河南理工大学第四届电子设计大赛
设
计
报
告
C1 :智能家用电热水器控制系统
参赛队员:
学 院: 电气学院
目录
摘要 ................................................. 3
一、
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
设计与论证...................................... 3
1.1、 液位的检测功能的方案设计与论证................ 3
1.2、加热电路的设计及温度传感器的选择的方案设计与论证 3
1.3、 预热时间的设定的方案设计与比较 ................ 4
二、理论
分析
定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析
与参数计算................................... 4
三、 电路的设计与实现.....................................5
3.1 液位的检测与小水泵的加水模块电路设计................5
3.2 温度的测控功能实现模块.............................6
3.3 电源的设计模块.....................................8
3.4 时钟电路设计.......................................8
3.5 单片机最小系统单元的设计...........................8
四、 软件
流程
快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计
功能的设计..................................9
4.1 主程序.............................................9
4.2 时间显示和调整设置程序............................10
4.3 温度的读取和设置程序..............................10
4.4 液位检测和自动上水功能的实现模块...................10
五、 测试方法与实验数据.................................11
5.1 硬件和软件调试.....................................11
5.2 实验数据和误差分析.................................11
六、 结束语..............................................12
参考文献.............................................. .12
智能家用电热水器控制系统
摘 要
电热水器是我们日常生活中必不可少的一种常用家用电器,方便,快捷,卫生。随着社会的发展,热水器也在朝着智能化方向发展。本设计基于单片机最小系统,最大限度的实现其智能化和安全性。主要由漏电保护、液位检测、自动上水、加热等部分组成一个既独立又完整的系统,整个系统模块化程度好、集成度高、具有友好的人机交互界面且易于外部功能的扩展。
关键词:单片机 电热水器 智能化
Abstract
Electric water heater is necessary in our daily life is a common household appliances, convenient, quick, health. With the development of society, the water heater also in the intelligent direction. This design based on single-chip smallest system, realize the maximum its intelligent and safety. Mainly by leakage protection, liquid level detection, automatic sheung shui, heating parts a both independent and complete system, the whole system modular degree good, and integration of high, possesses friendly man-machine interface and easy to external function expansion.
一、方案设计与论证
本次设计的主要任务有:液位的检测及其自动上水;加热到设定的温度值;设定预约时间;并且保证加热时间和系统的误差。
