CN1122162C - 自适应节能电热水器 - Google Patents

Abstract

自适应节能电热水器的组成包括壳体、内胆、电热部件、微电脑控制器、功率输出部件，微电脑控制器包括中央处理器、与中央处理器电连接的电源电路、适时水温采样电路、温度设定电路、按键输入电路、显示输出电路、驱动电路，硬件设备与软件程序充分结合使用，能通过学习用户使用经验转而进行智能控制，避免在不使用时也高温加热的现象，节约电能效果明显，智能控制功能强，几乎不增加成本，使用方便，充分满足用户需要。

Description

自适应节能电热水器

本发明涉及一种容积式电热水器，特别是一种具有微电脑控制器的、能通过分析用户使用规律从而自动为用户提前加热的自适应节能电热水器。

目前，电热水器已经成为一种相当普及的家用电器。现有的电热水器都是由壳体、安装在壳体中的内胆、固定在内胆中的电热部件、与电热部件功率输出端连接的控制电路以及进出水装置组成。其电路控制内容通常比较简单，有的只对用户设定的温度响应，起到简单的温度控制作用，即为将胆内水温控制在一定范围内；有的只具备三个时段的定时功能，并且在非供水时段不能供应热水，用户经常需要手动操作控制热水器，使用很不方便。

专利号为GB2290152的英国专利《Control Circuit for aLoad》中公开了一种含有微电脑控制电路的较为先进的电热水器。该热水器的微电脑控制电路可以按照预定程序，实现水温、水位的自动控制，但是它不能根据每一用户的具体使用情况进行智能控制，不能做到在满足每一用户特定使用要求的同时还能够尽量节约电能。

我们知道对于同一台容积式电热水器，若内胆中水温越高，则单位时间内散热量越大，而现有产品中，内胆水温一直保持在用户设定温度或者热水器加热到最高温度的一定范围内，那么在用户不需要大量用热水时，将水温长时间地保持在较高温度就会造成不必要的能量损失。在人类面临能源危机的今天，现有电热水器未考虑节能这一不足之处日渐显得突出，已到了应当引起足够重视的时候。

本发明的目的是，克服现有技术的上述不足之处，设计一种自适应节能电热水器，该热水器能通过分析用户使用情况掌握用户使用规律，从而在微电脑判断的非用水时段将水温控制在较低范围内，在微电脑判断的用水时刻到来之前自动为用户提前加热。

本发明总体设计思想是，微电脑控制器按周期不断地学习用户使用热水器的实践经验，通过采样电路进行监控，获取内胆中水温变化速率信息，将一个周期的变化信息记录下来并进行数据运算分析，得到该用户使用热水器规律的数据信息，再根据所得用水规律的数据信息和内置设定温度、用户设定温度、最高设定温度这三个设定温度以及用户选择的工作模式对热水器的加热工作进行智能控制：在智能模式下，在微电脑判断的用水时刻提前一个时间量加热至用户设定温度，在微电脑判断的非用水时刻，以较低的内置设定温度为温控值；在手动模式下，以用户设定温度为温控值；在定时模式下，在微电脑判断的低电价时段(由用户设定)启动热水器加热至最高设定温度，否则以较低的内置设定温度为温控值。通过上述智能控制，达到最大限度地节约电能和方便用户使用的目的。

本发明的具体技术方案如下：一种自适应节能电热水器，其组成包括壳体、内胆、电热部件、微电脑控制器、功率输出部件，微电脑控制器包括中央处理器U1、与中央处理器电连接的电源电路、采样电路、温度设定电路、按键输入电路、显示输出电路、驱动电路，U1中具有模数转换装置、计时装置、计数装置、存贮装置、比较装置、运算装置、输入输出装置，其特征是U1中还具有：1、用于向采样电路、存贮装置、比较装置、运算装置提供相应工作时间间隔、向加热驱动电路提供提前加热时间量的定时装置；2、用于存贮采样数据变化速率设定值的存贮装置和用于存贮规律运算结果设定值的存贮装置；3、用于当前采样数据变化速率值与设定值进行比较、若当前值大于等于设定值以“1”输出、否则以“0”输出的比较装置；4、用于记录一个周期中相应时段比较装置输出结果的存贮装置；5、用于取出存贮装置中相应时段存贮数据组进行某种规律运算、若运算结果值大于等于设定值则以“1”输出，否则以“0”输出的运算装置；6、用于记录一个周期中相应时段运算装置输出结果的存贮装置；7、用于当已到定时装置限定的提前加热时间并且相应时段运算结果存贮装置控制数据为“1”时向驱动电路输出高电平、否则输出低电平的输入输出装置。

