滕世國(guó)，寧 宇，張燕金

(1.韶關(guān)乳源東陽(yáng)光機(jī)械有限公司，廣東 韶關(guān) 512721；2.韶關(guān)學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005)

0 引言

儲(chǔ)熱式電熱水器存在加熱速度慢，熱水有限，水溫不穩(wěn)且難以控制；內(nèi)膽易結(jié)垢，水質(zhì)不干凈；體積大等缺點(diǎn).即熱式電熱水器克服了上述缺點(diǎn)，即開即熱，水溫恒定，熱水無限量；無廢氣產(chǎn)生，無需儲(chǔ)水保溫，無散熱損失，節(jié)水節(jié)電；由于加熱的水屬于“活水”，不易結(jié)垢，水質(zhì)干凈；體積小，安裝簡(jiǎn)單.但是，它的缺點(diǎn)是功率太大(一般均在4 kW～8.5 kW)，除了安裝線路的要求，還必須防止漏電和過溫.

在市場(chǎng)現(xiàn)有的即熱產(chǎn)品中，主要存在的缺陷：水壓波動(dòng)很大時(shí)(例如，突然停水等)，然后恢復(fù)正常供水，由于加熱管功率很大，即熱式電熱水器的內(nèi)膽儲(chǔ)水比較少，加熱管的余熱會(huì)把內(nèi)膽的較少儲(chǔ)水升到很高的溫度，會(huì)燙傷人體.另外由于水壓的不穩(wěn)定，造成出水溫度的忽冷忽熱.

本文對(duì)即熱式電熱水器由于水壓波動(dòng)引起的過溫燙傷和水溫的不穩(wěn)，以及在漏電、超壓等異常狀況實(shí)施了全面的安全設(shè)計(jì)，并且加熱控制采用特殊的模糊PID 加熱控制算法，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

水箱采用316L 不銹鋼，利用激光焊接工藝制作，加熱管采用不銹鋼加熱管，水箱的進(jìn)水和出水采用接地保護(hù)，進(jìn)水口安裝安全止回泄壓閥、溫度傳感器和流量計(jì)，出水口安裝溫度傳感器、防電墻和排水閥.

如圖1，系統(tǒng)以基于ATmega8 單片機(jī)的主控板為核心.開關(guān)電源采用臺(tái)灣明緯的雙組輸出醫(yī)用型開關(guān)

圖1 即熱式電熱水器控制系統(tǒng)框圖

電源MPD-45A(輸出DC5V 和DC12V).流量計(jì)采用喬亨的QH-A37，該流量計(jì)最大耐壓1.75 MPa，測(cè)試范圍2～30 L/min.水溫傳感器采用三菱電機(jī)的WTS-15，使用溫度范圍-30～105℃，37℃的阻抗值為29.46KΩ±3%.超溫開關(guān)采用通寶華龍的KSD301，斷開溫度48±3℃.水箱防干燒采用KSD308(通寶華龍)45A/250VAC，溫度超過95±3℃，切斷加熱電源.進(jìn)線AC220V 先經(jīng)過漏電空氣開關(guān)(正泰)，再供給設(shè)備.漏電自檢電路采用ROHM 的BD54123F 芯片，利用零序互感器的反饋，控制繼電器模塊實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù).水溫控制是通過驅(qū)動(dòng)雙向可控硅TG16C(三社)的占空比實(shí)現(xiàn).出水過溫(超55℃)保護(hù)，通過硬件電路和軟件程序，控制排水電磁閥模塊實(shí)現(xiàn).

2 基于ATMEGA8 單片機(jī)的主控電路和按鍵顯示電路

以ATMEL 公司的ATmega8 單片機(jī)為核心的主控制硬件電路如圖2 所示.它包括外部時(shí)鐘源模塊、ISP下載接口(也是按鍵和LED 顯示模塊連接接口)、漏電自檢模塊、超溫(水溫超過48℃)停止加熱模塊、過溫(水溫超過55℃)打開排水電磁閥模塊、流量檢測(cè)模塊、出水和進(jìn)水水溫AD 輸入模塊.按鍵和LED 顯示模塊TM1628(天微)通過串行通訊和單片機(jī)連接.

