基于单片机的电热水器热水预测与控制系统

陈庆明 廖鸿飞

（中山火炬职业技术学院 中山 528436）

引言

在全球号召“节能、环保”，走可持续性发展道路时代背景下，十八大报告指出“把生态文明建设放在突出地位，走集约、智能、绿色、低碳的新型城镇化道路”。2021 年我国提出，力争2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和。

储水式电热水器作为最常用的家用热水供应的设备之一，其原理是先把电能以热水形式储存起来，使用时再把热水放出。目前大多数储水式热水器采用人为预估的方式，用户储存热水前先预估所需的热水量或者热水温度，然后通过设置太阳能热水器或电热水器加热以实现供应预估的热水。预估的准确性往往与预估人的知识经验息息相关，一般使用者对于热水器的机理、参数等认识不深，因此，就会造成用户预判和控制热水偏差较大。

满足用户用热水舒适性需求同时实现节能减排是目前储水式热水器急需解决问题之一，智能化控制是解决舒适性和节能节省的的重要而有效的措施之一。基于用户用水预测的电热水器智能控制系统通过学习历史用户的热水用水习惯和规律，进而按需供应热水，不仅可以满足用户热水使用需求的舒适性，同时有利于节省成本，是用户最优供水方案和智能控制方案的参考。

目前很多储水式电热水器的热水用量预测算法都较为复杂，主要依靠云端算力建立热水用量预测模型并根据模型预测未来热水需求量[1-4]。但目前很多家庭没有覆盖稳定WiFi 或者家电联网还没有完全普及或稳定的情况下，智能算法和控制实际上名存实亡，基于电热水器本机控制器的智能识别和控制还需进一步研究和开发。本文根据储水式电热水器加热热水的需求，基于离线的单片机提出学习用户用水习惯并预测未来时间的用水需求量，并相应的控制电热水器加热，得到满足用户使用需求的热水。

1 控制系统整体设计

基于热水使用预测的电热水器控制系统主要由储水式电热水器历史用水数据、热水预测系统、加热控制、加热执行、用户用热水检测装置等部分组成。其中，热水预测系统是根据用户过去的用水记录以及最新的用水检测预测下一个用水点及用水量；加热控制器主要是电热水器电路板及其器件，是根据预测的用水点和用水量以及电热水器本身的加热特性得到的加热控制量；加热执行器主要是加热棒，是根据控制器的控制来给内胆的冷水加热，如图1 所示。

图1 电热水器热水预测-控制系统

2 硬件设计

2.1 基于单片机的预测-控制硬件

基于单片机的热水预测-控制系统的硬件主要包括具有一定计算和数据存储能力的单片机最小系统、采集温度和流量的传感器、显示器、控制加热的继电器等，如图2 所示。

图2 储水式电热水器硬件结构及主要器件

2.2 单片机设计

本文采用的性价比较高的STM8 单片机，相比于同类的8 位单片机，STM8 具有较高的计算能力和较大的存储空间，以STM8S207C8T6 为例，芯片内部的程序存储容量为64 KB，内部的EEPROM 容量为1.5 K×8，可以满足一定需求的程序运算和用户用水数据保存，如图3所示。

图3 STM8 单片机的最小系统

2.3 传感器设计

传感器包括温度传感器和流量传感器，检测电路如图4，温度传感器选用NTC，主要用于检测内胆水温以及用户用水水温，检测内胆水温反馈给单片机用于温度控制，流量传感器选用霍尔流量传感器，联合检测用户用水温度和用水流量主要用于记录用户习惯用热水的量，处理方法为式（1）。单位时间内记录的是Q记录升的热水用量，随着用水时间累积，热水用量也相应累计。

图4 温度和流量传感器检测电路

式中：

T热水—储水式电热水器热水出口检测的热水温度值，单位℃；

T进水—排水过程中进电热水器内胆的冷水温度，单位℃；

T出水—根据标准[5-6]的放水形式的放水温度，单位℃；

q—进储水式电热水器的流量，也即热水流出的流量，单位L/min；

t—单位时间，单位min；

Q记录—单位时间内使用温度热水的量，单位L。

2.4 控制执行器

单片机控制电热水器加热的器件主要是继电器，当需要加热时，单片机控制继电器导通，使得加热棒联通220 V 市电；不需要加热时，单片机控制继电器关断，使得加热棒与220 V 市电断开，如图5 所示。

