基于ATmega8的即热式电热水器温度控制及保护系统

滕世国，宁 宇，张燕金

(1.韶关乳源东阳光机械有限公司，广东 韶关 512721；2.韶关学院 物理与机电工程学院，广东 韶关 512005)

0 引言

储热式电热水器存在加热速度慢，热水有限，水温不稳且难以控制；内胆易结垢，水质不干净；体积大等缺点.即热式电热水器克服了上述缺点，即开即热，水温恒定，热水无限量；无废气产生，无需储水保温，无散热损失，节水节电；由于加热的水属于“活水”，不易结垢，水质干净；体积小，安装简单.但是，它的缺点是功率太大(一般均在4 kW～8.5 kW)，除了安装线路的要求，还必须防止漏电和过温.

在市场现有的即热产品中，主要存在的缺陷：水压波动很大时(例如，突然停水等)，然后恢复正常供水，由于加热管功率很大，即热式电热水器的内胆储水比较少，加热管的余热会把内胆的较少储水升到很高的温度，会烫伤人体.另外由于水压的不稳定，造成出水温度的忽冷忽热.

本文对即热式电热水器由于水压波动引起的过温烫伤和水温的不稳，以及在漏电、超压等异常状况实施了全面的安全设计，并且加热控制采用特殊的模糊PID 加热控制算法，极大地提高了系统的可靠性.

1 系统总体设计

水箱采用316L 不锈钢，利用激光焊接工艺制作，加热管采用不锈钢加热管，水箱的进水和出水采用接地保护，进水口安装安全止回泄压阀、温度传感器和流量计，出水口安装温度传感器、防电墙和排水阀.

如图1，系统以基于ATmega8 单片机的主控板为核心.开关电源采用台湾明纬的双组输出医用型开关

图1 即热式电热水器控制系统框图

电源MPD-45A(输出DC5V 和DC12V).流量计采用乔亨的QH-A37，该流量计最大耐压1.75 MPa，测试范围2～30 L/min.水温传感器采用三菱电机的WTS-15，使用温度范围-30～105℃，37℃的阻抗值为29.46KΩ±3%.超温开关采用通宝华龙的KSD301，断开温度48±3℃.水箱防干烧采用KSD308(通宝华龙)45A/250VAC，温度超过95±3℃，切断加热电源.进线AC220V 先经过漏电空气开关(正泰)，再供给设备.漏电自检电路采用ROHM 的BD54123F 芯片，利用零序互感器的反馈，控制继电器模块实现漏电保护.水温控制是通过驱动双向可控硅TG16C(三社)的占空比实现.出水过温(超55℃)保护，通过硬件电路和软件程序，控制排水电磁阀模块实现.

2 基于ATMEGA8 单片机的主控电路和按键显示电路

以ATMEL 公司的ATmega8 单片机为核心的主控制硬件电路如图2 所示.它包括外部时钟源模块、ISP下载接口(也是按键和LED 显示模块连接接口)、漏电自检模块、超温(水温超过48℃)停止加热模块、过温(水温超过55℃)打开排水电磁阀模块、流量检测模块、出水和进水水温AD 输入模块.按键和LED 显示模块TM1628(天微)通过串行通讯和单片机连接.

漏电时BD54123F 实时漏电自检电路发出信号切断继电器模块，停止对加热管供电.流量检测小于2 L/min、进水水温超过35℃和出水水温超过42℃，也停止加热.48℃超温开关与安装在水箱上的铜片，通过导热硅脂紧密安装，超温时单片机引脚输入低电平，启动超温程序，切断加热电源.

加热驱动回路如图3 所示.AC220V 电源经二极管D2 半波整流后，获得一个正半周信号，通过电阻R69、R63 分压限流后，驱动光耦U5(电阻R71 起分流作用，保护光耦)，在光耦的次级产生基本脉冲信号，经电阻R142 和稳压管ZD10 整形后，得到规则的过零脉冲信号.过零信号输入单片机引脚32(INT0 输入)，单片机经过中断、延时程序、算法处理后，输出引脚2，驱动三极管Q26，控制光耦U4 的导通时间，经光耦U4 隔离后，驱动双向可控硅模块，控制加热管功率，实现对水温的控制.

按键和LED 显示模块硬件电路，如图4.CN10连接主控板的编程口CN5(如图2)，和单片机通过串口(CLK，STB，DIO)实现数据交换.TM1628 是一种带键盘扫描接口的LED 驱动控制专用电路，内部集成有MCU 数字接口、数据锁存器、LED 高压驱动、键盘扫描等电路.

