電磁熱水器溫度控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

林雄偉，胡大斌

(海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北 武漢 430033)

熱水器是現(xiàn)代家庭中一種十分重要的家用電器。目前，常見的電熱水器大多采用電熱絲加熱形式，這種加熱形式不僅效率低而且存在漏電隱患。現(xiàn)在，基于電磁感應(yīng)加熱原理的、更加節(jié)能安全的新型電熱水器已經(jīng)嶄露頭角。本文所的介紹即熱式電磁熱水器，要求將初溫為10℃左右的水加熱到 20℃～50℃(具體溫度由用戶設(shè)定)。文中對其溫度控制部分做了初步研究，并用Proteus軟件做了仿真實(shí)現(xiàn)。

1 電磁熱水器的加熱原理

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，高頻電流通過線圈時(shí)產(chǎn)生高頻磁場，將金屬導(dǎo)磁材料置于這樣的高頻磁場，金屬體中會(huì)產(chǎn)生無數(shù)高速運(yùn)動(dòng)的電流回路(即渦流)，渦流產(chǎn)生的巨大的循環(huán)能量轉(zhuǎn)換為有效熱能，并將會(huì)使金屬加熱組件迅速升溫。這種利用渦流加熱的方式在工業(yè)與民用方面已獲得廣泛應(yīng)用，其優(yōu)勢是有著很高的功率密度，單位加熱面上的功率可達(dá) 0.1～2 kW/cm2，加熱速度極快，能在數(shù)秒至數(shù)十秒內(nèi)將金屬表面加熱到800℃～1 000℃。電磁即熱式熱水器正是根據(jù)這一特性通過電磁轉(zhuǎn)換傳遞足夠能量，將加熱體的金屬導(dǎo)磁材料迅速加熱升溫，進(jìn)而使流經(jīng)加熱體的水迅速升溫。

電磁熱水器加熱主電路主要由L-C振蕩電路、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)構(gòu)成，如圖1所示。其原理是：電網(wǎng)電壓(220 V、50 Hz)經(jīng)整流、濾波后得到直流電壓 U(圖1中將這部分省略直接給出U)并把其加到諧振電路和功率開關(guān)管IGBT的兩端。IGBT在驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的作用下處于“導(dǎo)通”和“關(guān)斷”的工作狀態(tài)中。

圖1 加熱主電路簡化圖

電感L中的電流變化如圖2所示，并分析[1]如下：

(1)t0～t1時(shí)段：t0時(shí)刻 IGBT 開通， 此時(shí) Uc=0，iL=0，VD關(guān)斷。t0之后直流電源U向線圈L充電，直到t1時(shí)刻iL上升到最大值。

圖2 電流iL的波形

(2)t1～t2時(shí)段：t1時(shí)刻，iL達(dá)到最大值，此時(shí)，關(guān)斷 IGBT。L對電容C充電，iL不斷下降。當(dāng)iL下降到0，Uc上升到峰值電壓時(shí)充電停止，此時(shí)到t2時(shí)刻。

