【電(dian)熱水(shui)器(qi)控制器(qi)】分時(shi)控制電(dian)熱水(shui)器(qi)的嵌入式(shi)控制器(qi)設計 電熱水器控制(zhi)器原理

1 概述

隨(sui)著國家對家用(yong)(yong)(yong)電器節(jie)能(neng)和(he)安全認證工作的(de)開展，城市用(yong)(yong)(yong)電分時(shi)(shi)計(ji)費方式開始(shi)被(bei)推廣實施，即用(yong)(yong)(yong)電高(gao)(gao)峰在時(shi)(shi)收(shou)費高(gao)(gao)，用(yong)(yong)(yong)電低谷時(shi)(shi)收(shou)費低。目前采(cai)用(yong)(yong)(yong)機械溫包(bao)控(kong)(kong)制(zhi)方式熱(re)(re)(re)水(shui)器已(yi)少(shao)(shao)見，早期的(de)電熱(re)(re)(re)水(shui)器因控(kong)(kong)制(zhi)簡(jian)單(dan)(dan)、智(zhi)能(neng)化程(cheng)度(du)(du)低、保(bao)護(hu)功能(neng)少(shao)(shao)，已(yi)不適應現(xian)代生活的(de)需求。本文(wen)所談到(dao)的(de)控(kong)(kong)制(zhi)器采(cai)用(yong)(yong)(yong)高(gao)(gao)性(xing)(xing)價比單(dan)(dan)片(pian)機，運(yun)用(yong)(yong)(yong)軟(ruan)件控(kong)(kong)制(zhi)技術，融合智(zhi)能(neng)化控(kong)(kong)制(zhi)思想，增加(jia)了漏電檢測(ce)、干燒報警等多重保(bao)護(hu)功能(neng)，大大提高(gao)(gao)了電熱(re)(re)(re)水(shui)器的(de)智(zhi)能(neng)化、安全性(xing)(xing)，并采(cai)用(yong)(yong)(yong)LCD顯(xian)示(shi)溫度(du)(du)，使熱(re)(re)(re)水(shui)器具有良好的(de)人機界面，方便用(yong)(yong)(yong)戶操(cao)作，使該款電熱(re)(re)(re)水(shui)器顯(xian)得更加(jia)經濟(ji)實用(yong)(yong)(yong)。

2 系統功能設計

本款電(dian)(dian)熱水器(qi)智能控制(zhi)器(qi)，主(zhu)要具有以下獨(du)特功(gong)(gong)能：①帶柔和背光(guang)的液晶(jing)實時(shi)(shi)(shi)(shi)顯(xian)示溫度(du)(du)和實時(shi)(shi)(shi)(shi)時(shi)(shi)(shi)(shi)鐘；②具有漏電(dian)(dian)、干(gan)燒、過熱、傳感器(qi)失(shi)效等多重保護；③方(fang)便的按(an)鍵操(cao)作：系(xi)統開(kai)啟鍵；功(gong)(gong)率選擇鍵；定(ding)時(shi)(shi)(shi)(shi)狀態(tai)(tai)鍵；分段(duan)定(ding)時(shi)(shi)(shi)(shi)設定(ding)或時(shi)(shi)(shi)(shi)鐘校準狀態(tai)(tai)切換鍵；調整溫度(du)(du)、時(shi)(shi)(shi)(shi)鐘、定(ding)時(shi)(shi)(shi)(shi)開(kai)關機時(shi)(shi)(shi)(shi)間的數值設定(ding)鍵；④運行狀態(tai)(tai)指示；⑤故障(zhang)聲(sheng)光(guang)報警與指示。

3 系統硬件設計

該(gai)系統電(dian)路(lu)(lu)主要由電(dian)加熱管控制電(dian)路(lu)(lu)、漏電(dian)檢測電(dian)路(lu)(lu)、蜂鳴(ming)器驅動(dong)電(dian)路(lu)(lu)、溫度采樣電(dian)路(lu)(lu)、液晶和發(fa)光管顯(xian)示電(dian)路(lu)(lu)、按鍵電(dian)路(lu)(lu)、背光等組(zu)成。

