快热式家用热水器设计

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1、快热式家用热水器设计快热式家用热水器的现状功能要求当前，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家不断追求的目标。快热式电热水器与普通电热水器最大的区别在于它取消了储水罐，热水随开随用，无需预热，减少了电能浪费。另外，它还具有体积小，使用安全，安装方便等优点。其设计要求如下：（1）用2位数码管显示出水温度，能显示设定功率档位。（2）温度检测显示范围00~99℃，精确度±1℃。（3）设置3个功率档位指示灯，1~4档一个灯亮，5~8档两个灯亮，9档3个灯全亮。0档无功率输出

2、，档位灯不亮。（4）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“+”键依次递增至9档，按“-”键依次递减至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、P。（5）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。（6）内胆温度超过105℃时停止加热，防止干烧。方案论证按快热式电热水器的功能要求，决定采用如图1所示的模块组成系统，主要包括电源电路、单片机控制器、温度检测电路、按键输入电路、LED数码管及指示灯电路、报警电路和加

3、热控制电路。加热控制蜂鸣报警LED显示电源按键输入单片机温度检测图1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1。表1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。表1水温与流量、加热功率的关系温度/︒C水流量/(L/m

4、in)功率/KW22.533.544.547423634325.554484138356.562544642387.57060514641注：进水温度为15︒C，输入电压为AC220V。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，且档位设置较多，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。温度检测的方法较多，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、AD转

5、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。为了简化电路又降低成本，本文采用了温度/频率转换测温法，直接将温度信息转换成频率信号，用单片机测出频率大小，从而间接测出温度值，温度/频率转换电路简单可靠，成本低廉。控制器的选择系统硬件电路的设计快热式热水器控制系统电路如图2，由7个部分电路组成：单片机系统及外围电路、电源电路、按键输入电路、LED数码管及指示灯电路、报警电路、加热控制电路和温度检测电路。控制器采用成本低廉且工作可靠的89C51或其兼容系列的单片机，采用

6、12M的晶振。89C51对电源要求不甚严格，电源电路采用普通的市电降压整流，然后经集成稳压器（7805）稳压输出+5V电压。按键采用轻触小按钮。显示电路采用两位共阳数码管，由两个三极管9012驱动，3个LED指示灯用于指示加热功率。报警电路采用5V的自鸣式蜂鸣器。加热控制电路图3所示为加热控制电路原理图，电热丝的加热功率由双向可控制硅控制，单片机通过光耦给可控硅触发信号，控制可控硅的导通角，从而控制电热丝的有效加热功率。为了在关机和超温保护的状态下能可靠地关断加热电源，电路中设计了继电器来控制加热电源。其中串联在继电器线圈回路的熔丝为1

7、05℃的热保险丝，当温度超过105℃时，热保险丝会熔断，防止加热管干烧。与电热丝并联的LED发光管用来指示电热丝的工作状态。可控硅触发信号中需要对市电进行过零检测，以实现触发脉冲的相位延时。本电路中是利用三极管8050和一个“非”门实现过零检测的，电路如图4温度检测电路温度检测电路组成如图5所示，温度/频率变换电路是利用反相器组成的RC多谐振荡器，其中的R24是一个热敏电阻，当温度变化时引起热敏电阻的阻值变化，从而改变了振荡器输出的方波频率。该频率的估算可用如下公式：系统软件程序的设计按快热式热水器的功能，系统程序必需实现以下任务：显示

8、扫描、按键扫描处理、加热控制、温度检测（包括超温报警）。51系列单片机实现多任务运行的方法就是分时复用，在程序设计的时候要相应地分配好各任务的CPU占用时间。对于以上几个任务稍加分析可以看出，显示扫描、按键