分时控制电热水器的嵌入式控制器设计烟台输送机曲线锯制动液蒸汽锅炉We

分时控制电热水器的嵌入式控制器设计

1 概述

随着国家对家用电器节能和安全认证工作的开展，城市用电分时计费方式开始被推广实施，即用电高峰在时收费高，用电低谷时收费低。目前采用机械温包控制方式热水器已少见，早期的电热水器因控制简单、智能化程度低、保护功能少，已不适应现代生活的需求。本文所谈到的控制器采用高性价比单片机，运用软件控制技术，融合智能化控制思想，增加了漏电检测、干烧报警等多重保护功能，大大提高了电热水器的智能化、安全性，并采用LCD显示温度，使热水器具有良好的人机界面，方便用户操作，使该款电热水器显得更加经济实用。

2 系统功能设计

本款电热水器智能控制器，主要具有以下独特功能：①带柔和背光的液晶实时显示温度和实时时钟；②具有漏电、干烧、过热、传感器失效等多重保护；③方便的按键操作：系统开启键；功率选择键；定时状态键；分段定时设定或时钟校准状态切换键；调整温度、时钟、定时开关机时间的数值设定键；④运行状态指示；⑤故障声光报警与指示。

3 系统硬件设计

该系统电路主要由电加热管控制电路、漏电检测电路、蜂鸣器驱动电路、温度采样电路、液晶和发光管显示电路、按键电路、背光等组成。系统结构如图1所示。

MCU选用Toshiba公司高性价比的TMP87P809N，该单片机丰富的资源（内含512字节的RAM、8K字节的ROM，10个中断源，22个I/O口，两个16位多功能定时器，一个基本定时器，一个Watchdog定时器，一个SCI口，如玻纤增强、磁性塑料、导电材料、新型陶瓷等物料的挤出加工6路8位A/D转换器）及低价格，特别适合智能家电的嵌入式控制。

3.1 温度采样电路

本系统采用一路温度传感器实时采集热水器的水温用于MCU控制；由于单片机自带A/D电路，由热敏电阻式温度传感器和一高精度电阻分压构成即可；为提高抗干扰能力，可在单片机口线上串接一个电阻，并接一个按地的滤波电容。

3.2 漏电检测

电热水器的使用，安全性能是其考虑的”首要因素。本系统设计了独特的漏电检测和保护电路，如图2所示。

电加热管的电源穿过互感器L，继电器J将电加热管的强电同外界隔离。

加电时，单片机的(P1).1口，输出一高电平，使J吸合，电加热上得到电源。没有漏电发生时，流进电加热器和流出电加热器的电流的平衡，L上无感应电动热，而一旦有漏电发生，进出电加热器上的导线中的电流不平衡，L上就有感应电动热，经D1、D2、C1电路的滤波整流得到直流电压V1送比较器，当V1大于警戒电压V2时，比较器IC的输出就会翻转，产生一下降沿，送到单片机的中断口INT，单片机立刻响应中断，使(P1).1口输出一低电平，继电器J断开，迅速切断电加热器的供电电源。

图2中的R5、R6、T2和单片机的(P1).0口构成了漏电保护电路的时时万向球监控系统。(P1).0口每隔一定时间（如5分钟）输出一高电平，使T2饱和导通，L上立刻感应出电压V1，此时V1＞V2，比较器输出翻转，单片机应产生中断。如单片机没有及时产生中断，说明漏电保护电路有故障，(P1).1口输出低电平，使继电器J释放，切断热水器电源；液晶显示故障，蜂鸣器报警。这就确保了漏电保护电路的实时可靠性。

3.3 液晶驱动电路

液晶显示选用HT1621B，该芯片是一种智能型的液晶显示驱动专用模块，具有集成化程度高，体积小，功能强，功耗低，所需外围器件少等特点，以串行方式和单片机进行数据通信，能驱动32×4位LCD液晶屏。图3是液晶显示驱动电路。

CS是HT1621B的片选脚，当它为低电平时，单片机和HT1621B之间的数据通信被接通，否则被禁止。

WR是写数据的时钟脚，在WR时钟信号的上升沿，HT1621B才接收来自DATE线的命令或数据。

DATE是串行数据的输入/输出脚。

电阻R7的作用是调节液晶显示屏的亮度，取值范围一般为15KΩ±20%。

4 软件设计

软件设计采用功能独立化、结构模块化为软件设计模式。

程序由主程序、INT中断程序和定时中断程序构成。INT中断程序用于漏电检测和漏电保护电路的监控；定时中断程序用于产生时钟和各种时间的计数；主程序由初始化程序和各个功能模块程序组成。图4是主程序各功能模块的结构流程图。

A/D采样程序完成对温度的数据采集，并根据温度设定值，用以控制电加热管的开关。如采集到的数据过高或过低，则认为包括传感器在内的采样电路有故障，关断电加热管，系统报警。

4.1 防干烧保护

由于热水器的长时间使用造成密封圈老化，或其它因素造成热水器漏水，使热水器缺水。这时，如加上电源，会使加热管处在干烧状态，如不及时关断电源，电加热管会烧断，甚至爆裂。

防干烧保护子程序就是实时监控加热器的温升，如发现温度升得过螺纹刀具快，则认为是干烧，立刻关断加热管，并报警。

防干烧子程序框图如图5所示。单位时间取1分钟，因干烧造成的后果严重，因此，判断干烧的温升应在1分钟内判断，而不要等到1分钟计时结束才判断。

4.2 分段定时

系统根据一天24小时的实时时钟，将定时间分为0~6，6~12，12~18，18~24四个时间段，共12种方式，用户可选择一段或多段来定时加热，亦可利用“∧”、“∨”键来修改四个时间段和上、下限，如需取消某一定时段，将该时间上、下限设置为相同即可。图6是份段定时设定程序的流程图。

在非节假日期间72小时内到达现场

分段定时设定好以后，按定时键进入定时状态，再次按下定时键，肥煤则取消定时。

4.3 LCD显示程序

HT1621B是多功能液晶驱动芯片。使用前，必须先初始化，然后才能向其输送数据，驱动所需的液晶显示。图7是液晶显示模块最基本的程序框图。

5 抗干扰设计

电热水器使用环境潮湿，电源污染对其产生的干扰尤其严重，为保证控制系统的可靠运行，采取了以下抗干扰措施。

硬件设计上，注意元件的布局，即要把模拟信号、数字电路、噪声源（强电部分）三部分合理地分开，设计印制板时，各元件之间的引线要尽量地短，地线和电源线应适当加粗，集成电路的电源和地之间要加一个去耦电容。

软件设计上，采用了指令冗余、软件陷阱和利用单片机内部的WATCHDOC监视器实现软件工作自恢复等方法；为了消除A/D传感器通道的干扰信号，利用CPU运算与控制功能实现数字滤波；并采用重复检测法，实现对漏电的准确判断。

6伊春 结束语

本文介绍了新型分段计时控制的智能电热水器控制器中的应用设计，该产品已批量生产，取得了良好的经济和社会效益。随着技术的发展，具有自学习能力、络远程控制能力的智能电热水器也正在研制过程中。