【電熱水(shui)器(qi)(qi)控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)(qi)】分時控(kong)(kong)制(zhi)電熱水(shui)器(qi)(qi)的嵌(qian)入式控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)(qi)設(she)計 電熱(re)水器(qi)控制(zhi)器(qi)原理

1 概述

隨著國家對家用(yong)電器節能(neng)和安全(quan)認證(zheng)工作(zuo)的開(kai)展，城(cheng)市用(yong)電分時計費(fei)方(fang)式開(kai)始被(bei)推廣實(shi)施，即用(yong)電高(gao)(gao)峰在時收費(fei)高(gao)(gao)，用(yong)電低谷(gu)時收費(fei)低。目前采用(yong)機械溫包控制方(fang)式熱水器已(yi)少見，早期的電熱水器因(yin)控制簡單、智(zhi)能(neng)化程度低、保(bao)(bao)護(hu)功能(neng)少，已(yi)不適應(ying)現代生活(huo)的需求(qiu)。本文(wen)所談到的控制器采用(yong)高(gao)(gao)性(xing)價比單片機，運(yun)用(yong)軟件控制技術(shu)，融合智(zhi)能(neng)化控制思想，增加(jia)了(le)漏電檢測(ce)、干燒(shao)報(bao)警等多重保(bao)(bao)護(hu)功能(neng)，大大提高(gao)(gao)了(le)電熱水器的智(zhi)能(neng)化、安全(quan)性(xing)，并采用(yong)LCD顯(xian)示溫度，使熱水器具有良好的人(ren)機界(jie)面(mian)，方(fang)便用(yong)戶操作(zuo)，使該款電熱水器顯(xian)得更加(jia)經濟(ji)實(shi)用(yong)。

2 系統功能設計

本(ben)款(kuan)電(dian)熱水器智能控制器，主要具有(you)以(yi)下獨(du)特功(gong)能：①帶(dai)柔和背光的液晶實(shi)時(shi)(shi)(shi)顯示(shi)溫度(du)和實(shi)時(shi)(shi)(shi)時(shi)(shi)(shi)鐘；②具有(you)漏電(dian)、干燒、過(guo)熱、傳(chuan)感(gan)器失效等多(duo)重保護；③方便的按鍵操(cao)作：系統開(kai)啟鍵；功(gong)率選(xuan)擇鍵；定(ding)時(shi)(shi)(shi)狀(zhuang)態(tai)鍵；分段定(ding)時(shi)(shi)(shi)設定(ding)或(huo)時(shi)(shi)(shi)鐘校(xiao)準狀(zhuang)態(tai)切換鍵；調整溫度(du)、時(shi)(shi)(shi)鐘、定(ding)時(shi)(shi)(shi)開(kai)關(guan)機時(shi)(shi)(shi)間的數值(zhi)設定(ding)鍵；④運行(xing)狀(zhuang)態(tai)指示(shi)；⑤故障聲光報警(jing)與指示(shi)。

3 系統硬件設計

該系統(tong)電路主要由電加熱(re)管控制電路、漏電檢測電路、蜂鳴器驅動電路、溫度采樣電路、液晶(jing)和(he)發(fa)光管顯示電路、按鍵電路、背光等組成。

MCU選用(yong)高性價比的TMP87P809N，該單片機豐富的資源（內含512字(zi)節的RAM、8K字(zi)節的ROM，10個(ge)(ge)中斷源，22個(ge)(ge)I/O口，兩個(ge)(ge)16位(wei)多功能定(ding)(ding)時器(qi)(qi)，一(yi)個(ge)(ge)基(ji)本定(ding)(ding)時器(qi)(qi)，一(yi)個(ge)(ge)Watchdog定(ding)(ding)時器(qi)(qi)，一(yi)個(ge)(ge)SCI口，6路8位(wei)A/D轉換器(qi)(qi)）及低價格，特別適合智能家電的嵌(qian)入式控制(zhi)。

3.1 溫度采樣電路

本系統采用(yong)一路溫度傳感(gan)器實時采集熱水器的水溫用(yong)于MCU控制；由于單片(pian)機自帶A/D電(dian)路，由熱敏電(dian)阻式(shi)溫度傳感(gan)器和一高精度電(dian)阻分壓構成即可；為提高抗干擾(rao)能力，可在單片(pian)機口(kou)線(xian)上(shang)串接(jie)一個電(dian)阻，并接(jie)一個按地(di)的濾波電(dian)容。

3.2 漏電檢測

電(dian)熱水(shui)器的使用，安全性能是其考慮(lv)的首(shou)要(yao)因素。本系統設計了獨(du)特的漏電(dian)檢測和保(bao)護電(dian)路(lu)。