MCU選用高(gao)性(xing)價比的TMP87P809N，該單(dan)片機豐富的資源（內含512字節(jie)的RAM、8K字節(jie)的ROM，10個(ge)中斷源，22個(ge)I/O口，兩個(ge)16位多功能(neng)定(ding)(ding)(ding)時器(qi)，一(yi)個(ge)基本(ben)定(ding)(ding)(ding)時器(qi)，一(yi)個(ge)Watchdog定(ding)(ding)(ding)時器(qi)，一(yi)個(ge)SCI口，6路8位A/D轉換器(qi)）及(ji)低價格(ge)，特別(bie)適合(he)智能(neng)家電的嵌入式控制。

3.1 溫度采樣電路

本系統采用(yong)一路溫(wen)(wen)度傳(chuan)感(gan)器實時采集熱(re)水器的(de)水溫(wen)(wen)用(yong)于MCU控制；由于單片機自帶A/D電路，由熱(re)敏電阻(zu)式溫(wen)(wen)度傳(chuan)感(gan)器和一高(gao)精度電阻(zu)分壓構成即可；為提高(gao)抗干擾能力，可在單片機口線上串接一個(ge)電阻(zu)，并接一個(ge)按地的(de)濾(lv)波電容。

3.2 漏電檢測

電(dian)熱水器的使用，安全性(xing)能(neng)是其考(kao)慮的首要因素。本系統設計了獨特的漏電(dian)檢測和保護(hu)電(dian)路(lu)。

電(dian)加熱(re)管的電(dian)源(yuan)穿過互(hu)感(gan)器(qi)(qi)L，繼電(dian)器(qi)(qi)J將電(dian)加熱(re)管的強電(dian)同外界隔離。

加(jia)電(dian)(dian)(dian)時，單(dan)(dan)片(pian)機(ji)的(de)(P1).1口，輸出一(yi)高電(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)，使J吸合，電(dian)(dian)(dian)加(jia)熱上得(de)到(dao)電(dian)(dian)(dian)源。沒有漏(lou)電(dian)(dian)(dian)發(fa)生時，流進(jin)電(dian)(dian)(dian)加(jia)熱器(qi)和流出電(dian)(dian)(dian)加(jia)熱器(qi)的(de)電(dian)(dian)(dian)流的(de)平(ping)(ping)衡，L上無感應電(dian)(dian)(dian)動熱，而一(yi)旦有漏(lou)電(dian)(dian)(dian)發(fa)生，進(jin)出電(dian)(dian)(dian)加(jia)熱器(qi)上的(de)導(dao)線中(zhong)的(de)電(dian)(dian)(dian)流不平(ping)(ping)衡，L上就有感應電(dian)(dian)(dian)動熱，經D1、D2、C1電(dian)(dian)(dian)路的(de)濾波整流得(de)到(dao)直流電(dian)(dian)(dian)壓V1送(song)比較(jiao)器(qi)，當V1大(da)于警戒電(dian)(dian)(dian)壓V2時，比較(jiao)器(qi)IC的(de)輸出就會(hui)翻轉，產生一(yi)下(xia)降沿(yan)，送(song)到(dao)單(dan)(dan)片(pian)機(ji)的(de)中(zhong)斷(duan)口INT，單(dan)(dan)片(pian)機(ji)立刻響應中(zhong)斷(duan)，使(P1).1口輸出一(yi)低電(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)，繼電(dian)(dian)(dian)器(qi)J斷(duan)開(kai)，迅(xun)速(su)切斷(duan)電(dian)(dian)(dian)加(jia)熱器(qi)的(de)供電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)源。

