即热式电热水器模糊温度控制器的研制.txt

智能家用电热水器控制器设计参考资料~~！！

控制系统原理框图如图2一2所示。首先通过温度传感器DS18B20将出水口
温度直接变换成数字量送到单片机。单片机对接收到的信号与设定信号进行比较，
采用模糊控制的方法，输出一个控制量，控制可控硅的导通角，以实现对加热量
的控制。同时用LED显示当前温度。当出现故障时，自动检测故障原因，并显示
相应故障代码。
2.2控制系统硬件电路的设计
控制系统硬件电路图如附录1所示，下面就各个硬件电路设计模块分别描述:
2.2.1温度检测电路
1.温度和温度传感器
温度的检测传感器很多，传统的测温元件有热电偶和热电阻，而热电偶和热
电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，
硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。根据产品的温度要求，温度精度要
达到0.5℃，所以采用了美国DALLAS半导体公司生产的智能温度传感器DS18B20
作为检测元件，测温范围为一55度到125度，分辨率最大可达0.0625度。DS18BZO
可以直接读出被测温度值，而且采用3线制与单片机相连，减少了外部的硬件电
路，具有低成本和易使用的特点。DS18B20的性能特点如下:
.独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通讯浙江工业大学工程硕士学位论文
多个DS1SBZO可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能
无需外部器件
可通过数据线供电，电压范围为3.OV一5.V5
零待机功耗
温度以9或12位数字量读出
用户可定义的非易失性温度报警设置
报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件
负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工
..
……作
2.DS18B20的内部结构
DS18B20采用3脚PR一35封装或8脚SOIC封装，其框图如图2一3所示。
‘‘月位位位存储器与控制逻逻
RRROMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM
和和和和和和和单单线接接接高速速
口口口口缓存存
图2一3DS18B20内部结构
64位ROM的位结构如图2一4，开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件
的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个
DS18BZO可以采用一线进行通信的原因。非易失性温度报警触发器HT和TL，可通
过软件写入户报警上下限。
8bit检验CRC148bit序列号
MSBLSBMSBLSB
8bitl厂代码(10H)
MSBLSB
图2一464位ROM结构图
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的
可电擦除的EERMA。高速暂存RAM的结构为8个字节的存储器，结构如图2一5所
示。头两个字节包含测得的温度信息，第三和第四字节是TH和TL的拷贝，是易
失的，每次上电复位时被刷新。第五个字节为配置寄存器，它的内容用于确定温
度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应浙江工业大学工程硕士学位论文
精度的数值。该字节各位的定义如图2一5所示。低5位一直为1，MT是测试模式
位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设
置为O，用户不要去改动，R1和RO决定温度转换的精度位数，即用来设置分辨率，
定义方法见表2一1。
节节节节字节节字字字字字温温度LSBBB
温温度MSBBB
TTTH用户字节111
TTTL用户字节222
配配置寄存器器
保保留留
保保留留
保保留留
CCCRCCC
TH用户字节1
TL用户字节2
7字节
8字节
9字节
图2一5高速暂存RMA结构图
由表可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且设定的分辨率越高，所需要
的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考
虑。
TTTMMMRlllR000111lll111lll111
图2一6配置寄存器
表2一1DS18B20分辨率的定义规定
RRRlllR000分辨率率温度最大转换时间间
000000009位位93.75msss
0000011110位位187.smsss
11111OOO11位位375msss
llllllll12位位750msss
高速暂存ARM的第六、七、八字节保留未用，表现为全逻辑1。第九字节读出
前面所有8个字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。
当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就
以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第一、二字节。单
片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以浙江工业大学工程硕士学位论文
LS字节22233322222lll20002‘lll2一2222一3332一444
MS字节s}s}s}s}s}26}25}24
图2一7温度数据值格式
0.0625“C/LSB形式表示。温度值格式如图2一7所示。
DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RMA中的HT、TL字节内容作
比较，若T>TH或T<TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜
索命令作出响应。因此，可用多只DS18BZO同时测量温度并进行报警搜索。
在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码(CRC)。主机根据ROM
的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的
ROM数据是否正确。
3.DS18B20测温原理
如图2一8所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产
生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其振荡频率
明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，
当计数门打开时，DS18BZO就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而
完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首
先将一5o5C所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，减法计数器
1和温度寄存器被预置在一55℃所对应的一个基数值。
图2一8DS18B20测温原理图
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数
器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置值将重新被
