【電熱(re)水器(qi)控制器(qi)】分時控制電熱(re)水器(qi)的(de)嵌入式控制器(qi)設計(ji) 電熱水器(qi)控(kong)制(zhi)器(qi)原理(li)

1 概述

隨著國家(jia)對家(jia)用(yong)電器(qi)節能和安全(quan)認證工(gong)作的開展(zhan)，城市用(yong)電分時(shi)計費方式(shi)(shi)開始被推廣實施，即用(yong)電高(gao)峰(feng)在時(shi)收費高(gao)，用(yong)電低谷時(shi)收費低。目前(qian)采(cai)用(yong)機(ji)械溫包(bao)控制(zhi)(zhi)方式(shi)(shi)熱水(shui)器(qi)已少見(jian)，早期的電熱水(shui)器(qi)因控制(zhi)(zhi)簡(jian)單(dan)、智能化程度低、保護功(gong)能少，已不(bu)適應現代生活的需求。本(ben)文所談(tan)到的控制(zhi)(zhi)器(qi)采(cai)用(yong)高(gao)性(xing)價(jia)比單(dan)片機(ji)，運(yun)用(yong)軟件控制(zhi)(zhi)技術，融合智能化控制(zhi)(zhi)思想，增加了(le)漏電檢測、干燒報警等多重保護功(gong)能，大大提高(gao)了(le)電熱水(shui)器(qi)的智能化、安全(quan)性(xing)，并采(cai)用(yong)LCD顯(xian)示溫度，使熱水(shui)器(qi)具有良(liang)好的人機(ji)界面，方便用(yong)戶(hu)操作，使該款電熱水(shui)器(qi)顯(xian)得更加經濟實用(yong)。

2 系統功能設計

本(ben)款電熱水(shui)器智能(neng)(neng)控制器，主要具有(you)以下(xia)獨特功能(neng)(neng)：①帶柔和(he)(he)背光(guang)(guang)的液晶(jing)實(shi)時(shi)(shi)顯示(shi)溫度和(he)(he)實(shi)時(shi)(shi)時(shi)(shi)鐘；②具有(you)漏電、干燒(shao)、過熱、傳感器失效等多重保護；③方便(bian)的按鍵操作：系(xi)統開(kai)啟鍵；功率選擇鍵；定(ding)時(shi)(shi)狀態(tai)鍵；分(fen)段定(ding)時(shi)(shi)設(she)定(ding)或時(shi)(shi)鐘校(xiao)準狀態(tai)切換鍵；調整(zheng)溫度、時(shi)(shi)鐘、定(ding)時(shi)(shi)開(kai)關機(ji)時(shi)(shi)間(jian)的數(shu)值設(she)定(ding)鍵；④運行狀態(tai)指(zhi)示(shi)；⑤故障聲光(guang)(guang)報警與指(zhi)示(shi)。

3 系統硬件設計

該系統(tong)電(dian)路(lu)主要由電(dian)加(jia)熱管控制電(dian)路(lu)、漏電(dian)檢測電(dian)路(lu)、蜂鳴器驅動電(dian)路(lu)、溫度采樣電(dian)路(lu)、液晶和發光(guang)管顯示電(dian)路(lu)、按鍵電(dian)路(lu)、背光(guang)等組成(cheng)。

MCU選用高(gao)性價比的(de)(de)TMP87P809N，該單片機(ji)豐富的(de)(de)資源（內含512字節的(de)(de)RAM、8K字節的(de)(de)ROM，10個(ge)(ge)(ge)中斷源，22個(ge)(ge)(ge)I/O口，兩(liang)個(ge)(ge)(ge)16位多功能(neng)定(ding)時器(qi)，一(yi)個(ge)(ge)(ge)基本定(ding)時器(qi)，一(yi)個(ge)(ge)(ge)Watchdog定(ding)時器(qi)，一(yi)個(ge)(ge)(ge)SCI口，6路(lu)8位A/D轉(zhuan)換器(qi)）及(ji)低價格(ge)，特別適合智能(neng)家電(dian)的(de)(de)嵌入式控制(zhi)。

