【電熱水(shui)器(qi)(qi)(qi)控(kong)制器(qi)(qi)(qi)】分時控(kong)制電熱水(shui)器(qi)(qi)(qi)的嵌(qian)入(ru)式(shi)控(kong)制器(qi)(qi)(qi)設計 電熱水器控制器原理

1 概述

隨(sui)著國家對家用(yong)電(dian)器(qi)節能和(he)安全認證工作的(de)開展，城(cheng)市用(yong)電(dian)分時計費方(fang)式開始被推廣實施，即用(yong)電(dian)高峰在時收(shou)費高，用(yong)電(dian)低谷時收(shou)費低。目前采用(yong)機(ji)械溫(wen)(wen)包控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)方(fang)式熱水(shui)器(qi)已(yi)少(shao)(shao)見(jian)，早期的(de)電(dian)熱水(shui)器(qi)因控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)簡單、智(zhi)(zhi)能化(hua)程度低、保(bao)護功能少(shao)(shao)，已(yi)不適(shi)應現代生活的(de)需求(qiu)。本文所(suo)談到的(de)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)采用(yong)高性(xing)價(jia)比(bi)單片機(ji)，運(yun)用(yong)軟件控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)技術，融合智(zhi)(zhi)能化(hua)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)思想(xiang)，增加了(le)漏電(dian)檢(jian)測(ce)、干燒報(bao)警等多重保(bao)護功能，大大提高了(le)電(dian)熱水(shui)器(qi)的(de)智(zhi)(zhi)能化(hua)、安全性(xing)，并采用(yong)LCD顯示溫(wen)(wen)度，使熱水(shui)器(qi)具有良好的(de)人(ren)機(ji)界面，方(fang)便用(yong)戶操作，使該款(kuan)電(dian)熱水(shui)器(qi)顯得更(geng)加經濟實用(yong)。

2 系統功能設計

本款電熱水器(qi)智能控制器(qi)，主(zhu)要(yao)具有(you)(you)以下獨(du)特功能：①帶柔和背光(guang)的液晶實(shi)時(shi)(shi)顯(xian)示溫度和實(shi)時(shi)(shi)時(shi)(shi)鐘；②具有(you)(you)漏電、干燒、過熱、傳感器(qi)失效等多重保(bao)護；③方便的按鍵(jian)(jian)操作：系統開(kai)啟鍵(jian)(jian)；功率選擇鍵(jian)(jian)；定(ding)時(shi)(shi)狀(zhuang)態鍵(jian)(jian)；分段定(ding)時(shi)(shi)設(she)定(ding)或時(shi)(shi)鐘校準狀(zhuang)態切換鍵(jian)(jian)；調(diao)整溫度、時(shi)(shi)鐘、定(ding)時(shi)(shi)開(kai)關(guan)機(ji)時(shi)(shi)間的數值設(she)定(ding)鍵(jian)(jian)；④運行狀(zhuang)態指示；⑤故障聲(sheng)光(guang)報警與指示。

3 系統硬件設計

該系統電路(lu)(lu)(lu)(lu)主要由電加(jia)熱管控制電路(lu)(lu)(lu)(lu)、漏電檢測電路(lu)(lu)(lu)(lu)、蜂鳴器驅動電路(lu)(lu)(lu)(lu)、溫度采樣電路(lu)(lu)(lu)(lu)、液晶和發光管顯示電路(lu)(lu)(lu)(lu)、按鍵電路(lu)(lu)(lu)(lu)、背光等組成。

MCU選用(yong)高性(xing)價(jia)比(bi)的(de)TMP87P809N，該(gai)單片機豐富(fu)的(de)資源（內含512字(zi)節的(de)RAM、8K字(zi)節的(de)ROM，10個(ge)中斷源，22個(ge)I/O口(kou)，兩個(ge)16位多功能定(ding)時器(qi)，一個(ge)基本定(ding)時器(qi)，一個(ge)Watchdog定(ding)時器(qi)，一個(ge)SCI口(kou)，6路8位A/D轉換器(qi)）及(ji)低價(jia)格，特別適合智能家電(dian)的(de)嵌(qian)入(ru)式控制。

