智能型电热水器的控制系统设计_王福源

收稿日期:2002-05-10
作者简介:王福源(1946-),男,教授.
第24卷　第6期2002年12月三峡大学学报(自然科学版)
J of China Three Gorges Univ .(Uatural Sciences )Vol .24No .6
Dec .2002
智能型电热水器的控制系统设计
王福源　王　玮　侯均衡
(郑州大学信息工程学院,郑州　450052)
摘要:利用PIC16C72单片机实现了对智能型电热水器的控制.其主要控制功能除了通常的控制加热和保护外,还具有较强的智能,包括根据用户设定的温度自动调节冷热水的混水比例,给出恒定
温度的出水等.同时介绍了系统的结构、硬件和软件设计.关键词:智能型电热水器;　PI C ;　单片机
中图分类号:TP37 文献标识码:A 文章编号:1007-7081(2002)06-0523-03
Design of an Intelligent Controller for Electrical Water Heater
Wang Fuyuan Wang Wei Hou Junheng
(College of Infor mation Engineering ,Zhengzhou Univ .,Zhengzhou 450052,China )
A bstract A Controller for family electrical water heater is realized based on a single chip micr ocomputer PIC16C72.
B esides nor mal water temperature control in tank and security control ,the controller is featured intelligent functions including produc -ing fixed temperatur e water acc ording user 's setting etc .Keywords intelligent electrical water heater ;　PI
C ;　single c hip microcomputer 随着我国电力工业的发展和人们环保安全意识的增强,家用电热水器的应用越来越普遍.由于电热水器进入市场的时间不长,所以在功能和控制方面还远没有达到成熟的程度.目前,安全、节能、多功能、智能化是其主要发展方向.现在市场上一部分电储水式电热水器甚至还采用可靠性较差的机械式温度控制,同时由于没有MCU 芯片的参与,一般只有简单的测量和控制,难以满足人们对现代电器的要求.利用目前微电子的最新成果改善电热水器的性能已经完全可能和必要.
本文利用PIC16C72作为热水器的控制器核心,给出了一种智能型家用电热水器的设计,不但具有水胆温度的自动加热控制功能,而且可以实现出水温度的自动控制.其水胆温度和出水温度可以由用户自行设定,然后由单片机实现记忆和控制.在安全性方面,可以实现上水停电(用水切断加热管的电源)、漏电保护等功能.此外,具有24.h 内的开机设定等智能功能.
1　PIC16C72单片机特点
PIC16C72是美国微芯(Microc hip )公司推出的8/
11位单片机,采用宽字节单周期指令,哈佛双总线和RISC 结构,其数据吞吐量最高可达6.MIPS ,这几乎是其它大多数8位微控制器速度的4倍.28脚封装的PIC16C72单片机内集成了以下主要功能:2.kB 片内R OM 程序存储器,128.B 数据存储器;22位I /O 线;5路8位A /D 转换器,2个8位,1个16位多功能计数器/定时器,1个捕捉/比较/脉宽调制(CCP )部件.
2　系统结构与功能
2.1　系统结构
系统主要包括温度采样部分、单片机、键盘及显示部分、输出控制部分.系统的硬件框图如图1所示.
图1　硬件框图
2.2　功能
①温度显示:同时显示当前的出水温度、水胆温度.②水胆温度设定:可设范围20～80℃.③出水温
度设定:可设范围20～55℃,避免造成无意的烫伤.④设定开机时间:可设范围24.h ,可在上班前设置下班前的预先开机加热.⑤出水断电:一旦用户用水,加热管电源自动切断以保证安全.⑥漏电自检:模拟漏电情况,检测报警和保护电路是否正常工作.⑦漏电保护:在发生漏电时即刻切断电源并报警.⑧防止干烧:如果在水胆无水情况下通电,即刻切断加热管电源并报警.
3　系统的硬件设计
作为在热水器应用中的单片机,应解决好几个关键问题.其一是从图1可以看出,本应用的算法并不复杂,但是涉及到的I /O 较多,而较少出脚的PIC 单片I /O 资源也较小,所以设计中应考虑I /O 的充分利用.此处,I /O 端口尽量采用输出/输入复用方式.其二是通常来说,热水器的电源和控制部分均安装在水胆的壳内,考虑到水胆经常处于80℃左右的高温状态,所以应高度重视温度对器件的影响
.
图2　测温、键盘及显示电路
本设计将单片机的电源和加热管的继电器两部分与控制部分分离,控制和混水部分用单独的壳体安装于水胆下方,从而降低了对控制部分元件的温度要求,
并由于降低了安装高度,也有利于用户的按键操作.系统硬件部分主要可分为测温电路、键盘及显示电路、输出控制电路.前两部分设计原理图如图2所示.
3.1　测温电路
本电路利用负温度系数热敏电阻阻值随温度变化的特性实现测温,在内胆和混水管中分别安装热敏
电阻R 1和R 3,测量内胆及出水的水温.R 1、R 2和C 1组成内胆的测温电路,R 3、R 4和C 2组成出水温度的测温电路.测温电路使用了RA0、RA1两个A /D 通道.在进行采样前,先把模拟输入通道RA0、R A1的相应I /O 方向控制位TRIS 置为1,设置为输入通道.然后选择A /D 输入通道(ADC ON0)、转换时钟、打开A /D 转换部件.采样完成进行A /D 转换,当A /D 转换完成后,结果送入ARRE S 寄存器中.寄存器中的二进制数码对应的是RA0、RA1口的直流电压,再通过查表程序求得温度值.