(3)t2～t3時(shí)段：t2時(shí)刻，C 開始對 L 放電，iL上升，Uc下降，t3時(shí)刻 Uc下降到 0，iL上升到反向峰值。

(4)t3～t4時(shí)段：t3時(shí)刻，L 對 C 反向充電，直到 t4時(shí)刻iL下降為0，開通 IGBT，開始下一個(gè)周期。

功率開關(guān)管IGBT在高頻脈沖信號(hào)的作用下，快速重復(fù)上述過程，就產(chǎn)生了高頻電流。

2 溫度控制系統(tǒng)的總體組成

溫度控制系統(tǒng)的總體組成[2]如圖3所示，由溫度檢測電路、加熱控制電路、數(shù)碼管顯示電路、溫度設(shè)定電路等組成。

圖3 溫度控制系統(tǒng)總體組成

2.1 單片機(jī)選型

單片機(jī)是溫度控制系統(tǒng)的核心，它采集并處理溫度數(shù)據(jù)、控制數(shù)碼管顯示及加熱部分的運(yùn)行。

本系統(tǒng)選用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52型單片機(jī)，具有低功耗、高性能CMOS 8位Flash ROM。AT89S52完全兼容傳統(tǒng)的8051指令系統(tǒng)和引腳；具有8 KB的程序存儲(chǔ)空間，足夠存放一般大小的匯編程序；支持在線編程功能，可方便地擦寫1000次左右；網(wǎng)絡(luò)資源豐富，價(jià)格低廉，編譯工具多，仿真環(huán)境好。因此在各種控制領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。

2.2 溫度檢測電路

目前，對于溫度測量采用較多的是熱電阻、熱電偶或數(shù)字溫度傳感器。前兩者采集的是模擬量，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換才能送入單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)字溫度傳感器可直接送出數(shù)字量，省去了A/D轉(zhuǎn)換電路。

為了降低電路的復(fù)雜程度，本系統(tǒng)選用數(shù)字溫度傳感器DSl8B20。DS18B20是美國DSLLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器，具有微型化、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、易匹配處理器等優(yōu)點(diǎn)。它將溫度感測、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換等功能集成到一個(gè)芯片上，采用TO-92封裝形式，接口非常簡單。DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為電源輸入端(在寄生電源接線方式時(shí)接地)。DS18B20主要性能指標(biāo)[3]如下：電壓范圍:3～5.5 V(可用數(shù)據(jù)線供電)，測溫范圍：-55℃～+125℃，通過編程可實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀數(shù)方式，測溫分辨率可達(dá)0.062 5℃，可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。

DS18B20將溫度值以規(guī)定的格式轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)并存放于內(nèi)部的一個(gè)9字節(jié)的高速存儲(chǔ)器中。當(dāng)接收到讀存儲(chǔ)器指令時(shí)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，用戶通過相應(yīng)的算法，將數(shù)據(jù)還原為溫度值；采用單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。其工作時(shí)序包括初始化時(shí)序、寫時(shí)序和讀時(shí)序。具體操作如下：

(1)初始化操作。向 DSI8B20的數(shù)據(jù)線(即 DQ)發(fā)送480 μs～960 μs 的低電平信號(hào)，再將 DQ 拉高 15 μs～60 μs。

(2)寫操作。當(dāng)數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平時(shí)產(chǎn)生寫 時(shí) 隙 。 從 DQ 的 下 降 沿 開 始 ，在 15 μs～60 μs內(nèi) 對DSl8B20進(jìn)行寫入。數(shù)據(jù)線為高電平寫入1，為低電平寫入0，這即為1個(gè)寫周期。若要開始下一個(gè)寫周期，則須有1 μs以上的高電平恢復(fù)期。需要注意的是，每個(gè)寫周期都要有60 μs以上的持續(xù)時(shí)間。

(3)讀操作。主機(jī)將數(shù)據(jù)線拉低并保持 1 μs～4 μs，再將其拉高，就產(chǎn)生讀時(shí)隙。從數(shù)據(jù)線下降沿之后15 μs～60 μs時(shí)段內(nèi)，主機(jī)讀取數(shù)據(jù)。每個(gè)讀周期最短須持續(xù)60 μs，2個(gè)讀周期之間須有 1 μs以上的高電平恢復(fù)期。

2.3 加熱控制電路

單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)IGBT管，在加熱體中產(chǎn)生高頻電流，依據(jù)電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生熱量對水加熱，如圖1所示。加熱體的輸出瞬時(shí)功率決定于PWM周期中高電平的占空比，占空比小，IGBT的觸發(fā)脈沖變窄，輸出功率下降；占空比大，IGBT的觸發(fā)脈沖變寬，輸出功率上升。水溫是大時(shí)滯性的對象，在加熱管內(nèi)水溫與“設(shè)定溫度”相等時(shí)才停止加熱，但水溫不會(huì)馬上停止上升。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)水溫達(dá)到80%“設(shè)定溫度”之前時(shí)以全功率加熱，水溫達(dá)到80%“設(shè)定溫度”之后加熱功率適當(dāng)減小，減小的幅度由PID算法給出。T0定時(shí)器生成PWM脈沖，其占空比由計(jì)算結(jié)果確定。

