基于單片機的熱水器定時系統的設計

1.方案的擬定

1.1 設計要求

(1)在正常運行狀態下顯示出水溫度，在待機狀態下，顯示“--”。

(2)溫度檢測顯示范圍00～99℃，精確±1℃。

(3)設置7個功率檔位，設定溫度范圍為1～65℃，液晶實時顯示當前檔位和設定溫度。

(4)設置3個輕觸按鈕，分別為設置鍵，“+”鍵和“-”鍵，加熱功率分為0～6檔可調，設定溫度為1～65℃可調，當第一次按一下設置鍵時，則可以按“+”鍵和“-”鍵設定設定溫度，當第二次按一下設置鍵時，則可以按“+”鍵和“-”鍵設定功率檔位，當第三次按一下設置鍵時，則返回到當前狀態。

(5)出水溫度超過69℃時，停止加熱，并蜂鳴報警。

(6)內膽溫度超過105℃時停止加熱，防止干燒。

1.2 設計方案的選擇和論證

用DS18B20采集溫度，直接將數字信號送給單片機，再由LCD12864液晶顯示，通過可控硅控制發熱管，這種方法，線路比前者簡單，且讀取溫度準確度高，采用大屏液晶顯示，同時能顯示當前溫度，設定檔位，設定溫度，和當前狀態。

2.電熱水器系統設計

2.1 系統總體方案設計

在本系統中，需要檢測的輸入信號有出水溫度和水流檢測信號等，需要輸出的信號主要是雙向可控硅的導通時間以控制加熱功率的大小。液晶的實時顯示，并還要完成出水溫度的設置，功率的設置，和保護功能，如溫度超限報警，防干燒等等。系統總體方案設計圖如圖1。

2.2 控制系統的硬件組成及工作原理

電熱水器控制系統主要是由5V穩壓電路，液晶顯示電路，加熱輸出控制電路，過零檢測電路，水流檢測電路，溫度檢測電路和報警電路等電路組成。

控制系統的原理如圖表2所示，首先通過溫度傳感器DS18B20將出水口的溫度直接變換成數字送到單片機，單片機對接收的信號與設定信號進行比較，輸出一個控制量，控制可控硅的導通角，以實現對加熱量的控制，同時用LCD12864顯示當前溫度，當出現故障時，液晶提示故障，并蜂鳴器報警，斷開繼電器，并停止對可控硅的導通信號等等。

3.控制系統總硬件電路的設計

3.1 溫度檢測電路

3.1.1 溫度和溫度傳感器

采用了美國DALLAS半導體公司生產的智能溫度傳感器DS18B20作為檢測元件，測溫范圍為-55～+125℃，分辨率最大可達到0.0625℃，DS18B20可以直接讀出被測溫度值，而且只需1線與單片機相連。

圖1 系統總體方案設計圖

圖2 水溫與流量、加熱功率之間的關系

3.1.2 DS18B20與單片機的接口電路

DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的3腳接地，2腳作為信號線，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腳作為信號線。這種接線可能會出現電源電流不足的現象，所以采用第一種接線方式，他不存在電源電流不足的問題，可以保證轉換精度，工作穩定可靠，抗干擾能力強，同時在總線上理論可以掛接多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統。

3.1.3 DS18B20寫數據時序

當主機總線T0時刻從高拉到低時，就產生寫時間間隙，從T0時刻開始15US之內就將所需要寫的位送到總線上。DS18B20在T0后15-60US間對總線采樣。如果采樣到低電平，剛寫入位是0，若采樣到高電平，則寫入的位是1。

3.1.4 DS18B20讀數據時序

主機總線從T0時刻從高拉低電平時，總線只需要保持低電平7US，之后在T1時刻將總線拉高，產生讀時間間隙，在訊時間間隙在T1時刻后T2時刻前有效，T2距T0 15US。也就是說，必須在T3時刻前主機完成讀數據，DS18B20會在T0后的60US內釋放總線，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，三級管和加熱管器件組成。利用光耦隔離交直流信號，以保證由單片機輸出信號與外部設備之間的電隔離。P1.4為低電平時，繼電器導通，再通過接觸器接通加熱控制回路，同時單片機P1.3腳輸出移相控制信號，通過光耦MOC3023控制雙向可控硅的導通時間，以便調節輸出功率大小。其中串聯在繼電器線圈回路的熔絲(FUSE)為105℃的熱保險絲，當溫度超過105℃時，熱保險絲會熔斷，防止加熱管干燒。與電熱絲并聯的LED發光管用來指示電熱絲的工作狀態。

雙向可控硅的選擇：根據熱學及流體力學原理結合實際實驗室測試，可以得到水溫與流量、加熱功率之間的關系（如圖2所示）。

為了達到快熱的效果，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，根據上圖，要滿足要求，選用BTA41。

3.2 工作原理

3.2.1 過零檢測工作原理

經變壓器次級得到AB兩點(～14V)，經過D1，D2全波整流后，形成脈動直流波形，電阻分壓后，再經過電容濾波，濾去高頻成分；形成C點電壓波形，當C點電壓低于0.7V時，三極管截止，D點為高電平；當C點電壓大于0.7V時，三極管導通，D點為低電平；這樣反復導通，截止，形成了D點電壓100HZ脈沖波形，通過中斷，檢測電壓零點。

3.2.2 5V穩壓電路原理

經變壓器次級得到AB兩點(～14V)，再經過橋堆BR1，形成直流，再經過L7805穩壓管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。

3.3 報警電路

采用5v有源式蜂鳴器，通過三極管Q3控制蜂鳴器，當P2.1為高電平，三極管截止，蜂鳴器不報警，當P2.1為低電平時，三極管導通，蜂鳴器報警。

4.控制系統的軟件設計

電熱水器溫度控制系統程序是由MCS-51單片機C語言編寫，整個程序主要由8個子函數組成，分別是2個延時函數(毫秒級和微秒級)，一個寫液晶數據函數，一個寫液晶指令(地址)函數，一個寫DS18B20數據函數，一個讀DS18B20數據函數，一個復位DS18B20的函數。一個初始化函數(不包括中斷函數)；經過組合：得到如下3大函數，再加上中斷函數(3個)一共可分為4大函數。分別如下：

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

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

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

(4)中斷函數(三個)，這里面包括了，過零檢測信號，給T0，T1，賦初值，給雙向可控硅導通信號等

5.結束語

定時熱水器無需儲水罐，熱水隨開隨用，不需預熱，減少了電能浪費，另外還具有體積小。使用安全，安裝方便等優點，比傳統的熱水器可節省40%的能耗，用多少熱水加熱多少，解決了熱水用不完時的浪費和使用中途熱水供應不足的現象，熱水利用率100%，因為他不要提前預熱，也不要保溫，省去了大量的額外開支，給用戶帶來真正的實惠，該熱水器作為新型環保產品在我國廣泛使用已是大勢所趨，更符合現代消費潮流。

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