【電熱(re)水(shui)器(qi)控(kong)制(zhi)器(qi)】分時控(kong)制(zhi)電熱(re)水(shui)器(qi)的嵌入式控(kong)制(zhi)器(qi)設計(ji) 電熱水器控制器原(yuan)理(li)

1 概述

隨(sui)著(zhu)國(guo)家(jia)對家(jia)用(yong)(yong)電(dian)(dian)器(qi)節能(neng)(neng)(neng)(neng)和安全認證工作的(de)開(kai)展，城市(shi)用(yong)(yong)電(dian)(dian)分時(shi)(shi)計費方式(shi)開(kai)始被推廣(guang)實(shi)施(shi)，即(ji)用(yong)(yong)電(dian)(dian)高(gao)(gao)峰在時(shi)(shi)收費高(gao)(gao)，用(yong)(yong)電(dian)(dian)低(di)谷時(shi)(shi)收費低(di)。目(mu)前采用(yong)(yong)機械溫(wen)包控制(zhi)方式(shi)熱水器(qi)已(yi)少見(jian)，早期的(de)電(dian)(dian)熱水器(qi)因控制(zhi)簡單、智能(neng)(neng)(neng)(neng)化(hua)程度低(di)、保護功能(neng)(neng)(neng)(neng)少，已(yi)不適應現(xian)代生(sheng)活的(de)需求。本文所談到的(de)控制(zhi)器(qi)采用(yong)(yong)高(gao)(gao)性價比單片機，運用(yong)(yong)軟件控制(zhi)技術，融(rong)合智能(neng)(neng)(neng)(neng)化(hua)控制(zhi)思(si)想，增(zeng)加了漏(lou)電(dian)(dian)檢測(ce)、干燒報警等多重保護功能(neng)(neng)(neng)(neng)，大大提高(gao)(gao)了電(dian)(dian)熱水器(qi)的(de)智能(neng)(neng)(neng)(neng)化(hua)、安全性，并采用(yong)(yong)LCD顯示溫(wen)度，使熱水器(qi)具有(you)良好(hao)的(de)人機界面，方便用(yong)(yong)戶操作，使該(gai)款(kuan)電(dian)(dian)熱水器(qi)顯得更(geng)加經濟實(shi)用(yong)(yong)。

2 系統功能設計

本款電熱水器(qi)智能控制器(qi)，主要具有(you)以下獨特(te)功(gong)能：①帶柔和背光(guang)(guang)的液晶(jing)實時(shi)顯(xian)示(shi)溫度(du)和實時(shi)時(shi)鐘(zhong)(zhong)；②具有(you)漏電、干燒(shao)、過熱、傳感(gan)器(qi)失效等多重保護；③方便的按鍵(jian)操作(zuo)：系統(tong)開(kai)啟鍵(jian)；功(gong)率(lv)選擇(ze)鍵(jian)；定(ding)時(shi)狀態鍵(jian)；分段(duan)定(ding)時(shi)設定(ding)或時(shi)鐘(zhong)(zhong)校準狀態切換鍵(jian)；調整溫度(du)、時(shi)鐘(zhong)(zhong)、定(ding)時(shi)開(kai)關機時(shi)間(jian)的數值設定(ding)鍵(jian)；④運行狀態指示(shi)；⑤故障聲(sheng)光(guang)(guang)報警與指示(shi)。

3 系統硬件設計

該系統電(dian)(dian)(dian)路(lu)主要由電(dian)(dian)(dian)加熱管控制電(dian)(dian)(dian)路(lu)、漏電(dian)(dian)(dian)檢(jian)測電(dian)(dian)(dian)路(lu)、蜂鳴(ming)器驅動電(dian)(dian)(dian)路(lu)、溫度(du)采樣電(dian)(dian)(dian)路(lu)、液晶和(he)發(fa)光管顯示電(dian)(dian)(dian)路(lu)、按鍵電(dian)(dian)(dian)路(lu)、背光等組成。

