基于單片機(jī)的熱水器定時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.方案的擬定

1.1 設(shè)計(jì)要求

(1)在正常運(yùn)行狀態(tài)下顯示出水溫度，在待機(jī)狀態(tài)下，顯示“--”。

(2)溫度檢測(cè)顯示范圍00～99℃，精確±1℃。

(3)設(shè)置7個(gè)功率檔位，設(shè)定溫度范圍為1～65℃，液晶實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前檔位和設(shè)定溫度。

(4)設(shè)置3個(gè)輕觸按鈕，分別為設(shè)置鍵，“+”鍵和“-”鍵，加熱功率分為0～6檔可調(diào)，設(shè)定溫度為1～65℃可調(diào)，當(dāng)?shù)谝淮伟匆幌略O(shè)置鍵時(shí)，則可以按“+”鍵和“-”鍵設(shè)定設(shè)定溫度，當(dāng)?shù)诙伟匆幌略O(shè)置鍵時(shí)，則可以按“+”鍵和“-”鍵設(shè)定功率檔位，當(dāng)?shù)谌伟匆幌略O(shè)置鍵時(shí)，則返回到當(dāng)前狀態(tài)。

(5)出水溫度超過(guò)69℃時(shí)，停止加熱，并蜂鳴報(bào)警。

(6)內(nèi)膽溫度超過(guò)105℃時(shí)停止加熱，防止干燒。

1.2 設(shè)計(jì)方案的選擇和論證

用DS18B20采集溫度，直接將數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)，再由LCD12864液晶顯示，通過(guò)可控硅控制發(fā)熱管，這種方法，線路比前者簡(jiǎn)單，且讀取溫度準(zhǔn)確度高，采用大屏液晶顯示，同時(shí)能顯示當(dāng)前溫度，設(shè)定檔位，設(shè)定溫度，和當(dāng)前狀態(tài)。

2.電熱水器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，需要檢測(cè)的輸入信號(hào)有出水溫度和水流檢測(cè)信號(hào)等，需要輸出的信號(hào)主要是雙向可控硅的導(dǎo)通時(shí)間以控制加熱功率的大小。液晶的實(shí)時(shí)顯示，并還要完成出水溫度的設(shè)置，功率的設(shè)置，和保護(hù)功能，如溫度超限報(bào)警，防干燒等等。系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)圖如圖1。

2.2 控制系統(tǒng)的硬件組成及工作原理

電熱水器控制系統(tǒng)主要是由5V穩(wěn)壓電路，液晶顯示電路，加熱輸出控制電路，過(guò)零檢測(cè)電路，水流檢測(cè)電路，溫度檢測(cè)電路和報(bào)警電路等電路組成。

控制系統(tǒng)的原理如圖表2所示，首先通過(guò)溫度傳感器DS18B20將出水口的溫度直接變換成數(shù)字送到單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)接收的信號(hào)與設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較，輸出一個(gè)控制量，控制可控硅的導(dǎo)通角，以實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱量的控制，同時(shí)用LCD12864顯示當(dāng)前溫度，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，液晶提示故障，并蜂鳴器報(bào)警，斷開(kāi)繼電器，并停止對(duì)可控硅的導(dǎo)通信號(hào)等等。

3.控制系統(tǒng)總硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1 溫度檢測(cè)電路

3.1.1 溫度和溫度傳感器

采用了美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的智能溫度傳感器DS18B20作為檢測(cè)元件，測(cè)溫范圍為-55～+125℃，分辨率最大可達(dá)到0.0625℃，DS18B20可以直接讀出被測(cè)溫度值，而且只需1線與單片機(jī)相連。

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)圖

圖2 水溫與流量、加熱功率之間的關(guān)系

3.1.2 DS18B20與單片機(jī)的接口電路

DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時(shí)DS18B20的3腳接地，2腳作為信號(hào)線，1腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，1腳和3腳都接地，2腳作為信號(hào)線。這種接線可能會(huì)出現(xiàn)電源電流不足的現(xiàn)象，所以采用第一種接線方式，他不存在電源電流不足的問(wèn)題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)在總線上理論可以掛接多個(gè)DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。

3.1.3 DS18B20寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序

當(dāng)主機(jī)總線T0時(shí)刻從高拉到低時(shí)，就產(chǎn)生寫(xiě)時(shí)間間隙，從T0時(shí)刻開(kāi)始15US之內(nèi)就將所需要寫(xiě)的位送到總線上。DS18B20在T0后15-60US間對(duì)總線采樣。如果采樣到低電平，剛寫(xiě)入位是0，若采樣到高電平，則寫(xiě)入的位是1。

3.1.4 DS18B20讀數(shù)據(jù)時(shí)序

主機(jī)總線從T0時(shí)刻從高拉低電平時(shí)，總線只需要保持低電平7US，之后在T1時(shí)刻將總線拉高，產(chǎn)生讀時(shí)間間隙，在訊時(shí)間間隙在T1時(shí)刻后T2時(shí)刻前有效，T2距T0 15US。也就是說(shuō)，必須在T3時(shí)刻前主機(jī)完成讀數(shù)據(jù)，DS18B20會(huì)在T0后的60US內(nèi)釋放總線，輸出控制電路，主要是光電耦合器MOC3023，雙向可控硅，繼電器，接觸器，三級(jí)管和加熱管器件組成。利用光耦隔離交直流信號(hào)，以保證由單片機(jī)輸出信號(hào)與外部設(shè)備之間的電隔離。P1.4為低電平時(shí)，繼電器導(dǎo)通，再通過(guò)接觸器接通加熱控制回路，同時(shí)單片機(jī)P1.3腳輸出移相控制信號(hào)，通過(guò)光耦MOC3023控制雙向可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，以便調(diào)節(jié)輸出功率大小。其中串聯(lián)在繼電器線圈回路的熔絲(FUSE)為105℃的熱保險(xiǎn)絲，當(dāng)溫度超過(guò)105℃時(shí)，熱保險(xiǎn)絲會(huì)熔斷，防止加熱管干燒。與電熱絲并聯(lián)的LED發(fā)光管用來(lái)指示電熱絲的工作狀態(tài)。

