电磁热水器温度控制系统仿真设计

林雄伟，胡大斌

(海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033)

热水器是现代家庭中一种十分重要的家用电器。目前，常见的电热水器大多采用电热丝加热形式，这种加热形式不仅效率低而且存在漏电隐患。现在，基于电磁感应加热原理的、更加节能安全的新型电热水器已经崭露头角。本文所的介绍即热式电磁热水器，要求将初温为10℃左右的水加热到 20℃～50℃(具体温度由用户设定)。文中对其温度控制部分做了初步研究，并用Proteus软件做了仿真实现。

1 电磁热水器的加热原理

根据电磁感应原理，高频电流通过线圈时产生高频磁场，将金属导磁材料置于这样的高频磁场，金属体中会产生无数高速运动的电流回路(即涡流)，涡流产生的巨大的循环能量转换为有效热能，并将会使金属加热组件迅速升温。这种利用涡流加热的方式在工业与民用方面已获得广泛应用，其优势是有着很高的功率密度，单位加热面上的功率可达 0.1～2 kW/cm2，加热速度极快，能在数秒至数十秒内将金属表面加热到800℃～1 000℃。电磁即热式热水器正是根据这一特性通过电磁转换传递足够能量，将加热体的金属导磁材料迅速加热升温，进而使流经加热体的水迅速升温。

电磁热水器加热主电路主要由L-C振荡电路、绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成，如图1所示。其原理是：电网电压(220 V、50 Hz)经整流、滤波后得到直流电压 U(图1中将这部分省略直接给出U)并把其加到谐振电路和功率开关管IGBT的两端。IGBT在驱动脉冲信号的作用下处于“导通”和“关断”的工作状态中。

图1 加热主电路简化图

电感L中的电流变化如图2所示，并分析[1]如下：

(1)t0～t1时段：t0时刻 IGBT 开通， 此时 Uc=0，iL=0，VD关断。t0之后直流电源U向线圈L充电，直到t1时刻iL上升到最大值。

图2 电流iL的波形

(2)t1～t2时段：t1时刻，iL达到最大值，此时，关断 IGBT。L对电容C充电，iL不断下降。当iL下降到0，Uc上升到峰值电压时充电停止，此时到t2时刻。

(3)t2～t3时段：t2时刻，C 开始对 L 放电，iL上升，Uc下降，t3时刻 Uc下降到 0，iL上升到反向峰值。

(4)t3～t4时段：t3时刻，L 对 C 反向充电，直到 t4时刻iL下降为0，开通 IGBT，开始下一个周期。

功率开关管IGBT在高频脉冲信号的作用下，快速重复上述过程，就产生了高频电流。

2 温度控制系统的总体组成

温度控制系统的总体组成[2]如图3所示，由温度检测电路、加热控制电路、数码管显示电路、温度设定电路等组成。

图3 温度控制系统总体组成

2.1 单片机选型

单片机是温度控制系统的核心，它采集并处理温度数据、控制数码管显示及加热部分的运行。

本系统选用美国ATMEL公司生产的AT89S52型单片机，具有低功耗、高性能CMOS 8位Flash ROM。AT89S52完全兼容传统的8051指令系统和引脚；具有8 KB的程序存储空间，足够存放一般大小的汇编程序；支持在线编程功能，可方便地擦写1000次左右；网络资源丰富，价格低廉，编译工具多，仿真环境好。因此在各种控制领域中被广泛应用。

2.2 温度检测电路

目前，对于温度测量采用较多的是热电阻、热电偶或数字温度传感器。前两者采集的是模拟量，需要经过A/D转换才能送入单片机进行处理。数字温度传感器可直接送出数字量，省去了A/D转换电路。

为了降低电路的复杂程度，本系统选用数字温度传感器DSl8B20。DS18B20是美国DSLLAS公司生产的单总线数字温度传感器，具有微型化、低功耗、抗干扰能力强、易匹配处理器等优点。它将温度感测、信号变换、A/D转换等功能集成到一个芯片上，采用TO-92封装形式，接口非常简单。DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。DS18B20主要性能指标[3]如下：电压范围:3～5.5 V(可用数据线供电)，测温范围：-55℃～+125℃，通过编程可实现9～12位的数字读数方式，测温分辨率可达0.062 5℃，可自设定非易失性的报警上下限值。

