分时控制电热水器的嵌入式控制器设计

贵州家电维修网 http://www.gz112.com 2007-12-13 4:15:45 来源:互联网

    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,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。
    
    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,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 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、网络远程控制能力的智能电热水器也正在研制过程中。

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