3.1 溫度采樣電路

本系統采(cai)用一(yi)路(lu)溫(wen)度傳感器實(shi)時采(cai)集熱水器的水溫(wen)用于MCU控制；由(you)于單(dan)片(pian)機自帶A/D電路(lu)，由(you)熱敏電阻式溫(wen)度傳感器和一(yi)高精度電阻分壓(ya)構(gou)成即(ji)可；為提高抗(kang)干擾能力，可在(zai)單(dan)片(pian)機口線上串接一(yi)個電阻，并(bing)接一(yi)個按地的濾波(bo)電容。

3.2 漏電檢測

電熱水器的(de)使用(yong)，安全性能(neng)是其(qi)考慮(lv)的(de)首(shou)要因素(su)。本系(xi)統(tong)設計了獨特的(de)漏電檢(jian)測和保護電路(lu)。

電(dian)加熱管(guan)的(de)(de)電(dian)源穿過互(hu)感器(qi)L，繼電(dian)器(qi)J將電(dian)加熱管(guan)的(de)(de)強電(dian)同外界隔離。

加電(dian)(dian)(dian)時(shi)，單片(pian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(P1).1口，輸(shu)(shu)出(chu)(chu)一高電(dian)(dian)(dian)平(ping)，使J吸合，電(dian)(dian)(dian)加熱上得(de)到(dao)電(dian)(dian)(dian)源。沒有(you)漏電(dian)(dian)(dian)發(fa)生時(shi)，流(liu)進電(dian)(dian)(dian)加熱器(qi)和流(liu)出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)加熱器(qi)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)(de)(de)平(ping)衡，L上無感應(ying)電(dian)(dian)(dian)動熱，而一旦(dan)有(you)漏電(dian)(dian)(dian)發(fa)生，進出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)加熱器(qi)上的(de)(de)(de)(de)導(dao)線中(zhong)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)不平(ping)衡，L上就有(you)感應(ying)電(dian)(dian)(dian)動熱，經D1、D2、C1電(dian)(dian)(dian)路的(de)(de)(de)(de)濾波整流(liu)得(de)到(dao)直流(liu)電(dian)(dian)(dian)壓V1送比(bi)較(jiao)器(qi)，當V1大于警戒電(dian)(dian)(dian)壓V2時(shi)，比(bi)較(jiao)器(qi)IC的(de)(de)(de)(de)輸(shu)(shu)出(chu)(chu)就會翻轉，產(chan)生一下降沿，送到(dao)單片(pian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)中(zhong)斷(duan)口INT，單片(pian)機(ji)(ji)立刻響應(ying)中(zhong)斷(duan)，使(P1).1口輸(shu)(shu)出(chu)(chu)一低電(dian)(dian)(dian)平(ping)，繼電(dian)(dian)(dian)器(qi)J斷(duan)開(kai)，迅速切斷(duan)電(dian)(dian)(dian)加熱器(qi)的(de)(de)(de)(de)供電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)源。

R5、R6、T2和單(dan)片機(ji)的(P1).0口(kou)構(gou)成了漏(lou)(lou)電保護電路的時(shi)時(shi)監控系統。(P1).0口(kou)每隔一定(ding)時(shi)間（如5分(fen)鐘(zhong)）輸出(chu)(chu)一高電平，使(shi)T2飽和導通，L上立刻感應出(chu)(chu)電壓(ya)V1，此時(shi)V1＞V2，比較器輸出(chu)(chu)翻(fan)轉，單(dan)片機(ji)應產生中斷(duan)。如單(dan)片機(ji)沒有(you)(you)及時(shi)產生中斷(duan)，說明漏(lou)(lou)電保護電路有(you)(you)故障，(P1).1口(kou)輸出(chu)(chu)低電平，使(shi)繼電器J釋放，切斷(duan)熱水器電源(yuan)；液(ye)晶顯示故障，蜂鳴器報警(jing)。這就確保了漏(lou)(lou)電保護電路的實時(shi)可(ke)靠性(xing)。

