智能家用电热水器控制系统设计

毕业论文（设计）文献综述学 院 专业学生姓名 学号指导教师 职称合作导师 职称论文题目 智能家用电热水器控制系统设计1.国内外现状（1）研究背景热水器是一种可供浴室，洗手间及厨房使用的家用电器。目前市场上热水器主要品种有电热水器、太阳能热水器、燃气热水器.就中国的具体情况而言,由于太阳能热水器的使用受天气原因的限制,使用范围狭窄；燃气热水器由于以石油、天然气为燃料,而燃料供应量又难以满足人们日益增长的需求，且不利于环境，因此电热水器越来越受到消费者的青睐. 根据中国商业联合会前不久的统计，电热水器的市场份额在销售数量和销售收入两个方面都已经超过了长期以来占优势的燃气热水器。该中心预计，在城市电网更大范围改造和城市住房市场大规模启动的带动下，今后几年我国电热水器市场将呈现强劲增长势头。一般来说，燃气热水器具有价格低、加热快、出水量大、出水温度稳定等优点，但必须分室安装，且须由专业人员安装，并且燃气热水器不易调温，需定期除垢，在使用中还易产生有害气体，特别是使用液化石油气和人工煤气型的直排式燃气热 水器，会产生轻度油烟，严重时甚至会危及生命。因此，燃气热水器是一种人命关天的特殊产品，即使有百分之一的疏忽，带给用户的危险将是百分之百。据不完全统计，仅上海、北京两地，1997 年由此造成的中毒事故即超过 200 起，全国直排式热水器事故发生率仅排在交通和工业事故之后，列第三。而太阳能热水器，则因为其受外部环境影响较大、销售地域性强、产品工业化难度大等因素其市场占有率很低。 电热水器具有干净、卫生、不必分室安装、不产生有害气体、调温方便等的优点，因而在近几年随着我国电力工业的发展和人们环保及安全意识的增强，家用电热水器获得了越来越多的消费者的青睐，成为少数几种畅销的家用电器产品之一。 并且在城市电网更大范围的改造和城市住房市场的大规模发展的带动下，今后几年我国电热水器市场将继续强劲增长。市场上传电统的机械式热水器控制精度低、可性靠差，甚至存在一定的危险隐患。随着社会的发展、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，这种老式而简单的电热水器已经不能够满足人们的需要了。而智能化家用电热水器正是适应现代化智能家用电器趋势而出现。它能提供用户方便快捷的数字化输入方式，并且能精确的采集和控制环境中的水温，将其提供给用户，因此备受人们的关注。 快热式电热水器在国外使用相当广泛，尤其是在欧美和东南亚地区。前些年，快热式产品在国内市场上曾经出现过一段时间，由于当时国内电力条件不成熟，对大功率的电产品一般无法正常使用，也没有好技术来保证其质量与安全，种种因素限制了其在国内的发展。近几年来，随着人们生活水平的不断提高，国家电网改造和相关规定的出台，电力工业迅速发展，预示了即热式产品在国内的广泛前景。通过检测，快热式比传统的热水器可节省 40%的能耗，用多少热水加热多少，没有热水用不完时的浪费和使用中途热水供应不足的现象，热水利用率 100%，因为它既不需要提前预热，也不需保温，省去了大量的额外开支，给用户带来真正的实惠。市场上传电统的机械式热水器控制精度低、可性靠差，甚至存在一定的危险隐患。而智能化家用电热水器正是适应现代化智能家用电器趋势而出现。智能热水器可实时显示温度、键盘输入设定水温、通过温度比较进行加热控制等功能。 （2）国内外研究成果热水器内胆最为关键，如果内胆损坏就意味着整台机器的报废。与其他家用产品不同的是，电热水器没有必要进行频繁升级换代，出于安全性和经济性的考虑，热水器的耐用性才是厂商需要绞尽脑汁考虑的。空调的核心是压缩机，电扇的核心是电机，热水器的核心是内胆，从一定意义来说，内胆的品质就代表了热水器的品质。目前的内胆技术纷繁复杂，但究其本质目标是一样的：保温、耐压、不生锈、无水垢、不渗水。市场上常见的内胆类型有搪瓷内胆、不锈钢内胆、钛金内胆、金圭内胆等。搪瓷内胆抗疲劳性差，不锈钢内胆焊缝容易漏水，目前比较先进的内胆主要是钛金内胆。除了对耐用性的不懈追求，智能化技术运用是今后技术发展的一个普遍趋势。燃气热水器设有自动恒温控制，停气自动关机，超水温泄压等安全保护功能，即使临时停气，仍有储存的热水使用。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，让使用者随时享用热水。而在非用水时间则启动中温保温程序，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。在节能上冰箱等家电产品已经走在了前面，热水器这种用电量很大的产品更加应该推进节能技术的普及。对于传统的电热水器行业而言，要想出现本质性的突破几乎是不可能的，而在功能上不断提升，抓住人性化需求，却是一条可行之路。而事实也正是如此。