R5、R6、T2和(he)單(dan)(dan)片(pian)機(ji)的(P1).0口(kou)構成了漏(lou)(lou)(lou)電(dian)(dian)保(bao)護電(dian)(dian)路(lu)(lu)的時時監控系統。(P1).0口(kou)每隔一定時間（如(ru)5分(fen)鐘）輸出一高電(dian)(dian)平(ping)，使T2飽和(he)導通，L上立(li)刻感(gan)應(ying)出電(dian)(dian)壓V1，此時V1＞V2，比較器輸出翻轉，單(dan)(dan)片(pian)機(ji)應(ying)產生中斷(duan)。如(ru)單(dan)(dan)片(pian)機(ji)沒有及(ji)時產生中斷(duan)，說明(ming)漏(lou)(lou)(lou)電(dian)(dian)保(bao)護電(dian)(dian)路(lu)(lu)有故(gu)障，(P1).1口(kou)輸出低電(dian)(dian)平(ping)，使繼電(dian)(dian)器J釋放(fang)，切斷(duan)熱水器電(dian)(dian)源；液晶顯示故(gu)障，蜂鳴器報警。這就確保(bao)了漏(lou)(lou)(lou)電(dian)(dian)保(bao)護電(dian)(dian)路(lu)(lu)的實時可(ke)靠性(xing)。

3.3 液晶驅動電路

液(ye)晶(jing)顯(xian)示選用HT1621B，該芯片是一(yi)種智能(neng)(neng)型的液(ye)晶(jing)顯(xian)示驅動(dong)專用模塊，具(ju)有集成化程度高，體積小，功(gong)能(neng)(neng)強(qiang)，功(gong)耗(hao)低，所需外圍器件少等特點，以串行(xing)方式和單片機進行(xing)數據通(tong)信，能(neng)(neng)驅動(dong)32×4位(wei)LCD液(ye)晶(jing)屏。

CS是HT1621B的(de)片選腳，當它為低電平時，單片機和HT1621B之間的(de)數據通(tong)信被(bei)接通(tong)，否(fou)則被(bei)禁止。

WR是寫(xie)數據(ju)的(de)時鐘腳，在WR時鐘信號的(de)上升沿，HT1621B才接收來自DATE線的(de)命令或數據(ju)。

DATE是(shi)串行數據(ju)的輸入/輸出腳。

電阻(zu)R7的(de)作(zuo)用(yong)是調節液(ye)晶顯示屏的(de)亮度(du)，取值范圍一(yi)般為15KΩ±20%。

4 軟件設計

軟件(jian)設計采用功能獨(du)立(li)化(hua)、結構(gou)模塊化(hua)為軟件(jian)設計模式。

程(cheng)(cheng)序由(you)主程(cheng)(cheng)序、INT中斷程(cheng)(cheng)序和(he)定時(shi)(shi)(shi)中斷程(cheng)(cheng)序構成(cheng)。INT中斷程(cheng)(cheng)序用于漏(lou)電檢(jian)測和(he)漏(lou)電保護電路的監控；定時(shi)(shi)(shi)中斷程(cheng)(cheng)序用于產生(sheng)時(shi)(shi)(shi)鐘和(he)各(ge)種時(shi)(shi)(shi)間的計數(shu)；主程(cheng)(cheng)序由(you)初始化程(cheng)(cheng)序和(he)各(ge)個功(gong)能模塊程(cheng)(cheng)序組成(cheng)。

A/D采(cai)樣程(cheng)序完成對溫度的(de)數(shu)據(ju)采(cai)集，并根(gen)據(ju)溫度設定值，用以控制電加熱管(guan)(guan)的(de)開關(guan)。如(ru)采(cai)集到(dao)的(de)數(shu)據(ju)過(guo)高(gao)或過(guo)低，則認為包括(kuo)傳感器在內的(de)采(cai)樣電路(lu)有故(gu)障，關(guan)斷(duan)電加熱管(guan)(guan)，系統(tong)報警。

