基于單片機控制的家用采暖洗浴器設(shè)計

引言
本文所介紹的家用電熱水循環(huán)采暖洗浴器的一項關(guān)鍵技術(shù)是納米材料遠紅外薄膜電加熱管。用氯化錫、碳酸銀、氯化鐵、氧化鋁、氧化鋅、氧化鈦、二氧化硅、檸檬酸、乙醇、聚乙二醇、二甲苯、氨以及超細純硅粉、錫粉等二十余種材料采用化學(xué)法配置以二氧化錫為主要含量的納米凝膠，選用高強度石英玻璃管為底襯，在高溫下進行高溫噴涂和提拉烘干，在管外壁瞬間形成厚約 6μm的薄膜層，制成納米二氧化錫電激發(fā)遠紅外薄膜液體加熱管。管的直經(jīng) 20mm、長 15cm、壁厚 2mm，耐高溫 860℃，承受水壓 0.5MPa，遠紅外波長 150-250 μm，功率 800W（220V）；將多只加熱管進行平行式串聯(lián)組合便制成總功率 0.8kW～12kW的加熱體。在電的激發(fā)作用下，納米材料物質(zhì)原子內(nèi)部的電子產(chǎn)生激烈震蕩，其震蕩的能量以遠紅外射線的形式輻射出來。水是遠紅外射線的良好吸收體，水分子、原子自由電荷在遠紅外射線的作用下劇烈無規(guī)則運動，由于摩擦產(chǎn)生了熱量，使水的溫度快速上升。電熱水循環(huán)采暖洗浴器與使用空調(diào)、電熱器取暖相比，供暖溫度波動小、一次性投資少、供熱面積大、節(jié)省電力；與使用燃油爐、燃氣爐相比，安全、方便、省力、干凈、無污染、不耗氧；與集體供暖相比，具有使用成本低、靈活方便等特點。同時該系統(tǒng)具有使用單獨管道供水的洗浴功能，不用傳統(tǒng)的容量大的水箱，加熱迅速、 3-10秒后既可使用熱水進行洗滌或淋浴，一機多用，避免重復(fù)投資。
2采暖洗浴器水循環(huán)系統(tǒng)組成
家用電熱水循環(huán)采暖洗浴器的水循環(huán)系統(tǒng)組成如圖1所示。自來水經(jīng)減壓閥將水壓控制在適當(dāng)范圍，經(jīng)獨立的管道分別進入采暖和洗浴系統(tǒng)。為使水循環(huán)系統(tǒng)工作良好，增加了體積較小的分水箱、集水箱、膨脹水箱。采暖加熱體的功率需根據(jù)供暖房間總面積的大小來計算，選用不同型號的加熱體。
3采暖洗浴器控制系統(tǒng)組成
采暖洗浴器控制系統(tǒng)的組成如圖2所示。整個系統(tǒng)以 AT89C51單片機為核心，對水溫、水位、房間溫度等參數(shù)進行智能檢測，經(jīng)運算比較，控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)進行通、斷電，進行超溫、缺水、漏電等保護，并進行相應(yīng)的聲音報警，以保證系統(tǒng)工作的可靠性。

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圖1 采暖洗浴器水循環(huán)系統(tǒng)組成框圖

