谭志强1，杨俊杰1，楼志斌2，魏春娟1
（1．上海电力学院电子与信息工程学院，上海200090；2.上海科学院，上海201203）
摘要：现有的家用电热水器主要分为连续水流式和贮水式，前者加热快但功率要求很高，后者功率低但加热时间长、可靠性差。针对该问题设计了一种基于单片机的智能电热水器控制系统。系统在家用贮水式电热水器上进行改进，根据设置的水温和水位值自动控制加热器和进水阀工作，具有人机交互、水位控制、温度控制、漏电保护及声音报警等功能，以及操作方便、安全可靠、节能环保等优点。
关键词：电热水器；单片机；水流式；贮水式
中图分类号：TP273文章编号：1006 - 2394( 2016) 03 - 0001 - 04
0 引言
电热水器是一种常用家用的电器。目前市场上的电热水器分为连续水流式和贮水式。前者虽然具有加热速度快和体积小的优点，但需要的功率大，大多数家庭供电线路难以承受。而后者大多数采用机械式控制器，功率要求较低、安全性高，但存在加热时间长、精度低、可靠性差、控制不方便等不足。为了提高贮水式电热水器操作的方便性与可靠性，本文设计了一种家用智能电热水器控制系统，本系统在家用贮水式电热水器上进行改进，可以实现人机交互、水位控制、温度控制、漏电保护及声音报警等功能，本系统工作可靠稳定、抗干扰能力强，大大提高了电热水器的安全性、智能化和数字化。
1 系统组成及工作原理
本系统包括单片机最小系统模块，电源模块，人机交互模块，漏电保护模块，声音提示模块，温度检测控制模块和水位检测控制模块等七个模块。其中，单片机最小系统模块是该系统最为核心的部分，用于实现对其他模块的控制功能；电源模块为系统提供5V直流电；人机交互模块实现单片机和外部的信息传递；漏电保护模块用于检测是否有漏电现象，保证热水器安全稳定工作；声音提示模块用于发音提示热水器当前水位状态；温度检测控制模块实现对水温的检测与控制；水位检测控制模块实现对水位的检测与控制。系统结构框图如图1所示。
本系统的控制过程如下：首先通过人机交互模块设定系统的工作状态，即根据人们需要设定水位与温度值，接着通过水位检测控制模块检测水箱中水位并控制水量进出，然后通过温度检测控制模块对加热电阻进行控制，同时温度检测控制模块检测水箱中温度，并通过显示模块将实时测量的水位、温度信号值发送给液晶显示屏显示。本系统确保电热水器能在安全状态下工作，实现对电热水器的智能控制。
2系统硬件设计
本系统的硬件电路设计包括单片机最小系统电路，人机交互电路，漏电保护电路，水位检测控制电路，温度检测控制电路和声音提示等六部分。核心控制器选用ATMEL公司的AT89S52单片机，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 KB系统可编程Flash存储器，在众多嵌入式控制应用系统中广泛应用。
2.1人机交互电路设计
人机交互界面包括键盘与液晶显示两部分，通过键盘操作实现对电热水器的控制操作，从液晶显示界面了解热水器的工作参数与状态。其中，通过键盘进行的操作主要有设定水位和温度，液晶显示部分显示设定水位和温度值，以及当前的水位和温度值。本系统设计中键盘采用独立式键盘，通过四个独立的按键向控制器发送数据，每个按键占用单片机一个I/O口。这四个按键的功能分别是功能选择按键、加法按键、减法按键和跳出设置按键。液晶显示屏采用LCD1602，按键和LCD1602控制电路如图2所示。
2.2漏电检测电路设计
为了确保人身安全，本系统设计具备漏电保护功能电路。漏电检测电路如图3所示，电路由电感线圈L1、L2，电阻R1～R4，电容C1和比较器LM393组成。漏电检测线圈的输出经过比较器后送给单片机，当漏电超过规定的阀值，单片机立即响应中断，切断整个系统的电源并发出报警信号。
2.3水位检测电路设计
水位检测电路如图4所示，用八根不锈钢针分别置于水箱容积的八平分位置，在电极间加电流，直流电压通过一个较大电阻和钢针分压，钢针上的压降不大。当某个钢针不接触水面时，其输出为高电平，当钢针与水面接触时则输出为低电平。各输出分别连接单片机的Pl.0~ Pl.7引脚，单片机对这些引脚进行判断处理后，即可得出相应的水位值，省去了传统的A/D转换器。当监测水位低于设定水位时，单片机即控制进水阀打开注水直至注满热水器。
2.4温度检测控制电路设计
为保证温度检测准确可靠，本系统采用DALLAS公司的数字式温度传感器DS18 820。DS18 820将温度传感器、信号放大器、A/D转换接口全部集成于一块芯片，测得的温度信号转换为数字量输出，可以与单片机直接相连。当检测温度低于设置温度时，单片机即控制加热电路工作。温度检测控制电路如图5所示，图中Dl是二极管，起续流保护作用；R8能提高单片机端口的驱动能力。当P22端口为低电平时，PNP三极管导通，驱动继电器线圈产生电磁场，此时继电器的衔铁被吸下，使得电磁阀接入SV电源，电磁阀电路处于导通状态；反之，P22为高电平时，电磁阀电路处于断开状态。
