CN101598938A - 燃气快速热水器双单片机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气快速热水器双单片机控制系统，使用双单片机共同完成整个系统的控制，在控制系统时，双单片机需要分别完成特定信号的检测并将采集到的检测信号和自身的工作状态信息相互进行通讯，双单片机利用对方传递的信息进行监控和控制。本发明是在原有的全自动强制排气或智能恒温燃气快速热水器中使用双单片机，由双单片机组成系统，双单片机之间通过串行通讯(UART)方式，进行对话连接，相互协调、相互配合、相互监控，共同完成系统的控制，提高整个控制系统安全性和可靠性，避免由于单一单片机失控或出现故障而造成的安全隐患或危险，并将由自动控制系统出现故障而造成危险的可能性降到最低程度，降低成本。

Description

燃气快速热水器双单片机控制系统

技术领域

本发明涉及采用交流供电的全自动强制排气或智能恒温燃气快速热水器，尤其是一种燃气快速热水器双单片机控制系统。

背景技术

目前，采用交流供电的全自动强制排气或智能恒温燃气快速热水器(以下简称热水器)正常的工作流程为：

1)、接通电源，热水器进入待机工作状态，此时主控制器会进行自检。

2)、开水，当主控制器检测水流信号达到规定的启动流量后，开启风机高速进入前清扫工作状态。前清扫的目的是将燃烧室内可能泄露(这种泄露通常是燃气管路本身的问题造成)的燃气，尽可能排出机外，避免直接开电磁阀并点火出现的爆燃现象。

3)、前清扫完成后，主控制器控制进入点火开阀工作状态。风机降低转速，开启点火器，开启电磁阀。

4)、当点火开阀动作完成，主控制器检测到火焰信号后，进入正常燃烧工作状态，调节风机转速和电磁阀开度进行恒温调节，让出水温度保持设定温度。

5)、关水，当主控制器检测水流信号达到规定的关闭流量后，进入后清扫工作状态，关闭电磁阀，风机低速并延迟30秒后，关闭风机。

6)、后清扫状态完成后，热水器重新进入待机状态。

国内现有的(采用交流供电的)全自动强制排气或智能恒温燃气快速热水器使用的主控制器，都是采用一片单片机(MCU)或定制的ASIC器件，加上相应的外围硬件电路：

1、输入信号检测电路，包括水流量传感器信号检测、出水温度传感器信号检测、入水温度传感器信号检测、风机转速信号检测、火焰信号检测、多路选择开关等电路；

2、输出驱动电路，包括多路燃气电磁阀驱动、风机驱动、点火器驱动等电路；

3、安全保护电路，包括故障检测等电路；

4、电源等辅助电路。

以及嵌入式控制程序共同组成的一个自动控制系统，参见结构框图1。它们主要存在两方面的缺点：

1)、从上述热水器的工作流程中可以看出，主控制器在单片机嵌入式程序的控制下，控制整个系统，完成规定的动作。这个自动控制系统的核心就是单片机(MCU)，它的作用就好比人的大脑。单片机本身包括了数千个或上万的电子晶体管。当单片机的硬件或者软件(嵌入式控制程序)发生故障(其故障的原因也不能预测)。如图2，当单片机的P05和PWM出现问题，如损坏或者受到干扰，比如P05口线变成高电平，经过驱动D2A的反向作用，则燃气电磁阀QF1就会被误开启，从而造成燃气泄露，产生危险。

2)、特别需要提出的是现有的燃气电磁阀驱动方式几乎都采用：单片机输出口线+驱动或隔离+功率晶体管或继电器的连接方式，即燃气电磁阀由单片机单独输出来控制，如图2：单片机D1、驱动D2A和D2E、功率晶体管V1和V4。从图1中可以看出V1和V4直接连接在+20V电源上，V1和V4同时损坏，仍然会造成燃气泄露，产生危险。

发明内容

本发明主要就是针对上述问题，提出一种成本低，安全性和可靠性都极大提高的燃气快速热水器双单片机控制系统，来满足技术和安全不断提高的要求。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种燃气快速热水器双单片机控制系统，使用双单片机共同完成整个系统的控制，在控制系统时，双单片机需要分别完成特定信号的检测并将采集到的检测信号和自身的工作状态信息相互进行通讯，双单片机利用对方传递的信息进行监控和控制。

