電熱水器原理-工藝-技術篇:對分時控制電熱水器的概述、系統功能設計、系統硬件設計、軟件設計及抗干擾設計等六大方面知識的詳細說明。
【電熱水器控制器】分時控制電熱水器的嵌入式控制器設計 電熱水器控制器原理
1 概述
隨著國家對家用電器節能和安全認證工作的開展，城市用電分時計費方式開始被推廣實施，即用電高峰在時收費高，用電低谷時收費低。目前采用機械溫包控制方式熱水器已少見，早期的電熱水器因控制簡單、智能化程度低、保護功能少，已不適應現代生活的需求。本文所談到的控制器采用高性價比單片機，運用軟件控制技術，融合智能化控制思想，增加了漏電檢測、干燒報警等多重保護功能，大大提高了電熱水器的智能化、安全性，并采用LCD顯示溫度，使熱水器具有良好的人機界面，方便用戶操作，使該款電熱水器顯得更加經濟實用。
2 系統功能設計
本款電熱水器智能控制器，主要具有以下獨特功能：①帶柔和背光的液晶實時顯示溫度和實時時鐘；②具有漏電、干燒、過熱、傳感器失效等多重保護；③方便的按鍵操作：系統開啟鍵；功率選擇鍵；定時狀態鍵；分段定時設定或時鐘校準狀態切換鍵；調整溫度、時鐘、定時開關機時間的數值設定鍵；④運行狀態指示；⑤故障聲光報警與指示。
3 系統硬件設計
該系統電路主要由電加熱管控制電路、漏電檢測電路、蜂鳴器驅動電路、溫度采樣電路、液晶和發光管顯示電路、按鍵電路、背光等組成。
MCU選用高性價比的TMP87P809N，該單片機豐富的資源（內含512字節的RAM、8K字節的ROM，10個中斷源，22個I/O口，兩個16位多功能定時器，一個基本定時器，一個Watchdog定時器，一個SCI口，6路8位A/D轉換器）及低價格，特別適合智能家電的嵌入式控制。
3.1 溫度采樣電路
本系統采用一路溫度傳感器實時采集熱水器的水溫用于MCU控制；由于單片機自帶A/D電路，由熱敏電阻式溫度傳感器和一高精度電阻分壓構成即可；為提高抗干擾能力，可在單片機口線上串接一個電阻，并接一個按地的濾波電容。
3.2 漏電檢測
電熱水器的使用，安全性能是其考慮的首要因素。本系統設計了獨特的漏電檢測和保護電路。
電加熱管的電源穿過互感器L，繼電器J將電加熱管的強電同外界隔離。
加電時，單片機的(P1).1口，輸出一高電平，使J吸合，電加熱上得到電源。沒有漏電發生時，流進電加熱器和流出電加熱器的電流的平衡，L上無感應電動熱，而一旦有漏電發生，進出電加熱器上的導線中的電流不平衡，L上就有感應電動熱，經D1、D2、C1電路的濾波整流得到直流電壓V1送比較器，當V1大于警戒電壓V2時，比較器IC的輸出就會翻轉，產生一下降沿，送到單片機的中斷口INT，單片機立刻響應中斷，使(P1).1口輸出一低電平，繼電器J斷開，迅速切斷電加熱器的供電電源。
R5、R6、T2和單片機的(P1).0口構成了漏電保護電路的時時監控系統。(P1).0口每隔一定時間（如5分鐘）輸出一高電平，使T2飽和導通，L上立刻感應出電壓V1，此時V1＞V2，比較器輸出翻轉，單片機應產生中斷。如單片機沒有及時產生中斷，說明漏電保護電路有故障，(P1).1口輸出低電平，使繼電器J釋放，切斷熱水器電源；液晶顯示故障，蜂鳴器報警。這就確保了漏電保護電路的實時可靠性。
3.3 液晶驅動電路
液晶顯示選用HT1621B，該芯片是一種智能型的液晶顯示驅動專用模塊，具有集成化程度高，體積小，功能強，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通信，能驅動32×4位LCD液晶屏。
CS是HT1621B的片選腳，當它為低電平時，單片機和HT1621B之間的數據通信被接通，否則被禁止。
WR是寫數據的時鐘腳，在WR時鐘信號的上升沿，HT1621B才接收來自DATE線的命令或數據。
DATE是串行數據的輸入/輸出腳。
電阻R7的作用是調節液晶顯示屏的亮度，取值范圍一般為15KΩ±20%。
4 軟件設計
軟件設計采用功能獨立化、結構模塊化為軟件設計模式。
程序由主程序、INT中斷程序和定時中斷程序構成。INT中斷程序用于漏電檢測和漏電保護電路的監控；定時中斷程序用于產生時鐘和各種時間的計數；主程序由初始化程序和各個功能模塊程序組成。
A/D采樣程序完成對溫度的數據采集，并根據溫度設定值，用以控制電加熱管的開關。如采集到的數據過高或過低，則認為包括傳感器在內的采樣電路有故障，關斷電加熱管，系統報警。
4.1 防干燒保護
由于熱水器的長時間使用造成密封圈老化，或其它因素造成熱水器漏水，使熱水器缺水。這時，如加上電源，會使加熱管處在干燒狀態，如不及時關斷電源，電加熱管會燒斷，甚至爆裂。
防干燒保護子程序就是實時監控加熱器的溫升，如發現溫度升得過快，則認為是干燒，立刻關斷加熱管，并報警。
單位時間取1分鐘，因干燒造成的后果嚴重，因此，判斷干燒的溫升應在1分鐘內判斷，而不要等到1分鐘計時結束才判斷。
4.2 分段定時
系統根據一天24小時的實時時鐘，將定時間分為0~6，6~12，12~18，18~24四個時間段，共12種方式，用戶可選擇一段或多段來定時加熱，亦可利用“∧”、“∨”鍵來修改四個時間段和上、下限，如需取消某一定時段，將該時間上、下限設置為相同即可。
分段定時設定好以后，按定時鍵進入定時狀態，再次按下定時鍵，則取消定時。
4.3 LCD顯示程序
HT1621B是多功能液晶驅動芯片。使用前，必須先初始化，然后才能向其輸送數據，驅動所需的液晶顯示。
5 抗干擾設計
電熱水器使用環境潮濕，電源污染對其產生的干擾尤其嚴重，為保證控制系統的可靠運行，采取了以下抗干擾措施。
硬件設計上，注意元件的布局，即要把模擬信號、數字電路、噪聲源（強電部分）三部分合理地分開，設計印制板時，各元件之間的引線要盡量地短，地線和電源線應適當加粗，集成電路的電源和地之間要加一個去耦電容。
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WATCHDOC監視器實現軟件工作自恢復等方法；為了消除A/D傳感器通道的干擾信號，利用CPU運算與控制功能實現數字濾波；并采用重復檢測法，實現對漏電的準確判斷。
6 結束語
本文介紹了新型分段計時控制的智能電熱水器控制器中的應用設計，該產品已批量生產，取得了良好的經濟和社會效益。隨著技術的發展，具有自學習能力、網絡遠程控制能力的智能電熱水器也正在研制過程中。