3.3 液晶驅動電路

液晶(jing)顯示選用HT1621B，該芯(xin)片(pian)是一種智(zhi)能型的液晶(jing)顯示驅動專用模塊(kuai)，具有集成化程度高，體積小，功(gong)能強，功(gong)耗低，所(suo)需(xu)外圍器件少等(deng)特點，以串行方式和單(dan)片(pian)機(ji)進行數據(ju)通(tong)信，能驅動32×4位LCD液晶(jing)屏。

CS是HT1621B的(de)片選(xuan)腳(jiao)，當它為低電(dian)平時，單片機和HT1621B之(zhi)間(jian)的(de)數據通信被接(jie)通，否則被禁止。

WR是寫數(shu)據的時鐘腳，在WR時鐘信號的上升(sheng)沿，HT1621B才接(jie)收來自DATE線的命令或數(shu)據。

DATE是串行數(shu)據的(de)輸(shu)(shu)入(ru)/輸(shu)(shu)出腳。

電阻R7的作用是調節液晶(jing)顯示屏的亮度(du)，取值(zhi)范圍一般為15KΩ±20%。

4 軟件設計

軟(ruan)(ruan)件(jian)設(she)計(ji)采用功(gong)能(neng)獨立化(hua)、結構(gou)模(mo)塊化(hua)為軟(ruan)(ruan)件(jian)設(she)計(ji)模(mo)式。

程(cheng)序(xu)(xu)(xu)(xu)(xu)由(you)主程(cheng)序(xu)(xu)(xu)(xu)(xu)、INT中(zhong)(zhong)斷程(cheng)序(xu)(xu)(xu)(xu)(xu)和定(ding)時(shi)(shi)(shi)中(zhong)(zhong)斷程(cheng)序(xu)(xu)(xu)(xu)(xu)構成(cheng)。INT中(zhong)(zhong)斷程(cheng)序(xu)(xu)(xu)(xu)(xu)用于(yu)漏電檢測和漏電保(bao)護(hu)電路的監控；定(ding)時(shi)(shi)(shi)中(zhong)(zhong)斷程(cheng)序(xu)(xu)(xu)(xu)(xu)用于(yu)產生時(shi)(shi)(shi)鐘和各種時(shi)(shi)(shi)間的計數；主程(cheng)序(xu)(xu)(xu)(xu)(xu)由(you)初始化程(cheng)序(xu)(xu)(xu)(xu)(xu)和各個(ge)功能模(mo)塊程(cheng)序(xu)(xu)(xu)(xu)(xu)組(zu)成(cheng)。

A/D采(cai)樣程序完成對溫(wen)度的(de)數(shu)據(ju)(ju)采(cai)集，并根據(ju)(ju)溫(wen)度設定值，用以(yi)控制電(dian)加(jia)熱管的(de)開關。如采(cai)集到的(de)數(shu)據(ju)(ju)過(guo)高或(huo)過(guo)低，則(ze)認為包括(kuo)傳感器在內的(de)采(cai)樣電(dian)路有故障，關斷電(dian)加(jia)熱管，系(xi)統報(bao)警。

4.1 防干燒保護

由(you)于(yu)熱水器(qi)的長時(shi)間使用造(zao)成密封圈老(lao)化(hua)，或其它因素造(zao)成熱水器(qi)漏水，使熱水器(qi)缺水。這時(shi)，如(ru)加(jia)上電源(yuan)，會使加(jia)熱管處在干燒狀態，如(ru)不及(ji)時(shi)關斷(duan)電源(yuan)，電加(jia)熱管會燒斷(duan)，甚至爆裂。

防(fang)干(gan)燒保護子程(cheng)序(xu)就是(shi)實時監控加(jia)熱器的溫(wen)升，如(ru)發(fa)現溫(wen)度升得過(guo)快，則認為(wei)是(shi)干(gan)燒，立刻(ke)關斷(duan)加(jia)熱管，并報(bao)警。

