1、1微电脑控制全自动电热水器李天恩（厦门市高级技工学校，厦门 361004）摘 要：微电脑控制即热式全自动电热水器，其工作原理及控制方式与 传统电热水器完全不同。现对它的加热芯结 构、整机控制 电路及各部分电 路的工作原理作简要分析。关键词： 电加热芯 ；水流检测 ；过热保护 ；过流保护 ；声光报警 ；微处理器 一、概述传统的电热水器使用大容积加热桶，体积大而笨重，加热时间又长，使用很不方便。目前市面上已经出现了一种由微电脑控制的全自动电热水器。该热水器体积小，加热迅速，出水量大，使用既安全又方便。微电脑控制全自动电热水器的加热芯采用金属粉末掺杂的石墨碳极制作， 既可防止金属材料的腐蚀，又可防止
2、石墨碳极易结水垢的弊端。加热芯结构示意图如图 1 所示。图 1 中，S1、S2、S3、S4 分别并联 1、2、3、4 片石墨电极。N1 所连接的电极板分别与 S1S4 的电极板一一对应，并安装成叉指状排列。加热时,把交流 220V 的电源分别加到对应的石墨电极上，使石墨电极之间形成电场，对自来水进行电离，并通过水构成回路，从而对水加热。进水口和出水口处分别串接了水流缓冲器，起到进水和出水与电源隔离的目的。加热芯的下部装有过热检测开关和水流开关，起检测及保护作用。出水口处的接地电极 E 保证了流出的热水处于与大地相同的电位。从而防止使用者触电。二、整机控制电路工作原理微电脑控制全自动电热水器的控
3、制电路结构方框图见图 2。该控制电路主要由水流开关、显示指示、驱动输出（加热芯） 、键盘输入、过热保护、过流保护、相线、零线、地线检测电路、声光报警、微处理器、P 监控器和电源等组成。整机电路原理图如图 3 所示。1、水流开关：水流开关由 SW3、R3、R4 组成。SW3 安装在加热芯出水口处前端，它是一个微动触点开关。当热水器出水阀关闭时，SW3 闭合导通。+12V 电压经 R3、R4 分压得到约 5V 电压送入微处理器AT89C20511的 P3.7 脚，微处理器检测到 P3.7 为高电平，则先使输出口 P1.3P1.6 全部输出为1，使加热芯与电源相线 L1 断开，停止加热。再让输出口
4、P1.7 输出为 1，使加热芯的电极与电源零线 N 彻底断开。当热水器的出水口阀门打开时，由于出水口的压力减小，触点开关断开，P3.7 变为低点平，微处理器检测此低电平后，使 P1.7 输出低电平，把电源零线 N 与电极 N1 接通，再输出 P1.3P1.6 的设定档位值，使加热芯与电源相线 L1 相连，电热芯开始加热。2、显示指示：显示指示电路由 IC5、DLIP、R5R8、R32、R33 组成。微处理器把输出的加热档位值经内2部的程序运算，转换成 LED 数码管的显示代码，并从 P3.1 口串行移位输出，同时 P1.0 口送出CLK 时钟信号。IC5 是串入并出的移位寄存器 74LS164
5、2，在 CLK 时钟信号的驱动下，IC5 把输入的串行信号转换成并行信号，由 Q0Q7 输出，驱动 LED 数码管 DLIP 显示出其相应的输出档位值。3、驱动输出：电热水器加热时，微处理器先让 P1.7 口输出低电平，使电源零极 N 与加热芯接通。延迟100ms 后，再从 P1.3P1.6 输出相应档位的数值，经 IC4BIC4E 的 CMOS 反相电路 MC40692反相后，送到输出驱动集成电路 MC14112 ，推动继电器 KR2KR5 中相应的触点闭合，使其所连接的电极板接通电源相线 L1，并在与 N1 连接的电极板之间形成了 220V 的交流电压，通过水介质形成回路。电流流过水介质，
6、从而对其加热，使水的温度迅速升高。加热后的水流流经过热开关、水流缓冲器，再流经出水口处的接地电极 E，保证流出的热水电位为地电位，从而得到快速加热又安全方便的热水。4、键盘输入电路：键盘输入电路由 SW4、SW5、C1、C2、R13、R14 和微处理器的 I/O 口 P1.1、P3.4 构成。SW4为升温按钮，SW5 为降温按钮。微处理器每隔 5ms 检测一次键盘，当 SW4 被按下时，若 100ms之内，每次检测都是低电平，则判定该键输入有效。随即使输出档位提高一档，增加加热极板的数量，达到提升水温的目的。同时，输出显示加 1。同理，当按下 SW5 时，微处理器控制输出降低一档，减少加热极板
