CN103230910B - 基于dsPIC单片机的变频防垢仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于dsPIC单片机的变频防垢仪，包括MCU控制器、功率放大模块、负载线圈和水质检测模块；所述MCU控制器采用了dsPIC30F4012单片机，所述水质检测模块包括扫频频段设定模块或钙镁离子浓度检测模块，所述扫频频段设定模块的输出端与所述dsPIC30F4012单片机的IO口相连，所述钙镁离子浓度检测模块与所述dsPIC30F4012单片机的IO口相连；所述dsPIC30F4012单片机的PWM信号输出端驱动功率放大模块与负载线圈相连。该变频防垢仪解决现有技术中电磁防垢仪不能运用于多种水质的情况，根据不同水质，用户可自行设定仪器的不同扫描频段，从而达到有效除垢的目的。

Description

基于dsPIC单片机的变频防垢仪

技术领域

本发明涉及一种基于dsPIC单片机的变频防垢仪，属于变频防垢的技术领域。

背景技术

在工业生产与油田开采输送、注水过程中加热或供应蒸汽时，由于容器或管道内的水一般含有较多的成垢离子。溶解在水中的钙、镁等离子与碳酸根离子受热结合，形成并析出白色的沉淀物，渐渐积累附着在容器上形成结垢层。少部分的垢随着水流的冲刷被冲掉，但是大部分的垢在不断积累。垢的生成不但耗费燃料而且易造成局部温度过高，引起容器的损坏。

为了防止垢的生成人们采用添加防垢剂的方法，在一定程度上解决了垢的生成，但是由于对水产生了二次污染，增加了对污水的处理成本。

后来由于电磁感应加热技术的不断发展，人们发现磁场能引起水微观很多结构的改变，于是防垢装置不断地代替了传统的防垢剂。但是由于结垢成分的复杂性，尽管电磁防垢的多种机理，但至今还没有统一的研究定论，唯一的方法是根据不同水质，采用不同功率，不同扫频范围的电磁防垢仪，这无疑增加了用户经济负担和仪器的维护难度。

其中，在《石油化工腐蚀与防护》2010年第3期所记载的名称为《变频电磁防垢仪用于油田污水的处理》的文章中就有记载“成垢离子和粒子同一定频率的磁场发生共振”，但是关于它们内在的联系却没有做过多的解释。

中国专利CN2528763公开了一种利用变频电磁场对水进行处理的变频除垢仪。电线缠绕在非铁磁质的水处理管上成螺线管状，与变频电路板联结，接受变频电路板输出的变频电信号，在水处理管内形成变频电磁场，成螺线管状的电线、非铁磁质的水处理管和变频电路板由非铁磁质的壳体固定和保护，壳体上有显示盘。变频电磁场可以对不同水质进行有效防垢、除垢。没有电极，结构简单、实用，所用材料便宜、方便，可以广泛应用于不同地区的工业水处理或家庭水处理。但是该装置在结构上过于简单、功能不齐全。

中国专利CN201558837U公开了一种油田管网变频电磁防垢仪。其技术方案是：主要由法兰、电磁转换器、仪器外壳、变频信号主机、液晶显示屏和电源接口组成，所述的变频信号主机的两组输出端子分别与两组电磁转换器的输入端子连接，所述的变频信号主机的两组输入端子分别与两组电磁转换器的输出端子连接，所述的变频信号主机和电磁转换器安设在仪器外壳内，两端分别通过法兰与管线进行连接，并通过电源接口外接电源。该装置虽然可以起到一定的防垢作用但是对于运行的速度有待提高，在产品的升级上没有选择可编程的快速器件。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于dsPIC单片机的变频防垢仪。该变频防垢仪解决现有技术中电磁防垢仪不能运用于多种水质的情况，根据不同水质，用户可自行设定仪器的不同扫描频段，从而达到有效除垢的目的。

本发明的技术方案如下：

一种基于dsPIC单片机的变频防垢仪，包括MCU控制器、功率放大模块、负载线圈和水质检测模块；所述MCU控制器采用了dsPIC30F4012单片机，所述水质检测模块包括扫频频段设定模块或钙镁离子浓度检测模块，所述扫频频段设定模块的输出端与所述dsPIC30F4012单片机的IO口相连，所述钙镁离子浓度检测模块与所述dsPIC30F4012单片机的IO口相连；所述dsPIC30F4012单片机的PWM信号输出端驱动功率放大模块与负载线圈相连；

