带流量开关的电磁法金属管快速升温

山西晋祠宾馆 乔晋兴

冬季，太阳能热水器出水温度不够需要由电加热仪来补偿。传统的水加热仪器是由电加热管、加热棒等利用电的热效应材料来实现的。这种方式安全性不高，设备老化损坏快，热能损耗大，耗电量也大。现在，我们用电的磁效应特性来实现物体的加热——带流量开关的电磁法金属管快速升温仪，使太阳能的热水在管中流动时，可对金属管内流动的水快速升温加热，通过调整功率可快速达到设定温度。由于管道中介质与加热线圈之间设置有足够的间隙，线圈与被加热介质和金属管分离，不会产生漏电现象，不会因过热损毁线圈,电磁线圈的安全性提高。由于是带流量开关功能的升温仪，流水上方的水没有经过加热，而流水下方的水经过加热，可对太阳能热水定向加热，无其它方向热损，而且采用直接感应加热，加热迅速,电能的转化效率非常高。本文设计的设备省电非常高，应该属于节能推广的新产品。

1.硬件设计

该设备的结构示意图如图1所示。由高频线圈和加热不锈钢管道部分组成，高频线圈3缠绕排列在非金属内管4（胶木、木质，塑料、尼龙材料制成）上，内管4套装在被加热管道5上，中间有间隙，高频线圈3的两端6连接到驱动电路板1的接点上，驱动电路板1连接市电220V交流电源。被加热管道5的内外都可以流动热水。高频线圈3应绕制成螺旋管状。加装了流量功能开关7，实现了有水流动才会加热，无水流动则自动停止加热的保护功能。驱动电路板1电路图如图2所示。

驱动电路板是能够由市电交流220V电源产生20—80KHZ左右的高频电源，并保护电路板不会因为过压、过流、过温、锅检测等保护装置正常，并且带有流量开关功能和自动调整加热功率在设定值范围。驱动电路板系统原理方框图如图2所示。电路原理图见图3所示。

工作原理

电磁法金属管快速升温仪是应用电磁感应原理对导磁金属管进行加热的。导磁金属管是特殊嵌套的不锈钢管，交变电流通过不锈钢管外部的线圈产生磁场，磁场内的磁力线穿过不锈钢管时，产生涡流，令不锈钢管内外迅速发热，达到加热流水的目的。

本文主要介绍利用STC12C5410AD芯片来实现带流量开关的电磁法金属管快速升温仪的设计。STC12C5410AD是宏晶公司推出的一款工业控制8位51内核单片机，内置看门狗，支持在线ISP编程，和IAP编程。从时钟频率上来看，应该是现在51系列单片机中速度最快的，并且价格便宜，内部程序存储器和数据存储器比较大，并且程序存储器用的Flash，支持十万次以上擦写，内部有AD和PWM功能。具有很高的性价比，抗干扰能力强，非常适合应用于工业控制类、家电类产品的设计。

温度检测

电路工作中，通过中央处理单元U4 STC12C5410AD的P1.2、P1.3连接的热敏电阻R36、R37对开关IBGT管Q7和螺旋管状加热线圈LL2工作温度检测，超温时要通过B1发出报警信号并停机。本文设计应用连接在水加热管道上的铜或铝型散热器接头来冷却开关IBGT管Q7温度，这样在出水温度不大于50℃时，冷却风扇不用启动，节省了电能。

显示与按键

本文电路使用了中央处理器U4的数模AD功能接口P1.7，一条接口实现了多个按键S1、S2、S3、S4、S5、S6功能，配合JP3 LCM12864液晶屏显示，让人机交互界面显示更为丰富。通过按键可以将当前时间、设定时间、当前温度、设定温度、开机、关机等内容全面显示。

主电源电路

市电交流220V经过整流产生+300V的直流高压，作为场效应管的工作电源，并由开关电源模块VIPER12A产生+5V和+18V的直流电源。

流动开关检测

中央处理器U4接口P2.5连接的开关S7，是本文设计环节中主要的流动开关检测元件，它是防止金属管干烧的重要手段。

2.软件设计

程序流程分析

主流程采用分时结构，在每个不同的时间片进行不同的工作，时间片可以对流动开关动态扫描检测进行定时刷新，方便程序控制。工作时采用时间轮循的方式，能有效的利用时间资源。过程中主要通过标志的方式将信息传递到其他模块。主程序流程图，见图4。

中断子程序流程图

电流过流中断是整个系统唯一的中断，当产生中断时，系统马上停止控制信号，然后置电流过流标志，让系统在其他地方检测过流的状态是否持续3秒，若是，则产生电流过流的报警信号，系统停止工作。中断程序流程图，见图5。

功率调节模块

系统需要根据外部电压和电流的大小，外部电流值*电压=功率值。根据这种关系来换算功率值的大小：P=V*I=AD（V）*AD（I），再通过调整PWM值，来计算是否已经达到了设定的功率值，通过比较后的功率大小关系来调整PWM值，引进了传统自动调整算法PID计算过程，以使输出比较恒定的功率。