本发明U1中还具有用于分别存贮内置设定温度值、用户设定温度值、最高设定温度值的存贮装置和用于分别存贮智能模式代码、手动模式代码、用户设定时间值的存贮装置。用户可以通过按键输入电路选择工作模式或者设定低电价时段，也可以通过温度设定装置设定所需加热温度。

本发明的硬件设备与软件程序充分结合使用，微电脑控制器中的采样电路按定时器提供的时间间隔采集用户用水的情况信息，通过比较装置以及运算装置的工作，得到一个周期中该用户相应时段使用热水器规律的“0”、“1”控制数据，转而对该热水器工作进行智能控制：在微电脑判断的非用水时段将水温控制在较低范围内，在微电脑判断的用水时刻到来之前恰当的时候提前加热。这样，本发明电热水器可以智能地学习到用户的用水经验，智能地控制热水器工作，避免在不使用时也高温加热的现象，从而最大限度降低热水器自身无谓的热量损耗，节约电能效果明显，智能控制功能强，几乎不增加成本，使用方便，经济实用，充分满足用户需要。

下面参照附图并结合实施例对本发明进行详细描述。

图1为本发明学习用户用水经验产生智能控制数据流程图。

图2为本发明智能控制流程图。

图3为本发明控制装置框图。

图4为本发明控制装置电原理示意图。

图5为本发明控制面板示意图。

图6为实施例中设置的可充电电池电路示意图。

如图1所示，本发明通过采样电路以秒为时间间隔进行采样，U1中的A/D转换装置进行模数转换，例如进行水温采样，得到当前内胆中水温数据，在时钟控制下进而得到水温变化速率当前值，将当前值与设定值进行比较，例如设定值为每分钟降温2℃并且持续3分钟，若当前值大于等于设定值，视为有大的用水事件，在周期的相应时段存贮单元记录数据为“1”，否则记录数据为“0”，周期存贮装置存满后依次取出相应单元存贮数据进行某种规律运算，例如周期为21天，每一时间段为1小时，将21天相应小时用水情况的“0”、“1”数据进行求平均运算，设定值为0.7，若运算结果大于等于0.7，视作该时刻用户使用规律为加热，在相应控制数据存贮单元记录数据为“1”否则记录为“0”，由此形成当日24小时智能控制数据。本发明的智能学习是持续不断的，U1中还具有用于每天将周期中时段存贮装置存贮数据向前移动一天的移位寄存器，清除周期日首日数据，将新的一天的数据作为周期日末日数据，永远学习用户最新使用经验，进行智能控制。刚开始使用热水器的数日，使用规律尚未形成，用户宜采用手动模式控制使用。

如图2所示，当热水器工作时，先判断用户选择的工作模式，如果是定时模式，则进一步判断内置的定时计数器是否小于等于提前加热设定值，是则表明已到提前加热时段，发出启动加热控制信号，按照最高设定温度值加热，并在定时计数器为零之前按照回差设定值保温在一定温度范围内，例如提前加热时间设定值为5小时，最高设定温度值为75℃，回差设定值为4℃，提前5小时控制启动加热，加热至内胆水温为75℃，然后将水温保持在75-71℃之间；如果是智能模式，若相应时段控制数据为“1”，当前时间已到提前加热时间，则以用户设定温度值控制加热，否则保温在用户设定温度折算值一定回差温度范围内，例如提前加热时间量为3小时，折算值为用户设定温度值除以2再加20℃，回差设定值为4℃；如果是手动模式，保温在用户设定温度值一定回差温度范围内，例如回差设定值为4℃。

