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家用智能電熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 譚志強(qiáng)1,楊俊杰1,樓志斌2,魏春娟1

 (1.上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院,上海200090;2.上?茖W(xué)院,上海201203)

摘要:現(xiàn)有的家用電熱水器主要分為連續(xù)水流式和貯水式,前者加熱快但功率要求很高,后者功率低但加熱時(shí)間長、可靠性差。針對(duì)該問題設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的智能電熱水器控制系統(tǒng)。系統(tǒng)在家用貯水式電熱水器上進(jìn)行改進(jìn),根據(jù)設(shè)置的水溫和水位值自動(dòng)控制加熱器和進(jìn)水閥工作,具有人機(jī)交互、水位控制、溫度控制、漏電保護(hù)及聲音報(bào)警等功能,以及操作方便、安全可靠、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

  關(guān)鍵詞:電熱水器;單片機(jī);水流式;貯水式

  中圖分類號(hào):TP273文章編號(hào):1006 - 2394( 2016) 03 - 0001  - 04

0  引言

 電熱水器是一種常用家用的電器。目前市場(chǎng)上的電熱水器分為連續(xù)水流式和貯水式。前者雖然具有加熱速度快和體積小的優(yōu)點(diǎn),但需要的功率大,大多數(shù)家庭供電線路難以承受。而后者大多數(shù)采用機(jī)械式控制器,功率要求較低、安全性高,但存在加熱時(shí)間長、精度低、可靠性差、控制不方便等不足。為了提高貯水式電熱水器操作的方便性與可靠性,本文設(shè)計(jì)了一種家用智能電熱水器控制系統(tǒng),本系統(tǒng)在家用貯水式電熱水器上進(jìn)行改進(jìn),可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、水位控制、溫度控制、漏電保護(hù)及聲音報(bào)警等功能,本系統(tǒng)工作可靠穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng),大大提高了電熱水器的安全性、智能化和數(shù)字化。

1  系統(tǒng)組成及工作原理

 本系統(tǒng)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊,電源模塊,人機(jī)交互模塊,漏電保護(hù)模塊,聲音提示模塊,溫度檢測(cè)控制模塊和水位檢測(cè)控制模塊等七個(gè)模塊。其中,單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊是該系統(tǒng)最為核心的部分,用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他模塊的控制功能;電源模塊為系統(tǒng)提供5V直流電;人機(jī)交互模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和外部的信息傳遞;漏電保護(hù)模塊用于檢測(cè)是否有漏電現(xiàn)象,保證熱水器安全穩(wěn)定工作;聲音提示模塊用于發(fā)音提示熱水器當(dāng)前水位狀態(tài);溫度檢測(cè)控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的檢測(cè)與控制;水位檢測(cè)控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的檢測(cè)與控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

 本系統(tǒng)的控制過程如下:首先通過人機(jī)交互模塊設(shè)定系統(tǒng)的工作狀態(tài),即根據(jù)人們需要設(shè)定水位與溫度值,接著通過水位檢測(cè)控制模塊檢測(cè)水箱中水位并控制水量進(jìn)出,然后通過溫度檢測(cè)控制模塊對(duì)加熱電阻進(jìn)行控制,同時(shí)溫度檢測(cè)控制模塊檢測(cè)水箱中溫度,并通過顯示模塊將實(shí)時(shí)測(cè)量的水位、溫度信號(hào)值發(fā)送給液晶顯示屏顯示。本系統(tǒng)確保電熱水器能在安全狀態(tài)下工作,實(shí)現(xiàn)對(duì)電熱水器的智能控制。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

 本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路,人機(jī)交互電路,漏電保護(hù)電路,水位檢測(cè)控制電路,溫度檢測(cè)控制電路和聲音提示等六部分。核心控制器選用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī),AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,具有8 KB系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器,在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

2.1人機(jī)交互電路設(shè)計(jì)

 人機(jī)交互界面包括鍵盤與液晶顯示兩部分,通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)對(duì)電熱水器的控制操作,從液晶顯示界面了解熱水器的工作參數(shù)與狀態(tài)。其中,通過鍵盤進(jìn)行的操作主要有設(shè)定水位和溫度,液晶顯示部分顯示設(shè)定水位和溫度值,以及當(dāng)前的水位和溫度值。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中鍵盤采用獨(dú)立式鍵盤,通過四個(gè)獨(dú)立的按鍵向控制器發(fā)送數(shù)據(jù),每個(gè)按鍵占用單片機(jī)一個(gè)I/O口。這四個(gè)按鍵的功能分別是功能選擇按鍵、加法按鍵、減法按鍵和跳出設(shè)置按鍵。液晶顯示屏采用LCD1602,按鍵和LCD1602控制電路如圖2所示。

