帶流量開關的電磁法金屬管快速升溫

山西晉祠賓館 喬晉興

冬季，太陽能熱水器出水溫度不夠需要由電加熱儀來補償。傳統的水加熱儀器是由電加熱管、加熱棒等利用電的熱效應材料來實現的。這種方式安全性不高，設備老化損壞快，熱能損耗大，耗電量也大?，F在，我們用電的磁效應特性來實現物體的加熱——帶流量開關的電磁法金屬管快速升溫儀，使太陽能的熱水在管中流動時，可對金屬管內流動的水快速升溫加熱，通過調整功率可快速達到設定溫度。由于管道中介質與加熱線圈之間設置有足夠的間隙，線圈與被加熱介質和金屬管分離，不會產生漏電現象，不會因過熱損毀線圈,電磁線圈的安全性提高。由于是帶流量開關功能的升溫儀，流水上方的水沒有經過加熱，而流水下方的水經過加熱，可對太陽能熱水定向加熱，無其它方向熱損，而且采用直接感應加熱，加熱迅速,電能的轉化效率非常高。本文設計的設備省電非常高，應該屬于節能推廣的新產品。

1.硬件設計

該設備的結構示意圖如圖1所示。由高頻線圈和加熱不銹鋼管道部分組成，高頻線圈3纏繞排列在非金屬內管4（膠木、木質，塑料、尼龍材料制成）上，內管4套裝在被加熱管道5上，中間有間隙，高頻線圈3的兩端6連接到驅動電路板1的接點上，驅動電路板1連接市電220V交流電源。被加熱管道5的內外都可以流動熱水。高頻線圈3應繞制成螺旋管狀。加裝了流量功能開關7，實現了有水流動才會加熱，無水流動則自動停止加熱的保護功能。驅動電路板1電路圖如圖2所示。

驅動電路板是能夠由市電交流220V電源產生20—80KHZ左右的高頻電源，并保護電路板不會因為過壓、過流、過溫、鍋檢測等保護裝置正常，并且帶有流量開關功能和自動調整加熱功率在設定值范圍。驅動電路板系統原理方框圖如圖2所示。電路原理圖見圖3所示。

工作原理

電磁法金屬管快速升溫儀是應用電磁感應原理對導磁金屬管進行加熱的。導磁金屬管是特殊嵌套的不銹鋼管，交變電流通過不銹鋼管外部的線圈產生磁場，磁場內的磁力線穿過不銹鋼管時，產生渦流，令不銹鋼管內外迅速發熱，達到加熱流水的目的。

本文主要介紹利用STC12C5410AD芯片來實現帶流量開關的電磁法金屬管快速升溫儀的設計。STC12C5410AD是宏晶公司推出的一款工業控制8位51內核單片機，內置看門狗，支持在線ISP編程，和IAP編程。從時鐘頻率上來看，應該是現在51系列單片機中速度最快的，并且價格便宜，內部程序存儲器和數據存儲器比較大，并且程序存儲器用的Flash，支持十萬次以上擦寫，內部有AD和PWM功能。具有很高的性價比，抗干擾能力強，非常適合應用于工業控制類、家電類產品的設計。

溫度檢測

電路工作中，通過中央處理單元U4 STC12C5410AD的P1.2、P1.3連接的熱敏電阻R36、R37對開關IBGT管Q7和螺旋管狀加熱線圈LL2工作溫度檢測，超溫時要通過B1發出報警信號并停機。本文設計應用連接在水加熱管道上的銅或鋁型散熱器接頭來冷卻開關IBGT管Q7溫度，這樣在出水溫度不大于50℃時，冷卻風扇不用啟動，節省了電能。

顯示與按鍵

本文電路使用了中央處理器U4的數模AD功能接口P1.7，一條接口實現了多個按鍵S1、S2、S3、S4、S5、S6功能，配合JP3 LCM12864液晶屏顯示，讓人機交互界面顯示更為豐富。通過按鍵可以將當前時間、設定時間、當前溫度、設定溫度、開機、關機等內容全面顯示。

主電源電路

市電交流220V經過整流產生+300V的直流高壓，作為場效應管的工作電源，并由開關電源模塊VIPER12A產生+5V和+18V的直流電源。

流動開關檢測

中央處理器U4接口P2.5連接的開關S7，是本文設計環節中主要的流動開關檢測元件，它是防止金屬管干燒的重要手段。

2.軟件設計

程序流程分析

主流程采用分時結構，在每個不同的時間片進行不同的工作，時間片可以對流動開關動態掃描檢測進行定時刷新，方便程序控制。工作時采用時間輪循的方式，能有效的利用時間資源。過程中主要通過標志的方式將信息傳遞到其他模塊。主程序流程圖，見圖4。

中斷子程序流程圖

電流過流中斷是整個系統唯一的中斷，當產生中斷時，系統馬上停止控制信號，然后置電流過流標志，讓系統在其他地方檢測過流的狀態是否持續3秒，若是，則產生電流過流的報警信號，系統停止工作。中斷程序流程圖，見圖5。

功率調節模塊

系統需要根據外部電壓和電流的大小，外部電流值*電壓=功率值。根據這種關系來換算功率值的大?。篜=V*I=AD（V）*AD（I），再通過調整PWM值，來計算是否已經達到了設定的功率值，通過比較后的功率大小關系來調整PWM值，引進了傳統自動調整算法PID計算過程，以使輸出比較恒定的功率。