装入，减法计数器l重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此
循环直到减法计数器2计数到O时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器浙江工业大学工程硕士学位论文
中的数值就是所测温度值。图2一8中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的
非线形性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上
述过程，直到温度寄存器值达到被测温度值。
另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因
此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为:
初始化DS18B20(发复位脉冲)~发RMO功能命令一发存储器操作命令一处理数据。
4.DS18BZO与单片机的接口电路
DS1SBZO可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的
1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图2一9
所示。单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18BZO时钟周期内提供足够的
电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。
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图2一9DS18B20采用寄生电源的电路图
当DS18BZO处于写存储器操作和温度AD/转换操作时，总线上必须有强的上
拉，上拉开启时间最大为IOSu。采用寄生电源供电方式时VDD和GND端均接地。
由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。
.2.22水流检测电路
由于本热水器的贮水箱容积非常小，必须做到通水通电，断水断电，因此必
须对水流进行检测，防止干烧发生事故。目前国内常用的是采用LC振荡电路的接
近开关，虽然技术较成熟，但因工作环境较潮湿，线圈比较容易发生短路、断路
现象，故障率很高。而霍尔传感器体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，
频率高(可达IMHZ)，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀，因
此在本设计中采用了霍尔传感器。霍尔器件是一种磁传感器，用它们可以检测磁浙江工业大学工程硕士学位论文
场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用，霍尔器件以霍尔效应为其工作
基础。
如图2一10所示，在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，
在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图2一10中的HV，这种现象就是霍尔效应，
是由科学家爱德文·霍尔在1879年发现的。VH称为霍尔电压。
图2一10霍尔效应和霍尔元件
这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的
作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。
霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场
力和洛仑兹力相等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压。
功能上可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者
输出数字量。在此，我们采用霍尔开关器件。
使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件作成各种形式的探头，
放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片的表面的磁感应强度敏感，为保
证霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，因而必须令磁力线和器件表面垂
直。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，
可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁场进行检测。
用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生
工作磁场。例如，用一个5X4x2.5(mnl3)的钦铁硼11号磁钢，就可在它的磁极
表面上得到约2300高斯的磁感应强度。在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而
迅速下降。为保证霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长
度。在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中，
霍尔片的深度在产品手册中会给出。因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位
置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔器件固定在工作系统的适当位浙江工业大学工程硕士学位论文
置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。水流检测电路的结构
如图2一n所示，由开关型霍尔器件、放大电路和光藕组成。当没有接通水源时，
因磁钢离霍尔器件有一定的距离，无法在霍尔器件上形成足够的磁场强度，霍尔
器件输出高电平，三极管Q5截止，输出控制信号为高电平，该控制信号经或非门
输出低电平，切断了加热控制回路。当接通水源时，磁钢随水流上升至霍尔器件
位置，并在霍尔器件上形成足够的磁场强度，此时，霍尔器件输出低电平，三极
管导通，通过光藕输出低电平的控制信号，此信号和单片机发出的低电平控制信
号或非后，输出高电平，接通了加热控制回路。
}}}}}
输出控制信号
图2一11水流检测电路
.22.3输出控制电路
输出控制电路如图2一12所示，主要由光电祸合器M0C3023、TLP521一4、双
向可控硅Q8、继电器和加热管等器件组成。利用光藕隔离交直流信号，以保证由
单片机输出的信号与外部设备之间的电隔离。当单片机发出的控制信号为高电平
时，光藕导通，输出低电平，继电器导通，接通加热控制回路。同时，单片机Pl.6
脚输出移相控制信号，控制双向可控硅的导通时间，以便调节输出功率的大小。
FUSE为加热管内的热保险丝，当管内温度大于105℃，为防止干烧，热保险丝将
烧断，切断继电器供电回路，同时加热控制回路也将断开，保证了安全使用。此
时，单片机将检测到Pl.7引脚变为低电平，输出干烧报警信号。一一一一一一一一一一一一一里些三平攫砰士学位价文
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图2一12输出控制电路
加热功率的控制主要采用双向可控硅进行调压，和单向可控硅不同，双向可
控硅可用门极和MTI间的正向或负向电流触发。(巩，，cIT和工:的选择原则可以和单
向可控硅相同)因而能在四个象限触发，如图2一12所示。
V姗
+妞
腼止准。
份
瞰l祝l。