2.2漏電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

 為了確保人身安全,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)具備漏電保護(hù)功能電路。漏電檢測(cè)電路如圖3所示,電路由電感線圈L1、L2,電阻R1~R4,電容C1和比較器LM393組成。漏電檢測(cè)線圈的輸出經(jīng)過比較器后送給單片機(jī),當(dāng)漏電超過規(guī)定的閥值,單片機(jī)立即響應(yīng)中斷,切斷整個(gè)系統(tǒng)的電源并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2.3水位檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

 水位檢測(cè)電路如圖4所示,用八根不銹鋼針分別置于水箱容積的八平分位置,在電極間加電流,直流電壓通過一個(gè)較大電阻和鋼針分壓,鋼針上的壓降不大。當(dāng)某個(gè)鋼針不接觸水面時(shí),其輸出為高電平,當(dāng)鋼針與水面接觸時(shí)則輸出為低電平。各輸出分別連接單片機(jī)的Pl.0~ Pl.7引腳,單片機(jī)對(duì)這些引腳進(jìn)行判斷處理后,即可得出相應(yīng)的水位值,省去了傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)監(jiān)測(cè)水位低于設(shè)定水位時(shí),單片機(jī)即控制進(jìn)水閥打開注水直至注滿熱水器。

2.4溫度檢測(cè)控制電路設(shè)計(jì)

  為保證溫度檢測(cè)準(zhǔn)確可靠,本系統(tǒng)采用DALLAS公司的數(shù)字式溫度傳感器DS18 820。DS18 820將溫度傳感器、信號(hào)放大器、A/D轉(zhuǎn)換接口全部集成于一塊芯片,測(cè)得的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出,可以與單片機(jī)直接相連。當(dāng)檢測(cè)溫度低于設(shè)置溫度時(shí),單片機(jī)即控制加熱電路工作。溫度檢測(cè)控制電路如圖5所示,圖中Dl是二極管,起續(xù)流保護(hù)作用;R8能提高單片機(jī)端口的驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)P22端口為低電平時(shí),PNP三極管導(dǎo)通,驅(qū)動(dòng)繼電器線圈產(chǎn)生電磁場(chǎng),此時(shí)繼電器的銜鐵被吸下,使得電磁閥接入SV電源,電磁閥電路處于導(dǎo)通狀態(tài);反之,P22為高電平時(shí),電磁閥電路處于斷開狀態(tài)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

 本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化程序設(shè)計(jì)的方法,按照系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與各部分的功能關(guān)系,將整個(gè)程序劃分為多個(gè)功能模塊部分分別進(jìn)行編程,以子函數(shù)的形式來進(jìn)行調(diào)用。系統(tǒng)軟件部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水器的控制工作,由液晶顯示程序、按鍵掃描程序、水位檢測(cè)程序、溫度控制程序、聲音提示程序和漏電保護(hù)程序等六個(gè)部分組成。系統(tǒng)軟件部分主程序流程圖如圖6所示。

3.1  液晶顯示程序設(shè)計(jì)

 本設(shè)計(jì)使用LCD1602液晶顯示屏,LCD1602可顯示兩行,每行16個(gè)字符,不能顯示漢字,內(nèi)置128個(gè)字符的ASCII字符集字庫,只有并行接口,無串行接口。分析LCD1602的讀寫操作時(shí)序圖便能得出其工作流程,設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序,首先是初始化顯示模式寄存器、光標(biāo)設(shè)置寄存器和移屏寄存器,最終完成顯示功能。

3.2按鍵掃描程序設(shè)計(jì)

 按鍵信號(hào)處理包括三個(gè)方面:按鍵動(dòng)作檢測(cè)、確定按鍵鍵值和按鍵響應(yīng)?紤]到外界因素和實(shí)際進(jìn)行按鍵操作時(shí),按下及松開的瞬間都容易產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象,造成按鍵操作時(shí)按鍵端口電平可能會(huì)多次跳變。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過軟件措施完成去抖動(dòng)與防干擾處理,采用定時(shí)中斷掃描的方式進(jìn)行按鍵檢測(cè),通過單片機(jī)定時(shí)中斷,每隔10 ms掃描一次按鍵端口狀態(tài),按鍵檢測(cè)過程中無需一直監(jiān)視按鍵端口或執(zhí)行額外的延時(shí)程序,節(jié)省了單片機(jī)的CPU資源和中斷資源。按鍵掃描流程圖如圖7所示。

3.3溫度采集程序設(shè)計(jì)