所述的扫频频段设定模块采用三档波段开关，所述单片机dsPIC30F4012根据所选波段档位直接以档位对应频率的PWM信号驱动功率放大模块及负载线圈；其中所述三档分别对应的波段为：500Hz—5KHz、5KHz—20KHz和20KHz—35KHz；

所述单片机dsPIC30F4012根据钙镁离子浓度检测模块检测水中钙、镁离子含量的多少，按照表1所述浓度对应的波段频率范围输出PWM信号驱动功率放大模块及负载线圈。使用本发明时，用户既可以自己手动选择该防垢仪的输出电磁频率，也可以根据钙镁离子检测模块检测水中钙镁离子浓度自动控制该防垢仪的输出电磁频率。

表1

水中钙镁离子含量（mmol/L）	扫频范围（HZ）
		≤0.2	500—5K
大于0.2，小于等于5	5K—20K
		＞5	20K—35K

根据本发明优选的，所述的钙镁离子浓度检测模块为颜色传感器，所述颜色传感器按照钙镁离子浓度范围分为三种颜色：当颜色传感器感应到绿颜色时，则判断钙镁离子浓度≤0.2mmol/L；当颜色传感器感应到黄颜色时，则判断钙镁离子浓度＞0.2mmol/L且≤5mmol/L；当颜色传感器感应到黑颜色时，则判断钙镁离子浓度＞5mmol/L。

根据本发明优选的，所述基于dsPIC单片机的变频防垢仪还包括电流检测模块和温控模块，所述的电流检测模块与dsPIC30F4012单片机的电流检测端相连，所述温控模块包括负载线圈温度传感器和IGBT散热片温度传感器，所述负载线圈温度传感器和IGBT散热片温度传感器分别与dsPIC30F4012单片机的温度检测端相连。本发明通过检测负载线圈温度、电流和IGBT温度，从而避免了变频防垢仪过载、电流波动和IGBT元件过热等问题的发生。

根据本发明优选的，所述dsPIC30F4012单片机还对IGBT电压故障检测、IGBT驱动故障检测。所述功率放大模块提供了对IGBT的保护，并将故障信号输出给MCU控制器，以便及时对故障进行处理。

根据本发明优选的，所述的MCU控制器还包括故障指示、运行指示；所述的故障指示包括负载过热温度指示、IGBT故障指示和负载过流指示；所述的运行指示为电源状态指示。

根据本发明优选的，所述的电流检测模块为所述负载线圈上的电流互感器，经所述电流互感器与所述dsPIC30F4012单片机的AD口相连。经电流互感器的电流经变压、变流后进入所述dsPIC30F4012单片机。

根据本发明优选的，所述的温控模块中的温度传感器为NTC热敏电阻，该热敏电阻与所述dsPIC30F4012单片机的AD口相连。所述NTC热敏电阻产生的检测温度信号，经过信号调理后进入所述dsPIC30F4012单片机。

本发明的优势在于：

本发明采用高性能dsPIC30F4012单片机内部所具有的PWM信号发生模块，通过软件编程方式，生成高频扫频PWM方波脉冲，摆脱了硬件脉冲发生器和单纯软件编程实现PWM的诸多缺点，使得系统更加稳定；

本发明采用扫描频率分频段方式，解决不同水质下电磁防垢仪效果的非线性特征，使得仪器处理效果更加明显，通用性更加广泛；

本发明还具有过流保护及自动功率控制技术，在dsPIC单片机检测到负载过流后能及时关断PWM输出，从而及时保护设备，在正常运行过程中，如果负载线圈电流高于设定值，则通过程序设定会加大PWM死区时间，从而间接地减少占PWM信号的占空比，进而减小流过负载线圈的电流，反之，则会增加占空比，以便加大流过负载线圈电流。通过这种自动补偿控制，使得整机运行功率恒定。