如图3所示，本发自适应型节能电热水器的微电脑控制器包括中央处理器(MCU)、与中央处理器电连接的电源电路、温度设定电路、按键输入电路、显示输出电路、采样电路、驱动电路，由驱动电路驱动电热水器的加热管工作。

如图4所示，本发明的采样电路由温度传感器RT、标准电阻R16、电容C14组成，接入中央处理器U1的17脚；按键输入电路由低电价区定时按键K2、工作模式转换按键K 3和4个状态显示发光二极管D01-D04组成，接入U1的11、12、13、19脚，温度设定电路由电位器RW、R28和电容C8组成，并与U1的15脚连接，电位器旋钮的位置反映用户的期望值，U1以1秒的时钟间隔采样并刷新用户水温设定值，保证设定温度数值的可靠性和直观性；显示输出电路由7个电阻和一个数码管NN组成，U1的9、10脚与数码管的COM1、COM2连接，为数码管提供电源，U1的6、7、8、11、12、13、14分别与7个电阻串联，控制显示值；驱动电路由R14、R15、C3、T1组成，并与U1的16脚连接，当U1运算后得出需加热的结果，通过16脚输出高电平信号，T1导通，驱动强电板功率输出部件，启动加热。图中C5、C6、C8、OSC组成时钟电路，它与UI的3、4脚连接，作为U1的时钟；K1为开关旋钮，它通过电阻与显示输出电路连接并接入U1的14脚。

如图5所示，本发明热水器控制面板上NN为数码管，可以显示当前水温值或用户设定温度值；D04为加热状态显示发光二极管，加热时点亮，为红色；RW为温度设定电位器，用于设定水温以及系统开/关机转换，逆时针旋转电位器到底，系统进入关机状态，此时数码管显示水温，而不控制水温，顺时针旋转进入开机状态，同时进入温度设定状态，此时数码管显示水温设定值，设定范围32-75℃，停止旋转电位器6秒后，进入控温状态；K3为工作模式转换按键，双击该按键，工作模式按智能/手动切换，同时相应状态显示发光二极管D01、D02点亮，均为绿色，在智能模式下按内置程序运行；在手动模式下控制器保持水温在用户设定值范围内。K2为低电价区定时按键，可以进行低电价区末端时刻设置，首次点击该键，进入设定状态，数码管闪烁显示低电价区剩余小时数值，再次点击该键，数值增1，连续按键2秒后，数值快速增加，变化范围为1-24小时，停止按键约6秒后，退出设定状态。

如图6所示，为了防止因掉电而造成损失，本发明在控制器电路中增加了备用电池电路，它由可充电电池YY、发光二极管D2-D4、电阻R19按充放电电路连接，连接在控制器电源电路中，当电源供电时，可对该充电电池进行充电，当人为关机或非正常掉电时，该充电电池可通过D3放电，为U1和适时水温采样电路等供电，使控制器继续实时监测水温变化，同时保存已有数据36小时不丢失，保证控制器能不间断地采集用户用水信息，经记录和分析，从而根据用户用水规律智能地指导加热管工作。

实施例中，本发明主要电路器件型号如下：

中央处理器U1为68HC908JL3，

数码管NN为LDD4021，

电位器RW为B50K，

时钟电路中OSC为4M，

驱动电路中T1为8050，

适时水温采样电路中温度传感器RT为NTC4050-503，

按键输入电路中的按键K2、K3为KEC170。

实施例中，本发明主要技术参数如下：

工作电源220VAC，50HZ，

功率输出小于等于4KW，

最高设定水温75℃，

用户设定水温范围32-75℃，

低电价工作区末端时刻设定范围1-24小时，具有重复性，

定时模式下提前加热时间为5小时，智能模式下提前加热时间为3小时。

Claims (10)