 溫度采集是通過分時(shí)與DS18820的單總線通信完成的,有嚴(yán)格的時(shí)隙概念,因此對(duì)DS18820的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。通過單線總線的所有執(zhí)行都從一個(gè)初始化時(shí)序開始,初始化時(shí)序包括一個(gè)由總線控制器發(fā)出的復(fù)位脈沖和其后由從機(jī)發(fā)出的存在脈沖。存在脈沖讓總線控制器獲知DS18 820在總線上且已準(zhǔn)備好操作,然后初始化DS18820便能實(shí)現(xiàn)溫度的讀取。

3.4按鍵控制程序設(shè)計(jì)

 熱水器控制系統(tǒng)的控制過程可分為三個(gè)步驟:溫度和水位數(shù)據(jù)采集、溫度和水位數(shù)據(jù)分析處理、控制外部輸出。這個(gè)三個(gè)步驟不斷重復(fù),使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需的控制目標(biāo)?刂破髟O(shè)置了四個(gè)按鍵:“進(jìn)入設(shè)置”、“加法按鍵”、“減法按鍵”和“跳出設(shè)置”。“進(jìn)入設(shè)置”用于切換設(shè)定溫度和水位初始值的修改。第一次按下為水溫度初始值變?yōu)榭烧{(diào),再次按下水位初始值變?yōu)榭烧{(diào)狀態(tài),此為一個(gè)循環(huán),即水溫初始值為偶數(shù)次按鍵,而水位初始值為奇數(shù)次按鍵,直至“跳出設(shè)置”按下,保存當(dāng)前設(shè)置,跳出菜單。“加法按鍵”和“減法按鍵”用于調(diào)整設(shè)定的水溫和水位的上下限。當(dāng)前狀態(tài)為可調(diào)狀態(tài)時(shí)每按一次“加法按鍵”或“減法按鍵”,被設(shè)置的數(shù)據(jù)值遞增或遞減。調(diào)整溫度值時(shí)以1℃為調(diào)整單位,調(diào)整水位時(shí)以10 L為調(diào)整單位。“跳出設(shè)置”用于在可調(diào)狀態(tài)時(shí),保存當(dāng)前設(shè)置參數(shù)并跳出可調(diào)狀態(tài),返回主程序。按鍵控制流程圖如圖8所示。

4  實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

 準(zhǔn)備穩(wěn)壓穩(wěn)流電源DH1718E、示波器RIGOLDS4034、偉福仿真器、萬用表、溫度計(jì)、玻璃杯、萬用板、不銹鋼針、所需電子元器件、導(dǎo)線等,先通過Proteus軟件繪制設(shè)計(jì)好的電路圖,經(jīng)過軟件仿真驗(yàn)證系統(tǒng)功能是否正常,然后用萬用板焊接具體電路,實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)功能是否正確,最后驗(yàn)證系統(tǒng)是否可靠。

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

 經(jīng)過軟件仿真后,最后就是對(duì)實(shí)際電路的調(diào)試。調(diào)試結(jié)果和預(yù)定的功能基本一致,硬件電路能夠檢測(cè)水溫和水位,并且能夠在LCD1602上顯示出來;能夠通過按鍵調(diào)節(jié)設(shè)定溫度和水位的設(shè)定值;基本的報(bào)警和指示燈顯示功能也能夠?qū)崿F(xiàn)。實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果如圖9所示。圖中液晶顯示器顯示內(nèi)容是,ST:設(shè)定溫度為40℃;SW:設(shè)定水位20 L;NT:實(shí)際測(cè)得熱水器溫度是23℃:NW:測(cè)得水位是60 L。

 給系統(tǒng)設(shè)定不同的溫度值,然后用溫度計(jì)實(shí)際測(cè)量水溫,比較設(shè)定溫度和測(cè)量溫度的區(qū)別,結(jié)果如表1所示。由表可知,設(shè)定溫度和實(shí)測(cè)溫度之間的絕對(duì)溫度差不超過2℃,由于系統(tǒng)顯示數(shù)值沒有小數(shù)點(diǎn)部分,所測(cè)結(jié)果只能以度來衡量,實(shí)際絕對(duì)溫度差應(yīng)該小于2℃,測(cè)量結(jié)果滿足系統(tǒng)誤差的要求。通過實(shí)驗(yàn)可知,本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)家用熱水器的智能控制,操作簡(jiǎn)便、安全可靠。

5結(jié)論

 本系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為主控芯片,利用溫度傳感器DS18 820采集溫度,設(shè)計(jì)了水位檢測(cè)控制電路、溫度檢測(cè)控制電路、按鍵控制電路、漏電保護(hù)電路等,電路簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定安全、工作精度高,且通過按鍵可以方便地進(jìn)行溫度和水位值的設(shè)定,具有很大的實(shí)用價(jià)值,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保、低成本、智能化和數(shù)字化的設(shè)計(jì)要求。

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