基于單片機控制的燃氣熱水器溫度控制設(shè)計

[摘要]燃氣熱水器的安全性和易用性一直是設(shè)計者追求的目標;人類也為此做很多嘗試,用單片機作控制系統(tǒng)是一種有益的探索。用成熟的MC6805R2作為主控芯片,結(jié)合傳感器實施溫度控制、保護控制實現(xiàn)低成本、高可靠的目的。

[關(guān)鍵詞]單片機 溫度控制 A/D轉(zhuǎn)換

中圖分類號:TP2文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0910014-02

一、現(xiàn)有燃氣熱水器的不足

為保證用戶安全和保證熱水器壽命的情況下,燃氣熱水器一般安裝在浴室外,且通風的環(huán)境下,所以現(xiàn)有的燃氣熱水器也給用戶帶來了以下不便:

1.熱水溫度不能實時顯示,使用戶不能實現(xiàn)調(diào)節(jié)好熱水溫度,給洗浴帶來不便。

2.水量和氣量不能實時顯示和控制,當遇到水量、氣量突然增大或減小則會影響水溫,給用戶造成不便。

3.在洗浴過程中如果要調(diào)節(jié)溫度,則要到浴室外,或請人幫忙調(diào)節(jié),極不方便。

4.手動調(diào)節(jié)溫度精度差,不能快速調(diào)節(jié)到自己想要的溫度。

二、系統(tǒng)分析設(shè)計

(一)概述

燃氣快速熱水器經(jīng)歷了功能簡單,出水量小到目前的自動點火,自動恒溫,出水量大,各種保護功能齊全的過程,但各種控制電路保護電路也越來越復(fù)雜,硬件成本及故障也相應(yīng)較高。以軟件控制方式來代替復(fù)雜的硬件線控制已成趨勢。用結(jié)構(gòu)緊湊、控制靈活、集軟件、硬件與一身的單片機來做主控制器是最為理想的選擇。

(二)基本工作原理

該智能燃氣熱水器工作過程分別為出水溫度,水量設(shè)定;自動點火,熄火保護;出水溫度自動恒溫。該智能熱水器具有以下功能:1.使用高清晰度數(shù)碼管實時顯示水溫,水量和氣量;2.可用鍵盤方便地設(shè)定水溫、水量并在LED上顯示;3.按設(shè)定溫度加熱到相應(yīng)水溫,并具有保溫功能。系統(tǒng)利用集成溫度傳感器AD590完成溫度測量并轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號,經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送到MC6805R2單片機中,單片機將采集到的溫度值與通過鍵盤設(shè)定的溫度值進行比較,根據(jù)比較結(jié)果,控制加熱器的開斷,同時將溫度值實時顯示在LED顯示器上。其工作原理框圖如圖1所示。

1.出水溫度、水量設(shè)定

接通電源后,溫度顯示器顯示當前水溫,水量指示器指示的水量為上次洗澡結(jié)束時的出水量,同時單片機不斷查詢功能鍵,當水溫設(shè)定鍵按下時,最初顯示初始化時設(shè)定水溫42℃,接著顯示器顯示當前設(shè)定值,當用戶松開設(shè)定鍵,單片機記錄最后顯示值,作為設(shè)定值。同樣用戶根據(jù)水量指示器指示的水量,來設(shè)定自己所需的水量。在自動恒溫過程中,若調(diào)節(jié)燃氣量達不到恒溫時,單片機就通過調(diào)節(jié)出水量來達到恒溫要求,此時實際出水量可能會偏離設(shè)定值。單片機的軟件還規(guī)定了用設(shè)定水溫不得高于65℃,若高于65℃,則以65℃作水溫設(shè)定值,最低水溫不得低于當時環(huán)境水溫,否則不能啟動熱水器。水量設(shè)定值最大為八段指示器全亮,最小為一段指示器亮。

2.自動點火和熄火保護控制

用戶設(shè)定好水溫、水量后,開通水閥,水動開關(guān)接通,單片機控制電脈沖器自動點火,1秒后打開燃氣電磁閥,火焰檢測器檢知燃燒器點燃后,點亮燃燒指示燈,關(guān)掉電脈沖點火器,進入自動恒溫控制程序。如點火10秒后,燃燒器還沒有點燃,則關(guān)掉電磁閥,電脈沖點火器,發(fā)出警告信號(燃燒指示燈閃爍),提醒用戶燃氣是否用完或打開等。此時要關(guān)掉水閥或按RESET按鍵才能重新點火。在熱水器整個工作中,燃燒器意外熄火,都會關(guān)掉電磁閥,實行熄火保護,以策安全。

