即熱式電熱水器溫度控制電路設計和分析

岳陽職業技術學院機電工程系 王 偉 劉 銳 彭細華

即熱式電熱水器溫度控制電路設計和分析

岳陽職業技術學院機電工程系 王 偉 劉 銳 彭細華

本文設計了一種基于AD590溫度傳感器的即熱式電熱水器溫度控制電路，并對各部分電路的組成、工作原理進行詳細的分析和說明。

即熱式；傳感器；溫度控制

1.引言

即熱式電熱水器是一種通過短時間加熱，即開即用并具有精確溫度控制的新型熱水器。其溫度控制的主體設計主要包含三個方面，溫度傳感器、加熱器和溫度控制器。溫度傳感器為溫度檢測電路主體外圍元件，其主要作用是用于接觸機體輸出水流，將測得的溫度變化信號輸出轉換成電信號加以輸出，加熱器主負責于機體內部水流進行加熱，保持恒定溫度舒適的水流輸出。溫度控制器用于對機體內水溫進行智能控制，并通過溫度數字化來進行直觀顯示。總體框圖如圖1所示。

2.控制電路設計及原理分析

電路主要由溫度檢測、A/D數模轉換、過零檢測、加熱控制及鍵盤、顯示五部分電路組成，其電路設計和工作原理如下：

（1）溫度檢測電路

溫度檢測電路為該設計的主體電路之一，溫度檢測電路首先對經過加熱器加熱后的機體水流溫度進行溫度檢測，同時將溫度的變化信號轉換為電脈沖的脈寬信號，繼而反饋給單片機。依據良好的性價比，高精確度要求，設計采用美國ANALOGDEVICES公司的智能溫度傳感器AD590，工作電壓在+4V～+30V范圍內變化，反向最大承受電壓為20V左右，正向最大承受電壓為44V。輸出電阻710MΩ，器件反接不會導致器件被損壞。正常工作溫度為-55℃～+150℃。在+4V～+30V輸入電壓范圍內，電路中電流每變化1μA則溫度變化1K，電路設計如圖2所示。

（2）A/D數模轉換電路

如圖3所示，A/D數模轉換電路設計在電熱水器溫度控制器中，在數模信號的轉換、傳輸及其他操作方面起著至關重要的作用，其中A/D數模轉換器的型號選擇是確保準確在數字位流中表達模擬信號，并提供數字信號處理功能平滑接口的關鍵所在。

本電路采用ADC0804作為轉換芯片，ADC0804是屬于8位COMS依次逼近型的A/D轉換器，這類型的A/D轉換器具有轉換速度快、分辨率高，成本低的特點，在微電腦的接口設計應用較為廣泛。其信號輸入端口VIN(+)與AD590測溫電路的輸出端口Vo端相連，輸出口DB0-DB7與單片機的P0口相接，外部時鐘電路由RC網絡構成，設計如圖3所示。

（3）過零檢測電路

過零檢測電路在很多自動化控制電路中經常采用作為檢測控制電路，電路一般由電阻、NPN、PNP晶體管及光電耦合器組成。在智能溫度控制器的設計過程中采用過零電路檢測主要是對電源電壓波形的過零點進行檢測。為提高過零檢測電路的檢測效率，使電路觸發脈沖與交流電壓保持一致，要求電路保持每在半個交流電的周期內輸出一個觸發脈沖，且觸發脈沖電壓幅值須大于4V，脈沖寬度20us以上。過零檢測電路如圖4所示。

過零檢測電路的電路設計中，220V正弦交流電壓首先輸入，經100K大阻值電阻R15對電路進行分壓限流后，輸入兩個反向相接的光電耦合器。當正弦交流輸入電壓下降至0V左右時，兩個反接的光電耦合器其中一個的發光二極管處于反向截止狀態，與此同時與之相對應的三極管基極偏置電阻上得電位處于高電位狀態，使之處于導通狀態，產生負脈沖信號后進行輸出。三極管Q4的輸出端與AT89S52的外部中斷INT1相連，負脈沖產生后而引起單 片機中斷。

（4）加熱控制電路

在實現溫度檢測和A/D數模轉換后，水溫的恒定需要進行加熱維持。電路設計主采用元件包括可控制光耦合器件TLP521-4、光電耦合器MOC3061、繼電器和加熱管等。TLP521-4用于各控制電路之間的信號輸出，使前端與負載相隔離，有著減小電路電壓干擾，簡化電路設計的作用。MOC3061用于控制過零觸發，通過繼電器控制加熱管電路的通態或斷態。加熱控制設計電路如圖5所示。

（5）鍵盤及顯示電路

鍵盤、顯示電路是系統與外界信號輸入及儀表顯示連接的緊密橋梁。鍵盤按鍵設置可根據系統控制功能的多少來進行選擇，在本設計中包括由四個主要功能按鍵，由S1-S4組成。S1-S4采用彼此獨立的接口方法，在與單片機引腳連接時分別和輸入引腳P1.0、P1.1、P1.2和P1.3相連接。溫度控制系統的啟動或暫停由按鍵S1完成；溫度上升加1或下降減1由按鍵S2、S3分別設定。如按鍵沒有按下，則測得對應引腳為高電平信號；如按鍵按下有效，則在對應引腳上測出電平信號為低電平信號。這樣，我們可以通過檢測與按鍵相連輸入引腳上的電平高低來驗證是否有按鍵按下。

3.結語

該電路設計完成后，經過仿真驗證，溫度控制精確度可達±0.1℃，且具有整體設計簡單、實用性強的特點，如在控制算法方面進一步研究，溫度控制的精確性和穩定性會有更大幅度的提高。

[1]王福源,王瑋,候均衡.智能型電熱水器控制系統的設計[J].三峽大學學報,2002(6):523-525.

[2]張志利,蔡偉.基于AD590的溫度測控裝置研究[J].自動化與儀器儀表,2001(2):37-39.

[3]劉亦萍.即熱式電熱水器控制電路的設計與應用[J].機電一體化,2003(3):58-59.

[4]吳永橋,施光林,金康進.新型恒溫即熱式電熱水器控制系統的研究與開發[J].傳感技術學報,2004(4):683-687.