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鍵技術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 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，納米材料物質原子內部的電子產生激烈震蕩，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、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。自來水經減壓閥將水壓控制在適當范圍，經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，經運算比較，控制相應的執(zhí)行機構進行通、斷電，進行超溫、缺水、漏電等保護，并進行相應的聲音報警，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、洗浴水壓開關信號的檢測采用開關式傳感器，無水流過水壓開關時，輸出高電平；當有水流過水壓開關后，輸出低電平信號。
3．2 執(zhí)行機構
執(zhí)行機構均采用繼電器控制，單片機送出的執(zhí)行信號經光電隔離、三極管驅動放大后，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，各開關傳感器、執(zhí)行機構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)進行設置，二是對洗浴水溫進行選擇。采暖系統(tǒng)的設置包括設置系統(tǒng)時間、工作方式、自定義各時間段的采暖溫度值等。設
置系統(tǒng)時間主要是重新調用對DS12887的初始化程序，使系統(tǒng)時間與當前日歷一致。采暖系統(tǒng)設有五種工作方式：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DS12887/DS12C887，它具有完備的時鐘、鬧鐘及到2100年的日歷功能，片內有 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置。
4系統(tǒng)控制軟件設計
系統(tǒng)主要的軟件設計流程圖如圖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的中斷服務程序中完成。為保證用戶的用電負荷不至于過大，采暖和洗浴功能采用連鎖控制，洗浴優(yōu)先。當系統(tǒng)檢測到洗浴水壓開關打開時，便關閉采暖加熱體，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℃。只有當洗浴水壓開關關閉時，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，關閉電磁閥，開啟循環(huán)泵，若發(fā)現(xiàn)采暖水壓開關未打開，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)工作方式設置和當前的時鐘，讀取已保存的采暖溫度設定值，與實測房間溫度值進行比較，給出相應的控制信號；在房間溫度低于設定溫度 2℃時，三組加熱體同時加熱，直到房間溫度高于設定溫度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。該產品經調試、檢驗，整個系統(tǒng)具有投資少、功能強、效率高等特點，具有廣闊的應用前景。
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