快热式家用电热水器的设计1

在初次试做本电路或关键硬件参数有调整时，应对系统软件中控制加热功率的可控硅导通角延时参数表和温度/频率转换表这两部分进行调试。
可控硅导通角延时参数主要由市电的频率和过零检测电路的脉冲宽度决定，可以先根据市电频率，按等功率的要求计算理论值，再根据过零检测电路的脉冲宽度加以调整。
温度/频率转换表可以用对照标准温度计实测的办法进行测试。图12.14是用实际电路在实验室测得的温度/频率曲线图。
#include <intrins.h>
#include <math.h>
void delay(unsigned int); //延时函数
void display(void); //显示函数
unsigned char keyscan(void); //按键扫描处理函数
12.4.2显示扫描子函数
显示子函数完成两位共阳数码管的扫描显示任务，图12.7为显示扫描子函数程序流程图。
图12.6主函数程序流程图
图12.7显示扫描子函数程序流程图
12.4.3按键扫描处理子函数
按键扫描子函数负责逐个扫描档位“+”键、档位“-”键和开关键是否被按下，若有键被按下则作出相应处理。图12.8为按键扫描子函数程序流程图。
图12.8按键扫描子函数程序流程图
12.4.4加热控制函数
加热控制程序根据用户设定的加热档位和系统当前的状态，来决定是否加热和控制加热的功率并点亮相应的指示灯。如有超温标志还应打开蜂鸣器报警。图12.9为加热控制函数程序流程图。
加热控制程序通过控制继电器的通断来决定是否给电热丝通电加热，而加热的功率大小则由双向可控硅的导通角决定。系统程序利用外中断INT1检测市电的过零点，检测到过零点后，立即根据设定的加热档位给定时器T1赋一个延时参数，并打开定时器T1，允许其中断。当定时器T1计满溢出后触发中断，T1中断程序就会给可控硅发一个触发信号，使其导通。图12.10、12.11分别是过零检测函数程序流程图和可控硅触发信号控制函数程序流程图。
表12.1中所列水温值和流量值可以满足大多数家庭用户使用要求，当最大的加热功率为7.5KW时，按220V供电计算电流约为34A，所以要求专线供电。
表12.1 水温与流量、加热功率的关系
2升/分钟 2.5升/分钟 3升/分钟 3.5升/分钟 4升/分钟
4.5KW 47 42 36 34 32
可控硅触发信号中需要对市电进行过零检测，以实现触发脉冲的相位延时。本电路中是利用三极管8050和一个非门实现过零检测的，电路如图12.4。
图12.2 快热式家用电热水器控制电路图
图12.3加热控制电路图
图12.4 过零检测电路图
12.3.2温度检测电路
温度检测电路组成如图12.5所示，温度/频率变换电路是利用反相器组成的RC多谐振荡器，其中的R24是一个热敏电阻，当温度变化时引起热敏电阻的阻值变化，从而改变了振荡器输出的方波频率。该频率的估算可用如下公式：
/*--------------------------------------
快热式热水器程序
MCU AT89C51 XAL 12MHz
Build by Gavin Hu, 2005.3.18
--------------------------------------*/
#include <reg51.h>
温度检测的方法较多，最经典的方法就是用热敏电阻（或热敏传感器）组成电桥来采集信号，再经放大、AD转换后送单片机。目前比较先进的方法是采用专门的集成测温传感器（如DS18B20），直接将温度转换成数字信号传送给单片机。为了简化电路又降低成本，本文采用了温度/频率转换测温法，直接将温度信息转换成频率信号，用单片机测出频率大小，从而间接测出温度值，温度/频率转换电路简单可靠，成本低廉。
式12.1
图12.5 温度检测电路图
12.4系统程序的设计
按快热式热水器的功能，系统程序必需实现以下任务：显示扫描；按键扫描处理；加热控制；温度检测（包括超温报警）。51系列单片机实现多任务运行的方法就是分时复用，在程序设计的时候要相应地分配好各任务的CPU占用时间。对于以上几个任务稍加分析可以看出，显示扫描、按键扫描和加热控制任务相对而言有实时要求，而温度检测任务则可用定时（0.5~1s）实现。
图12.13频率测试函数程序流程图
12.5调试及性能分析
快热式热水器硬件电路不包含任何可调节元件，因此只要器件质量可靠，管脚焊接正确，硬件电路无需调试。该电路中测温部分的振荡电路对电容C1的容量比较敏感，若此电路要批量化生产应用可在热敏电阻R24上再串一个可变电阻，以补偿C1的容量变化。
12.3.1加热控制电路