MCU選用高性價比(bi)的(de)(de)(de)TMP87P809N，該單片機豐富的(de)(de)(de)資(zi)源(yuan)(yuan)（內含512字(zi)節的(de)(de)(de)RAM、8K字(zi)節的(de)(de)(de)ROM，10個(ge)(ge)中斷(duan)源(yuan)(yuan)，22個(ge)(ge)I/O口，兩個(ge)(ge)16位(wei)多功能(neng)(neng)定(ding)時(shi)器(qi)，一(yi)(yi)個(ge)(ge)基(ji)本定(ding)時(shi)器(qi)，一(yi)(yi)個(ge)(ge)Watchdog定(ding)時(shi)器(qi)，一(yi)(yi)個(ge)(ge)SCI口，6路8位(wei)A/D轉換器(qi)）及低(di)價格，特(te)別適合(he)智能(neng)(neng)家(jia)電的(de)(de)(de)嵌(qian)入(ru)式控制。

3.1 溫度采樣電路

本(ben)系統(tong)采用一(yi)(yi)路溫(wen)度傳感(gan)器(qi)實時采集熱(re)水器(qi)的水溫(wen)用于MCU控(kong)制；由于單(dan)片(pian)機(ji)自帶(dai)A/D電(dian)路，由熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)式溫(wen)度傳感(gan)器(qi)和一(yi)(yi)高精度電(dian)阻(zu)分(fen)壓(ya)構成即可(ke)；為提(ti)高抗干擾(rao)能力，可(ke)在單(dan)片(pian)機(ji)口線上串接(jie)一(yi)(yi)個電(dian)阻(zu)，并接(jie)一(yi)(yi)個按地(di)的濾波電(dian)容。

3.2 漏電檢測

電熱水器的(de)使用，安(an)全性能是其考慮的(de)首要因素。本(ben)系統設計了獨特的(de)漏電檢測和(he)保護電路。

電加(jia)熱管的電源穿過(guo)互感器(qi)L，繼(ji)電器(qi)J將(jiang)電加(jia)熱管的強電同外(wai)界隔離。

加(jia)電(dian)(dian)(dian)(dian)時(shi)，單(dan)片(pian)機(ji)(ji)的(de)(P1).1口，輸出一(yi)(yi)(yi)高電(dian)(dian)(dian)(dian)平(ping)，使(shi)J吸合，電(dian)(dian)(dian)(dian)加(jia)熱(re)(re)(re)上(shang)(shang)(shang)得到(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)源。沒有漏電(dian)(dian)(dian)(dian)發生時(shi)，流(liu)(liu)(liu)進電(dian)(dian)(dian)(dian)加(jia)熱(re)(re)(re)器和流(liu)(liu)(liu)出電(dian)(dian)(dian)(dian)加(jia)熱(re)(re)(re)器的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)的(de)平(ping)衡，L上(shang)(shang)(shang)無感應(ying)電(dian)(dian)(dian)(dian)動熱(re)(re)(re)，而(er)一(yi)(yi)(yi)旦有漏電(dian)(dian)(dian)(dian)發生，進出電(dian)(dian)(dian)(dian)加(jia)熱(re)(re)(re)器上(shang)(shang)(shang)的(de)導線中(zhong)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)不平(ping)衡，L上(shang)(shang)(shang)就有感應(ying)電(dian)(dian)(dian)(dian)動熱(re)(re)(re)，經D1、D2、C1電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)的(de)濾波整(zheng)流(liu)(liu)(liu)得到(dao)(dao)直流(liu)(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓V1送比較(jiao)器，當(dang)V1大于警戒電(dian)(dian)(dian)(dian)壓V2時(shi)，比較(jiao)器IC的(de)輸出就會翻轉(zhuan)，產生一(yi)(yi)(yi)下降沿，送到(dao)(dao)單(dan)片(pian)機(ji)(ji)的(de)中(zhong)斷(duan)口INT，單(dan)片(pian)機(ji)(ji)立刻響應(ying)中(zhong)斷(duan)，使(shi)(P1).1口輸出一(yi)(yi)(yi)低電(dian)(dian)(dian)(dian)平(ping)，繼(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)器J斷(duan)開，迅速切斷(duan)電(dian)(dian)(dian)(dian)加(jia)熱(re)(re)(re)器的(de)供電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)源。