附图说明

图1为本发明MCU控制器的外围控制电路接口图；

图2为本发明变磁防垢仪整机原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

如图1-2所示。

一种基于dsPIC单片机的变频防垢仪，包括MCU控制器、功率放大模块、负载线圈和水质检测模块；所述MCU控制器采用了dsPIC30F4012单片机，所述水质检测模块包括扫频频段设定模块或钙镁离子浓度检测模块，所述扫频频段设定模块的输出端与所述dsPIC30F4012单片机的IO口相连，所述钙镁离子浓度检测模块与所述dsPIC30F4012单片机的IO口相连；所述dsPIC30F4012单片机的PWM信号输出端驱动功率放大模块与负载线圈相连；

所述的扫频频段设定模块采用三档波段开关，所述单片机dsPIC30F4012根据所选波段档位直接以档位对应频率的PWM信号驱动功率放大模块及负载线圈；其中所述三档分别对应的波段为：500Hz—5KHz、5KHz—20KHz和20KHz—35KHz；

所述单片机dsPIC30F4012根据钙镁离子浓度检测模块检测水中钙、镁离子含量的多少，按照表1所述浓度对应的波段频率范围输出PWM信号驱动功率放大模块及负载线圈。使用本发明时，用户既可以自己手动选择该防垢仪的输出电磁频率，也可以根据钙镁离子检测模块检测水中钙镁离子浓度自动控制该防垢仪的输出电磁频率。

表1

水中钙镁离子含量（mmol/L）	扫频范围（HZ）
		≤0.2	500—5K
大于0.2，小于等于5	5K—20K
		＞5	20K—35K

根据本发明优选的，所述的钙镁离子浓度检测模块为颜色传感器，所述颜色传感器按照钙镁离子浓度范围分为三种颜色：当颜色传感器感应到绿颜色时，则判断钙镁离子浓度≤0.2mmol/L；当颜色传感器感应到黄颜色时，则判断钙镁离子浓度＞0.2mmol/L且≤5mmol/L；当颜色传感器感应到黑颜色时，则判断钙镁离子浓度＞5mmol/L。

根据本发明优选的，所述基于dsPIC单片机的变频防垢仪还包括电流检测模块和温控模块，所述的电流检测模块与dsPIC30F4012单片机的电流检测端相连，所述温控模块包括负载线圈温度传感器和IGBT散热片温度传感器，所述负载线圈温度传感器和IGBT散热片温度传感器分别与dsPIC30F4012单片机的温度检测端相连。本发明通过检测负载线圈温度、电流和IGBT温度，从而避免了变频防垢仪过载、电流波动和IGBT元件过热等问题的发生。

根据本发明优选的，所述dsPIC30F4012单片机还对IGBT电压故障检测、IGBT驱动故障检测。所述功率放大模块提供了对IGBT的保护，并将故障信号输出给MCU控制器，以便及时对故障进行处理。

根据本发明优选的，所述的MCU控制器还包括故障指示、运行指示；所述的故障指示包括负载过热温度指示、IGBT故障指示和负载过流指示；所述的运行指示为电源状态指示。

根据本发明优选的，所述的电流检测模块为所述负载线圈上的电流互感器，经所述电流互感器与所述dsPIC30F4012单片机的AD口相连。经电流互感器的电流经变压、变流后进入所述dsPIC30F4012单片机。

根据本发明优选的，所述的温控模块中的温度传感器为NTC热敏电阻，该热敏电阻与所述dsPIC30F4012单片机的AD口相连。所述NTC热敏电阻产生的检测温度信号，经过信号调理后进入所述dsPIC30F4012单片机。

本发明的工作流程如下：

由dsPIC30F4012单片机产生的PWM高频扫频脉冲信号送到功率放大模块，如果检测到功率放大模块有IGBT驱动故障、IGBT电源故障和IGBT散热片故障之中任一个，则dsPIC单片机会立即关闭功率放大。模块内的SCR，从而关闭强电，如果没有以上任何一个故障，则功率放大后PWM信号会加到负载线圈上，此时设备处于正常运行状态，正常运行LED灯点亮。运行过程中，如果出现负载线圈过流、过热或负载电流波动较大，则会通过检测输出信号及时反馈给dsPIC单片机。具体为：

