岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 王 偉 劉 銳 彭細(xì)華

即熱式電熱水器溫度控制電路設(shè)計(jì)和分析

岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 王 偉 劉 銳 彭細(xì)華

本文設(shè)計(jì)了一種基于AD590溫度傳感器的即熱式電熱水器溫度控制電路，并對(duì)各部分電路的組成、工作原理進(jìn)行詳細(xì)的分析和說明。

即熱式；傳感器；溫度控制

1.引言

即熱式電熱水器是一種通過短時(shí)間加熱，即開即用并具有精確溫度控制的新型熱水器。其溫度控制的主體設(shè)計(jì)主要包含三個(gè)方面，溫度傳感器、加熱器和溫度控制器。溫度傳感器為溫度檢測(cè)電路主體外圍元件，其主要作用是用于接觸機(jī)體輸出水流，將測(cè)得的溫度變化信號(hào)輸出轉(zhuǎn)換成電信號(hào)加以輸出，加熱器主負(fù)責(zé)于機(jī)體內(nèi)部水流進(jìn)行加熱，保持恒定溫度舒適的水流輸出。溫度控制器用于對(duì)機(jī)體內(nèi)水溫進(jìn)行智能控制，并通過溫度數(shù)字化來進(jìn)行直觀顯示?？傮w框圖如圖1所示。

2.控制電路設(shè)計(jì)及原理分析

電路主要由溫度檢測(cè)、A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換、過零檢測(cè)、加熱控制及鍵盤、顯示五部分電路組成，其電路設(shè)計(jì)和工作原理如下：

（1）溫度檢測(cè)電路

溫度檢測(cè)電路為該設(shè)計(jì)的主體電路之一，溫度檢測(cè)電路首先對(duì)經(jīng)過加熱器加熱后的機(jī)體水流溫度進(jìn)行溫度檢測(cè)，同時(shí)將溫度的變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖的脈寬信號(hào)，繼而反饋給單片機(jī)。依據(jù)良好的性價(jià)比，高精確度要求，設(shè)計(jì)采用美國(guó)ANALOGDEVICES公司的智能溫度傳感器AD590，工作電壓在+4V～+30V范圍內(nèi)變化，反向最大承受電壓為20V左右，正向最大承受電壓為44V。輸出電阻710MΩ，器件反接不會(huì)導(dǎo)致器件被損壞。正常工作溫度為-55℃～+150℃。在+4V～+30V輸入電壓范圍內(nèi)，電路中電流每變化1μA則溫度變化1K，電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

（2）A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

如圖3所示，A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)在電熱水器溫度控制器中，在數(shù)模信號(hào)的轉(zhuǎn)換、傳輸及其他操作方面起著至關(guān)重要的作用，其中A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器的型號(hào)選擇是確保準(zhǔn)確在數(shù)字位流中表達(dá)模擬信號(hào)，并提供數(shù)字信號(hào)處理功能平滑接口的關(guān)鍵所在。

本電路采用ADC0804作為轉(zhuǎn)換芯片，ADC0804是屬于8位COMS依次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器，這類型的A/D轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換速度快、分辨率高，成本低的特點(diǎn)，在微電腦的接口設(shè)計(jì)應(yīng)用較為廣泛。其信號(hào)輸入端口VIN(+)與AD590測(cè)溫電路的輸出端口Vo端相連，輸出口DB0-DB7與單片機(jī)的P0口相接，外部時(shí)鐘電路由RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，設(shè)計(jì)如圖3所示。

（3）過零檢測(cè)電路

過零檢測(cè)電路在很多自動(dòng)化控制電路中經(jīng)常采用作為檢測(cè)控制電路，電路一般由電阻、NPN、PNP晶體管及光電耦合器組成。在智能溫度控制器的設(shè)計(jì)過程中采用過零電路檢測(cè)主要是對(duì)電源電壓波形的過零點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。為提高過零檢測(cè)電路的檢測(cè)效率，使電路觸發(fā)脈沖與交流電壓保持一致，要求電路保持每在半個(gè)交流電的周期內(nèi)輸出一個(gè)觸發(fā)脈沖，且觸發(fā)脈沖電壓幅值須大于4V，脈沖寬度20us以上。過零檢測(cè)電路如圖4所示。

過零檢測(cè)電路的電路設(shè)計(jì)中，220V正弦交流電壓首先輸入，經(jīng)100K大阻值電阻R15對(duì)電路進(jìn)行分壓限流后，輸入兩個(gè)反向相接的光電耦合器。當(dāng)正弦交流輸入電壓下降至0V左右時(shí)，兩個(gè)反接的光電耦合器其中一個(gè)的發(fā)光二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，與此同時(shí)與之相對(duì)應(yīng)的三極管基極偏置電阻上得電位處于高電位狀態(tài)，使之處于導(dǎo)通狀態(tài)，產(chǎn)生負(fù)脈沖信號(hào)后進(jìn)行輸出。三極管Q4的輸出端與AT89S52的外部中斷INT1相連，負(fù)脈沖產(chǎn)生后而引起單 片機(jī)中斷。

（4）加熱控制電路

在實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)和A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換后，水溫的恒定需要進(jìn)行加熱維持。電路設(shè)計(jì)主采用元件包括可控制光耦合器件TLP521-4、光電耦合器MOC3061、繼電器和加熱管等。TLP521-4用于各控制電路之間的信號(hào)輸出，使前端與負(fù)載相隔離，有著減小電路電壓干擾，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的作用。MOC3061用于控制過零觸發(fā)，通過繼電器控制加熱管電路的通態(tài)或斷態(tài)。加熱控制設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

（5）鍵盤及顯示電路

鍵盤、顯示電路是系統(tǒng)與外界信號(hào)輸入及儀表顯示連接的緊密橋梁。鍵盤按鍵設(shè)置可根據(jù)系統(tǒng)控制功能的多少來進(jìn)行選擇，在本設(shè)計(jì)中包括由四個(gè)主要功能按鍵，由S1-S4組成。S1-S4采用彼此獨(dú)立的接口方法，在與單片機(jī)引腳連接時(shí)分別和輸入引腳P1.0、P1.1、P1.2和P1.3相連接。溫度控制系統(tǒng)的啟動(dòng)或暫停由按鍵S1完成；溫度上升加1或下降減1由按鍵S2、S3分別設(shè)定。如按鍵沒有按下，則測(cè)得對(duì)應(yīng)引腳為高電平信號(hào)；如按鍵按下有效，則在對(duì)應(yīng)引腳上測(cè)出電平信號(hào)為低電平信號(hào)。這樣，我們可以通過檢測(cè)與按鍵相連輸入引腳上的電平高低來驗(yàn)證是否有按鍵按下。

3.結(jié)語

該電路設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過仿真驗(yàn)證，溫度控制精確度可達(dá)±0.1℃，且具有整體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，如在控制算法方面進(jìn)一步研究，溫度控制的精確性和穩(wěn)定性會(huì)有更大幅度的提高。

[1]王福源,王瑋,候均衡.智能型電熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào),2002(6):523-525.

[2]張志利,蔡偉.基于AD590的溫度測(cè)控裝置研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2001(2):37-39.

[3]劉亦萍.即熱式電熱水器控制電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].機(jī)電一體化,2003(3):58-59.

[4]吳永橋,施光林,金康進(jìn).新型恒溫即熱式電熱水器控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2004(4):683-687.