank[J].Journal of Computer Science,2010(11):1233-1236

毕业论文（设计）开题报告

二、本论文（设计）要研究或解决的问题以及拟采用的研究手段（途径）：本论文（设计）要研究或解决的问题：

设计家用电热水器控制器，有功率档调节，使控制器控制的热水器功率为2000W，采用两个加热棒。可以显示热水器当前水温和设置水温；可以进行水温设置；设计也要实现可以进行速热整桶水、低功率等加热模式的选择等功能。利用LCD显示屏对加热、保温和低功率三种加热模式进行显示。

系统硬件电路设计包括加热控制、温度检测等电路的设计，系统程序设计包括主函数程序、显示扫描子函数程序、按键扫描处理子程序、加热控制函数程序与温度检测函数程序等的设计。

本论文（设计）采用的研究手段和方法：

对于收集的文献资料进行学习和总结，通过使用观察法，文献研究法两种方法进行研究比较，实践证明文献研究法使我能直观的对研究的课题有更多的了解。

直流稳压电源由整流桥，滤波电路，稳压电路组成。稳压电路采用CW7805芯片，电热水器控制电路由时钟电路，复位电路，单片机，按键，LCD1602，传感器，继电器等部分组成。

运行程序，传感器检测水温，水温低于设置温度时，单片机控制继电器对电热水器加热。当水温高于设置温度时，单片机控制继电器断电，停止加热。

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