所述双单片机中的单片机1作为主控单片机，单片机1独立完成出水温度传感器信号检测、入水温度传感器信号检测、风机转速信号检测、多路燃气电磁阀驱动检测、风机驱动检测、点火器驱动检测、故障检测；单片机2作为辅助单片机，独立完成多路选择开关信号检测。

所述特定信号为水流量信号，双单片机中的单片机1和单片机2需要分别独立检测水流量信号，单片机1和单片机2需要同时达到启动水流量信号，热水器才启动，如果单片机1和单片机2其中之一没有达到水流量信号，热水器不启动。

所述特定信号为火焰信号，双单片机中的单片机1和单片机2需要分别独立检测火焰信号。

所述双单片机通过口线共同控制安全回路。

所述双单片机中的单片机1和单片机2各有一个口线来共同控制电磁阀驱动电源；单片机1和单片机2也各有一个口线来共同控制风机控制电源。

所述双单片机通过控制口线与监控口线互接来实现相互监控，其中双单片机中的单片机1的控制口线对应连接到单片机2的监控口线上；单片机2的控制口线也要对应连接到单片机1的监控口线上实现相互进行监控。

所述双单片机中的单片机1和单片机2之间通过串口连接起来，单片机1的串口数据发送端连接到单片机2的串口数据接收端；单片机2的串口数据发送端连接到单片机1的串口数据接收端实现两个单片机能够进行通讯，单片机1将自己的工作状态信息和采集到的出水温度传感器信号、入水温度传感器信号、风机转速信号传递给单片机2；单片机2也将自己的工作状态信息和采集到的多路选择开关信息传递给单片机1，两个单片机都会利用对方传递的信息进行监控和工作。

所述两个单片机的工作状态是同步的，它们相互监控对方工作是否正常。

所述双单片机设定的热水器整机启动水流量信号为2.5升/分钟。

本发明采用双单片机组成系统，双单片机相互协调、相互配合、相互监控，共同完成整个系统的控制，同时，双单片机共同控制安全回路，完成安全控制。例如控制电磁阀电源和风机控制电源回路，或者直接控制电磁阀回路和风机电源回路。

本发明的有益效果是：本发明是在原有的全自动强制排气或智能恒温燃气快速热水器中使用双单片机，由双单片机组成系统，双单片机之间通过串行通讯(UART)方式，进行对话连接，相互协调、相互配合、相互监控，共同完成系统的控制，提高整个控制系统安全性和可靠性，避免由于单一单片机失控或出现故障而造成的安全隐患或危险，并将由自动控制系统出现故障而造成危险的可能性降到最低程度，降低成本。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是现有全自动强制排气或智能恒温燃气快速热水器的自动控制系统图；

图2是现有全自动强制排气或智能恒温燃气快速热水器单片机控制图；

图3是本发明的电路原理框图；

图4是本发明中双单片机控制电磁阀驱动电源和风机控制电源的电路图；

图5是本发明中双单片机进行串口连接的电路图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明的详细说明如下：

本发明是以单片机作为控制系统的核心，使用双单片机(MCU)主控制器系统的原理框图如图3所示。

使用双单片机共同完成整个系统的控制，在控制系统时，两片单片机需要分别独立完成特定信号的检测，两片单片机将采集到的特定信号及自身检测的其它信号和自身的工作状态信息相互进行通讯，双单片机利用对方传递的信息进行相互监控和控制。所述的特定信号为水流量信号和火焰信号，两片单片机都需要分别完成检测。所述的其它信号为出水温度传感器信号、入水温度传感器信号、风机转速信号、多路燃气电磁阀驱动信号、风机驱动信号、点火器驱动信号、故障检测等信号、多路选择开关信号；出水温度传感器信号、入水温度传感器信号、风机转速信号、多路燃气电磁阀驱动信号、风机驱动信号、点火器驱动信号、故障检测等信号只由单片机1独立完成检测，单片机1检测后将这些信号信息传输给单片机2利用，单片机2不需要再对这些信号进行检测；多路选择开关信号只由单片机2独立完成检测，单片机2检测后将该信号信息传输给单片机1利用，单片机1不需要再对该信号进行检测。