漏電時(shí)BD54123F 實(shí)時(shí)漏電自檢電路發(fā)出信號(hào)切斷繼電器模塊，停止對(duì)加熱管供電.流量檢測(cè)小于2 L/min、進(jìn)水水溫超過35℃和出水水溫超過42℃，也停止加熱.48℃超溫開關(guān)與安裝在水箱上的銅片，通過導(dǎo)熱硅脂緊密安裝，超溫時(shí)單片機(jī)引腳輸入低電平，啟動(dòng)超溫程序，切斷加熱電源.

加熱驅(qū)動(dòng)回路如圖3 所示.AC220V 電源經(jīng)二極管D2 半波整流后，獲得一個(gè)正半周信號(hào)，通過電阻R69、R63 分壓限流后，驅(qū)動(dòng)光耦U5(電阻R71 起分流作用，保護(hù)光耦)，在光耦的次級(jí)產(chǎn)生基本脈沖信號(hào)，經(jīng)電阻R142 和穩(wěn)壓管ZD10 整形后，得到規(guī)則的過零脈沖信號(hào).過零信號(hào)輸入單片機(jī)引腳32(INT0 輸入)，單片機(jī)經(jīng)過中斷、延時(shí)程序、算法處理后，輸出引腳2，驅(qū)動(dòng)三極管Q26，控制光耦U4 的導(dǎo)通時(shí)間，經(jīng)光耦U4 隔離后，驅(qū)動(dòng)雙向可控硅模塊，控制加熱管功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制.

按鍵和LED 顯示模塊硬件電路，如圖4.CN10連接主控板的編程口CN5(如圖2)，和單片機(jī)通過串口(CLK，STB，DIO)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換.TM1628 是一種帶鍵盤掃描接口的LED 驅(qū)動(dòng)控制專用電路，內(nèi)部集成有MCU 數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED 高壓驅(qū)動(dòng)、鍵盤掃描等電路.

圖2 基于ATMEGA8 單片機(jī)的主控制硬件電路

圖3 過零信號(hào)電路可控硅驅(qū)動(dòng)硬件電路

圖4 按鍵和LED 顯示模塊硬件電路

3 過溫和漏電保護(hù)電路

過溫保護(hù)電路(圖5)，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好.出水溫度傳感器信號(hào)接入四比較器BA10339F(ROH)集成芯片組成的電壓比較回路.正常溫度時(shí)，比較回路輸出低電平，驅(qū)動(dòng)三極管Q32 打開，然后打開三極管Q29，接線端子CN8 的引腳2 為0V；單片機(jī)輸出引腳10 為高電平，驅(qū)動(dòng)三極管Q31，正常出水，不進(jìn)行排水，當(dāng)出水溫度超過55℃，電壓比較回路輸出高電平，使三極管Q32 斷開，然后使三極管Q29 斷開，排水電磁閥模塊使能，切斷正常供水，高溫的水從地漏排走；出水過溫信號(hào)9 變?yōu)楦唠娖剑答伣o單片機(jī)引腳9，單片機(jī)輸出引腳2 高電平使能(如圖3)，切斷加熱電源.經(jīng)制作的樣機(jī)測(cè)試，水壓波動(dòng)很大時(shí)(例如，突然停水等)，然后恢復(fù)正常供水，由于加熱管的余熱會(huì)把內(nèi)膽的較少儲(chǔ)水加熱到很高的溫度(超過55℃)，如圖5 所示的過溫保護(hù)電路在20 ms 內(nèi)動(dòng)作，由于測(cè)溫點(diǎn)和排水電磁閥之間有一定長(zhǎng)度的管路，過溫的水全部從地漏排走.

設(shè)備供電先經(jīng)過漏電空氣開關(guān)，進(jìn)行漏電保護(hù).圖6 為漏電自檢硬件電路，是漏電的雙重保護(hù)，實(shí)時(shí)自檢漏電.BD54123F 是用于對(duì)地漏電保護(hù)器的專用高速芯片，溫度范圍寬(-20℃～80℃)，輸入靈敏度高，高抗干擾和抗沖擊能力，低功耗.

