即热式电热水器温度控制电路设计和分析

2012-07-12岳阳职业技术学院机电工程系彭细华

电子世界 2012年13期

关键词：热式电热水器电路设计

岳阳职业技术学院机电工程系王伟刘锐彭细华

即热式电热水器温度控制电路设计和分析

岳阳职业技术学院机电工程系王伟刘锐彭细华

本文设计了一种基于AD590温度传感器的即热式电热水器温度控制电路，并对各部分电路的组成、工作原理进行详细的分析和说明。

即热式；传感器；温度控制

1.引言

即热式电热水器是一种通过短时间加热，即开即用并具有精确温度控制的新型热水器。其温度控制的主体设计主要包含三个方面，温度传感器、加热器和温度控制器。温度传感器为温度检测电路主体外围元件，其主要作用是用于接触机体输出水流，将测得的温度变化信号输出转换成电信号加以输出，加热器主负责于机体内部水流进行加热，保持恒定温度舒适的水流输出。温度控制器用于对机体内水温进行智能控制，并通过温度数字化来进行直观显示。总体框图如图1所示。

2.控制电路设计及原理分析

电路主要由温度检测、A/D数模转换、过零检测、加热控制及键盘、显示五部分电路组成，其电路设计和工作原理如下：

（1）温度检测电路

温度检测电路为该设计的主体电路之一，温度检测电路首先对经过加热器加热后的机体水流温度进行温度检测，同时将温度的变化信号转换为电脉冲的脉宽信号，继而反馈给单片机。依据良好的性价比，高精确度要求，设计采用美国ANALOGDEVICES公司的智能温度传感器AD590，工作电压在+4V～+30V范围内变化，反向最大承受电压为20V左右，正向最大承受电压为44V。输出电阻710MΩ，器件反接不会导致器件被损坏。正常工作温度为-55℃～+150℃。在+4V～+30V输入电压范围内，电路中电流每变化1µA则温度变化1K，电路设计如图2所示。

（2）A/D数模转换电路

如图3所示，A/D数模转换电路设计在电热水器温度控制器中，在数模信号的转换、传输及其他操作方面起着至关重要的作用，其中A/D数模转换器的型号选择是确保准确在数字位流中表达模拟信号，并提供数字信号处理功能平滑接口的关键所在。

本电路采用ADC0804作为转换芯片，ADC0804是属于8位COMS依次逼近型的A/D转换器，这类型的A/D转换器具有转换速度快、分辨率高，成本低的特点，在微电脑的接口设计应用较为广泛。其信号输入端口VIN(+)与AD590测温电路的输出端口Vo端相连，输出口DB0-DB7与单片机的P0口相接，外部时钟电路由RC网络构成，设计如图3所示。

（3）过零检测电路

过零检测电路在很多自动化控制电路中经常采用作为检测控制电路，电路一般由电阻、NPN、PNP晶体管及光电耦合器组成。在智能温度控制器的设计过程中采用过零电路检测主要是对电源电压波形的过零点进行检测。为提高过零检测电路的检测效率，使电路触发脉冲与交流电压保持一致，要求电路保持每在半个交流电的周期内输出一个触发脉冲，且触发脉冲电压幅值须大于4V，脉冲宽度20us以上。过零检测电路如图4所示。

过零检测电路的电路设计中，220V正弦交流电压首先输入，经100K大阻值电阻R15对电路进行分压限流后，输入两个反向相接的光电耦合器。当正弦交流输入电压下降至0V左右时，两个反接的光电耦合器其中一个的发光二极管处于反向截止状态，与此同时与之相对应的三极管基极偏置电阻上得电位处于高电位状态，使之处于导通状态，产生负脉冲信号后进行输出。三极管Q4的输出端与AT89S52的外部中断INT1相连，负脉冲产生后而引起单片机中断。

（4）加热控制电路

在实现温度检测和A/D数模转换后，水温的恒定需要进行加热维持。电路设计主采用元件包括可控制光耦合器件TLP521-4、光电耦合器MOC3061、继电器和加热管等。TLP521-4用于各控制电路之间的信号输出，使前端与负载相隔离，有着减小电路电压干扰，简化电路设计的作用。MOC3061用于控制过零触发，通过继电器控制加热管电路的通态或断态。加热控制设计电路如图5所示。

（5）键盘及显示电路

键盘、显示电路是系统与外界信号输入及仪表显示连接的紧密桥梁。键盘按键设置可根据系统控制功能的多少来进行选择，在本设计中包括由四个主要功能按键，由S1-S4组成。S1-S4采用彼此独立的接口方法，在与单片机引脚连接时分别和输入引脚P1.0、P1.1、P1.2和P1.3相连接。温度控制系统的启动或暂停由按键S1完成；温度上升加1或下降减1由按键S2、S3分别设定。如按键没有按下，则测得对应引脚为高电平信号；如按键按下有效，则在对应引脚上测出电平信号为低电平信号。这样，我们可以通过检测与按键相连输入引脚上的电平高低来验证是否有按键按下。