電(dian)加熱管的電(dian)源穿過互感器L，繼電(dian)器J將(jiang)電(dian)加熱管的強電(dian)同外界(jie)隔離。

加(jia)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)時，單片(pian)機的(de)(de)(P1).1口(kou)，輸(shu)出(chu)(chu)一(yi)高電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)平，使J吸合，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)加(jia)熱(re)上(shang)(shang)得(de)到(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)。沒有(you)漏電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)發(fa)生時，流(liu)進電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)加(jia)熱(re)器(qi)(qi)(qi)和(he)流(liu)出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)加(jia)熱(re)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)平衡，L上(shang)(shang)無(wu)感應(ying)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)熱(re)，而一(yi)旦有(you)漏電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)發(fa)生，進出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)加(jia)熱(re)器(qi)(qi)(qi)上(shang)(shang)的(de)(de)導線中的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)不平衡，L上(shang)(shang)就有(you)感應(ying)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)熱(re)，經D1、D2、C1電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路的(de)(de)濾波(bo)整(zheng)流(liu)得(de)到(dao)(dao)直流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓V1送(song)比較器(qi)(qi)(qi)，當V1大于(yu)警戒電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓V2時，比較器(qi)(qi)(qi)IC的(de)(de)輸(shu)出(chu)(chu)就會翻(fan)轉，產生一(yi)下降沿，送(song)到(dao)(dao)單片(pian)機的(de)(de)中斷(duan)(duan)口(kou)INT，單片(pian)機立刻響應(ying)中斷(duan)(duan)，使(P1).1口(kou)輸(shu)出(chu)(chu)一(yi)低電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)平，繼(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)(qi)J斷(duan)(duan)開，迅速(su)切(qie)斷(duan)(duan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)加(jia)熱(re)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)。

R5、R6、T2和單片(pian)機的(P1).0口構成了(le)漏(lou)(lou)電(dian)(dian)(dian)保(bao)護電(dian)(dian)(dian)路的時(shi)時(shi)監控系統。(P1).0口每隔一定時(shi)間（如5分鐘）輸(shu)出一高電(dian)(dian)(dian)平，使T2飽和導(dao)通，L上立刻感應出電(dian)(dian)(dian)壓V1，此時(shi)V1＞V2，比較器輸(shu)出翻轉，單片(pian)機應產(chan)生中斷(duan)。如單片(pian)機沒有(you)及時(shi)產(chan)生中斷(duan)，說(shuo)明(ming)漏(lou)(lou)電(dian)(dian)(dian)保(bao)護電(dian)(dian)(dian)路有(you)故障，(P1).1口輸(shu)出低(di)電(dian)(dian)(dian)平，使繼電(dian)(dian)(dian)器J釋放，切斷(duan)熱水器電(dian)(dian)(dian)源；液晶顯示故障，蜂鳴器報警。這就確保(bao)了(le)漏(lou)(lou)電(dian)(dian)(dian)保(bao)護電(dian)(dian)(dian)路的實時(shi)可靠性。

3.3 液晶驅動電路

液(ye)晶顯(xian)示(shi)選用HT1621B，該(gai)芯片是一(yi)種智能(neng)(neng)型的液(ye)晶顯(xian)示(shi)驅(qu)動(dong)(dong)專用模塊，具有集成化程(cheng)度高，體(ti)積小，功(gong)能(neng)(neng)強，功(gong)耗低，所需外(wai)圍(wei)器件(jian)少等特(te)點，以串行(xing)(xing)方式和單片機(ji)進行(xing)(xing)數據通信，能(neng)(neng)驅(qu)動(dong)(dong)32×4位LCD液(ye)晶屏。

CS是HT1621B的片(pian)選腳，當它為低(di)電平時，單(dan)片(pian)機和HT1621B之(zhi)間的數據通信被(bei)接通，否則被(bei)禁止。

WR是(shi)寫數(shu)據(ju)的時鐘(zhong)腳，在WR時鐘(zhong)信號的上升沿，HT1621B才(cai)接收(shou)來(lai)自DATE線的命令或(huo)數(shu)據(ju)。

DATE是串行(xing)數據的輸入(ru)/輸出腳。

電阻R7的(de)作用(yong)是調節液(ye)晶顯示屏的(de)亮(liang)度，取值范圍(wei)一般為15KΩ±20%。

4 軟件設計

軟件設(she)計(ji)采(cai)用功(gong)能獨立化、結構模塊化為(wei)軟件設(she)計(ji)模式(shi)。

程(cheng)序(xu)(xu)(xu)由主程(cheng)序(xu)(xu)(xu)、INT中(zhong)斷程(cheng)序(xu)(xu)(xu)和(he)定時中(zhong)斷程(cheng)序(xu)(xu)(xu)構(gou)成。INT中(zhong)斷程(cheng)序(xu)(xu)(xu)用于(yu)漏電檢測和(he)漏電保護電路的監(jian)控；定時中(zhong)斷程(cheng)序(xu)(xu)(xu)用于(yu)產(chan)生時鐘和(he)各(ge)種時間的計數；主程(cheng)序(xu)(xu)(xu)由初(chu)始化程(cheng)序(xu)(xu)(xu)和(he)各(ge)個功能模(mo)塊程(cheng)序(xu)(xu)(xu)組成。