單位時間取1分(fen)鐘(zhong)，因干(gan)燒造成(cheng)的后果嚴重(zhong)，因此，判斷(duan)干(gan)燒的溫升應在1分(fen)鐘(zhong)內(nei)判斷(duan)，而不要等到1分(fen)鐘(zhong)計時結束(shu)才(cai)判斷(duan)。

4.2 分段定時

系(xi)統根據一(yi)(yi)天(tian)24小時(shi)的實時(shi)時(shi)鐘，將(jiang)定時(shi)間分為(wei)0~6，6~12，12~18，18~24四個(ge)時(shi)間段(duan)，共(gong)12種方式(shi)，用戶可選擇一(yi)(yi)段(duan)或多段(duan)來定時(shi)加熱，亦(yi)可利用“∧”、“∨”鍵(jian)來修改(gai)四個(ge)時(shi)間段(duan)和(he)上(shang)、下限，如需取消某一(yi)(yi)定時(shi)段(duan)，將(jiang)該(gai)時(shi)間上(shang)、下限設置為(wei)相同即可。

分段定(ding)時(shi)設定(ding)好以后(hou)，按定(ding)時(shi)鍵(jian)(jian)進入定(ding)時(shi)狀態(tai)，再(zai)次按下定(ding)時(shi)鍵(jian)(jian)，則取消定(ding)時(shi)。

4.3 LCD顯示程序

HT1621B是多功能(neng)液(ye)晶(jing)驅(qu)動芯片(pian)。使用前，必須先(xian)初始化，然(ran)后才能(neng)向其輸送數據(ju)，驅(qu)動所需的(de)液(ye)晶(jing)顯示。

5 抗干擾設計

電熱水器使用(yong)環境潮濕(shi)，電源(yuan)污染對其(qi)產生的干擾(rao)(rao)尤其(qi)嚴重(zhong)，為保(bao)證控(kong)制系統的可靠運(yun)行，采(cai)取(qu)了(le)以下抗干擾(rao)(rao)措(cuo)施。

硬件設(she)計上，注(zhu)意元件的布局，即要把模(mo)擬信號、數(shu)字電(dian)路、噪聲源（強電(dian)部分(fen)）三部分(fen)合理(li)地(di)(di)(di)分(fen)開，設(she)計印制板時，各元件之(zhi)間的引(yin)線(xian)要盡量地(di)(di)(di)短，地(di)(di)(di)線(xian)和(he)電(dian)源線(xian)應適當(dang)加粗，集成電(dian)路的電(dian)源和(he)地(di)(di)(di)之(zhi)間要加一(yi)個去耦(ou)電(dian)容。

軟(ruan)件(jian)設計(ji)上，采用了指令冗余、軟(ruan)件(jian)陷阱和利用單片(pian)機內部(bu)的(de)WATCHDOC監視器(qi)(qi)實現(xian)軟(ruan)件(jian)工(gong)作(zuo)自恢復等方法；為(wei)了消除A/D傳(chuan)感器(qi)(qi)通道的(de)干(gan)擾信號，利用CPU運算與控(kong)制(zhi)功能(neng)實現(xian)數字濾波；并采用重(zhong)復檢測法，實現(xian)對(dui)漏(lou)電的(de)準確判(pan)斷。

6 結束語

本文介紹(shao)了(le)新(xin)型分(fen)段計時(shi)控(kong)制(zhi)的(de)智(zhi)能電熱(re)水器控(kong)制(zhi)器中(zhong)的(de)應用設計，該(gai)產(chan)品已批(pi)量生(sheng)產(chan)，取得了(le)良好(hao)的(de)經濟和(he)社會效益(yi)。隨著技(ji)術的(de)發展(zhan)，具有自學習能力(li)、網絡遠程控(kong)制(zhi)能力(li)的(de)智(zhi)能電熱(re)水器也(ye)正在研制(zhi)過程中(zhong)。