图5 继电器控制电路

2.5 显示设计

根据电热水器的显示需求，选择数码管作为温度显示，并且可以增加LED指示不同的工作状态，如图6所示。

图6 数码管控制电路

3 软件设计

3.1 热水预测系统

目前根据用户历史数据预测未来的热水用量的方法主要有最小二乘法、BP 神经网络算法等，这些方法能够较好的预测未来的热水用量，但也忽略了用户用水的时序性，如忽略用户用水具有习惯性也有季节性的变化。

本设计热水预测系统的用水数据是根据时间变化而记录的热水用量，每小时记录一次电热水器的热水用量形成时间序列，即一天有24 个时序点。热水预测系统根据过去若干时序点的用水数据预测未来一个时序点。

考虑到单片机的计算能力有限，在单片机上采用算法较为简单的最小二乘法来识别时间序列的周期，并且根据用户用水的习惯周期预测未来的用户用水量并相应供应热水。具体上，是根据最新的时间点，更新单片机内部的用户用水时序点，如果出现热水使用情况，那么对应时序点上记录对应的热水用量；如果该时序点没有热水使用，那么对应时序点上记录为0。然后，根据最新的热水用水的时序数据，依次假设周期为1、2…T 天，然后计算误差，当周期为T 天时，预测误差为式（2）。

式中：

Xi—序列号为i 的用水量数据，单位为L；

T—周期，单位为天；

N—计算值，满足最大值24T+N ≤nmax，nmax为数据存储系统的最大时序。

这样，就把单片机控制系统中所有的时序点的按照周期为T 天计算平均误差。依次计算完周期为1、2…T天的平均误差，比较那个周期的的平均误差最小，误差最小的周期确定为该用户用水时序的本身周期T0 天；然后根据当前时序点n 对应的n-T0*24 时序点的用水量为当前一个小时内的用水量预测值Q 升；根据该预测值开展热水加热控制，如图7 所示。

图7 基于单片机的热水预测程序流程

3.2 温度控制系统

当热水需求量为Q 升时，根据标准[5,6]的热水输出率公式，存在关系为：

式中：

T—储水式电热水器的内胆温度目标值，单位℃；

T进水—排水过程中进电热水器内胆的冷水温度，单位℃；

T出水—根据标准[5-6]的放水形式的放水温度，单位℃；

V—储水式电热水器的内胆体积，单位L；

Q—预测的时间内热水需求量，单位L。

即供应Q 升热水时，需要控制电热水器加热到T 温度。这样如图1 的控制框图，控制电热水器加热棒给内胆冷水加热，并且不断的采集内胆水温，直到内胆水温达到要求的T ℃。

4 系统的仿真与制作

基于单片机的电热水器预测-控制系统具有易实现、成本低、离线运行的优点，对储水式电热水器的用户热水量预测并控制能够较容易并且较好的实现。系统的设计与仿真可以在Proteus 平台上实现，在仿真平台中不仅可以仿真单片机的运行，而且能仿真单片机内部的程序，在仿真中调试用户用水量预测算法及控制程序。

程序仿真完成以后根据上述的硬件设计的原理图绘制PCB 板，将原理图以PCB 形式布局，PCB 板显示图如图8 所示。完成PCB 设计后打样调试硬件，然后变成软件程序，调试系统的预测算法和热水控制程序，直到完成系统的设计和制作。

图8 基于单片机的预测控制电路PCB 图

5 结论与展望

本文主要针对储水式电热水器按需提前加热热水的需求进行设计，设计主要是根据用户用书习惯数据预测当前及未来的用水需求，根据用水需求再控制储水式电热水器加热内胆储水到目标温度。考虑产品的成本及其实现，设计方案采用以STM8 单片机为核心，分别利用流量传感器与温度传感器对用户用水进行采集，并每小时按时序记录在单片机内部存储空间内；记录时序数据用于当前和未来某个时间内的用水量预测，根据预测值按需供水。本文所提供的基于单片机的热水用量的预测及控制方案为储水式电热水器智能控制提供借鉴。