4.1 防干燒保護

由于熱(re)水器的長(chang)時(shi)間使用造成密封圈老化，或其它(ta)因素(su)造成熱(re)水器漏水，使熱(re)水器缺水。這時(shi)，如加上電源，會使加熱(re)管(guan)處在(zai)干燒(shao)狀態(tai)，如不(bu)及時(shi)關斷電源，電加熱(re)管(guan)會燒(shao)斷，甚至爆裂。

防干(gan)燒(shao)保護子程序就是實時監控加(jia)熱器的(de)溫升，如發現溫度升得過(guo)快(kuai)，則認為(wei)是干(gan)燒(shao)，立刻關(guan)斷加(jia)熱管(guan)，并報警。

單位時間取1分鐘，因干(gan)燒造成的后(hou)果(guo)嚴重，因此(ci)，判(pan)斷(duan)干(gan)燒的溫升應在1分鐘內判(pan)斷(duan)，而不(bu)要等到1分鐘計時結束才判(pan)斷(duan)。

4.2 分段定時

系(xi)統(tong)根據(ju)一天24小時(shi)(shi)的實時(shi)(shi)時(shi)(shi)鐘，將定(ding)時(shi)(shi)間分為0~6，6~12，12~18，18~24四個(ge)時(shi)(shi)間段(duan)(duan)，共12種方(fang)式，用(yong)戶可選擇一段(duan)(duan)或多段(duan)(duan)來(lai)定(ding)時(shi)(shi)加熱，亦可利用(yong)“∧”、“∨”鍵來(lai)修改四個(ge)時(shi)(shi)間段(duan)(duan)和上、下(xia)限(xian)(xian)，如需取消某一定(ding)時(shi)(shi)段(duan)(duan)，將該時(shi)(shi)間上、下(xia)限(xian)(xian)設置為相同即可。

分(fen)段定(ding)時設定(ding)好(hao)以后(hou)，按(an)定(ding)時鍵(jian)進入定(ding)時狀態，再次按(an)下(xia)定(ding)時鍵(jian)，則(ze)取消定(ding)時。

4.3 LCD顯示程序

HT1621B是多功能液晶驅動(dong)芯片(pian)。使用前，必須先初始(shi)化，然后才能向其(qi)輸送數據，驅動(dong)所需的液晶顯示。

5 抗干擾設計

電熱水(shui)器使用環境潮濕，電源污染對(dui)其產生的(de)干(gan)(gan)擾尤其嚴重，為保證控制系統的(de)可靠運行，采(cai)取了(le)以下抗干(gan)(gan)擾措施(shi)。

硬件設計上，注意元(yuan)件的(de)(de)布局，即要把(ba)模擬(ni)信號、數字電路、噪聲源（強(qiang)電部分(fen)）三部分(fen)合理地分(fen)開，設計印制(zhi)板時，各(ge)元(yuan)件之(zhi)間的(de)(de)引線(xian)要盡量地短(duan)，地線(xian)和電源線(xian)應適當加(jia)粗，集成電路的(de)(de)電源和地之(zhi)間要加(jia)一個去耦電容。

軟件(jian)設(she)計上，采用(yong)(yong)了指令冗余、軟件(jian)陷阱(jing)和利用(yong)(yong)單片機內(nei)部(bu)的WATCHDOC監視器(qi)實現軟件(jian)工作自恢復等方法；為了消除A/D傳感器(qi)通道的干(gan)擾信號，利用(yong)(yong)CPU運算(suan)與控制功能實現數字濾波；并采用(yong)(yong)重復檢(jian)測法，實現對(dui)漏(lou)電的準確判斷(duan)。

6 結束語

本文介紹(shao)了新型分段計(ji)時(shi)控制(zhi)的智(zhi)能(neng)電熱水器(qi)控制(zhi)器(qi)中的應用設計(ji)，該產(chan)品已批量生產(chan)，取得了良好(hao)的經濟和社會效益(yi)。隨著技術的發展(zhan)，具有自學習能(neng)力(li)、網絡(luo)遠程控制(zhi)能(neng)力(li)的智(zhi)能(neng)電熱水器(qi)也正在(zai)研制(zhi)過程中。