图12.3为加热控制电路原理图，电热丝的加热功率由双向可控硅来控制，单片机通过光耦给可控硅触发信号，控制可控硅的导通角，从而控制电热丝的有效加热功率。为了在关机和超温保护的状态下能可靠地关断加热电源，电路中设计了继电器来控制加热电源。其中串联在继电器线圈回路的熔丝为105℃的热保险丝，当温度超过105℃时，热保险丝会熔断，防止加热管干烧。与电热丝并联的LED发光管用来指示电热丝的工作状态。
图12.9加热控制函数程序流程图
图12.10过零检测函数程序流程图
图12.11可控硅触发信号控制程序流程图
图12.12温度检测函数程序流程图
12.4.5温度检测函数
温度检测函数的基本原理就是将温度/频率转换电路测得的频率与事先建立好的温度/频率表进行比较，查找出与该频率相应的温度值。事先在实验测试后建立的温度/频率表是0~100℃温度所对应的频率值，它是一个频率对应于温度递减的非线性函数，我们在C语言中用一个一维数组Tab[101] 来表示，下标为温度，数组元素为频率值。计算温度的方法采用高效准确的二分法查表，查表的过程如下：
第12章 快热式家用电热水器的设计
12.1功能要求
当前，热水器已成为日常生活中不可缺少的家用电器，设计制造更实用、更方便、更安全、更节能的热水器是产品设计师和生产商家不断追求的目标。快热式电热水器与普通电热水器最大的区别在于它取消了储水罐，热水随开随用，不需预热，减少了电能浪费，另外还具有体积小、使用安全、安装方便等优点。设计要求为：
1. 用2位数码管显示出水温度，能显示设定~99℃，精确度±1℃。
3. 设置3个功率档位指示灯，1~4档一个灯亮，5~8档两个灯亮，9档3个灯全亮。0档无功率输出，档位灯不亮。
4. 设置3个轻触按钮，分别为电源开关键、“+”键和“-”键。加热功率分0~9档，按“+”键依次递增至9档，按“-”键依次递减至0。0-9档功率依次为0、1/9P、2/9P、3/9P、4/9P、5/9P、6/9P、7/9P、8/9P、P。
void heatctrl(void); //加热控制函数
void temptest(void); //测温函数
5. 出水温度超过65℃时停止加热，并蜂鸣报警，温度降到45℃以下时恢复。
6. 内胆温度超过105℃时停止加热，防止干烧。
12.2方案论证
按快热式电热水器的功能要求，决定采用如图12.1所示的模块组成系统，即电源电路、单片机控制器、温度检测电路、按键输入电路、LED数码管及指示灯电路、报警电路和加热控制电路。
④ 如果T0rig> Tab[temp]，说明实际温度应该在Tmin和Temp之间（因为递减函数特性），所以修改查找范围令Tmax=Temp，同理如果T0rig< Tab[temp]，说明实际温度应该在Temp和Tmax之间，则令Tmin=Temp；
⑤ 检查查找范围，如果Tmax-Tmin<=1，判断T0rig更接近最大值对应的频率Tab[Tmax]还是最小值对应的频率Tab[Tmin]，实际温度值取频率更接近的那个值即完成查找，
12.4.1主函数
系统在上电复位后，先对温度寄存器、档位寄存器赋默认值，并进行清除超温标志，设置定时器及中断系统的工作方式等初始化工作。
由于51系列单片机没有停机指令，我们可以利用主程序设置死循环反复运行各个任务。我们把有实时要求的子程序（显示扫描、按键扫描、加热控制）放在最内层的循环中，计算其运行一次占用的CPU时间，然后根据温度检测定时的间隔时间，计算出该循环的循环次数。本例中每运行一次有实时要求的子程序（即显示扫描、按键扫描、加热控制）约占用5ms CPU时间，运行测温子程序的时间间隔为0.5s，那么循环次数应为100次。图12.6为主函数程序流程图。
12.3系统硬件电路的设计
快热式热水器控制系统电路如图12.2，由7个部分电路组成：单片机系统及外围电路、电源电路、按键输入电路、LED数码管及指示灯电路、报警电路、加热控制电路、温度检测电路。
控制器采用成本低廉且工作可靠的89C51或其兼容系列的单片机，采用12M的晶振。89C51对电源要求不甚严格，电源电路采用普通的市电降压整流，然后经集成稳压器（7805）稳压输出+5V电压。按键采用轻触小按钮。显示电路采用两位共阳数码管，由2个三极管9012驱动，3个LED指示灯用于指示加热功率。报警电路采用5V的自鸣式蜂鸣器。
① 先给定查找的温度的最大值Tmax和最小值Tmin，即确定查找的范围，我们根据已有的温度表默认最大值Tmax=100，最小值Tmin=0；
② 假定测得温度Temp为最大值和最小值之中间值即Temp=(Tmax+Tmin)/2；
③ 将实际测得的频率值T0rig与假定温度Temp在表格中对应的频率Tab[temp]相比较，如果相等，那么假定温度就是当前实际温度，即完成查找；
5.5KW 54 48 41 38 35
6.5KW 62 54 46 42 38
7.5KW 70 60 51 46 41