DS18B20将温度值以规定的格式转换为数据并存放于内部的一个9字节的高速存储器中。当接收到读存储器指令时，将数据发送给单片机，用户通过相应的算法，将数据还原为温度值；采用单总线数据传输方式，对读写的数据位有着严格的时序要求。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。具体操作如下：

(1)初始化操作。向 DSI8B20的数据线(即 DQ)发送480 μs～960 μs 的低电平信号，再将 DQ 拉高 15 μs～60 μs。

(2)写操作。当数据线从高电平拉至低电平时产生写 时 隙 。 从 DQ 的 下 降 沿 开 始 ，在 15 μs～60 μs内 对DSl8B20进行写入。数据线为高电平写入1，为低电平写入0，这即为1个写周期。若要开始下一个写周期，则须有1 μs以上的高电平恢复期。需要注意的是，每个写周期都要有60 μs以上的持续时间。

(3)读操作。主机将数据线拉低并保持 1 μs～4 μs，再将其拉高，就产生读时隙。从数据线下降沿之后15 μs～60 μs时段内，主机读取数据。每个读周期最短须持续60 μs，2个读周期之间须有 1 μs以上的高电平恢复期。

2.3 加热控制电路

单片机产生PWM脉冲经放大后驱动IGBT管，在加热体中产生高频电流，依据电磁感应原理产生热量对水加热，如图1所示。加热体的输出瞬时功率决定于PWM周期中高电平的占空比，占空比小，IGBT的触发脉冲变窄，输出功率下降；占空比大，IGBT的触发脉冲变宽，输出功率上升。水温是大时滞性的对象，在加热管内水温与“设定温度”相等时才停止加热，但水温不会马上停止上升。因此，本系统设计水温达到80%“设定温度”之前时以全功率加热，水温达到80%“设定温度”之后加热功率适当减小，减小的幅度由PID算法给出。T0定时器生成PWM脉冲，其占空比由计算结果确定。

2.4 温度设定与数码管显示电路

为减小电路的复杂程度又能得到良好的效果，本系统设计 “升温”、“降温”两个键对温度进行设定。开机后，系统默认“设定温度”为 40℃，并开始工作，通过按键对 “设定温度”进行增减，达到 20℃～50℃可调的效果。同时，对设定温度，用数码管进行显示。

温度显示部分采用4位7段数码管显示电路，数码管选用共阳极数码管，前2位显示实际温度，后2位显示设定温度，电路连接如图4所示。数码管以动态扫描方式显示，显示数据由P0口送出，位选信号由P2口送出。T1定时器每4 ms对数码管扫描显示1次。

图4 系统连接图

3 软件设计

系统软件流程图如图5所示，系统程序主要包括主程序、DS18B20程序、LED扫描显示程序和PWM控制程序。主程序对系统进行初始化、检测键盘输入、调用DS18B20程序、PID计算得到占空比并控制PWM输出；DS18B20程序是根据其特定的要求进行初始化、写操作、读操作、码制转换得到实际水温；定时器T1中断，动态显示实际温度与设定温度；定时器T0中断以一定的占空比输出PWM信号。

图5 系统软件流程图

程序部分代码：

由于篇幅限制，其他代码不再赘述。

4 Proteus仿真实现

Proteus软件是英国Labcenter Electronics公司开发的电路分析与实物仿真软件，可以仿真、分析多种模拟器件和集成电路，尤其擅长于单片机的仿真与分析，并且可以很方便地与Keil C51集成开发。Proteus还具有PCB设计功能，可以在仿真通过后方便地绘制出PCB图样、制作PCB板，完成硬件实现。Proteus是一款优秀的单片机仿真与开发软件，它大大提高了效率、节省了开发周期和开发成本[3]。

本系统在设计时选用Proteus进行仿真，各元器件的连接见图4。将编写的汇编程序在Keil环境下编译生成十六进制的.HEX文件[5]，然后将其加载到单片机中运行，得到图4所示的结果：实际水温为10℃，设定温度为40℃系统开始加热。上述各步骤在单片机开发板上也已经实现。

本文基于单片机和数字式温度传感器DS18B20设计了温度控制系统，这是目前温度控制中较为流行的设计思想。本设计方案，缩短了开发周期、降低了开发成本，不失为当前控制系统设计的一条捷径，有着较为广泛的应用价值。

[1]林渭勋.现代电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]吕小红，周凤星.基于单片机的电阻炉温度控制系统设计[J].微计算机信息，2008，24(6-2).

[3]陈少航，李山.基于Proteus的单片机应用系统的设计与仿真[J].现代电子技术，2007(6).