阿里斯顿、比利奇、史密斯、海尔、美的争先恐后推出了超大液晶屏、电子线控、超薄时尚、双管加热、漏电保护器、防电墙、多口出水等新技术，尤其是海尔，甚至在电热水器上增加了按摩功能，专门的喷雾按摩喷嘴，让消费者可以足不出户就感受按摩的快乐。西门子智能电热水器，采用德国新电脑温控技术，确保出水温度均匀恒定，使沐浴成为真正的享受。西门子家电集团采用西门子在电站技术上的强大防漏电安全技术为基础，开发出独有的 ELCB 德国安全专家模式功能。除具有正常的防漏电装置外，还具备安全电流自我检测功能，随时检测防漏电系统是否正常工作，双重保险将个体与电源完全分开，杜绝意外发生。樱花 IMES 智能记忆节能系统，突破了传统单时段节能模式，提供了独一无二的三时段定时预热和七种供水模式，其工作过程“聪明伶俐”，它不断自动存储、分析主人近一个月用水的具体数据，以最经济的模式提前为主人准备热水，真正实现全天候节能供水。特别是还具备体贴的停电数据保留功能，就算停电 48 小时，也能自动记忆所有参数，让主人毫无后顾之忧。全新的智能中温保温功能，彻底弥补了传统中温保温的缺陷，根据设定水温、环境、季节的不同，自动选择最节能的保温状态，避免固定中温技术大幅度温差造成不必要的浪费，缩短加热时间，切实做到省电节能。配合特有超厚高密度聚氨脂发泡层，节能指标全面达到国家专业标准，当然倍受信赖。完美 的节能系统整合，把 IMES 智能记忆作为系统节能的核心，将各种节能的细节整合到尽善尽美，智能记忆与自动加热技术的融合应用，自动加热、实时加热、定时加热三种工作模式任意选择。就中国的具体情况而言,其研究成果虽稍逊于国外，但是学者们也在努力寻求技术的突破，比如海尔就走在了同行的前面。近日，海尔推出了一款全新产品银海象 A6 智能专家，成为国内第一款具备记忆和计算能力双重智能的热水器。 能记是 A6 的最大特色。它独有的断电自动记忆功能，即使突然停电，系统也会将之前设置的参数自动保存，从而在来电开机时仍保持原有设计，无需重新设置，方便简单。 会算是 A6 的又一特色。许多热水器也有预约功能，但预约的都是加热时间。用户一般不知道该提前多长时间加热，因此不是早了就是晚了。而 A6 产品只需设定好你的洗浴时间即可。它会自动根据当前的室温及水温计算好所需的加热时间，并自动提前加热，从而可以最大限度的减少用电损耗。除了能记会算，A6 的外观也独具一格。它使用 LED 超大显示屏，清晰明了；同时，A6 引入无线智能遥控技术，不仅使热水器安装彻底摆脱了高度的限制，操作更自由方便。另外，A6采用了下倾式控制面板，实现半隐藏式安装，使浴室装修更完美。 此外，A6 的节能效果同样出色，智能预约、中温保温、分层加热等让您省钱到家。实验证明，仅中温保温一项技术，就能在 24 小时内节能约 0.33 度。如深圳市明佳实业发展有限公司获得了 19 项热水器发明专利的授权。在热水器研发中模拟大自然中的负离子功效，利用热水器的电能、空气气压、水压形成的势能和动能，作用于空气或水中的水分子使其发生破裂，使空气中带负电荷的氧分子和微小的水分子结合，生成大量的负离子。二.研究方向目前市场上的电热水器分连续水流式和贮水式，前者虽具有加热速度快和 体积小的优点，但需要的功率大，大多数家庭供电线路难以承受。而市场上传统的机械式电热水器控制功能不完善，而且精度低、可靠性差，生活质量的提高使得消费者对电热水器功能提出延伸至全新的概念层面。热水器技术未来将继续朝着以下几个方面发展：(1)智能化：从最初的手动旋钮调节发展到如今数字化调节方式；(2)节能技术：从最初机械结构上的保温节能到控制技术上的定时加热或分步加热技术转变，由于在水温很高时热量流失较快，所以未采用该类技术的产品需要长时间在高温区反复加热，不仅启动频繁，而且耗电量很大，如果用户可根据自己的实际需要设定好规定时段以进行定时倒计时加热，则能将保温耗电降至最低；(3)安全稳定性：由于电热水器不同于一般的家电产品，涉及到人身安全，所以安全问题一直是各大厂家考虑的重点。随着现在各种安全技术在电热水器设计中的普遍应用，用电环境的日益规范，以及国家对电热水器实行强制认证，安全技术已经成为衡量电热水器的重要标准。其中安全技术主要体现在能自动检测热水器是否处于正常工作状态，并具有调温、恒温、防干烧、防超高温、防漏电等多项自检功能，使用户在使用过程中安全更有保障。此外，随着无线通信技术的发展，无线远程控制也将是新一代电热水器的发展方向，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。现在市场上较为先进的储水式电热水器能实现上述等功能，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单片机为核心的控制器应为首选。