3.1 溫度采樣電路

本系統采(cai)用一(yi)路溫度(du)傳(chuan)感(gan)器實時采(cai)集(ji)熱(re)水(shui)器的(de)水(shui)溫用于MCU控制；由(you)于單片(pian)機自帶A/D電(dian)(dian)路，由(you)熱(re)敏電(dian)(dian)阻式溫度(du)傳(chuan)感(gan)器和一(yi)高精度(du)電(dian)(dian)阻分壓構成(cheng)即可；為(wei)提高抗(kang)干擾(rao)能力(li)，可在(zai)單片(pian)機口線上串接(jie)一(yi)個電(dian)(dian)阻，并接(jie)一(yi)個按(an)地的(de)濾(lv)波電(dian)(dian)容。

3.2 漏電檢測

電熱水器的(de)使用，安全性能是(shi)其考慮的(de)首要因素。本(ben)系統(tong)設(she)計了獨特的(de)漏電檢測和保護電路(lu)。

電(dian)加熱管的電(dian)源穿過互感(gan)器L，繼電(dian)器J將電(dian)加熱管的強電(dian)同(tong)外界隔離。

加(jia)(jia)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)時(shi)，單片(pian)機(ji)的(de)(de)(P1).1口(kou)，輸出一(yi)高電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)，使J吸(xi)合，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)加(jia)(jia)熱(re)(re)(re)上(shang)(shang)得到(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源。沒(mei)有漏(lou)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)發生時(shi)，流(liu)(liu)(liu)進電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)加(jia)(jia)熱(re)(re)(re)器(qi)和(he)流(liu)(liu)(liu)出電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)加(jia)(jia)熱(re)(re)(re)器(qi)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)的(de)(de)平(ping)(ping)衡，L上(shang)(shang)無(wu)感應電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)熱(re)(re)(re)，而一(yi)旦有漏(lou)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)發生，進出電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)加(jia)(jia)熱(re)(re)(re)器(qi)上(shang)(shang)的(de)(de)導線中(zhong)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)不(bu)平(ping)(ping)衡，L上(shang)(shang)就有感應電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)熱(re)(re)(re)，經D1、D2、C1電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路的(de)(de)濾波整(zheng)流(liu)(liu)(liu)得到(dao)直流(liu)(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)V1送(song)(song)比(bi)較器(qi)，當V1大于警戒電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)V2時(shi)，比(bi)較器(qi)IC的(de)(de)輸出就會翻(fan)轉，產生一(yi)下降沿(yan)，送(song)(song)到(dao)單片(pian)機(ji)的(de)(de)中(zhong)斷(duan)口(kou)INT，單片(pian)機(ji)立刻響應中(zhong)斷(duan)，使(P1).1口(kou)輸出一(yi)低電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)，繼電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)J斷(duan)開，迅速切斷(duan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)加(jia)(jia)熱(re)(re)(re)器(qi)的(de)(de)供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源。

R5、R6、T2和單(dan)片機(ji)的(P1).0口(kou)(kou)構成了漏(lou)(lou)電(dian)(dian)(dian)保(bao)護電(dian)(dian)(dian)路(lu)的時(shi)時(shi)監(jian)控系統。(P1).0口(kou)(kou)每(mei)隔一(yi)定(ding)時(shi)間（如(ru)5分鐘）輸(shu)出一(yi)高電(dian)(dian)(dian)平，使(shi)T2飽(bao)和導通，L上立刻感應出電(dian)(dian)(dian)壓V1，此時(shi)V1＞V2，比較器(qi)(qi)輸(shu)出翻轉，單(dan)片機(ji)應產(chan)生中斷。如(ru)單(dan)片機(ji)沒有及時(shi)產(chan)生中斷，說明漏(lou)(lou)電(dian)(dian)(dian)保(bao)護電(dian)(dian)(dian)路(lu)有故障，(P1).1口(kou)(kou)輸(shu)出低(di)電(dian)(dian)(dian)平，使(shi)繼電(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)J釋放，切斷熱水(shui)器(qi)(qi)電(dian)(dian)(dian)源；液(ye)晶顯示(shi)故障，蜂鳴器(qi)(qi)報警。這就確保(bao)了漏(lou)(lou)電(dian)(dian)(dian)保(bao)護電(dian)(dian)(dian)路(lu)的實時(shi)可靠(kao)性。