图2 基于ATMEGA8 单片机的主控制硬件电路

图3 过零信号电路可控硅驱动硬件电路

图4 按键和LED 显示模块硬件电路

3 过温和漏电保护电路

过温保护电路(图5)，响应速度快，稳定性好.出水温度传感器信号接入四比较器BA10339F(ROH)集成芯片组成的电压比较回路.正常温度时，比较回路输出低电平，驱动三极管Q32 打开，然后打开三极管Q29，接线端子CN8 的引脚2 为0V；单片机输出引脚10 为高电平，驱动三极管Q31，正常出水，不进行排水，当出水温度超过55℃，电压比较回路输出高电平，使三极管Q32 断开，然后使三极管Q29 断开，排水电磁阀模块使能，切断正常供水，高温的水从地漏排走；出水过温信号9 变为高电平，反馈给单片机引脚9，单片机输出引脚2 高电平使能(如图3)，切断加热电源.经制作的样机测试，水压波动很大时(例如，突然停水等)，然后恢复正常供水，由于加热管的余热会把内胆的较少储水加热到很高的温度(超过55℃)，如图5 所示的过温保护电路在20 ms 内动作，由于测温点和排水电磁阀之间有一定长度的管路，过温的水全部从地漏排走.

设备供电先经过漏电空气开关，进行漏电保护.图6 为漏电自检硬件电路，是漏电的双重保护，实时自检漏电.BD54123F 是用于对地漏电保护器的专用高速芯片，温度范围宽(-20℃～80℃)，输入灵敏度高，高抗干扰和抗冲击能力，低功耗.

当设备出现漏电流时，在零序互感器的二次绕组中感应电流产生，电流经电阻R17 转换为电压信号，输入引脚2.当漏电流较小(小于动作电流)时，7脚输出低电平，漏电信号13 为高电平；当漏电流较大于动作电流时，7 脚输出高电平，驱动三极管Q1，漏电信号13 为低电平，如图2，输入单片机引脚13，漏电保护程序使能，引脚14 输出高电平，驱动三极管Q33，继电器模块动作，切断加热电源.

图5 过温保护电路

图6 漏电自检电路

4 控制系统软件设计

本系统采用ATMEL 公司推荐的第三方C 编译器ICCAVR V8.0，利用C 语言进行编程.程序流程图，如图7 所示.参数初始化，包括硬件初始化(端口初始化、中断和时钟初始化和看门狗初始化等)、ADC 初始化、串口通讯初始化和EEPROM 初始化等.故障自检，由漏电自检、过零电路自检、过温开关和水温传感器故障自检等组成.读取AD 水温，读进出水水温，增加了滤波程序.读写按键和LED 模块，通过TM1268 串口通讯实现.模糊PID 加热控制模块，通过对进出水温度、当前流量，电源的过零信号和设置水温，单片机运行模糊PID 加热算法，通过过零信号移相触发可控硅控制加热，如果有故障马上停止加热.

模糊PID 加热控制流程图，如图8.程序的采样时间设置为100 毫秒，加热使能，进行PID 参数初始化，读取当前的水温，求取err_k0 值.err_k0、当前进水温度和当前流量计算e 和ec.通过e、ec 查表得到Kp、Ki 和Kd.运行PID 运算，计算出输出量u_k.

图7 程序流程图

图8 模糊PID 加热控制流程图

5 结语

本文对即热式电热水器进行了比较全面的安全设计和优化的水温控制算法.经制作的样机验证，如图9，加热水温趋势图.进水压力0.2 MPa，进水温度为20℃，出水流量10±0.1 L/min，设定温度为42℃加热30 s，设定温度为38℃加热30 s，设定温度为42℃加热20 s，设定温度为34℃加热30 s，

图9 加热水温趋势图

然后停止加热，进行测试.测试结果显示，温度偏差在±2℃.开机水温稳定时间(从加热器启动加热到实际出水温度达到设定出水温度允许偏差±2℃范围的时间)在10 s 内.动态水温稳定时间(加热器正常工作，且实际出水温度符合设定温度要求的状态下.从改变设定出水温度或改变设定流量，到实际出水温度达到设定出水温度允许偏差±2℃范围的时间)在5 s 内.水温动态稳定性良好，反应灵敏.通过模糊PID 加热控制算法，流量波动0.1 L/min内，水温比较稳定，偏差在±2℃.另外，通过制作的样机验证，安全保护措施动作灵敏，运行可靠，并且整机的制作成本低，具有很好的市场应用前景.