原创
如何让A.O斯密斯热水器用上50年
2015-10-19 16:38
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分类:
消费电子
AO斯密斯热水器号称可用50年，家里的燃气AO斯密斯热水器已经用了13年，除更换过一个高压安全阀外，一直工作正常，直到最近出问题：
1>点火不好，发生过爆燃导致烟道炸飞；
2>不能连续加热，火焰自动熄灭；
分析原理后，我认为是热水器的控制器老化，主要是点火能量弱化，火焰检测灵敏度下降所致，基于从事工控行业的经验，以及对电子DIY的兴趣，决定另起炉灶，不再找厂家维修，自己捣鼓个全新的控制器。
没想到一个简单的设想，花费了3周的时间，方案也调整了2次。
第一阶段：利用现有控制器，增设点火器，增加火焰检测
思路是购买现成的高能点火器，通过双重点火，保证点火效果。增设的火焰检测电路，用于及时发现点火失败情况，及时切断燃气供应，防止爆燃现象。
通过观察发现，原有点火控制逻辑：每次持续点火大约10秒，只有火焰未燃烧，燃气一直供应，一旦3秒后才点燃，必定导致爆燃现象。而点火正常时，几乎都在1秒内。
因此，控制逻辑自然应该是：每次点火时间2秒，一旦超时未点燃，系统终止点火流程，延时一段时间，待燃气自然排出后，再点。
方案：
1.改用大功率高压点火器：AC220V输入，可连续点火；
2.增加火焰传感器，控制点火时间（<2s），如果超时未点燃，熄火保护；
实现上述目标：
1.使用arduino控制器
2.AI信号接入火焰传感器，该传感器电阻随火焰变化剧烈，需外部稳压源？
3.燃气电磁阀是Ac24V，采集该控制信号，可驱动光耦，得到点火信号
4.电源取自220VAC
5.安全连锁通过控制输出到电磁阀的AC24V电源来实现
材料选择：
1.传感器：选择了工业火焰传感器，外观看起来靠谱，用万用表测试证明很灵敏，电阻在2M～50K之间变化，50K是可见光光照条件下测试的，当时很满意，没有测试火焰下如何，事后证明这是个坑爹的决定。
在可见光环境下测试，反应很灵敏，原设计是燃烧机火焰检测，用万用表在可见光下测试，电阻在无穷大到50K左右变化，反应灵敏。想当然认为可以用在紫外线检测中，没有实际用燃气灶测试，后果很严重！
2.MCU、光耦、整流桥、电阻、电容、继电器。MCU直接选用arduino pro mini主板，扩展容易，价格便宜，可靠。光耦选用已有的6N137，其实任何一种光耦应该都可胜任。
3.点火器。选择了工业点火器，可以形成稳定电弧，电源220VAC，性能强劲。
性能非常好，可产生连续电弧。原设计用于餐饮行业电点火，使用AC220V电源，每次点火都会产生臭氧！
说干就干，按上述方案，找出最拿手（便宜）的arduino pro mini板，画好电路原理图，上淘宝下单买零件，首先完成洞洞板的制作：
1.完成后的洞洞板
考虑到ACDC模块面积较大，选择了做大的洞洞板，看来很合适。布置的基本原则是：首先布置大个元件，兼顾接线，把MCU布置在板子中心区域，AC/DC分开部署，电源和地优先布线，其次是强电，最后弱电（布线走不通，可以正面飞线）；
经验：单面覆铜板完全堪用，但焊盘强度不足，小心焊接。大型元件最好多布置几个链接焊盘，增加强度。
2.单体功能测试
首先，编写一段最简单的I/O测试程序，读取所有输入，测试所有输出。输出可以采用定时切换方式。
输入：万用表测量火焰传感器，考虑到精度要求不高，为此增加100K偏执电阻。
输出：2个继电器都需要增加MOS驱动，注意在继电器线圈增加反向二极管。
3.程序编制
设计原则：不影响原有逻辑和装置正常运行，安全性不能降低。采用程序状态机实现，具有功能：
1>点火状态探测。通过检测电磁阀AC24V交流信号，可以得知点火信号。由于是AC24V，因此通过光隔进行电气隔离。注意该信号在炉子燃烧过程中一直有效，而点火输出只需要最初几秒。
2>同步点火。探测到AC24V有效后，启动点火器点火，点火时间严格控制，预设点火时间一到，立即终止点火程序。
3>火焰检测。点火开始后，立即进行火焰检测，火焰检测到后，可以进入正常加热流程，否则进入连锁保护流程。
4>熄火保护。点火失败进入熄火保护，延时足够时间，让燃气自然抽吸。
5>状态指示，安排4个LED指示状态，包括传感器2个，继电器2个。
4.程序模拟调试
用家用天然气灶具进行程序模拟调试，一切正常！
5.程序装机调试
用铁丝将火焰探头安装好，系统加电测试，发现问题：
1>新点火探针有时不能产生电弧，而是两根导线之间直接放电，将两根导线隔开距离就可以了；
2>火焰探测器无信号，根本不能探测出火焰，悲剧了！
6.更新火焰传感器
从新选择紫外线火焰传感器，实际测试表明，该传感器对紫外线敏感，对可见光不敏感，但必须对正位置，探测角度较小。
淘宝上6元买到的紫外线火焰探测模块，以前压箱底的物质，用燃气灶测试，发现探测距离很短（大约5CM），几乎要放弃，没想到用热水器做测试发现效果非常好，因为热水器加热器功率大，位于封闭空间，紫外线非常强烈！事实证明动手测试非常重要！
利用拆机的空气开关和月饼透明外壳，我做了个合适的外壳，将传感器安装进去，刚刚好。
将金属安装护卡改造成为安装支架，用螺丝加上橡胶垫固定，一个完美的火焰探头制造完毕！
7.再次装机调试
系统终于工作正常，但新问题出现：
1>热水器工作时常自动熄火，多数时候可以自动重新点火，但故障频发后，不再点火。
分析是点火探针不能完美检测到火焰，可能是接地线不良，探针位置不对。按上述思路调整后，始终不得要领。
2>程序有小问题：熄火后程序立即自动重新点火，而不是延时固定时间后再点火。
第二阶段：彻底摆脱原有控制器
火焰检测的问题不好解决，觉得是系统老化导致，几乎不能维修，因此最终觉得彻底架空现有控制器，用我的控制器完全代替。
思路：热水器220VAC电源经过开关后，首先进入双金属温度控制器，控制器输出电源开关后，进入AC24V变压器，最后接入控制器电源：TH（黑），TR(白）。
因此，只需要将原来的24VAC输入接到控制器电源，将输出改为电磁阀的输出即可。按此思路改造后，系统一切正常，而且没有破坏原有的接线卡子。
自此，工作告一段落！
这是最后效果图：
右下角是火焰探测器，左上角是原厂家配套控制器，可见新控制器完全取代了原控制器。实测证明效果一流，点火时间0.5秒，成功率100%。
由于采用arduino控制器，下步很自然的，必然将其接入家庭物联网。
在可见光环境下测试，反应很灵敏，原设计是燃烧机火焰检测，用万用表在可见光下测试，电阻在无穷大到50K左右变化，反应灵敏。想当然认为可以用在紫外线检测中，没有实际用燃气灶测试，后果很严重！
性能非常好，可产生连续电弧。原设计用于餐饮行业电点火，使用AC220V电源，每次点火都会产生臭氧！
右下角是火焰探测器，左上角是原厂家配套控制器，可见新控制器完全取代了原控制器。实测证明效果一流，点火时间0.5秒，成功率100%。
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