基于单片机系统控制的家用采暖洗浴器设计

引言
本文所介绍的家用电热水循环采暖洗浴器的一项关键技术是纳米材料远红外薄膜电加热管。用氯化锡、碳酸银、氯化铁、氧化铝、氧化锌、氧化钛、二氧化硅、柠檬酸、乙醇、聚乙二醇、二甲苯、氨以及超细纯硅粉、锡粉等二十余种材料采用化学法配置以二氧化锡为主要含量的纳米凝胶，选用高强度石英玻璃管为底衬，在高温下进行高温喷涂和提拉烘干，在管外壁瞬间形成厚约 6μm的薄膜层，制成纳米二氧化锡电激发远红外薄膜液体加热管。管的直经 20mm、长 15cm、壁厚 2mm，耐高温 860℃，承受水压 0.5MPa，远红外波长 150-250 μm，功率 800W（220V）；将多只加热管进行平行式串联组合便制成总功率 0.8kW～12kW的加热体。在电的激发作用下，纳米材料物质原子内部的电子产生激烈震荡，其震荡的能量以远红外射线的形式辐射出来。水是远红外射线的良好吸收体，水分子、原子自由电荷在远红外射线的作用下剧烈无规则运动，由于摩擦产生了热量，使水的温度快速上升。电热水循环采暖洗浴器与使用空调、电热器取暖相比，供暖温度波动小、一次性投资少、供热面积大、节省电力；与使用燃油炉、燃气炉相比，安全、方便、省力、干净、无污染、不耗氧；与集体供暖相比，具有使用成本低、灵活方便等特点。同时该系统具有使用单独管道供水的洗浴功能，不用传统的容量大的水箱，加热迅速、 3-10秒后既可使用热水进行洗涤或淋浴，一机多用，避免重复投资。
2采暖洗浴器水循环系统组成
家用电热水循环采暖洗浴器的水循环系统组成如图1所示。自来水经减压阀将水压控制在适当范围，经独立的管道分别进入采暖和洗浴系统。为使水循环系统工作良好，增加了体积较小的分水箱、集水箱、膨胀水箱。采暖加热体的功率需根据供暖房间总面积的大小来计算，选用不同型号的加热体。
3采暖洗浴器控制系统组成
采暖洗浴器控制系统的组成如图2所示。整个系统以 AT89C51单片机为核心，对水温、水位、房间温度等参数进行智能检测，经运算比较，控制相应的执行机构进行通、断电，进行超温、缺水、漏电等保护，并进行相应的声音报警，以保证系统工作的可靠性。

图1 采暖洗浴器水循环系统组成框图

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3．1 数据采集
对房间温度、采暖水温、洗浴水温信号的检测采用 DS18B20芯片。 DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有 3引脚TO-92小体积封装形式；温度测量范围为 -55℃~+125℃,可编程为9～12位A/D转换精度，测温分辨率可达 0.0625℃；多个 DS18B20可以并联到3或2根线上， CPU只需一根端口线就能与诸多 DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路，比较适合于该系统对温度的测量。
对水位的检测在膨胀水箱中使用高、中、低三个探点，最低的探点接工作电源，中间为低水位探点，顶部为高水位探点。为防止探点因水的电离吸附而缔结水垢，除选用特殊材料外，其工作电源采用交流信号供电。采暖、洗浴水压开关信号的检测采用开关式传感器，无水流过水压开关时，输出高电平；当有水流过水压开关后，输出低电平信号。
3．2 执行机构
执行机构均采用继电器控制，单片机送出的执行信号经光电隔离、三极管驱动放大后，控制继电器线圈电流，使继电器触点动作，接通或断开循环泵、电磁阀和各加热体的供电电源。声报警电路由晶体管放大器及蜂鸣器组成，由单片机的P1口控制。为保护单片机系统，减小外界信号干扰，各开关传感器、执行机构与单片机之间均采用光电耦合器进行信号隔离。
3．3  键盘与显示电路 键盘电路有两个作用，一是对采暖系统进行设置，二是对洗浴水温进行选择。采暖系统的设置包括设置系统时间、工作方式、自定义各时间段的采暖温度值等。设
置系统时间主要是重新调用对DS12887的初始化程序，使系统时间与当前日历一致。采暖系统设有五种工作方式：全天以恒定温度连续运行、以用户自定义的各时间段温度运行、以系统默认的各时间段温度运行、出差外出防冻运行、采暖功能停止。洗浴水温的选择，主要通过键盘设置洗浴加热体参与加热的功率大小，以控制出水温度。在淋浴时可根据个人感觉，选择不同档的淋浴水温。显示电路采用 TN-LCD型笔段式液晶，显示画面预先订做，液晶显示器上可显示日历信息，温度信息，工作方式信息，超温、缺水、漏电等故障信息。显示模块上集成了驱动器、显示 RAM、振荡器等，采用串行口进行数据通信，与单片机接口简便。
3．4 其他电路
时间日历芯片采用DALLAS公司生产DS12887/DS12C887，它具有完备的时钟、闹钟及到2100年的日历功能，片内有 114字节的做掉电保护用的低功耗 RAM。该芯片将晶振、振荡电路、充电电路和可充电锂电池等一起封装在芯片的上方，组成一个加厚的集成电路模块。 DS12887/DS12C887内部有专门的接口电路，从而使得外部电路的时序要求十分简单，使用时无需外围电路元件，与单片机的接口大大简化。在采暖洗浴控制系统中， DS12887/DS12C887除提供日历信息、秒中断信号外，其 RAM和锂电池可以很好地保护用户的自定义设置。
4系统控制软件设计
系统主要的软件设计流程图如图3、4所示。
DS12887的秒中断接单片机的外部中断 0，系统的主要控制功能在 INT0的中断服务程序中完成。为保证用户的用电负荷不至于过大，采暖和洗浴功能采用连锁控制，洗浴优先。当系统检测到洗浴水压开关打开时，便关闭采暖加热体，只保留循环泵的原工作状态；由面板键盘选择出水温度，在洗浴功能中将最高水温控制在65℃。只有当洗浴水压开关关闭时，洗浴加热体断电，采暖加热体才能通电。采暖功能工作时，首先对水位进行检测，水位过低时打开电磁阀上水；到达高水位后，关闭电磁阀，开启循环泵，若发现采暖水压开关未打开，说明水循环系统出现故障。在水位及水循环正常后，检测水温、房间温度，根据工作方式设置和当前的时钟，读取已保存的采暖温度设定值，与实测房间温度值进行比较，给出相应的控制信号；在房间温度低于设定温度 2℃时，三组加热体同时加热，直到房间温度高于设定温度2℃时，仅留一组加热体进行保温加热；三组加热体轮换作为保温加热体，以延长加热体的使用寿命。在采暖功能中将最高采暖水温控制在85℃，超温时停止加热并报警。
本文作者创新点
采用纳米材料远红外薄膜电加热管，体积小、热效率高，利用单片机对水温、水位、房间温度等参数进行检测，并具有超温、缺水、漏电等保护，提高了系统的可靠性和实用性。该产品经调试、检验，整个系统具有投资少、功能强、效率高等特点，具有广阔的应用前景。
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