2.4 溫度設(shè)定與數(shù)碼管顯示電路

為減小電路的復(fù)雜程度又能得到良好的效果，本系統(tǒng)設(shè)計(jì) “升溫”、“降溫”兩個(gè)鍵對溫度進(jìn)行設(shè)定。開機(jī)后，系統(tǒng)默認(rèn)“設(shè)定溫度”為 40℃，并開始工作，通過按鍵對 “設(shè)定溫度”進(jìn)行增減，達(dá)到 20℃～50℃可調(diào)的效果。同時(shí)，對設(shè)定溫度，用數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

溫度顯示部分采用4位7段數(shù)碼管顯示電路，數(shù)碼管選用共陽極數(shù)碼管，前2位顯示實(shí)際溫度，后2位顯示設(shè)定溫度，電路連接如圖4所示。數(shù)碼管以動(dòng)態(tài)掃描方式顯示，顯示數(shù)據(jù)由P0口送出，位選信號(hào)由P2口送出。T1定時(shí)器每4 ms對數(shù)碼管掃描顯示1次。

圖4 系統(tǒng)連接圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示，系統(tǒng)程序主要包括主程序、DS18B20程序、LED掃描顯示程序和PWM控制程序。主程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化、檢測鍵盤輸入、調(diào)用DS18B20程序、PID計(jì)算得到占空比并控制PWM輸出；DS18B20程序是根據(jù)其特定的要求進(jìn)行初始化、寫操作、讀操作、碼制轉(zhuǎn)換得到實(shí)際水溫；定時(shí)器T1中斷，動(dòng)態(tài)顯示實(shí)際溫度與設(shè)定溫度；定時(shí)器T0中斷以一定的占空比輸出PWM信號(hào)。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

程序部分代碼：

由于篇幅限制，其他代碼不再贅述。

4 Proteus仿真實(shí)現(xiàn)

Proteus軟件是英國Labcenter Electronics公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件，可以仿真、分析多種模擬器件和集成電路，尤其擅長于單片機(jī)的仿真與分析，并且可以很方便地與Keil C51集成開發(fā)。Proteus還具有PCB設(shè)計(jì)功能，可以在仿真通過后方便地繪制出PCB圖樣、制作PCB板，完成硬件實(shí)現(xiàn)。Proteus是一款優(yōu)秀的單片機(jī)仿真與開發(fā)軟件，它大大提高了效率、節(jié)省了開發(fā)周期和開發(fā)成本[3]。

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)選用Proteus進(jìn)行仿真，各元器件的連接見圖4。將編寫的匯編程序在Keil環(huán)境下編譯生成十六進(jìn)制的.HEX文件[5]，然后將其加載到單片機(jī)中運(yùn)行，得到圖4所示的結(jié)果：實(shí)際水溫為10℃，設(shè)定溫度為40℃系統(tǒng)開始加熱。上述各步驟在單片機(jī)開發(fā)板上也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

本文基于單片機(jī)和數(shù)字式溫度傳感器DS18B20設(shè)計(jì)了溫度控制系統(tǒng)，這是目前溫度控制中較為流行的設(shè)計(jì)思想。本設(shè)計(jì)方案，縮短了開發(fā)周期、降低了開發(fā)成本，不失為當(dāng)前控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一條捷徑，有著較為廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

[1]林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]呂小紅，周鳳星.基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24(6-2).

[3]陳少航，李山.基于Proteus的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007(6).