最新家用电热水器水温的测量与控制设计正文

家用电热水器水温的测量与控制设计正文

家用电热水器水温的测量与控制

1．简介

1．1功能介绍

当前，热水器已成为日常生活中不可缺少的家用电器，设计制照更使用、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去的目标。快热式电热水器与普通电热水器更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，它还既有体积小，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，用1位数码管显示设定功率档位。

温度检测显示范围为00～99℃，精确度为±1℃。

设置3个轻触按钮，分别为电源开关键、“＋”键和“－”键。加热功率分0～9档，按“＋”键一次递增至9档，按“－”键一次递减至0。0～9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。

1．2方法论证

按快热式电热水器的功能要求，决定采用如下图所示的模块组成系统，主要包括电源电路、单机片控制器、温度检测电路、按键输入电路、LED数码管显示电路、报警电路和加热控制电路。

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、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7.5kW时，按220V供电计算，电流约为34A，所以要求专线供电。

水温与流量、加热功率的关系

注：进水温度为15℃，输入电压为AC220V.

相关单位：水流量——L/min;温度——℃；功率——kW。

对于加热功率的控制，最简单的方法是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，且单位设置较多，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。

温度测量的方法较多，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/频率转换电路简单可靠，成本低廉。

2．主要芯片及引脚功能介绍

2.1 8031

8031单片机是Intel公司生产的MCS-51系列单片机中的一种，除无片内ROM外，其余特性与MCS-51单片机基本一样。

在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。

下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。

⑴主电源引脚VCC和VSS

VCC——（40脚）接+5V电压；

VSS——（20脚）接地。

⑵外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在

单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，

这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振

荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对

CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。

XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。

⑶控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP

①RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10μF的电容，以保证可靠地复位。

VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（5±0.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。

②ALE/PROG（30脚）：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS 型的TTL输入电路。

对于EPROM单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。

③PSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN 同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。

④EA/VPP（引脚）：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。

对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。

⑷输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）

① P0口（39脚至32脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL 负载。

② P1口（1脚至8脚）：是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。

③ P2口（21脚至28脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

④ P3口（10脚至17脚）：是准双向8位I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。