在系统中单片机1(MCU1)和单片机2(MCU2)相互协调、相互配合、相互监控，共同完成整个系统的控制。

1、单片机1(MCU1)作为主控单片机，独立完成出水温度传感器信号检测、入水温度传感器信号检测、风机转速信号检测、多路燃气电磁阀驱动检测、风机驱动检测、点火器驱动检测、故障检测等功能；单片机2(MCU2)作为辅助单片机，独立完成多路选择开关信号检测的功能。由于出水温度传感器信号、入水温度传感器信号、风机转速信号、多路燃气电磁阀驱动信号、风机驱动信号、点火器驱动信号、故障检测等信号不属于热水器的安全信号，因此只需要单片机1独立完成检测。单片机1检测后将上述信号信息传输给单片机2利用，单片机2不需要再对上述信号进行检测，同样的道理，单片机2独立完成多路选择开关信号的检测，并此信号信息传输给单片机2利用，单片机1不需要再对上述信号进行检测。但是，单片机1和单片机2都会分别对特殊信号(水流量信号和火焰信号)进行检测，检测后将采集到的检测信号进行通讯，双单片机进行相互监控和控制系统，如2中的(1)、(2)点。

2、(1)、单片机1(MCU1)和单片机2(MCU2)需要分别对水流量信号进行检测：主控制器设定的热水器整机启动水流量信号为2.5升/分钟，单片机1(MCU1)和单片机2(MCU2)需要同时检测是否达到该启动水流量，如果单片机1(MCU1)和单片机2(MCU2)其中之一没有达到启动水流量信号，主控制器都不会使热水器启动。这样就可以避免因为单一单片机(MCU)出现故障，而误判有水后，造成热水器整机启动带来的危险。(MCU1和MCU2同时检测水流量信号，在程序设计时，把MCU2的检测的启动流量设定为2L，比MCU1低0.5L，当MCU2检测到启动流量2L达到后，并不会启动，而是作好准备，必须要等到MCU1检测到启动流量为2.5L，并且把这个信号传递给MCU2，MCU2接收到MCU1的启动信号后，结合自身的启动信号，才能启动，进入预清扫状态，开启DC8V和DC20V。这是一种相互监控，进行保护，可以避免错误动作，同时也可以间接检测MCU1和MCU2之间通讯的正确性)。

(2)、单片机1(MCU1)和单片机2(MCU2)还需要分别对火焰信号进行检测：热水器整机工作的火焰信号，是确保热水器是否安全工作的一个重要参数。双单片机分别独立检测火焰信号，且分别能够独立产生保护，只能双单片机检测到的火焰信号都达到要求时，热水器才能工作，也能够避免因为单一单片机(MCU)出现故障后，造成的危险。(对于火焰信号，单片机1和2都必须检测到有火焰信号后，才会转入到下一个工作状态去，如果没有火焰信号，则不会进入到下一个工作状态。在下一个工作状态中，单片机1和2相互比较(通过串口通讯方式互相发送工作状态信息)对方的状态是否与自己的一致。如果单片机1出现问题，例如：实际没有火焰，但单片机1却误判有火焰信号了，单片机1就会转入到下一个工作状态，如从状态6到状态7中去，单片机1进入工作状态7后，就发送“我在工作状态7”的信息给单片机2。而此时单片机2却没有检测到火焰，仍然在工作状态6中，单片机2会发送“我在工作状态6”的信息给单片机1。这样，两者的状态就不一致了，就说明出现了故障)。