3.3 液晶驅動電路

液(ye)晶(jing)顯示選用(yong)HT1621B，該芯片是一(yi)種智(zhi)能(neng)型的液(ye)晶(jing)顯示驅動(dong)專用(yong)模(mo)塊(kuai)，具(ju)有集成(cheng)化程(cheng)度高，體積小，功能(neng)強，功耗低，所需外圍器件少等特點，以串行方式和單片機進行數據(ju)通(tong)信，能(neng)驅動(dong)32×4位LCD液(ye)晶(jing)屏。

CS是HT1621B的片(pian)選腳，當它為低(di)電(dian)平時，單片(pian)機(ji)和HT1621B之間(jian)的數據通信(xin)被接通，否(fou)則被禁止。

WR是寫數據的時鐘腳，在(zai)WR時鐘信號的上升沿，HT1621B才(cai)接收(shou)來自(zi)DATE線的命令或數據。

DATE是串行數據的輸(shu)入/輸(shu)出(chu)腳。

電阻(zu)R7的作用是調節(jie)液晶(jing)顯示屏(ping)的亮度，取值范圍一(yi)般為15KΩ±20%。

4 軟件設計

軟件(jian)設(she)計采(cai)用功(gong)能獨立化、結構(gou)模(mo)塊(kuai)化為軟件(jian)設(she)計模(mo)式。

程(cheng)序(xu)(xu)(xu)由(you)主程(cheng)序(xu)(xu)(xu)、INT中(zhong)斷程(cheng)序(xu)(xu)(xu)和定時中(zhong)斷程(cheng)序(xu)(xu)(xu)構成。INT中(zhong)斷程(cheng)序(xu)(xu)(xu)用(yong)于漏(lou)電檢測和漏(lou)電保護電路的監控；定時中(zhong)斷程(cheng)序(xu)(xu)(xu)用(yong)于產(chan)生時鐘和各種(zhong)時間的計數；主程(cheng)序(xu)(xu)(xu)由(you)初始化程(cheng)序(xu)(xu)(xu)和各個功能模塊(kuai)程(cheng)序(xu)(xu)(xu)組成。

A/D采(cai)樣程(cheng)序完成(cheng)對(dui)溫度的(de)數據(ju)(ju)采(cai)集(ji)，并根據(ju)(ju)溫度設定值，用(yong)以控制電(dian)加(jia)熱管(guan)的(de)開關。如采(cai)集(ji)到的(de)數據(ju)(ju)過(guo)高或過(guo)低，則認為包括傳感器在內的(de)采(cai)樣電(dian)路有故障，關斷電(dian)加(jia)熱管(guan)，系統(tong)報警。

4.1 防干燒保護

由(you)于熱(re)水器的長時間使用造成(cheng)密封圈老(lao)化，或其它因素造成(cheng)熱(re)水器漏水，使熱(re)水器缺(que)水。這時，如(ru)加(jia)上電源(yuan)，會使加(jia)熱(re)管處在干(gan)燒狀態，如(ru)不及(ji)時關斷電源(yuan)，電加(jia)熱(re)管會燒斷，甚至爆裂。

防干燒保護子程序就是實時監(jian)控加熱器(qi)的溫升，如(ru)發現溫度升得過快，則認為(wei)是干燒，立(li)刻關(guan)斷加熱管，并(bing)報(bao)警。

