基于单片机的热水器定时系统的设计

1.方案的拟定

1.1 设计要求

(1)在正常运行状态下显示出水温度，在待机状态下，显示“--”。

(2)温度检测显示范围00～99℃，精确±1℃。

(3)设置7个功率档位，设定温度范围为1～65℃，液晶实时显示当前档位和设定温度。

(4)设置3个轻触按钮，分别为设置键，“+”键和“-”键，加热功率分为0～6档可调，设定温度为1～65℃可调，当第一次按一下设置键时，则可以按“+”键和“-”键设定设定温度，当第二次按一下设置键时，则可以按“+”键和“-”键设定功率档位，当第三次按一下设置键时，则返回到当前状态。

(5)出水温度超过69℃时，停止加热，并蜂鸣报警。

(6)内胆温度超过105℃时停止加热，防止干烧。

1.2 设计方案的选择和论证

用DS18B20采集温度，直接将数字信号送给单片机，再由LCD12864液晶显示，通过可控硅控制发热管，这种方法，线路比前者简单，且读取温度准确度高，采用大屏液晶显示，同时能显示当前温度，设定档位，设定温度，和当前状态。

2.电热水器系统设计

2.1 系统总体方案设计

在本系统中，需要检测的输入信号有出水温度和水流检测信号等，需要输出的信号主要是双向可控硅的导通时间以控制加热功率的大小。液晶的实时显示，并还要完成出水温度的设置，功率的设置，和保护功能，如温度超限报警，防干烧等等。系统总体方案设计图如图1。

2.2 控制系统的硬件组成及工作原理

电热水器控制系统主要是由5V稳压电路，液晶显示电路，加热输出控制电路，过零检测电路，水流检测电路，温度检测电路和报警电路等电路组成。

控制系统的原理如图表2所示，首先通过温度传感器DS18B20将出水口的温度直接变换成数字送到单片机，单片机对接收的信号与设定信号进行比较，输出一个控制量，控制可控硅的导通角，以实现对加热量的控制，同时用LCD12864显示当前温度，当出现故障时，液晶提示故障，并蜂鸣器报警，断开继电器，并停止对可控硅的导通信号等等。

3.控制系统总硬件电路的设计

3.1 温度检测电路

3.1.1 温度和温度传感器

采用了美国DALLAS半导体公司生产的智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为-55～+125℃，分辨率最大可达到0.0625℃，DS18B20可以直接读出被测温度值，而且只需1线与单片机相连。

图1 系统总体方案设计图

图2 水温与流量、加热功率之间的关系

3.1.2 DS18B20与单片机的接口电路

DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的3脚接地，2脚作为信号线，1脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，1脚和3脚都接地，2脚作为信号线。这种接线可能会出现电源电流不足的现象，所以采用第一种接线方式，他不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，工作稳定可靠，抗干扰能力强，同时在总线上理论可以挂接多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。

3.1.3 DS18B20写数据时序

当主机总线T0时刻从高拉到低时，就产生写时间间隙，从T0时刻开始15US之内就将所需要写的位送到总线上。DS18B20在T0后15-60US间对总线采样。如果采样到低电平，刚写入位是0，若采样到高电平，则写入的位是1。

3.1.4 DS18B20读数据时序

主机总线从T0时刻从高拉低电平时，总线只需要保持低电平7US，之后在T1时刻将总线拉高，产生读时间间隙，在讯时间间隙在T1时刻后T2时刻前有效，T2距T0 15US。也就是说，必须在T3时刻前主机完成读数据，DS18B20会在T0后的60US内释放总线，输出控制电路，主要是光电耦合器MOC3023，双向可控硅，继电器，接触器，三级管和加热管器件组成。利用光耦隔离交直流信号，以保证由单片机输出信号与外部设备之间的电隔离。P1.4为低电平时，继电器导通，再通过接触器接通加热控制回路，同时单片机P1.3脚输出移相控制信号，通过光耦MOC3023控制双向可控硅的导通时间，以便调节输出功率大小。其中串联在继电器线圈回路的熔丝(FUSE)为105℃的热保险丝，当温度超过105℃时，热保险丝会熔断，防止加热管干烧。与电热丝并联的LED发光管用来指示电热丝的工作状态。

双向可控硅的选择：根据热学及流体力学原理结合实际实验室测试，可以得到水温与流量、加热功率之间的关系（如图2所示）。

为了达到快热的效果，要求加热管有较大的功率，电热水器一般采用方便的电热丝加热方法，根据上图，要满足要求，选用BTA41。

3.2 工作原理

3.2.1 过零检测工作原理

经变压器次级得到AB两点(～14V)，经过D1，D2全波整流后，形成脉动直流波形，电阻分压后，再经过电容滤波，滤去高频成分；形成C点电压波形，当C点电压低于0.7V时，三极管截止，D点为高电平；当C点电压大于0.7V时，三极管导通，D点为低电平；这样反复导通，截止，形成了D点电压100HZ脉冲波形，通过中断，检测电压零点。

3.2.2 5V稳压电路原理

经变压器次级得到AB两点(～14V)，再经过桥堆BR1，形成直流，再经过L7805稳压管U2得到5V电压，两边的电容C4，C5是输入端和输出端滤波电容，作用是使电压更加平稳。

3.3 报警电路

采用5v有源式蜂鸣器，通过三极管Q3控制蜂鸣器，当P2.1为高电平，三极管截止，蜂鸣器不报警，当P2.1为低电平时，三极管导通，蜂鸣器报警。

4.控制系统的软件设计

电热水器温度控制系统程序是由MCS-51单片机C语言编写，整个程序主要由8个子函数组成，分别是2个延时函数(毫秒级和微秒级)，一个写液晶数据函数，一个写液晶指令(地址)函数，一个写DS18B20数据函数，一个读DS18B20数据函数，一个复位DS18B20的函数。一个初始化函数(不包括中断函数)；经过组合：得到如下3大函数，再加上中断函数(3个)一共可分为4大函数。分别如下：

(1)初始化函数，(void init())这里面包括了液晶的初始化设置，和进入系统后，液晶要固定显示的字符，中断的设置；扫描按键和温度

(2)显示DS18B20温度的函数，(void cs18wd())这里面主要包括了要读取温度，显示当前温度，超温报警，控制总中断等

(3)设置函数，(void sz())这里面包括了按键的扫描，设置档位，设置设定温度，电磁阀的控制，液晶的显示，蜂鸣器的控制等

(4)中断函数(三个)，这里面包括了，过零检测信号，给T0，T1，赋初值，给双向可控硅导通信号等

5.结束语

定时热水器无需储水罐，热水随开随用，不需预热，减少了电能浪费，另外还具有体积小。使用安全，安装方便等优点，比传统的热水器可节省40%的能耗，用多少热水加热多少，解决了热水用不完时的浪费和使用中途热水供应不足的现象，热水利用率100%，因为他不要提前预热，也不要保温，省去了大量的额外开支，给用户带来真正的实惠，该热水器作为新型环保产品在我国广泛使用已是大势所趋，更符合现代消费潮流。

[1]赵建领,薛园园.51单片机开发与应用技术详解[M].北京:电子工业出版社,2009,10.

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[3]张大明.单片机微机控制应用技术[M].北京:机械工业出版社,2009:1.