7、的数量，使水温降低。同时，输出显示减 1。连续按住 SW4 或 SW5按钮达 3s 以上，可使输出档位快速上升或快速下降，达到快速操作的目的。5、过热保护：过热保护电路由热敏开关 SW2、R2 和微处理器的 I/O 口 P3.2 组成。热敏开关设置在 75，放置于加热芯的末端。当加热后的水温低于 75时，SW2 闭合，P3.2 输入高电平，加热可正常进行。当加热芯由于某种非正常原因引起失控，导致水温升高到超过 75时，SW2 受热断开，P3.2 变为低电平，产生中断信号。微处理器响应中断后，断开 220V 交流电源与加热芯的连接，强迫加热芯停止加热。同时，P1.2 输出低电平，驱动脉冲报警器
8、BELL 发出脉冲报警声。只有在故障排除之后，重新上电，才能恢复正常工作。6、过流保护：过流保护电路由 T2、R17R21、RW1、D2、C4C6 和 IC6B 的电压比较器 LM3933组成。电流互感器 T2 的初级串接在电源相线 L 与加热继电器供电触点之间，以检测加热芯的供电电流大小。次级产生的感应电压，经 D2 整流、C6 滤波，变为脉动直流电压，再经 R17，RW1 降压、C4滤波后成为平滑直流电压加至 IC6B 的第 6 脚。IC6B 的第 5 脚取自于+5V 电源 VCC 经 R19、R18偏置得到 3.1V 的参考电压 VREF。当电热芯的供电电流大于限定值时，IC6B 第 6
9、 脚的电压V6VREF，IC6B 第 7 脚输出低电平信号，经 R21、C5 送到微处理器的 P3.0 脚，微处理器检测到P3.0 为低电平时，控制输出下降一档。若此时供电电流小于限定值，则继续正常工作。否则，过热保护3再继续下降档位，直至 V6VREF为止。7、相线、零线、地线检测电路：相线、零线、地线检测电路由 D1、D9、VD1、C3、R23R26、IC6A、LED2、R1 组成。该电路是即热式电热水器的重要安全保障电路。当热水器接入电源后，相线、零线、地线检测电路便立即进行工作。在电源电压正半周时，即 L 端为正，N 端为负，由于外电源中的零线 N 与地线 E 的内阻很小，故从 L 经
10、R23、D9、E、N 的回路中，从 D9 至 N 之间的压降很小，此电压经 D1 整流，R24 降压，C3 滤波后送至负载 R25，R25 上的分压很小，电压比较器 IC6A 的 2 脚电压低于 3 脚的电压，使 IC6A 的输出 1 脚为高电平，微处理器的 P3.3 引脚检测到高电平时，说明电路接线正确。当 L 为负，N为正时，由于 D1、D9 截止，同样使 IC6A 的 1 脚输出高电平。当 L 与 N 线对调接反时，由于 N线与 E 线内阻小，使得电源电压 N 为正，L 为负时，电源通过N、R23、D1、R24、VD1、C3、R25、L 形成回路，回路电流约 0.13mA，此时 D9 失
11、去电压钳位作用，VD1 导通，起钳位保护作用，R25 上的压降为 5V。IC6A 的 2 脚电压高于 3 脚 3.1V 的参考电压，IC6A 的 1 脚输出低电平，使报警灯 LED2 亮。微处理器检测到此低电平后，关闭输出端口，并从 P1.2 输出报警信号，提示电源线接反。若地线 E 外电路断线，则当电源相线 L 为正时，经 R23、D1、R24、VD1、C3、R25、N 构一个回路，由于 D1 至 E、N 之间的电压，失去了 D9 的钳位作用，IC6A 的 2 脚电平高于 3 脚，1 脚输出低电平，微处理器检测到此低电平后，同样输出声光报警。从而实现了相线、零线反接和地线断线报警的目的。8、
12、声光报警电路：声光报警电路由 R1、LED2、IC4D、MC1411、BELL 组成。当电热水器发生过热保护时，微处理器的 P1.2 输出低电平，经 IC4D、MC1411 输出，驱动 BELL 发出声音报警。当电热水器发生相线 L 与零线 N 反接或地线 E 断线时，LED2 发出光报警，BELL 发出声音报警。9、微处理器、P 监控器、电源：微处理器采用美国 ATEML 公司生产的 AT89C2051 单片机芯片，该芯片具有 15 条 I/O 口线，2K 字节 FLASH ROM 程序存储器，128 字节 RAM，2 个定时/计数器，2 个外接中断源。电路采用6MHz 的石英晶体 JX1、
13、C12、C13 作为单片机的时钟。其它外围连接电路见图 3。P 监控器 IMP805L 作为微处理器的“看门狗” ，负责监测微处理器的工作状态。微处理器每隔 5ms 从 P3.5 输出一个脉宽为 10s 的低电平脉冲，复位 P 监控器。如果微处理器由于干扰，程序出错，P3.5 无复位脉冲输出，P 监控器 1.6s 后输出一个高电平复位信号，使微处理器重新启动。整机供电电路由 T3、W02M、C7、IC7、C8、C14、C15 组成。交流 220V 经电源变压器 T3 变为 9V，整流、滤波后，得到+12V 的直流电压，供给 IC2、继电器和报警器。再经 IC7 稳压成+5V， C8、C14、C