雙向可控硅的選擇：根據(jù)熱學(xué)及流體力學(xué)原理結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，可以得到水溫與流量、加熱功率之間的關(guān)系（如圖2所示）。

為了達(dá)到快熱的效果，要求加熱管有較大的功率，電熱水器一般采用方便的電熱絲加熱方法，根據(jù)上圖，要滿足要求，選用BTA41。

3.2 工作原理

3.2.1 過(guò)零檢測(cè)工作原理

經(jīng)變壓器次級(jí)得到AB兩點(diǎn)(～14V)，經(jīng)過(guò)D1，D2全波整流后，形成脈動(dòng)直流波形，電阻分壓后，再經(jīng)過(guò)電容濾波，濾去高頻成分；形成C點(diǎn)電壓波形，當(dāng)C點(diǎn)電壓低于0.7V時(shí)，三極管截止，D點(diǎn)為高電平；當(dāng)C點(diǎn)電壓大于0.7V時(shí)，三極管導(dǎo)通，D點(diǎn)為低電平；這樣反復(fù)導(dǎo)通，截止，形成了D點(diǎn)電壓100HZ脈沖波形，通過(guò)中斷，檢測(cè)電壓零點(diǎn)。

3.2.2 5V穩(wěn)壓電路原理

經(jīng)變壓器次級(jí)得到AB兩點(diǎn)(～14V)，再經(jīng)過(guò)橋堆BR1，形成直流，再經(jīng)過(guò)L7805穩(wěn)壓管U2得到5V電壓，兩邊的電容C4，C5是輸入端和輸出端濾波電容，作用是使電壓更加平穩(wěn)。

3.3 報(bào)警電路

采用5v有源式蜂鳴器，通過(guò)三極管Q3控制蜂鳴器，當(dāng)P2.1為高電平，三極管截止，蜂鳴器不報(bào)警，當(dāng)P2.1為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。

4.控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

電熱水器溫度控制系統(tǒng)程序是由MCS-51單片機(jī)C語(yǔ)言編寫(xiě)，整個(gè)程序主要由8個(gè)子函數(shù)組成，分別是2個(gè)延時(shí)函數(shù)(毫秒級(jí)和微秒級(jí))，一個(gè)寫(xiě)液晶數(shù)據(jù)函數(shù)，一個(gè)寫(xiě)液晶指令(地址)函數(shù)，一個(gè)寫(xiě)DS18B20數(shù)據(jù)函數(shù)，一個(gè)讀DS18B20數(shù)據(jù)函數(shù)，一個(gè)復(fù)位DS18B20的函數(shù)。一個(gè)初始化函數(shù)(不包括中斷函數(shù))；經(jīng)過(guò)組合：得到如下3大函數(shù)，再加上中斷函數(shù)(3個(gè))一共可分為4大函數(shù)。分別如下：

(1)初始化函數(shù)，(void init())這里面包括了液晶的初始化設(shè)置，和進(jìn)入系統(tǒng)后，液晶要固定顯示的字符，中斷的設(shè)置；掃描按鍵和溫度

(2)顯示DS18B20溫度的函數(shù)，(void cs18wd())這里面主要包括了要讀取溫度，顯示當(dāng)前溫度，超溫報(bào)警，控制總中斷等

(3)設(shè)置函數(shù)，(void sz())這里面包括了按鍵的掃描，設(shè)置檔位，設(shè)置設(shè)定溫度，電磁閥的控制，液晶的顯示，蜂鳴器的控制等

(4)中斷函數(shù)(三個(gè))，這里面包括了，過(guò)零檢測(cè)信號(hào)，給T0，T1，賦初值，給雙向可控硅導(dǎo)通信號(hào)等

5.結(jié)束語(yǔ)

定時(shí)熱水器無(wú)需儲(chǔ)水罐，熱水隨開(kāi)隨用，不需預(yù)熱，減少了電能浪費(fèi)，另外還具有體積小。使用安全，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)的熱水器可節(jié)省40%的能耗，用多少熱水加熱多少，解決了熱水用不完時(shí)的浪費(fèi)和使用中途熱水供應(yīng)不足的現(xiàn)象，熱水利用率100%，因?yàn)樗灰崆邦A(yù)熱，也不要保溫，省去了大量的額外開(kāi)支，給用戶帶來(lái)真正的實(shí)惠，該熱水器作為新型環(huán)保產(chǎn)品在我國(guó)廣泛使用已是大勢(shì)所趨，更符合現(xiàn)代消費(fèi)潮流。

[1]趙建領(lǐng),薛園園.51單片機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009,10.

[2]寧戈,黃鶴松,員玉良,蔣海峰.51單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)范例大全[M].北京:人發(fā)郵電出版社,2010:2.

[3]張大明.單片機(jī)微機(jī)控制應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:1.