2023年「盛群盃」重慶大學生微控制器應用設計競賽
作品創意書
參賽編號：
基於holtek mcu的智慧型瞬間加熱器
重慶科技學院
電子資訊工程學院
指導老師： ***
參賽學生： 張俊海
於先鋒王贊楊川
公元 2010 年月日
作品創意書
一、摘要
隨著國際上能源短缺呼聲日益高漲，國民節能意識和生活水平的不斷提高，熱水器瞬間加熱以瞬間公升溫(1~3秒)，無須等待，省時、省水、省電、安全、環保，適合現代人們快節奏的生活需要。本設計方案採用盛群公司的holtek mcu為主控晶元，以及溫度感測器、陶瓷電加熱半導體、lcd顯示屏等為外圍裝置，實現對熱水器剛開始出涼水的那一段時間進行瞬間加熱。確保熱水器即開即熱，無需等待的特點。
並且，利用溫度感測器對水溫檢測，當熱水器產生溫水之後，holtek mcu控制加熱裝置立即停止對水加熱，儘量減少能源的浪費。本設計方案加熱時間短，並且對加熱半導體做了陶瓷絕緣處理，盡可能地確保了用電安全。且本方案的功能實用、方便快捷、安全可靠，具有較大推廣價值。
關鍵詞：瞬間加熱；holtek mcu；即開即熱；安全
二、 作品介紹
隨著時代的進步和科技的發展，人們對生活質量的要求也越來越高。在快節奏的工作和學習的同時，人們迫切希望家中的電氣設施、生活用具方便自如，省時高效。即熱式水龍頭、即熱式電熱水器等能夠瞬間加熱的裝置因運而生。
但是，目前市場上這類產品還有著很多的不足。要使水能瞬間加熱，即熱產品都有乙個特點——功率大。如果長期保持大功率工作，對家庭電路的要求很高，並且長時間使用容易損壞。
為此，我們提出了智慧型瞬間加熱器的概念。
就燃氣熱水器而言，他的加熱速度比較快，能夠持續提供熱水。但是最初一段時間（10秒左右）是處於涼水狀態的，多數人對這段涼水的處理方式是無利用而棄之，這樣就不可避免的造成水資源的浪費，並且也耽誤了人們的寶貴時間。而我們的設計從瞬間加熱出發，因此就很好地解決了水資源浪費問題和等待給人們造成的困擾，進一步考慮到大功率用電器長期持續使用的弊端，使用holtek mcu為主控晶元，智慧型控制加熱的時間。
首先，利用溫度感測器時時監測水的溫度，當溫度低於20攝氏溫度時，主控晶元控制加熱裝置對水進行瞬間加熱。一段時間後，熱水器產生了熱水，而主控晶元馬上會收到溫度感測器檢測到的熱水訊號，就會控制加熱裝置瞬間停止加熱。因此，我們的加熱裝置只使用了十幾秒，避免了大功率用電器長時間工作，更加安全。
眾所周知，陶瓷的絕緣性很好，很多大電流的開關都是使用陶瓷把手。再結合陶瓷的快速導熱性，考慮到陶瓷的這些特點我們的瞬間加熱裝置採用了陶瓷半導體電加熱元件，盡可能確保了用電安全。
經過市場調查了解，人們對即熱產品最大的意見以及建議是安全問題和對水溫的調節。我們盡最大的可能確保了安全問題，更提出了人性化水溫調節以及對加熱後水溫的顯示功能。
在加熱裝置部分，我們使用了滑動變阻器控制半導體加熱元件的電流，進而控制了他的輸出功率。我們的設計是使用者可以調節不同水溫。冬天時，使用者可以使用高溫檔，瞬間加熱裝置輸出較高溫度的水；夏天時，可以使用低溫檔，輸出較低溫度的水。
並且，我們新增了lcd顯示屏，可以顯示加熱後水的溫度，使使用者更方便地了解到水的溫度。
三、工作原理
本設計方案採用盛群公司的holtek mcu作為主控晶元，以及溫度感測器、陶瓷電加熱半導體、lcd顯示屏等外圍裝置，實現自動檢測水溫、智慧型控制陶瓷電加熱半導體瞬間加熱、加熱部分輸出功率的調節以及出水溫度的顯示。
1. 水的瞬間加熱原理：
在加熱裝置裡面固定陶瓷半導體，由於陶瓷具有優良的導熱性，利用陶瓷半導體能瞬間加熱產生的大量熱量供水體吸收的特性，在進水端通過閥門控制水的流量，調節水與陶瓷半導體接觸面積，在220v額定電壓情況下調節滑動變阻器以適當功率加熱，以此達到水瞬間公升溫。