1、一种自适应节能电热水器，其组成包括壳体、内胆、电热部件、微电脑控制器、功率输出部件，微电脑控制器包括中央处理器U1、与中央处理器电连接的电源电路、采样电路、温度设定电路、按键输入电路、显示输出电路、驱动电路，中央处理器U1中具有模数转换装置、计时装置、计数装置、存贮装置、比较装置、运算装置、输入输出装置，其特征是中央处理器U1中还具有：(1)、用于向采样电路、存贮装置、比较装置、运算装置提供相应工作时间间隔、向加热驱动电路提供提前加热时间量的定时装置；(2)、用于存贮采样数据变化速率设定值的存贮装置和用于存贮规律运算结果设定值的存贮装置；(3)、用于当前采样数据变化速率值与设定值进行比较、若当前值大于等于设定值以“1”输出、否则以“0”输出的比较装置；(4)、用于记录一个周期中相应时段比较装置输出结果的存贮装置；(5)、用于取出存贮装置中相应时段存贮数据组进行某种规律运算、若运算结果值大于等于设定值则以“1”输出、否则以“0”输出的运算装置；(6)、用于记录一个周期中相应时段运算装置输出结果的存贮装置；(7)、用于当已到定时装置限定的提前加热时间并且相应时段运算结果存贮装置控制数据为“1”时向驱动电路输出高电平、否则输出低电平的输入输出装置。

2、根据权利要求1所述的自适应节能电热水器，其特征是中央处理器U1中还具有用于分别存贮内置设定温度值、用户设定温度值、最高设定温度值的存贮装置和用于分别存贮智能模式代码、手动模式代码、用户设定时间值的存贮装置。

3、根据权利要求1所述的自适应节能电热水器，其特征是采样电路为水温采样电路，以秒为时间间隔进行水温采样，水温数据变化速率设定值为每分钟降温2℃并且持续3分钟。

4、根据权利要求1所述的自适应节能电热水器，其特征是采样数据存贮周期为21天，每一时间段为1小时。

5、根据权利要求1所述的自适应节能电热水器，其特征是规律运算为求平均运算，规律运算结果设定值为0.7。

6、根据权利要求2所述的自适应节能电热水器，其特征是定时模式提前加热时间设定值为5小时，智能模式提前加热时间设定值为3小时，最高设定温度值为75℃，保温回差设定值为4℃。

7、根据权利要求3所述的自适应节能电热水器，其特征是采样电路由温度传感器RT、标准电阻R16、电容C14组成，接入中央处理器U1的17脚；按键输入电路由低电价区定时按键K2、工作模式转换按键K3和4个状态显示发光二极管D01-D04组成，接入中央处理器U1的11、12、13、19脚；温度设定电路由电位器RW、电阻R28和电容C8组成，并与中央处理器U1的15脚连接；显示输出电路由7个电阻和一个数码管NN组成，中央处理器U1的9、10脚与数码管的COM1、COM2连接，为数码管提供电源，中央处理器U1的6、7、8、11、12、13、14脚分别与7个电阻串联；驱动电路由电阻R14、R15、电容C3、三极管T1组成，并与中央处理器U1的16脚连接；电容C5、C6、电阻R8、芯片OSC组成时钟电路，它与中央处理器U1的3、4脚连接，作为中央处理器U1的时钟；K1为开关旋钮，它通过电阻与显示输出电路连接并接入中央处理器U1的14脚。

8、根据权利要求1或7所述的自适应节能电热水器，其特征是在控制器电路中增加了备用电池电路，它由可充电电池YY、发光二极管D2-D4、电阻R19按充放电电路连接，连接在控制器电源电路中。

9、根据权利要求1或7所述的自适应节能电热水器，其特征是状态显示发光二极管D01、D02、D03为绿色发光管，D04为红色发光管。

10、根据权利要求4所述的自适应节能电热水器，其特征是中央处理器U1中具有将存贮装置中相应存贮数据向前移动一天的移位寄存器。

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