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3．1 數(shù)據(jù)采集
對房間溫度、采暖水溫、洗浴水溫信號的檢測采用 DS18B20芯片。 DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有 3引腳TO-92小體積封裝形式；溫度測量范圍為 -55℃~+125℃,可編程為9～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達 0.0625℃；多個 DS18B20可以并聯(lián)到3或2根線上， CPU只需一根端口線就能與諸多 DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路，比較適合于該系統(tǒng)對溫度的測量。
對水位的檢測在膨脹水箱中使用高、中、低三個探點，最低的探點接工作電源，中間為低水位探點，頂部為高水位探點。為防止探點因水的電離吸附而締結(jié)水垢，除選用特殊材料外，其工作電源采用交流信號供電。采暖、洗浴水壓開關(guān)信號的檢測采用開關(guān)式傳感器，無水流過水壓開關(guān)時，輸出高電平；當(dāng)有水流過水壓開關(guān)后，輸出低電平信號。
3．2 執(zhí)行機構(gòu)
執(zhí)行機構(gòu)均采用繼電器控制，單片機送出的執(zhí)行信號經(jīng)光電隔離、三極管驅(qū)動放大后，控制繼電器線圈電流，使繼電器觸點動作，接通或斷開循環(huán)泵、電磁閥和各加熱體的供電電源。聲報警電路由晶體管放大器及蜂鳴器組成，由單片機的P1口控制。為保護單片機系統(tǒng)，減小外界信號干擾，各開關(guān)傳感器、執(zhí)行機構(gòu)與單片機之間均采用光電耦合器進行信號隔離。
3．3  鍵盤與顯示電路 鍵盤電路有兩個作用，一是對采暖系統(tǒng)進行設(shè)置，二是對洗浴水溫進行選擇。采暖系統(tǒng)的設(shè)置包括設(shè)置系統(tǒng)時間、工作方式、自定義各時間段的采暖溫度值等。設(shè)
置系統(tǒng)時間主要是重新調(diào)用對DS12887的初始化程序，使系統(tǒng)時間與當(dāng)前日歷一致。采暖系統(tǒng)設(shè)有五種工作方式：全天以恒定溫度連續(xù)運行、以用戶自定義的各時間段溫度運行、以系統(tǒng)默認(rèn)的各時間段溫度運行、出差外出防凍運行、采暖功能停止。洗浴水溫的選擇，主要通過鍵盤設(shè)置洗浴加熱體參與加熱的功率大小，以控制出水溫度。在淋浴時可根據(jù)個人感覺，選擇不同檔的淋浴水溫。顯示電路采用 TN-LCD型筆段式液晶，顯示畫面預(yù)先訂做，液晶顯示器上可顯示日歷信息，溫度信息，工作方式信息，超溫、缺水、漏電等故障信息。顯示模塊上集成了驅(qū)動器、顯示 RAM、振蕩器等，采用串行口進行數(shù)據(jù)通信，與單片機接口簡便。
3．4 其他電路
時間日歷芯片采用DALLAS公司生產(chǎn)DS12887/DS12C887，它具有完備的時鐘、鬧鐘及到2100年的日歷功能，片內(nèi)有 114字節(jié)的做掉電保護用的低功耗 RAM。該芯片將晶振、振蕩電路、充電電路和可充電鋰電池等一起封裝在芯片的上方，組成一個加厚的集成電路模塊。 DS12887/DS12C887內(nèi)部有專門的接口電路，從而使得外部電路的時序要求十分簡單，使用時無需外圍電路元件，與單片機的接口大大簡化。在采暖洗浴控制系統(tǒng)中， DS12887/DS12C887除提供日歷信息、秒中斷信號外，其 RAM和鋰電池可以很好地保護用戶的自定義設(shè)置。
4系統(tǒng)控制軟件設(shè)計
系統(tǒng)主要的軟件設(shè)計流程圖如圖3、4所示。
DS12887的秒中斷接單片機的外部中斷 0，系統(tǒng)的主要控制功能在 INT0的中斷服務(wù)程序中完成。為保證用戶的用電負(fù)荷不至于過大，采暖和洗浴功能采用連鎖控制，洗浴優(yōu)先。當(dāng)系統(tǒng)檢測到洗浴水壓開關(guān)打開時，便關(guān)閉采暖加熱體，只保留循環(huán)泵的原工作狀態(tài)；由面板鍵盤選擇出水溫度，在洗浴功能中將最高水溫控制在65℃。只有當(dāng)洗浴水壓開關(guān)關(guān)閉時，洗浴加熱體斷電，采暖加熱體才能通電。采暖功能工作時，首先對水位進行檢測，水位過低時打開電磁閥上水；到達高水位后，關(guān)閉電磁閥，開啟循環(huán)泵，若發(fā)現(xiàn)采暖水壓開關(guān)未打開，說明水循環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)故障。在水位及水循環(huán)正常后，檢測水溫、房間溫度，根據(jù)工作方式設(shè)置和當(dāng)前的時鐘，讀取已保存的采暖溫度設(shè)定值，與實測房間溫度值進行比較，給出相應(yīng)的控制信號；在房間溫度低于設(shè)定溫度 2℃時，三組加熱體同時加熱，直到房間溫度高于設(shè)定溫度2℃時，僅留一組加熱體進行保溫加熱；三組加熱體輪換作為保溫加熱體，以延長加熱體的使用壽命。在采暖功能中將最高采暖水溫控制在85℃，超溫時停止加熱并報警。
本文作者創(chuàng)新點
采用納米材料遠紅外薄膜電加熱管，體積小、熱效率高，利用單片機對水溫、水位、房間溫度等參數(shù)進行檢測，并具有超溫、缺水、漏電等保護，提高了系統(tǒng)的可靠性和實用性。該產(chǎn)品經(jīng)調(diào)試、檢驗，整個系統(tǒng)具有投資少、功能強、效率高等特點，具有廣闊的應(yīng)用前景。
 
 
 

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