A/D采樣(yang)(yang)程序(xu)完成對溫度的數(shu)(shu)據采集(ji)，并根據溫度設定(ding)值，用以控制電加熱(re)管的開關。如采集(ji)到的數(shu)(shu)據過高或過低，則(ze)認為包括(kuo)傳感(gan)器在內的采樣(yang)(yang)電路有故障(zhang)，關斷電加熱(re)管，系統報警。

4.1 防干燒保護

由于熱水器的長時(shi)間使(shi)用(yong)造成密(mi)封圈老化，或其它因素造成熱水器漏水，使(shi)熱水器缺水。這(zhe)時(shi)，如(ru)加(jia)上電源(yuan)，會(hui)使(shi)加(jia)熱管處(chu)在(zai)干燒(shao)狀態(tai)，如(ru)不及時(shi)關斷電源(yuan)，電加(jia)熱管會(hui)燒(shao)斷，甚至(zhi)爆(bao)裂。

防干燒保護子程序就是實(shi)時監控加熱器的(de)溫升(sheng)，如發現溫度升(sheng)得過快，則認(ren)為(wei)是干燒，立刻關(guan)斷加熱管，并報警。

單位時間取1分(fen)鐘(zhong)，因(yin)干(gan)燒造成的(de)后果嚴重，因(yin)此，判(pan)斷(duan)干(gan)燒的(de)溫升(sheng)應在1分(fen)鐘(zhong)內判(pan)斷(duan)，而(er)不要等到1分(fen)鐘(zhong)計時結束才判(pan)斷(duan)。

4.2 分段定時

系統(tong)根據(ju)一(yi)天(tian)24小時(shi)(shi)的(de)實時(shi)(shi)時(shi)(shi)鐘，將定(ding)時(shi)(shi)間(jian)(jian)分為0~6，6~12，12~18，18~24四個時(shi)(shi)間(jian)(jian)段(duan)(duan)(duan)，共12種方式，用戶(hu)可(ke)(ke)選擇一(yi)段(duan)(duan)(duan)或多段(duan)(duan)(duan)來定(ding)時(shi)(shi)加熱，亦可(ke)(ke)利用“∧”、“∨”鍵來修改(gai)四個時(shi)(shi)間(jian)(jian)段(duan)(duan)(duan)和上、下限(xian)，如需(xu)取消某一(yi)定(ding)時(shi)(shi)段(duan)(duan)(duan)，將該時(shi)(shi)間(jian)(jian)上、下限(xian)設置為相同(tong)即可(ke)(ke)。

分段定時(shi)(shi)設定好(hao)以后，按定時(shi)(shi)鍵進入定時(shi)(shi)狀(zhuang)態，再次按下定時(shi)(shi)鍵，則取(qu)消定時(shi)(shi)。

4.3 LCD顯示程序

HT1621B是(shi)多功能液(ye)(ye)晶驅(qu)動芯片。使用前，必須先初始化，然后才能向其輸送數(shu)據，驅(qu)動所需的液(ye)(ye)晶顯示(shi)。

5 抗干擾設計

電熱(re)水(shui)器使(shi)用環(huan)境(jing)潮濕(shi)，電源污染對(dui)其產生的干(gan)擾尤(you)其嚴重，為保證控制系統的可靠(kao)運(yun)行，采(cai)取了(le)以下抗干(gan)擾措施。

硬(ying)件(jian)設(she)計(ji)上，注(zhu)意元(yuan)(yuan)件(jian)的(de)(de)布(bu)局(ju)，即要把(ba)模擬信號、數字電(dian)路(lu)、噪(zao)聲源(yuan)（強電(dian)部分(fen)）三部分(fen)合理地分(fen)開，設(she)計(ji)印制板時，各元(yuan)(yuan)件(jian)之間的(de)(de)引線要盡量地短，地線和(he)電(dian)源(yuan)線應適當加粗，集成電(dian)路(lu)的(de)(de)電(dian)源(yuan)和(he)地之間要加一個去耦(ou)電(dian)容。

軟件設計(ji)上，采用了(le)指(zhi)令冗余、軟件陷阱和利用單片(pian)機內部的(de)WATCHDOC監視器(qi)實(shi)現軟件工作(zuo)自恢復(fu)等方法；為了(le)消除A/D傳感器(qi)通(tong)道的(de)干(gan)擾信(xin)號，利用CPU運(yun)算與(yu)控制功能(neng)實(shi)現數字濾波；并采用重復(fu)檢(jian)測法，實(shi)現對漏電的(de)準確(que)判斷。

6 結束語

本文介紹了新型分段計時控制的(de)(de)智能電熱水器控制器中的(de)(de)應用設計，該產品已(yi)批(pi)量生(sheng)產，取(qu)得了良(liang)好的(de)(de)經(jing)濟和(he)社會效益。隨(sui)著技術的(de)(de)發展(zhan)，具有自學(xue)習能力、網絡(luo)遠程控制能力的(de)(de)智能電熱水器也(ye)正在(zai)研制過程中。