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)漏電流時(shí)，在零序互感器的二次繞組中感應(yīng)電流產(chǎn)生，電流經(jīng)電阻R17 轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸入引腳2.當(dāng)漏電流較小(小于動(dòng)作電流)時(shí)，7腳輸出低電平，漏電信號(hào)13 為高電平；當(dāng)漏電流較大于動(dòng)作電流時(shí)，7 腳輸出高電平，驅(qū)動(dòng)三極管Q1，漏電信號(hào)13 為低電平，如圖2，輸入單片機(jī)引腳13，漏電保護(hù)程序使能，引腳14 輸出高電平，驅(qū)動(dòng)三極管Q33，繼電器模塊動(dòng)作，切斷加熱電源.

圖5 過溫保護(hù)電路

圖6 漏電自檢電路

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ATMEL 公司推薦的第三方C 編譯器ICCAVR V8.0，利用C 語(yǔ)言進(jìn)行編程.程序流程圖，如圖7 所示.參數(shù)初始化，包括硬件初始化(端口初始化、中斷和時(shí)鐘初始化和看門狗初始化等)、ADC 初始化、串口通訊初始化和EEPROM 初始化等.故障自檢，由漏電自檢、過零電路自檢、過溫開關(guān)和水溫傳感器故障自檢等組成.讀取AD 水溫，讀進(jìn)出水水溫，增加了濾波程序.讀寫按鍵和LED 模塊，通過TM1268 串口通訊實(shí)現(xiàn).模糊PID 加熱控制模塊，通過對(duì)進(jìn)出水溫度、當(dāng)前流量，電源的過零信號(hào)和設(shè)置水溫，單片機(jī)運(yùn)行模糊PID 加熱算法，通過過零信號(hào)移相觸發(fā)可控硅控制加熱，如果有故障馬上停止加熱.

模糊PID 加熱控制流程圖，如圖8.程序的采樣時(shí)間設(shè)置為100 毫秒，加熱使能，進(jìn)行PID 參數(shù)初始化，讀取當(dāng)前的水溫，求取err_k0 值.err_k0、當(dāng)前進(jìn)水溫度和當(dāng)前流量計(jì)算e 和ec.通過e、ec 查表得到Kp、Ki 和Kd.運(yùn)行PID 運(yùn)算，計(jì)算出輸出量u_k.

圖7 程序流程圖

圖8 模糊PID 加熱控制流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)即熱式電熱水器進(jìn)行了比較全面的安全設(shè)計(jì)和優(yōu)化的水溫控制算法.經(jīng)制作的樣機(jī)驗(yàn)證，如圖9，加熱水溫趨勢(shì)圖.進(jìn)水壓力0.2 MPa，進(jìn)水溫度為20℃，出水流量10±0.1 L/min，設(shè)定溫度為42℃加熱30 s，設(shè)定溫度為38℃加熱30 s，設(shè)定溫度為42℃加熱20 s，設(shè)定溫度為34℃加熱30 s，

圖9 加熱水溫趨勢(shì)圖

然后停止加熱，進(jìn)行測(cè)試.測(cè)試結(jié)果顯示，溫度偏差在±2℃.開機(jī)水溫穩(wěn)定時(shí)間(從加熱器啟動(dòng)加熱到實(shí)際出水溫度達(dá)到設(shè)定出水溫度允許偏差±2℃范圍的時(shí)間)在10 s 內(nèi).動(dòng)態(tài)水溫穩(wěn)定時(shí)間(加熱器正常工作，且實(shí)際出水溫度符合設(shè)定溫度要求的狀態(tài)下.從改變?cè)O(shè)定出水溫度或改變?cè)O(shè)定流量，到實(shí)際出水溫度達(dá)到設(shè)定出水溫度允許偏差±2℃范圍的時(shí)間)在5 s 內(nèi).水溫動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性良好，反應(yīng)靈敏.通過模糊PID 加熱控制算法，流量波動(dòng)0.1 L/min內(nèi)，水溫比較穩(wěn)定，偏差在±2℃.另外，通過制作的樣機(jī)驗(yàn)證，安全保護(hù)措施動(dòng)作靈敏，運(yùn)行可靠，并且整機(jī)的制作成本低，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景.