14、15 平滑滤波输出直流电压 VCC，提供整机用电。LED1、R22 构成电源指示电4路。10、软件编程思路微电脑控制全自动电热水器的软件编程思路，本着使用电热水器安全第一、功能第二的原则进行编写。软件主程序首先对系统进行初始化，设置时间参数，清除输出缓冲器，复位“看门狗” ，初始化检测端口，启动定时器，显示当前的加热输出档位，检测相线、零线、地线状态。若是异常，则关闭加热并报警；若是相线、零线、地线状态正常，则检测热敏开关，判断加热芯是否过热，若是过热，则关闭加热电路的输出并报警；若没有过热现象，再分别检测限流电路和水压开关电路。在确保无异常的前提下，若水压开关闭合，才输出加热功率。主程序 5
15、ms检测按键一次，判断是否有按键按下，若有键按下，则调用按键处理子程序进行相应的处理。在程序设计中，充分利用模块化的设计思想，尽量把程序设计成一个个独立的模块，通过调用模块来协调程序的运行，使程序简捷明了，功能明确，思路清晰。具体的程序模块有：加热输出模块、加热关闭模块、限流保护模块、过热保护模块、相线零线地线检测模块、输出显示模块、按键检测处理模块、水流开关检测模块、 “看门狗”复位模块、定时器 1 中断服务模块等。三、结论微电脑控制全自动电热水器具有电路结构简单，设计合理，功能齐全，工作安全可靠等特点。其控制方法与思路对其它电器控制颇有启发，将它作为技术教育课程中的一个实例进行认真分析解剖
16、，具有典型实用意义。参考资料：1 孙涵芳，徐爱卿. MCS-51/96 系列单片机原理及应用M. 北京:北京航空航天大学出版社出版，1991.2 陈清山，陈科燕. 最新世界数字集成电路及互换大全M.武汉：中南工业大学出版社出版，1987.3 陈清山，陈科燕.世界最新集成运算放大器互换手册M. 武汉：中南工业大学出版社出版，1988. 5进水口 相线 电极 零线电S1 极 N1 S2 S3 S4 过热检测开关接地 电极 E 水流开关 出水口 图 1 控制电路结构方框图 水流缓冲器水流缓冲器6图 2 微电脑控制全自动电热水器组成方框图微电脑处理器过热保护过压保护相线、零线、地线检测电路P 监控器水
17、流开关显示指示驱动输出键盘输入加热芯电源声光报警7VOT1VCC2GND3PFI4PFO5WDI6RST7VAT8IC3IMP805LVi1G 2+5V3IC7 HC78051 2 3 4 5 6 7 8 9 10DLIPLED81 2 3 4 5 6 7 8910111213141516IC2 MC1411VUC15104C14 104C13 30C12 30JX1 6MC1110uF/16VR31 22KD8 1N4148W02M2ALED1GRNC8100uF/16VC7470uF/25VC647uF/50VC5 104C4 104RW15.1KD2 1N4007R2610K5 67IC
18、6BLM3933 218 4IC6ALM393VD15VD11N4007R25470KR24470K/1WR231.2M/1WR22 1KR21 1KR2010KR195.1KR1810KR175.1KR162KR15 1KR14 3KR13 3KC2 104C1 104SW5DECSW4INCSW3 SLR12510x8R4 2KR3 3KSW2WCR2 3.3KKR1 KR2 KR3 KR4 KR5BELLR1 1K LED2RED12IC4A34IC4B56IC4C98IC4D1110IC4E1312IC4FA1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9I
19、C5 74LS164R5 R6 R7 R8 R9 R10R11LED3 YELR271KD3D4D5D6R325.1KR335.1KC34.7uF/16VD9 1N4007T3 P1.214OSC24P1.618OSC15P1.719P3.26VCC20P3.37P3.48P3.59GND10P3.711P1.113P1.012RST1P3.13P3.02P1.315P1.517P1.416IC1AT89C2051JS1T1JQX-13FWDWD9VNLABCPDEG FPGFEDCBADNUPDNUPCLK1CLK1A1A1VCCVCC+12VVREFVREFVCCVCCVCCVCC+12VVCCVCCVCCSLBHNL ELL1L1NN1 S1 S2 S3 S4IC4:MC4069220VKR1KR5D3D6:1N4148图 3 微电脑控制全自动电热水器电原理图