3、(1)、当单片机1和单片机2分别检测水流量信号，互通信号后同时都达到启动水流量信号时，此时，共同控制安全回路，即双单片机共同控制安全回路，完成安全控制。例如控制电磁阀电源和风机控制电源回路，或者直接控制电磁阀回路和风机电源回路。如单片机1(MCU1)和单片机2(MCU2)各有一个口线，分别是M1-20V和M2-20V，来共同控制电磁阀驱动电源；也各有一个口线分别是M1-8V和M2-8V，来共同控制风机控制电源。如图4所示，(+20V)电磁阀驱动电源通过V37和V38两只功率晶体管控制后再成为后级的(+20V-1)电磁阀电源。只有当单片机1(MCU1)的口线M1-20V控制V37导通，同时单片机2(MCU2)的口线M2-20V控制V38导通后，在图2中的V1和V4上才有电源接通。这样就可以避免由于单一单片机故障或者是由于V1或V4损坏而造成燃气泄露，产生危险。同理，只有当单片机1(MCU1)的口线M1-8V控制V6导通，同时单片机2(MCU2)的口线M2-8V控制V28导通后，(+8V)风机控制电源才能成为后级的(+8V-1)风机控制电源。

(2)、单片机1(MCU1)的控制口线M1-20V和M1-8V还要对应连接到单片机2(MCU2)的监控口线J2-20V和J2-8V上；单片机2(MCU2)的控制口线M2-20V和M2-8V也要对应连接到单片机1(MCU1)的监控口线J1-20V和J1-8V上，即是相互进行监控的方式之一，如图4所示。在热水器的待机状态下，如果其中有一个单片机因为故障等，导致误开启了控制口线，而在这个状态下，是不能够开启口线的。则另外一个单片机就会监测到，从而产生报警。例如，在待机状态下，正常情况时，单片机1(MCU1)的口线M1-20V应该为低电平，经过驱动D3F的反向作用，使功率晶体管V38处于关断状态。如果因故障等原因导致口线M1-20V变为高电平，且不能恢复，则单片机2(MCU2)的监测口线J2-20V，监测到了这种变化，就会报警，显示相应的故障代码，提示用户停止使用，并联系维修人员进行检查维修。关于相互监控，只要开始接通电源，单片机1和单片机2就会进行工作状态比较，在每个工作状态中都会反复比较。例如：单片机1和2都在工作状态2中，那二者就通过串口通讯相互传递，反复传递“我在工作状态2”的信息。其他各自独立检测的信息也在反复传递。(这是一种冗余的方法，万一中途某一次信息受干扰出错，接收到了错误信息，但只要在规定的时间内，能接收到正确的信息，前一次错误信息就丢弃不用即可，只用正确的信息。另一方面，如果超过规定时间任然判断信息不正确，说明就有正真的故障发生，这时就会报警)。

(3)、单片机1(MCU1)和单片机2(MCU2)之间也通过串口(UART)连接起来，串行通讯方式还包括I²C、3线串行I/O模式、SPI等方式，都可用于双单片机之间的通讯，如图5所示。单片机1(MCU1)的串口(UART)数据发送端TXD1连接到单片机2(MCU2)的串口(UART)数据接收端RXD2；单片机2(MCU2)的串口(UART)数据发送端TXD2连接到单片机1(MCU1)的串口(UART)数据接收端RXD1。两个单片机能够进行通讯，单片机1(MCU1)将自己的工作状态信息和采集到的出水温度传感器信号、入水温度传感器信号、风机转速信号等传递给单片机2(MCU2)；单片机2(MCU2)也将自己的工作状态信息和采集到的多路选择开关等信息传递给单片机1(MCU1)。两个单片机都会利用对方传递的信息进行监控和工作。特别需要说明的是：两个单片机的工作状态是同步的，也是它们相互监控对方工作是否正常所必须的。例如，当单片机1(MCU1)工作在待机状态时，单片机2(MCU2)也应该工作在待机状态，它们将自身工作在待机状态的信息传递给对方，双方验证彼此的工作状态都相同，就是正常情况。这就是相互进行监控的方式之二。如果单片机1(MCU1)检测到了启动水流量信号后，就会进入前清扫工作状态，那单片机1(MCU1)就会将这个状态信息传递给单片机2(MCU2)，再验证以下单片机2(MCU2)是否也进入了前清扫工作状态，如果在规定的允许的延迟时间内单片机2(MCU2)仍然没有进入前清扫工作状态，则说明单片机2(MCU2)出现了故障，单片机1(MCU1)监测到了这种变化，就会报警，显示相应的故障代码，提示用户停止使用，并联系维修人员进行检查维修。再如MCU2自身不检测风机的转速信号，必须由MCU1将风机转速达到启动要求的信号传递MCU2，MCU2正常接收到MCU1传送的启动转速信号后，才能转换到下一个工作状态，否则MCU2不转到下一个工作状态，而MCU1却转到下一个工作状态，MCU1和MCU2的工作状态不同步，MCU1和MCU2就会转入到保护状态。所以，可以看出，只要开始通电，MCU1和MCU2就开始进行工作状态的比较了。而且工作状态比较贯穿整个过程。MCU1和MCU2各自都要运行相同的工作状态。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1、一种燃气快速热水器双单片机控制系统，其特征在于：使用双单片机共同完成整个系统的控制，在控制系统时，双单片机需要分别完成特定信号的检测并将采集到的检测信号和自身的工作状态信息相互进行通讯，双单片机利用对方传递的信息进行监控和控制。

