分时控制电热水器的嵌入式控制器设计

1 概述

随着国家对家用电器节能和安全认证工作的开展，城市用电分时计费方式开始被推广实施，即用电高峰在时收费高，用电低谷时收费低。目前采用机械温包控制方式热水器已少见，早期的电热水器因控制简单、智能化程度低、保护功能少，已不适应现代生活的需求。本文所谈到的控制器采用高性价比单片机，运用软件控制技术，融合智能化控制思想，增加了漏电检测、干烧报警等多重保护功能，大大提高了电热水器的智能化、安全性，并采用LCD显示温度，使热水器具有良好的人机界面，方便用户操作，使该款电热水器显得更加经济实用。

2 系统功能设计

本款电热水器智能控制器，主要具有以下独特功能：①带柔和背光的液晶实时显示温度和实时时钟；②具有漏电、干烧、过热、传感器失效等多重保护；③方便的按键操作：系统开启键；功率选择键；定时状态键；分段定时设定或时钟校准状态切换键；调整温度、时钟、定时开关机时间的数值设定键；④运行状态指示；⑤故障声光报警与指示。

3 系统硬件设计

该系统电路主要由电加热管控制电路、漏电检测电路、蜂鸣器驱动电路、温度采样电路、液晶和发光管显示电路、按键电路、背光等组成。

MCU选用高性价比的TMP87P809N，该单片机丰富的资源（内含512字节的RAM、8K字节的ROM，10个中断源，22个I/O口，两个16位多功能定时器，一个基本定时器，一个Watchdog定时器，一个SCI口，6路8位A/D转换器）及低价格，特别适合智能家电的嵌入式控制。

3.1 温度采样电路

本系统采用一路温度传感器实时采集热水器的水温用于MCU控制；由于单片机自带A/D电路，由热敏电阻式温度传感器和一高精度电阻分压构成即可；为提高抗干扰能力，可在单片机口线上串接一个电阻，并接一个按地的滤波电容。

3.2 漏电检测

电热水器的使用，安全性能是其考虑的首要因素。本系统设计了独特的漏电检测和保护电路。

电加热管的电源穿过互感器L，继电器J将电加热管的强电同外界隔离。

加电时，单片机的(P1).1口，输出一高电平，使J吸合，电加热上得到电源。没有漏电发生时，流进电加热器和流出电加热器的电流的平衡，L上无感应电动热，而一旦有漏电发生，进出电加热器上的导线中的电流不平衡，L上就有感应电动热，经D1、D2、C1电路的滤波整流得到直流电压V1送比较器，当V1大于警戒电压V2时，比较器IC的输出就会翻转，产生一下降沿，送到单片机的中断口INT，单片机立刻响应中断，使(P1).1口输出一低电平，继电器J断开，迅速切断电加热器的供电电源。

R5、R6、T2和单片机的(P1).0口构成了漏电保护电路的时时监控系统。(P1).0口每隔一定时间（如5分钟）输出一高电平，使T2饱和导通，L上立刻感应出电压V1，此时V1＞V2，比较器输出翻转，单片机应产生中断。如单片机没有及时产生中断，说明漏电保护电路有故障，(P1).1口输出低电平，使继电器J释放，切断热水器电源；液晶显示故障，蜂鸣器报警。这就确保了漏电保护电路的实时可靠性。

3.3 液晶驱动电路

液晶显示选用HT1621B，该芯片是一种智能型的液晶显示驱动专用模块，具有集成化程度高，体积小，功能强，功耗低，所需外围器件少等特点，以串行方式和单片机进行数据通信，能驱动32×4位LCD液晶屏。

CS是HT1621B的片选脚，当它为低电平时，单片机和HT1621B之间的数据通信被接通，否则被禁止。

WR是写数据的时钟脚，在WR时钟信号的上升沿，HT1621B才接收来自DATE线的命令或数据。

DATE是串行数据的输入/输出脚。

电阻R7的作用是调节液晶显示屏的亮度，取值范围一般为15KΩ±20%。

4 软件设计

软件设计采用功能独立化、结构模块化为软件设计模式。

程序由主程序、INT中断程序和定时中断程序构成。INT中断程序用于漏电检测和漏电保护电路的监控；定时中断程序用于产生时钟和各种时间的计数；主程序由初始化程序和各个功能模块程序组成。

A/D采样程序完成对温度的数据采集，并根据温度设定值，用以控制电加热管的开关。如采集到的数据过高或过低，则认为包括传感器在内的采样电路有故障，关断电加热管，系统报警。

4.1 防干烧保护

由于热水器的长时间使用造成密封圈老化，或其它因素造成热水器漏水，使热水器缺水。这时，如加上电源，会使加热管处在干烧状态，如不及时关断电源，电加热管会烧断，甚至爆裂。

防干烧保护子程序就是实时监控加热器的温升，如发现温度升得过快，则认为是干烧，立刻关断加热管，并报警。

单位时间取1分钟，因干烧造成的后果严重，因此，判断干烧的温升应在1分钟内判断，而不要等到1分钟计时结束才判断。

4.2 分段定时

系统根据一天24小时的实时时钟，将定时间分为0~6，6~12，12~18，18~24四个时间段，共12种方式，用户可选择一段或多段来定时加热，亦可利用“∧”、“∨”键来修改四个时间段和上、下限，如需取消某一定时段，将该时间上、下限设置为相同即可。

分段定时设定好以后，按定时键进入定时状态，再次按下定时键，则取消定时。

4.3 LCD显示程序

HT1621B是多功能液晶驱动芯片。使用前，必须先初始化，然后才能向其输送数据，驱动所需的液晶显示。

5 抗干扰设计

电热水器使用环境潮湿，电源污染对其产生的干扰尤其严重，为保证控制系统的可靠运行，采取了以下抗干扰措施。

硬件设计上，注意元件的布局，即要把模拟信号、数字电路、噪声源（强电部分）三部分合理地分开，设计印制板时，各元件之间的引线要尽量地短，地线和电源线应适当加粗，集成电路的电源和地之间要加一个去耦电容。

软件设计上，采用了指令冗余、软件陷阱和利用单片机内部的WATCHDOC监视器实现软件工作自恢复等方法；为了消除A/D传感器通道的干扰信号，利用CPU运算与控制功能实现数字滤波；并采用重复检测法，实现对漏电的准确判断。

6 结束语

本文介绍了新型分段计时控制的智能电热水器控制器中的应用设计，该产品已批量生产，取得了良好的经济和社会效益。随着技术的发展，具有自学习能力、网络远程控制能力的智能电热水器也正在研制过程中。

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