2. 自動控制原理：
通過溫度感測器檢測到的訊號傳送給盛群公司的holtek mcu主控晶元，通過微控制器對傳送來的資料進行分析處理，當檢測到進水端的溫度低於20攝氏度時，微控制器輸出高電平訊號使加熱器的開關閉合對水體瞬間加熱達到使用者所調節的溫度，當溫度感測器檢測到進水端溫度高於20攝氏度時，微控制器輸出低電平訊號使加熱器自動關閉。
3. lcd顯示溫度原理
在出水端溫度感測器檢測的訊號傳送給微控制器，經微控制器資料分析處理，控制lcd顯示資料，給人視覺直觀效果。
四、 功能及特色
1.基本功能：
● 水溫檢測功能：通過溫度感測器檢測水溫的高低。
● 智慧型控制加熱裝置：檢測水溫後，通過智慧型控制開關，完成是否需要啟動對水加熱的操作。
● 水溫可調功能：控制加熱裝置的輸出功率，實現輸出不同溫度的溫水，適應不同的人群。
● 瞬間加熱功能：通過陶瓷電加熱半導體元件實現對冷水的瞬間加熱功能。
● 溫度顯示功能：用lcd顯示屏顯示出對涼水加熱後的水溫。
2.特色：
● 對水瞬間加熱，無需等待，開啟開關便能有溫度適宜的熱水**，十分快捷方便，滿足時下現代人快節奏的生活需要。對於需要瞬間提供熱水的使用者如理髮店、醫院、學校等非常理想，最重要的是節省了人們寶貴的時間。
● 智慧型控制加熱裝置，實現對水加熱的智慧型控制，當熱水器穩定輸出熱水時，加熱裝置自動關閉，不再對水進行加熱，真正做到了省時、省電和省水。由於加熱時間短暫，進而避免了長時間用電的安全隱患，達到了安全環保的效果。
● 通過水溫調節功能，實現不同溫度的溫水穩定輸出，使用方便，舒適人們的生活。
五、 作品結構
智慧型瞬間加熱器是由電源部分、主控部分、溫度檢測部分、顯示部分、瞬間加熱部分、水溫調節等部分組成，其基本工作結構如圖，以溫度感測器為主要的檢測部件，按照設計的程式進行水溫檢測、合理加熱、以達到智慧型控制、水溫調節和顯示等功能。
圖5-1 基本工作結構
（一）硬體部分
本設計採用盛群公司的holtek mcu作為主控晶元，使用了大量的硬體電路完成部分功能模組，其目的就是充分利用硬體電路的可靠性、穩定性，使整體電路達到比較高的穩定性。利用holtek mcu主控晶元與溫度感測器緊密結合，對水溫進行檢測，並帶有調節輸出水溫高低的功能，實現智慧型的有效的瞬間加熱器
圖5-2 硬體總體框架
1.溫度檢測模組：
感測器檢測到的溫度訊號經過運放電路將訊號轉換為適合微控制器的輸入訊號，最後將模擬的取樣訊號經過holtek mcu微控制器轉換為數碼訊號。通過程式對採集的訊號進行分析，判斷超過還是低於20攝氏度，開啟或關閉加熱裝置的開關。
2.半導體加熱模組：
為了達到瞬間加熱的功能，我們採用陶瓷半導體作為電加熱元件，它具有良好的導熱性和絕緣性。通過微控制器的的控制，調節滑動變阻器的阻值來改變輸出功率的值，達到對水溫的的改變。
圖5-3 加熱模組框架
顯示模組：
lcd液晶顯示電路採用fm12864，是一種圖形點陣液晶顯示器。它主要採用動態驅動原理由行驅動—控制器和列驅動器兩部分組成了128(列)×64(行)的全點陣液晶顯示。此顯示器採用了cob的軟封裝方式，通過導電橡膠和壓框連線lcd,使其壽命長，連線可靠。
直觀顯示出加熱後的水溫。
（二）軟體部分
為提高系統的可靠性和程式設計的效率性，控制系統的程式用c語言編寫，採用模組化結構，簡潔、明了。在硬體的基礎上，編寫程式實現微控制器智慧型控制加熱裝置是否工作，水溫檢測，以及水溫顯示等功能，無需人工操作，安全可靠。
圖5-4 軟體流程圖
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