对于负载过热保护，则会关闭PWM和SCR输出，并给LED指示；

对于负载过流保护，则会关闭PWM和SCR输出，并给LED指示；

对于负载电流波动，则在dsPIC单片机检测到负载过流后能及时关断PWM输出，从而及时保护设备，在正常运行过程中，如果负载线圈电流高于设定值，则通过程序设定会加大PWM死区时间，从而间接地减少占PWM信号的占空比，进而减小流过负载线圈的电流，反之，则会增加占空比，以便加大流过负载线圈电流。通过这种自动补偿控制，使得整机运行功率恒定。

本发明不但采用了扫频范围分段控制，而且采用了通过调节PWM输出波形死区来调节输出功率的自动功率控制，同样对于图2，所示的系统采用了双闭环控制，从而保护了设备，并使得系统运行更加可靠、安全。

Claims (6)

1.一种基于dsPIC单片机的变频防垢仪，其特征在于，该变频防垢仪包括MCU控制器、功率放大模块、负载线圈和水质检测模块；所述MCU控制器采用了dsPIC30F4012单片机，所述水质检测模块包括扫频频段设定模块或钙镁离子浓度检测模块，所述扫频频段设定模块的输出端与所述dsPIC30F4012单片机的IO口相连，所述钙镁离子浓度检测模块与所述dsPIC30F4012单片机的IO口相连；所述dsPIC30F4012单片机的PWM信号输出端驱动功率放大模块与负载线圈相连；

所述的扫频频段设定模块采用三档波段开关，所述单片机dsPIC30F4012根据所选波段档位直接以档位对应频率的PWM信号驱动功率放大模块及负载线圈；其中所述三档分别对应的波段为：500Hz—5KHz、5KHz—20KHz和20KHz—35KHz；

所述单片机dsPIC30F4012根据钙镁离子浓度检测模块检测水中钙、镁离子含量的多少，按照以下所述浓度对应的波段频率范围输出PWM信号驱动功率放大模块及负载线圈；使用本发明时，用户既可以自己手动选择该防垢仪的输出电磁频率，也可以根据钙镁离子检测模块检测水中钙镁离子浓度自动控制该防垢仪的输出电磁频率：

当钙镁离子浓度小于等于0.2mmol/L时，则扫频范围为500—5KHZ；

当钙镁离子浓度大于0.2mmol/L且小于等于5mmol/L时，则扫频范围为5—20KHZ；

当钙镁离子浓度大于5mmol/L时，则扫频范围为20—35KHZ；

所述的钙镁离子浓度检测模块为颜色传感器，所述颜色传感器按照钙镁离子浓度范围分为三种颜色：当颜色传感器感应到绿颜色时，则判断钙镁离子浓度≤0.2mmol/L；当颜色传感器感应到黄颜色时，则判断钙镁离子浓度＞0.2mmol/L且≤5mmol/L；当颜色传感器感应到黑颜色时，则判断钙镁离子浓度＞5mmol/L。

2.根据权利要求1所述的一种基于dsPIC单片机的变频防垢仪，其特征在于，所述基于dsPIC单片机的变频防垢仪还包括电流检测模块和温控模块，所述的电流检测模块与dsPIC30F4012单片机的电流检测端相连，所述温控模块包括负载线圈温度传感器和IGBT散热片温度传感器，所述负载线圈温度传感器和IGBT散热片温度传感器分别与dsPIC30F4012单片机的温度检测端相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于dsPIC单片机的变频防垢仪，其特征在于，所述dsPIC30F4012单片机还对IGBT电压故障检测、IGBT驱动故障检测。

4.根据权利要求1所述的一种基于dsPIC单片机的变频防垢仪，其特征在于，所述的MCU控制器还包括故障指示、运行指示；所述的故障指示包括负载过热温度指示、IGBT故障指示和负载过流指示；所述的运行指示为电源状态指示。

5.根据权利要求2所述的一种基于dsPIC单片机的变频防垢仪，其特征在于，所述的电流检测模块为所述负载线圈上的电流互感器，经所述电流互感器与所述dsPIC30F4012单片机的AD口相连。

6.根据权利要求2所述的一种基于dsPIC单片机的变频防垢仪，其特征在于，所述的温控模块中的温度传感器为NTC热敏电阻，该热敏电阻与所述dsPIC30F4012单片机的AD口相连。