基于单片机控制的燃气热水器温度控制设计

[摘要]燃气热水器的安全性和易用性一直是设计者追求的目标;人类也为此做很多尝试,用单片机作控制系统是一种有益的探索。用成熟的MC6805R2作为主控芯片,结合传感器实施温度控制、保护控制实现低成本、高可靠的目的。

[关键词]单片机 温度控制 A/D转换

中图分类号:TP2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0910014-02

一、现有燃气热水器的不足

为保证用户安全和保证热水器寿命的情况下,燃气热水器一般安装在浴室外,且通风的环境下,所以现有的燃气热水器也给用户带来了以下不便:

1.热水温度不能实时显示,使用户不能实现调节好热水温度,给洗浴带来不便。

2.水量和气量不能实时显示和控制,当遇到水量、气量突然增大或减小则会影响水温,给用户造成不便。

3.在洗浴过程中如果要调节温度,则要到浴室外,或请人帮忙调节,极不方便。

4.手动调节温度精度差,不能快速调节到自己想要的温度。

二、系统分析设计

(一)概述

燃气快速热水器经历了功能简单,出水量小到目前的自动点火,自动恒温,出水量大,各种保护功能齐全的过程,但各种控制电路保护电路也越来越复杂,硬件成本及故障也相应较高。以软件控制方式来代替复杂的硬件线控制已成趋势。用结构紧凑、控制灵活、集软件、硬件与一身的单片机来做主控制器是最为理想的选择。

(二)基本工作原理

该智能燃气热水器工作过程分别为出水温度,水量设定;自动点火,熄火保护;出水温度自动恒温。该智能热水器具有以下功能:1.使用高清晰度数码管实时显示水温,水量和气量;2.可用键盘方便地设定水温、水量并在LED上显示;3.按设定温度加热到相应水温,并具有保温功能。系统利用集成温度传感器AD590完成温度测量并转换成模拟电压信号,经由A/D转换器ADC0804转换成数字信号送到MC6805R2单片机中,单片机将采集到的温度值与通过键盘设定的温度值进行比较,根据比较结果,控制加热器的开断,同时将温度值实时显示在LED显示器上。其工作原理框图如图1所示。

1.出水温度、水量设定

接通电源后,温度显示器显示当前水温,水量指示器指示的水量为上次洗澡结束时的出水量,同时单片机不断查询功能键,当水温设定键按下时,最初显示初始化时设定水温42℃,接着显示器显示当前设定值,当用户松开设定键,单片机记录最后显示值,作为设定值。同样用户根据水量指示器指示的水量,来设定自己所需的水量。在自动恒温过程中,若调节燃气量达不到恒温时,单片机就通过调节出水量来达到恒温要求,此时实际出水量可能会偏离设定值。单片机的软件还规定了用设定水温不得高于65℃,若高于65℃,则以65℃作水温设定值,最低水温不得低于当时环境水温,否则不能启动热水器。水量设定值最大为八段指示器全亮,最小为一段指示器亮。

2.自动点火和熄火保护控制

用户设定好水温、水量后,开通水阀,水动开关接通,单片机控制电脉冲器自动点火,1秒后打开燃气电磁阀,火焰检测器检知燃烧器点燃后,点亮燃烧指示灯,关掉电脉冲点火器,进入自动恒温控制程序。如点火10秒后,燃烧器还没有点燃,则关掉电磁阀,电脉冲点火器,发出警告信号(燃烧指示灯闪烁),提醒用户燃气是否用完或打开等。此时要关掉水阀或按RESET按键才能重新点火。在热水器整个工作中,燃烧器意外熄火,都会关掉电磁阀,实行熄火保护,以策安全。

3.出水温度自动控制

当热水器进入自动恒温控制程序时,单片机通过采样电路,取得当前的水温,水量、耗气量等数据,根据控制软件和用户设定值,先调节燃气耗量,即在实测水温低于设定值是,接通气量调节电机正转,增加热水器的热负荷,使出水温度上升,在热负荷达到最大值。出水温度还达不到设定值时,接通水量调节电机反转,减小出水量,使出水温度达到设定值。当实测水温高于设定值时,先接通气量调节电机反转,降低热水器的热负荷,使出水温度下降,在热负荷调节到最小,出水温度还高于设定值时,接通水量调节电机正转,增大出水量使水温降到设定值,单片机就是通过反复调节热水器的热负荷和出水量,实现出水温度自动控制。

(三)硬件设计

1.水温、水量、气量采样、设定电路

电路原理如图2所示,IC1为集成温度传感器,用于检出水水温,IC2为集成运算放大器,用于放大IC1输出的温度信号,W2、W3分别为水量、耗气量反馈电位器,通过检测水阀和气阀的开阀位置来间接测量热水器出水量和耗气量。通过对PD端口DO、D1、D2脚输入电压的A/D转换,单片机可以取得当前的出水温度、水量及耗气量。SW1、SW2为水温设定的上升键和下降键,SW3、SW4为水量设定的上升键和下降键,单片机的AO～A4接收它们的设定信号。SW1被按下时,水温显示器1℃/S的速度向上升温,而SW2按下时,则以1℃/S的速度向下降温,松开时,显示器的最终显示温度即为设定值。SW3被按下时,水量调节电机带动水阀和水量指示电位器正转,水量逐渐增大,对应的指示灯逐个点亮。水量最大时,八段全亮。SW4被按下时,水量调节电机带动水阀和水量指示电位器反转,水量逐渐减小,对应的水量指示灯逐个熄灭,水量最小时,即使不松开按键电机也自动停止转动,而拄键松开时的水量印为设定水量,操作方便简单。

2.温度显示,水量、耗气量指示电路

电路原理图如图3所示,LED1、LED2分别为水量、耗气量指示器,采用单排八段数码管指示水量、耗气量。与水阀芯、气阀芯联动的反馈电位器,间接的反应了水量和耗气量,单片机采样反馈值后,输出相应数据给LED1和LED2,指示当前水量、耗气量。单片机从温度采样电路中输入当前的出水温度,其数据经处理后,一方面从PB端口BO～B7端将数据输出给LED3显示当前水温:另-方面与设定水温值进行比较运算,运算结果从PA端口的A4～A7端输出,控制水量、气量调节电路,实现出水温度的自动恒温控制。图中的Q1～Q4四只开关三极管由单片机的PC端口CO～C3控制,用于实现LED1、LED2、LED3的动态显示,节省了单片机的有限资源,降低生产成本。

(四)软件设计

主控制程序流程如图4所示,接通电源后,单片机从RESET进入住控制程序,初始化后,对水量、耗气量、水温进行采样,在线控器上显示当前水温、指示水量、耗气量。

三、结论

本设计利用单片机实时控制能力强通过交互方式调温,提高用户安全洗浴方面做了有益的探索。实现了低成本环境下相对较高精度、比较可靠调节燃气热水器水温的目的。

参考文献:

[1]夏昭知、伍国福主编,燃气热水器[M].重庆:重庆大学出版社,2002.

[2]Dinse D R.Henderson H I.Richardson J O.Field performance of HPWH preheating for water heating systems in schools[J].ASHRAE Transactions,2004.

[3]李广第主编,单片机基础,第1版,北京:北京航空航天大学出版社,1999.

[4]肖洪兵主编,跟我学用单片机,北京:北京航空航天大学出版社,2002.8.

作者简介:

沈静桥(1972-),男,四川成都人,讲师,工学硕士,从事计算机嵌入式和计算机网络方向研究。