R5、R6、T2和(he)單片(pian)機(ji)的(P1).0口構成了漏(lou)電(dian)(dian)(dian)保(bao)護電(dian)(dian)(dian)路(lu)的時(shi)時(shi)監控(kong)系統。(P1).0口每隔一(yi)定時(shi)間（如(ru)(ru)5分鐘）輸(shu)出一(yi)高電(dian)(dian)(dian)平，使T2飽和(he)導通，L上立刻感應出電(dian)(dian)(dian)壓V1，此(ci)時(shi)V1＞V2，比(bi)較器(qi)輸(shu)出翻轉(zhuan)，單片(pian)機(ji)應產(chan)生(sheng)(sheng)中(zhong)斷。如(ru)(ru)單片(pian)機(ji)沒有(you)及時(shi)產(chan)生(sheng)(sheng)中(zhong)斷，說明漏(lou)電(dian)(dian)(dian)保(bao)護電(dian)(dian)(dian)路(lu)有(you)故障，(P1).1口輸(shu)出低電(dian)(dian)(dian)平，使繼電(dian)(dian)(dian)器(qi)J釋放，切斷熱水器(qi)電(dian)(dian)(dian)源；液晶顯示故障，蜂鳴(ming)器(qi)報警。這(zhe)就確保(bao)了漏(lou)電(dian)(dian)(dian)保(bao)護電(dian)(dian)(dian)路(lu)的實時(shi)可(ke)靠(kao)性。

3.3 液晶驅動電路

液晶(jing)顯(xian)(xian)示(shi)選用(yong)HT1621B，該芯片(pian)是一種(zhong)智能型的液晶(jing)顯(xian)(xian)示(shi)驅(qu)動(dong)專用(yong)模塊，具有(you)集成化程度高(gao)，體積小，功(gong)能強(qiang)，功(gong)耗低，所需外圍(wei)器件(jian)少(shao)等特點，以(yi)串行方式(shi)和(he)單片(pian)機進行數據通信，能驅(qu)動(dong)32×4位LCD液晶(jing)屏。

CS是HT1621B的片選腳，當它為(wei)低電(dian)平時，單片機和HT1621B之間(jian)的數據通(tong)信被(bei)接通(tong)，否則被(bei)禁止。

WR是(shi)寫數(shu)據的時鐘腳，在WR時鐘信號(hao)的上(shang)升(sheng)沿，HT1621B才接收來自DATE線的命(ming)令或數(shu)據。

DATE是串(chuan)行(xing)數(shu)據(ju)的輸入/輸出腳。

電(dian)阻R7的作用是(shi)調(diao)節液晶顯示(shi)屏的亮度(du)，取值范圍一般為15KΩ±20%。

4 軟件設計

軟(ruan)件設計采用(yong)功能獨立化、結構模塊化為軟(ruan)件設計模式(shi)。

程(cheng)序(xu)由(you)主程(cheng)序(xu)、INT中(zhong)(zhong)斷(duan)程(cheng)序(xu)和定時(shi)(shi)中(zhong)(zhong)斷(duan)程(cheng)序(xu)構成。INT中(zhong)(zhong)斷(duan)程(cheng)序(xu)用于漏電檢測(ce)和漏電保護電路的(de)監控；定時(shi)(shi)中(zhong)(zhong)斷(duan)程(cheng)序(xu)用于產(chan)生時(shi)(shi)鐘(zhong)和各種時(shi)(shi)間的(de)計(ji)數(shu)；主程(cheng)序(xu)由(you)初(chu)始(shi)化程(cheng)序(xu)和各個(ge)功能模塊程(cheng)序(xu)組成。

A/D采(cai)(cai)樣程序完(wan)成對溫度(du)的數據(ju)采(cai)(cai)集，并根據(ju)溫度(du)設定值，用以控制電(dian)加(jia)熱管(guan)的開關(guan)。如采(cai)(cai)集到的數據(ju)過(guo)高或過(guo)低，則認(ren)為(wei)包括傳感(gan)器(qi)在內的采(cai)(cai)樣電(dian)路有故(gu)障，關(guan)斷(duan)電(dian)加(jia)熱管(guan)，系統報警。

4.1 防干燒保護

由(you)于熱水(shui)(shui)器的(de)長時間使用造成密封圈老化，或其它因素造成熱水(shui)(shui)器漏水(shui)(shui)，使熱水(shui)(shui)器缺水(shui)(shui)。這(zhe)時，如加上電源(yuan)，會使加熱管(guan)(guan)處在干燒狀態，如不及(ji)時關斷電源(yuan)，電加熱管(guan)(guan)會燒斷，甚(shen)至爆裂。