本课题的研究方向是对温度进行精确控制，采用高性能的温敏电阻实时采集热水器内水温，将温度信号转变为电压信号后送单片机，可用高清晰度的数码管进行实时显示。设计可靠的水位采集电路，实时采集水位供查询时进行显示，当水位过低时给出提示并停止加热，防止干烧功能。该智能热水器应具有以下功能 : ( 1) 使用高清晰度数码管实时显示水温。（2）采集水位并显示。（3）当水位过低时给出提示并停止加热。 3、进展情况本系统应包括单片机最小系统模块，电源模块，人机交互模块，声音提示模块，温度检测控 制模块和水位检测控制模块等六个模块。，单片机最小系统模块是该系统最为核心的部分，用于实现 对其他模块的控制功能; 电源模块为系统提供电源; 人机交互模块实现单片机和外部的信息传递; 声音提示模块用于发音提示热水器当前水位状态; 温度检测控制模块实现对水温的检测与控制; 水位检测控制模块实现对水位的检测与控制。本系统的控制过程如下: 首先通过人机交互模块设定系统的工作状态，即根据人们需要设定水位与温 度值，接着通过水位检测控制模块检测水箱中水位并 控制水量进出，然后通过温度检测控制模块对加热电 阻进行控制，同时温度检测控制模块检测水箱中温度， 并通过显示模块将实时测量的水位、温度信号值发送 给液晶显示屏显示。本系统确保电热水器能在安全状 态下工作，实现对电热水器的智能控制。4、存在的问题目前市场上的家用热水器控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题，很多控制器只具有温度和水位的显示功能，而不具备温度和水位的即时控制功能。即使一些热水器具有辅助加热功能，也可能由于不能控制加热时间及水位而产生过烧， 从而浪费电能，甚至会引起火灾等重大事故，造成人身及财产损失。电热水器消费者普遍反映产品使用过程中存在水垢问题，一般 50 L 的电热水器 2 个小时就能烧热了，如果内胆结了水垢，要花三四个小时。水垢的严重危害在于容易导致电热水器金 属发热管氧化，不仅降低加热效率，还会损害内胆的绝缘层，以致水被通电后，如果有人沐浴便可能导致触电事故发生。而水垢不仅会造成水路不畅、漏水，增加电耗甚至发生漏电危险，缩短热水器使用寿命，更严重的是对人体健康的损害。另一个问题是环境漏电问题,2010 年 6 月，南京师范大学一名学生在宿舍洗澡时触电，最终导致死亡。同年 7 月，浙江杭州一对年轻人在使用电热水器洗澡时，不幸触电，经抢救无效身亡。2011 年 7 月 18 日凌晨 1 时许，一个女孩在卫生间洗澡时不慎触电，男友郭某看到后急着想把女友救出来，可是当手触到带电的莲蓬头时，却不慎被莲蓬头上的电流“吸”住，并长达 3 min，最终死亡。警方初步判断，这场悲剧的罪魁祸首，便是卫生间的漏电电热水器。根据海尔与中消协在几年前一项对中国 23 个城市的用电环境调查表明，在电热水器漏电事故中，由环境 漏电引起的占 7 成。专家介绍说，电热水器安全与否涉及到整个产品的每一个部件，比如内胆、加热管、温控器等，而多数漏电伤人事故是由于用电环境隐患造成 的。大部分消费者在使用电热水器时都存在严重的用电安全隐患，没有可靠接地线的超过半数以上，而且还有 不少家庭的电线存在着线路老化、线路负荷不达标、地线失效、使用劣质插座、安装时接错线等问题。即使购 买的电热水器是合格的，但如果用电环境存在安全隐患，电源没有有效的“接地”，也可能发生水管、淋浴 水等非绝缘体带电，甚至酿成触电事故。5、参考文献1郇玉龙,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.第 10 期2周鲜成.单片机在电热水器中的应用J.常德师范学院学报（自然科学版）.2000.第 12卷第 4 期 3刘海英，胡卫兵，魏军丞.基于单片机的电热水器定时控制器设计J.电子元器件应用.2007.第 9 卷.第 8 期 4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.第 10 期 5雷建龙.基于单片机模糊控制的电热水器水温自动调节器J.电气自动化.2004.第 26 卷.第 2 期 6 翟敏焕 基于单片机的即热式电热水器控制系统的设计 J 现代计算机，2012( 16) : 77 79 7 肖笛 基于 C51 单片机的热水器节能研究J 硅谷， 2011( 5) : 71 758 何伟洪 家用电热水器安全使用风险评估及快速检测技 术研究D 广州: 华南理工大学，20129 戴计生，应群民，赵伟国 快速恒温快热式电热水器控制 系统的设计J 工业控制计算机，2006( 6) : 25 2710李佩禹 家用热水器的原理、使用与维修M 北京: 机械工 业出版社，200011王福源，王 玮，侯均衡 智能型电热水器的控制系统设计 J 三峡大学学报: 自然科学版，2002，24( 6) : 523 525