2、根据权利要求1所述的燃气快速热水器双单片机控制系统，其特征在于：所述双单片机中的单片机1(MCU1)作为主控单片机，单片机1独立完成出水温度传感器信号检测、入水温度传感器信号检测、风机转速信号检测、多路燃气电磁阀驱动检测、风机驱动检测、点火器驱动检测、故障检测；单片机2(MCU2)作为辅助单片机，独立完成多路选择开关信号检测。

3、根据权利要求1所述的燃气快速热水器双单片机控制系统，其特征在于：所述特定信号为水流量信号，双单片机中的单片机1(MCU1)和单片机2(MCU2)分别独立检测水流量信号，单片机1(MCU1)和单片机2(MCU2)需要同时达到启动水流量信号，热水器才启动，如果单片机1(MCU1)和单片机2(MCU2)其中之一没有达到启动水流量信号，热水器不启动。

4、根据权利要求1所述的燃气快速热水器双单片机控制系统，其特征在于：所述特定信号为火焰信号，双单片机中的单片机1(MCU1)和单片机2(MCU2)分别独立检测火焰信号。

5、根据权利要求1所述的燃气快速热水器双单片机控制系统，其特征在于：所述双单片机通过口线共同控制安全回路。

6、根据权利要求5所述的燃气快速热水器双单片机控制系统，其特征在于：所述双单片机中的单片机1(MCU1)和单片机2(MCU2)各有一个口线(M1-20V、M2-20V)来共同控制电磁阀驱动电源；单片机1(MCU1)和单片机2(MCU2)也各有一个口线(M1-8V、M2-8V)来共同控制风机控制电源。

7、根据权利要求1所述的燃气快速热水器双单片机控制系统，其特征在于：所述双单片机通过控制口线与监控口线互接来实现相互监控，其中双单片机中的单片机1(MCU1)的控制口线(M1-20V、M1-8V)对应连接到单片机2(MCU2)的监控口线(J2-20V、J2-8V)上；单片机2(MCU2)的控制口线(M2-20V、M2-8V)也要对应连接到单片机1(MCU1)的监控口线(J1-20V、J1-8V)上实现相互进行监控。

8、根据权利要求1所述的燃气快速热水器双单片机控制系统，其特征在于：所述双单片机中的单片机1(MCU1)和单片机2(MCU2)之间通过串口连接起来，单片机1(MCU1)的串口数据发送端(TXD1)连接到单片机2(MCU2)的串口数据接收端(RXD2)，单片机2(MCU2)的串口数据发送端(TXD2)连接到单片机1(MCU1)的串口数据接收端(RXD1)，实现两个单片机能够进行通讯，单片机1(MCU1)将自己的工作状态信息和采集到的信号传递给单片机2(MCU2)；单片机2(MCU2)也将自己的工作状态信息和采集的信息传递给单片机1(MCU1)，两个单片机都会利用对方传递的信息进行监控和工作。

9、根据权利要求1所述的燃气快速热水器双单片机控制系统，其特征在于：所述两个单片机的工作状态是同步的，它们相互监控对方工作是否正常。

10、根据权利要求3所述的燃气快速热水器双单片机控制系统，其特征在于：所述双单片机设定的热水器整机启动水流量信号为2.5升/分钟。

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