防干燒(shao)保護子程(cheng)序(xu)就是(shi)實時監控加熱器的(de)溫升，如發現溫度(du)升得(de)過(guo)快，則認為是(shi)干燒(shao)，立刻關斷加熱管，并報警(jing)。

單位(wei)時(shi)間取1分(fen)鐘(zhong)，因(yin)干(gan)燒造(zao)成(cheng)的后果嚴重(zhong)，因(yin)此(ci)，判斷(duan)干(gan)燒的溫(wen)升應在1分(fen)鐘(zhong)內判斷(duan)，而不要等(deng)到1分(fen)鐘(zhong)計時(shi)結束才判斷(duan)。

4.2 分段定時

系統根據一天24小(xiao)時(shi)(shi)的實時(shi)(shi)時(shi)(shi)鐘，將定時(shi)(shi)間分為0~6，6~12，12~18，18~24四(si)個時(shi)(shi)間段(duan)，共12種方(fang)式，用戶可(ke)選擇一段(duan)或多(duo)段(duan)來定時(shi)(shi)加(jia)熱，亦可(ke)利用“∧”、“∨”鍵(jian)來修改四(si)個時(shi)(shi)間段(duan)和(he)上(shang)(shang)、下限，如需取(qu)消某一定時(shi)(shi)段(duan)，將該(gai)時(shi)(shi)間上(shang)(shang)、下限設置為相(xiang)同(tong)即(ji)可(ke)。

分段定時(shi)設定好以后，按(an)定時(shi)鍵進入定時(shi)狀態，再次按(an)下定時(shi)鍵，則取(qu)消定時(shi)。

4.3 LCD顯示程序

HT1621B是多功能液晶驅動芯片。使(shi)用(yong)前，必須(xu)先初始化(hua)，然后才能向(xiang)其(qi)輸(shu)送數據(ju)，驅動所需的液晶顯示。

5 抗干擾設計

電(dian)熱(re)水器使用環境潮濕(shi)，電(dian)源污染對其產生的干擾尤其嚴重，為保(bao)證(zheng)控制(zhi)系統的可(ke)靠運行，采取了以下抗干擾措施。

硬件設計(ji)上，注意元(yuan)件的布局，即要把(ba)模擬信號、數字電(dian)路(lu)、噪聲源(yuan)（強(qiang)電(dian)部(bu)分(fen)(fen)）三(san)部(bu)分(fen)(fen)合理地(di)分(fen)(fen)開(kai)，設計(ji)印制板時，各元(yuan)件之間的引線(xian)要盡量(liang)地(di)短，地(di)線(xian)和(he)電(dian)源(yuan)線(xian)應適當加粗，集成電(dian)路(lu)的電(dian)源(yuan)和(he)地(di)之間要加一個去耦電(dian)容。

軟件(jian)設計上，采(cai)用了(le)指令冗余、軟件(jian)陷(xian)阱和利(li)用單片機內部的(de)WATCHDOC監視器(qi)實(shi)現(xian)軟件(jian)工作自恢復(fu)等方(fang)法；為了(le)消除A/D傳(chuan)感器(qi)通道的(de)干擾(rao)信號，利(li)用CPU運(yun)算(suan)與(yu)控制功能實(shi)現(xian)數(shu)字(zi)濾波；并采(cai)用重復(fu)檢測(ce)法，實(shi)現(xian)對漏電的(de)準確判斷(duan)。

6 結束語

本文介紹(shao)了新型分段計時(shi)控制(zhi)(zhi)的(de)智能(neng)電熱水器(qi)控制(zhi)(zhi)器(qi)中的(de)應用設計，該產品(pin)已(yi)批量生產，取得了良好的(de)經濟和社會效益。隨著技(ji)術的(de)發展，具有(you)自學習能(neng)力(li)、網絡(luo)遠程(cheng)(cheng)控制(zhi)(zhi)能(neng)力(li)的(de)智能(neng)電熱水器(qi)也正在研(yan)制(zhi)(zhi)過(guo)程(cheng)(cheng)中。