针对以上目标,我们对系统各部分设计做了仔细的论证和比较。
1. 液位的检测功能的方案设计与论证
方案一:采用液位传感器检测液面达到的位置,以此处理得到的信息,优点是电路模块简单,但是它需要单片机对它进行数据处理,所以占用软件资源,增加单片机的负荷,故不选用。
方案二:采用三个三极管组成的共集电极放大电路,通过连接两点之间的电路,检测并放大电信号,进而驱动小水泵的工作。其中利用LED显示区别各个液位点。这种方法不仅设计简单,而且思路清晰,便于控制。所以,我们选择此种方案。
2.加热电路的设计及温度传感器的选择的方案设计与论证
方案一:采用热电偶传感器测量温度,用普通的800W电功率的电热水器,采用普通的继电器控制电路的开关闭合。但是热电偶读取温度数据时处理麻烦,并且在精度要求不是过高的场合,不需要这么精密的测量。800W的电热水器又因为功率小,在要求的时间内不能满足要求,普通的继电器又不能控制交流电源,所以不采用这种方案。
方案二:采用18B20温度传感器,用1200W电功率的电热水器,采用固态继电器控制电路的闭合,18B20测量精度为0.5°C,可以设定9~12位的分辨率,最高分辨率为0.065°C,分辨率是可调的,所以满足要求;1200W的电热水器能在要求的时间内加热到指定的温度;固态继电器能实现弱点直流对强电交流的控制。所以,选择这种方案更符合要求。
3. 预热时间的设定的方案设计与比较
方案一:采用数码管显示设定的温度,用EEPROM存取设定的温度值,并且采用IIC总线控制数据的传输、处理。DS1302时钟芯片实现时间的读取和设定。数码管虽然显示方便,但是在占用同样I/O的情况下,数码管显示比较麻烦,不能显示足够的信息量,并且DS1302自身就能存取时间,不需存储在EEPROM内,所以考虑不用这种方案。
方案二:采用1602显示界面,用DS1302调节时间和设定预约时间值。DS1302时钟芯片能够保存时间数据,并且存储时间长。1602液晶能够在一定I/O的情况下显示更多的内容,方便数据的调节和数据的读取。所以此种方案更合适热水器电路的设计。
图1 系统框图
二、理论分析与参数计算
实现温度的实时显示是由计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算,并进行温度值正负的判定,从DS18B20读取出的二进制必须先转换为十进制值,才能用于字符显示。因为DS18B20的转换精度为9~12位可选的,为了提高精度采用12位。在采用12位转换精度时,温度寄存器里的值是以0.0625为步进的,即温度值为温度寄存器里的二进制乘以0.0625,就是实际的十进制温度值。
华氏温度与摄氏温度的转换公式:
摄氏:C=5/9
C(F-32)
华氏:F=9/5
C+32
计算流程图如下:
三、 电路的设计与实现
1、 液位的检测与小水泵的加水模块电路设计
液位的检测是利用两个测量点连在一起都是电源高电平,再通过三极管的放大作用传给I\O口连接端的。这样实现单片机端口对小水泵的控制作用。
(1) 液位的检测模块
设计中,通过检测I\O的端电压,与三极管连接处理信号,并且连有LED能指示各个液位的位置。单片机的I\O口能够控制继电器的开启闭合,从而控制小水泵的工作状态。输入的电路图如图所示:
(2) 驱动水泵工作电路设计
将I|O的电信号经过三极管放大,再连接继电器从而控制小水泵的工作状态。当有电信号传输时,经过三极管的放大作用,LED指示亮并且电路中有电流,此时继电器闭合,小水泵连接到电路中从而实现抽水的功能。电路如图所示:
(3) 报警电路的设计
起始状态,热水器的液位在最低端C处,打开电源系统自动上水,并且液位低于C点时报警提示。直到小水泵加水到B点附近,才停止加水转为加热功能。如果液位高于A点时,系统报警提示,并且停止加水,停止加热。电路如图所示:
2、 温度的测控功能实现模块
(1) 温度的测量及其显示
利用18B20温度传感器测量当前温度值,通过1-wire
协议
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读取温度值并且通过1602液晶显示在人机界面上,便于读取和设定温度。温度传感器的精度在0.5摄氏度左右,输出是数字信号所以不需要进行模数转化。电路如图所示:
(2) 加热控制模块的设计实现
通过固态继电器实现交流对直流的控制作用,因为热水器的电功率是1800W,所以需要设计保护装置,当系统上电后,小水泵自动加水使液位达到B时,继电器控制断开水泵电源而打开加热驱动电路。电路设计如图所示:
(3)键盘接口设计模块
单片机的I\O口资源宝贵,所以要在有限的资源里实现较多的功能。在设定时间和温度时,采用矩阵键盘能方便快捷的实现各个值的设定,操作也比较简单。电路及其功能键设计如图所示:
3、 电源的设计模块
此系统需要三个电源,分别是5V,12V和交流220V的电源。5V给单片机供电实现各个模块的控制,所以要求电源稳定可靠。12V电源是给小水泵供电工作的,以便单片机对其的控制,加热器是需要220V的交流电压的,但是需要单片机通过继电器对加热的控制。电路设计如图所示:
4、 时钟电路设计
我们采用DS1302作为计时芯片,主要是为了提高计时的精确度,更重要的是DS1302可以在后备电源下可以继续计时,并且编程选择来对后备电源进行充电,而后备电源基本不耗电,电路图如图所示:
5、 单片机最小系统单元的设计
核心部分是89S52单片机控制实现的,32个I\O口输出控制各个模块,包括ISP下载,晶振和复位模块,实现电路的核心控制单元。电路图设计如图:
单片机最小系统 ISP下载器
四、 软件流程功能的设计
4.1 主程序
系统首先对1602液晶、DS1302时钟芯片、18B20模块函数初始化,包括对定时器的设定、矩阵键盘的检测、温度的转化、时间的读取和各个界面的切换等。其程序流程图如图所示:
4.2 时间显示和调整设置程序
我们采用了时钟芯片DS1302,所以只需从DS1302各寄存器中读出小时、分钟、秒,再处理即可。在首次对DS1302进行操作之前,必须对它进行初始化,然后从DS1302中读取数据,再经过处理转换后,送给显示缓冲单元。并且可通过矩阵键盘对其设定预约时间,具备定时功能。流程图如下所示;
4.3 温度的读取和设置程序
该程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20测量温度值,温度测量每1s进行一次。读出温度子程序主要是读出RAM中的9个字节,在读出时需要进行CRC校验,校验有错时不进行温度数据的改写,其程序流程图如图所示。
4.4 液位检测和自动上水功能的实现模块
该程序的主要功能是负责液位的实时检测,当达到设定的液位时驱动电路进行控制,或加水或加热。超过A点或低于C点时报警提示,达到B点时驱动加热器加热。程序流程如图所示:
五、 测试方法与实验数据
5.1 硬件和软件调试
1 硬件调试时,可先检查电路板的接线和焊接的质量是否符合要求,有无虚焊点及线路间有无短路,断路。然后用万用表检测,检查无误后,可通电检查LCD液晶显示的亮度情况,一般情况下取背光电压为4~5.5V即可得到满意的效果。
2 DS18B20只有三根线,DS1302接了备用电源、晶振和信号输入,共八根引线,所以要仔细检查各个元器件是否连接正确。
3 液位电路的检测是根据实际达到液位点时,对应的电路指示灯的工作状态确定的。需要认真检查每个引线的连接情况,还在此基础上检验加热器和小水泵的工作情况。需要注意的是,一定要做好防水的准备。
4 软件的编写是在Keil编译器中进行的,分为液位检测模块,温度设定和控制模块,预约加热时间的设定等,其中还包括DS1302,DS18B20,1602液晶及矩阵键盘的操作等。
5.2 实验数据和误差分析
温度测量 用水银温度计测量实际温度,与18B20所测得的数据如下:
标准测量
C
32
33
34
35
36
38
41
42
测量温度
C
31.7
32.5
33.5
34.5
35.6
37.2
39.7
40.7
标准测量
C
43
44
45
46
47
48
49
50
测量温度
C
41.5
42.4
43.3
44.5
45.1
46.3
47.0
47.8
误差分析:
DS18B20的分辨率为9~12位可编程,理论上最小温度分辨率为0.0625℃ , 但由于受各种因数的影响.往往误差范围能达到0.5℃。通过分析.得知误差主要来源于芯片内部半导体热噪声。其类型为线性误差,并随温度的上升而误差增大,所以实验数据测得温度和实际温度最大的相差值为3。这是在误差允许范围内的。
六、 结束语
本智能家用电热水器控制系统能自动检测液位点,从而实现自动上水,在最高点附近会报警提示,达到B点附近则会自动停止加水而加热。加热是根据设定温度与实际温度差从而利于PWM波来控制的,经过反复的实验得到了合适的占空比,实现预约设定时间加热和设定温度的加热。使时间设定加热准确无误,设定温度的误差稳定在0.5摄氏度以内,从而达到自我调节的稳定状态。
参考文献
1. 全国大学生电子设计竞赛组委会. 第五届(2001年)全国大学生电子设计竞赛题目. www. nuedc.com.cn.2003.12
2. 全国大学生电子设计竞赛组委会. 第六届(2003年)全国大学生电子设计竞赛题目. www. nuedc.com.cn.2003.12
3. 全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(1994~1995)[M].北京:北京理工大学出版社,1997年第1版.
4. 全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2001)[M].北京:北京理工大学出版社,2003年第1版.
5. 全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(1999)[M].北京:北京理工大学出版社,2000年第1版.
6. 全国大学生电子设计竞赛培训教程 电子工业出版社 高吉祥