單位時間(jian)取(qu)1分鐘(zhong)，因(yin)干(gan)燒造(zao)成的后(hou)果嚴重，因(yin)此(ci)，判斷干(gan)燒的溫升應(ying)在1分鐘(zhong)內判斷，而不(bu)要等到1分鐘(zhong)計時結束才判斷。

4.2 分段定時

系統根據一(yi)天(tian)24小時(shi)(shi)(shi)的實(shi)時(shi)(shi)(shi)時(shi)(shi)(shi)鐘，將定時(shi)(shi)(shi)間分為0~6，6~12，12~18，18~24四個(ge)時(shi)(shi)(shi)間段(duan)，共12種方(fang)式(shi)，用(yong)戶可(ke)(ke)選擇一(yi)段(duan)或多段(duan)來(lai)定時(shi)(shi)(shi)加熱，亦可(ke)(ke)利(li)用(yong)“∧”、“∨”鍵來(lai)修改四個(ge)時(shi)(shi)(shi)間段(duan)和上(shang)、下限，如需取(qu)消(xiao)某一(yi)定時(shi)(shi)(shi)段(duan)，將該(gai)時(shi)(shi)(shi)間上(shang)、下限設置為相同即可(ke)(ke)。

分段定(ding)(ding)時設定(ding)(ding)好以后(hou)，按定(ding)(ding)時鍵進入定(ding)(ding)時狀態，再次按下定(ding)(ding)時鍵，則取消定(ding)(ding)時。

4.3 LCD顯示程序

HT1621B是多功能(neng)液晶(jing)驅(qu)動芯片(pian)。使用(yong)前，必須先初(chu)始化，然后才能(neng)向其輸送數據，驅(qu)動所(suo)需(xu)的液晶(jing)顯(xian)示。

5 抗干擾設計

電(dian)熱(re)水器使用環境(jing)潮濕，電(dian)源污染對其產生的(de)干擾(rao)尤其嚴重(zhong)，為保(bao)證(zheng)控制系統的(de)可靠運行，采取(qu)了以下(xia)抗(kang)干擾(rao)措(cuo)施。

硬(ying)件(jian)設計(ji)上，注(zhu)意元(yuan)件(jian)的布局(ju)，即(ji)要把(ba)模擬信號、數字電(dian)(dian)路、噪聲(sheng)源(yuan)（強(qiang)電(dian)(dian)部(bu)分(fen)(fen)）三部(bu)分(fen)(fen)合(he)理(li)地分(fen)(fen)開，設計(ji)印(yin)制板時，各(ge)元(yuan)件(jian)之間(jian)的引線(xian)(xian)要盡量地短，地線(xian)(xian)和電(dian)(dian)源(yuan)線(xian)(xian)應適當加(jia)粗，集(ji)成電(dian)(dian)路的電(dian)(dian)源(yuan)和地之間(jian)要加(jia)一個去耦電(dian)(dian)容。

軟件設計上，采用了指令冗余、軟件陷阱和利用單片機內部的(de)WATCHDOC監(jian)視器(qi)實(shi)現(xian)軟件工作(zuo)自恢復等方法；為(wei)了消除A/D傳感(gan)器(qi)通(tong)道的(de)干擾信(xin)號，利用CPU運算與控制功能(neng)實(shi)現(xian)數字濾波；并采用重復檢測法，實(shi)現(xian)對漏電的(de)準確判斷。

6 結束語

本文(wen)介(jie)紹(shao)了新型分(fen)段計(ji)時控制(zhi)的(de)智能(neng)電(dian)熱水器控制(zhi)器中的(de)應用(yong)設(she)計(ji)，該產品已批量生產，取得了良好的(de)經濟和社會(hui)效益。隨著(zhu)技術的(de)發展，具有自學習能(neng)力、網(wang)絡(luo)遠程控制(zhi)能(neng)力的(de)智能(neng)電(dian)熱水器也正在(zai)研制(zhi)過程中。