单片机根据测得的温度值决定继电器对加热管的通、断电和混水电机的正反转.3.2　键盘及显示电路
热水器的功能选择以及参数设定都是通过按键完成的.本系统中设计了4个按键完成全部功能设置:“功能”键、“+”键、“-”键和“漏电自检”键.功能键用于循环选择实时显示温度、胆温设置、水温设置、设定开机时间4种功能.每按一次功能键,在上述4个功能间切换一次.由于显示电路、按键、状态指示占用较多I /O 口,本系统采用I /O 口输入/输出复用的方式,显示采用动态扫描方式,且把状态指示灯(8个)也当作一个LE D 位参加扫描驱动.轮选5次一个周期.电路如图2所示.
为了减少使用I /O 端口的数量,尽管RB0～RB3是控制LE D 显示位的数字I /O 口,但它们可以临时作为键盘检测的输入口.当B 口作为按键输入端时,B 口定义为输入,这与LED 显示的位驱动时作为输出口不会发生矛盾.若功能键按下时,则RB0成为高电平.该电平的变化可引起B 口电平变化中断,则可测出是否有键按下.当测试出某个键已按下时,程度设置了25ms 去抖动时延,然后读取键值,以防止按键的错误操作.当B 口用作LED 显示位驱动时,B 口定义决定为输出,由连接到B 口的4个三极管中的一个来决定当前是哪一位显示.4位LE D 每周期内轮流显示5ms ,加上状态指示的LE D 位,每周期为25ms ,这
样的轮选速度人的眼睛是感觉不到的.3.3　输出控制电路
输出控制电路占用单片机的4个RC 口.电机占用RC0、RC1口,继电器控制和漏电报警控制各占用
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RC2、RC3口.胆温加热控制器是通过单片机RC2口控制三极管,从而控制继电器的通断,即用加热管的通断来完成.为了保证安全,采用位置检测的霍耳传感器给出开关量信号,从RA4口输入,单片机检测到此信号后通过继电器断开加热管电源,保证出水停电功能的实现.
出水温度控制是通过一个能正、反转的直流电机实现的.直流电机带动活动的阀芯,阀芯向不同的方向转动时改变冷热水的进水量,从而改变出水温度.当测量值低于设定值时,马达正转,使热水在混水管中比例大,到达设定值时马达停转.反之,马达反转,使冷水在混水管中比例大,同样,到达设定值马达停转,阀门位置固定,水温恒定.
4　控制器软件设计
本系统软件由主程序、中断服务程序、若干功能模块子程序组成.其中功能模块子程序包括:显示实时温度子程序、胆温,水温设置子程序、定时设置子程
序等.其主流程框图如图3所示
.
图3　主程序流程图
4.1　主程序
主程序上电复位后,首先进行初始化,对PIC16C72的所有I /O 口的输入、输出进行定义.本系
统所用的中断是定时器1溢出时产生的中断.TMR1是一个16位的定时器,由二个8位可读写的寄存器TMR1H 和TMR1L 组成.本系统中断间隔为50ms ,所以设TMR1的初值:T MR1H 为3CH ,TMR1L 为0AFH .在时钟源为4.MHz 的情况下,TMR1为3CAFH 开始增量,一直加到OFFFFH 的时间为50ms .初始化完成后,首先要进行A /D 采样,A /D 采样包括温度的
采样、出水信号的采样、漏电信号采样.因控制程序所用的比较参数均来.
自采样的真实值,A /D 采样为控制作好准备.然后进行按键检测,检测键盘的RB0口,根据此功能键,决定了功能模式.于是相应进入4个功能模块的子程序,进入正常工作.本系统设计思想是在实时温度显示时反应用户可用水的情况,即在此种功能下根据设置胆温值、水温值进行胆温加热、出水混水.而进行判断处理是在中断子程序里进行的,即使用定时器,每隔50ms 进入中断子程序,控制继电器的开启,马达的方向、转速.
由于温度采样A /D 转换的时间很短,如果每次采样均进行显示更新,则由于刷新速度太快,人的眼睛难以辨识.解决的办法是当前采样值循环显示以延长刷新时间.在实际调试中,此方法取得良好效果.4.2　中断处理子程序流程图
中断处理子程序流程图见图4.中断的现场保护是中断应用中一个很重要的部分.由于PIC16C72的指令系统中没有专门的PUSH (入栈)和POP (出栈)指令,所以要用一段程序来实现该功能.对可能用到的W 寄存器和STATUS 寄存器内容进行现场保护.然后在中断服务程序中对马达,继电器进行控制.漏电检测报警在中断里给出,而每50ms 进入一次中断,所以发生漏电时最多50ms 即可切断电源.
入口
※中断保护※控制马达
※控制继电器
图4　中断子程序流程图
如果用直流对电机进行控制,其转速太快,过调量太大,容易引起震荡.我们采用软件产生的PWM 对电机进行控制.由于热水器对出水温的精度要求不高,可采用可变占空比的PW M 和固定占空比的PW M ,均可达到良好的效果.
5　结语
本系统通过采用以PI C 单片机为核心检测、控制器件实现了电热水器的智能化控制.设备所实现的自动恒温出水等功能受到市场的欢迎.本设计现已由广东中山天立电器燃具厂采用.参考文献:
[1]　武　锋.PIC 系列单片机的开发应用技术[M ].北京:北
京航空航天工业出版社,1998.
[2]　李佩禹.家用热水器的原理、使用与维修[M ].北京:机
械工业出版社,2000.
[责任编辑　毕建英]
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