3系统软件设计
本系统软件设计时采用模块化程序设计的方法，按照系统的总体结构与各部分的功能关系，将整个程序划分为多个功能模块部分分别进行编程，以子函数的形式来进行调用。系统软件部分主要实现对热水器的控制工作，由液晶显示程序、按键扫描程序、水位检测程序、温度控制程序、声音提示程序和漏电保护程序等六个部分组成。系统软件部分主程序流程图如图6所示。
3.1 液晶显示程序设计
本设计使用LCD1602液晶显示屏，LCD1602可显示两行，每行16个字符，不能显示汉字，内置128个字符的ASCII字符集字库，只有并行接口，无串行接口。分析LCD1602的读写操作时序图便能得出其工作流程，设计相应的程序，首先是初始化显示模式寄存器、光标设置寄存器和移屏寄存器，最终完成显示功能。
3.2按键扫描程序设计
按键信号处理包括三个方面：按键动作检测、确定按键键值和按键响应。考虑到外界因素和实际进行按键操作时，按下及松开的瞬间都容易产生抖动现象，造成按键操作时按键端口电平可能会多次跳变。本系统设计通过软件措施完成去抖动与防干扰处理，采用定时中断扫描的方式进行按键检测，通过单片机定时中断，每隔10 ms扫描一次按键端口状态，按键检测过程中无需一直监视按键端口或执行额外的延时程序，节省了单片机的CPU资源和中断资源。按键扫描流程图如图7所示。
3.3温度采集程序设计
温度采集是通过分时与DS18820的单总线通信完成的，有严格的时隙概念，因此对DS18820的各种操作必须按协议进行。通过单线总线的所有执行都从一个初始化时序开始，初始化时序包括一个由总线控制器发出的复位脉冲和其后由从机发出的存在脉冲。存在脉冲让总线控制器获知DS18 820在总线上且已准备好操作，然后初始化DS18820便能实现温度的读取。
3.4按键控制程序设计
热水器控制系统的控制过程可分为三个步骤：温度和水位数据采集、温度和水位数据分析处理、控制外部输出。这个三个步骤不断重复，使整个系统实现所需的控制目标。控制器设置了四个按键：“进入设置”、“加法按键”、“减法按键”和“跳出设置”。“进入设置”用于切换设定温度和水位初始值的修改。第一次按下为水温度初始值变为可调，再次按下水位初始值变为可调状态，此为一个循环，即水温初始值为偶数次按键，而水位初始值为奇数次按键，直至“跳出设置”按下，保存当前设置，跳出菜单。“加法按键”和“减法按键”用于调整设定的水温和水位的上下限。当前状态为可调状态时每按一次“加法按键”或“减法按键”，被设置的数据值递增或递减。调整温度值时以1℃为调整单位，调整水位时以10 L为调整单位。“跳出设置”用于在可调状态时，保存当前设置参数并跳出可调状态，返回主程序。按键控制流程图如图8所示。
4 实验设计及结果分析
4.1实验设计
准备稳压稳流电源DH1718E、示波器RIGOLDS4034、伟福仿真器、万用表、温度计、玻璃杯、万用板、不锈钢针、所需电子元器件、导线等，先通过Proteus软件绘制设计好的电路图，经过软件仿真验证系统功能是否正常，然后用万用板焊接具体电路，实际测试系统功能是否正确，最后验证系统是否可靠。
4.2实验结果
经过软件仿真后，最后就是对实际电路的调试。调试结果和预定的功能基本一致，硬件电路能够检测水温和水位，并且能够在LCD1602上显示出来；能够通过按键调节设定温度和水位的设定值；基本的报警和指示灯显示功能也能够实现。实验调试结果如图9所示。图中液晶显示器显示内容是，ST:设定温度为40℃；SW:设定水位20 L；NT:实际测得热水器温度是23℃：NW:测得水位是60 L。
给系统设定不同的温度值，然后用温度计实际测量水温，比较设定温度和测量温度的区别，结果如表1所示。由表可知，设定温度和实测温度之间的绝对温度差不超过2℃，由于系统显示数值没有小数点部分，所测结果只能以度来衡量，实际绝对温度差应该小于2℃，测量结果满足系统误差的要求。通过实验可知，本系统可以实现家用热水器的智能控制，操作简便、安全可靠。
5结论
本系统采用AT89S52单片机作为主控芯片，利用温度传感器DS18 820采集温度，设计了水位检测控制电路、温度检测控制电路、按键控制电路、漏电保护电路等，电路简单、运行稳定安全、工作精度高，且通过按键可以方便地进行温度和水位值的设定，具有很大的实用价值，实现了节能环保、低成本、智能化和数字化的设计要求。