3.出水溫度自動控制

當熱水器進入自動恒溫控制程序時,單片機通過采樣電路,取得當前的水溫,水量、耗氣量等數(shù)據(jù),根據(jù)控制軟件和用戶設(shè)定值,先調(diào)節(jié)燃氣耗量,即在實測水溫低于設(shè)定值是,接通氣量調(diào)節(jié)電機正轉(zhuǎn),增加熱水器的熱負荷,使出水溫度上升,在熱負荷達到最大值。出水溫度還達不到設(shè)定值時,接通水量調(diào)節(jié)電機反轉(zhuǎn),減小出水量,使出水溫度達到設(shè)定值。當實測水溫高于設(shè)定值時,先接通氣量調(diào)節(jié)電機反轉(zhuǎn),降低熱水器的熱負荷,使出水溫度下降,在熱負荷調(diào)節(jié)到最小,出水溫度還高于設(shè)定值時,接通水量調(diào)節(jié)電機正轉(zhuǎn),增大出水量使水溫降到設(shè)定值,單片機就是通過反復(fù)調(diào)節(jié)熱水器的熱負荷和出水量,實現(xiàn)出水溫度自動控制。

(三)硬件設(shè)計

1.水溫、水量、氣量采樣、設(shè)定電路

電路原理如圖2所示,IC1為集成溫度傳感器,用于檢出水水溫,IC2為集成運算放大器,用于放大IC1輸出的溫度信號,W2、W3分別為水量、耗氣量反饋電位器,通過檢測水閥和氣閥的開閥位置來間接測量熱水器出水量和耗氣量。通過對PD端口DO、D1、D2腳輸入電壓的A/D轉(zhuǎn)換,單片機可以取得當前的出水溫度、水量及耗氣量。SW1、SW2為水溫設(shè)定的上升鍵和下降鍵,SW3、SW4為水量設(shè)定的上升鍵和下降鍵,單片機的AO～A4接收它們的設(shè)定信號。SW1被按下時,水溫顯示器1℃/S的速度向上升溫,而SW2按下時,則以1℃/S的速度向下降溫,松開時,顯示器的最終顯示溫度即為設(shè)定值。SW3被按下時,水量調(diào)節(jié)電機帶動水閥和水量指示電位器正轉(zhuǎn),水量逐漸增大,對應(yīng)的指示燈逐個點亮。水量最大時,八段全亮。SW4被按下時,水量調(diào)節(jié)電機帶動水閥和水量指示電位器反轉(zhuǎn),水量逐漸減小,對應(yīng)的水量指示燈逐個熄滅,水量最小時,即使不松開按鍵電機也自動停止轉(zhuǎn)動,而拄鍵松開時的水量印為設(shè)定水量,操作方便簡單。

2.溫度顯示,水量、耗氣量指示電路

電路原理圖如圖3所示,LED1、LED2分別為水量、耗氣量指示器,采用單排八段數(shù)碼管指示水量、耗氣量。與水閥芯、氣閥芯聯(lián)動的反饋電位器,間接的反應(yīng)了水量和耗氣量,單片機采樣反饋值后,輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)給LED1和LED2,指示當前水量、耗氣量。單片機從溫度采樣電路中輸入當前的出水溫度,其數(shù)據(jù)經(jīng)處理后,一方面從PB端口BO～B7端將數(shù)據(jù)輸出給LED3顯示當前水溫:另-方面與設(shè)定水溫值進行比較運算,運算結(jié)果從PA端口的A4～A7端輸出,控制水量、氣量調(diào)節(jié)電路,實現(xiàn)出水溫度的自動恒溫控制。圖中的Q1～Q4四只開關(guān)三極管由單片機的PC端口CO～C3控制,用于實現(xiàn)LED1、LED2、LED3的動態(tài)顯示,節(jié)省了單片機的有限資源,降低生產(chǎn)成本。

(四)軟件設(shè)計

主控制程序流程如圖4所示,接通電源后,單片機從RESET進入住控制程序,初始化后,對水量、耗氣量、水溫進行采樣,在線控器上顯示當前水溫、指示水量、耗氣量。

三、結(jié)論

本設(shè)計利用單片機實時控制能力強通過交互方式調(diào)溫,提高用戶安全洗浴方面做了有益的探索。實現(xiàn)了低成本環(huán)境下相對較高精度、比較可靠調(diào)節(jié)燃氣熱水器水溫的目的。

參考文獻:

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[2]Dinse D R.Henderson H I.Richardson J O.Field performance of HPWH preheating for water heating systems in schools[J].ASHRAE Transactions,2004.

[3]李廣第主編,單片機基礎(chǔ),第1版,北京:北京航空航天大學出版社,1999.

[4]肖洪兵主編,跟我學用單片機,北京:北京航空航天大學出版社,2002.8.

作者簡介:

沈靜橋(1972-),男,四川成都人,講師,工學碩士,從事計算機嵌入式和計算機網(wǎng)絡(luò)方向研究。