CN109302759B - 智能马桶即热式加热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及即热式加热模块技术领域，具体地说是一种智能马桶即热式加热系统，其在塑料外壳的末端盖合有端盖，所述端盖的端面中部设有通孔，在端盖与塑料外壳的末端之间设有覆盖住所述通孔的具形变的防冻垫；在220V的交流电源回路中依次串联入所述70℃双金属片温控器、所述45℃双金属片温控器、并联的所述2组绕向相反的加热线圈形成所述的两级温度保护装置。本发明与现有技术相比，能在水结冰膨胀时防止陶瓷加热管以及塑料外壳的损坏，控制电路中接入双金属片温控器，当加热水温度过高时能及时断开电源防止意外，而当水温下降到正常时，还能自动接通无需外部干涉。

Description

智能马桶即热式加热系统
技术领域
本发明涉及即热式加热模块技术领域，具体地说是一种智能马桶即热式加热系统。
背景技术
智能马桶从第一代的储热式发展到现在的即热式，健康、舒适、安全、节能、冲力、智控、美感已成行业发展的趋势。
大多产品采用即热式加热技术，机器内部是没有任何水容器的，仅仅是由精密温度控制和饲服电路及陶瓷加热管组成，它可以瞬间加热流经其中的水，要比带水箱的那种类似电热水壶的简单加热方式安全些。因为瞬间加热管一旦破裂漏电，水也会瞬间喷出烧毁加热管，产生可见的故障现象被发现而停止使用。但是老式的蓄热式在水中漏电，则不宜被察觉，除非触电才知道。
特别是冬天天气特别冷，地域关系使用环境温度差异大，北方冬季零下三四十度，若家中长时间无人居住室内温度亦可达到零下结冰状态，这样就造成即热式加热模块内部存水结冰，从而胀裂加热模块的管壁，造成产品报废，甚至引发安全事故。
另外，目前即热式加热技术中，采用可控硅相位调压的控制模块，由于产生非正弦波形对电网的干扰及瞬时冲击电流较大影响家用电器的正常使用：水压突然发生变化加热模块容易出现干烧、出水温度不稳现象，为了安全需要模块出水口装有一个45度温控器，前端安装一个温77度温度保险丝保证出水温度在超温的情况下即时断开电源，极端情况下当45度的温控器失灵，水温超出77度时温度保险丝熔断，也即该77度温度保险丝是不可恢复的，需要售后上门服务更换保险丝，给用户带来不便，同时增加厂家售后费用。
当然这都是极端的故障预测，正常寿命中的机器还是比较安全的，但是寿命终结时还是不如蓄热式机器让人使用比较安心。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，通过智能控制电路配合相关传感器来计算获取加热器的加热线圈所需加热的时间，实现自动智能温度控制，且在电源回路中设置2个双金属片温控器，来在加热温度过高时有效及时地切断电源，避免意外发生，并在温度恢复到正常后双金属片温控器自动导通恢复。
为实现上述目的，设计一种智能马桶即热式加热系统，包括两端贯通的塑料外壳、端盖、进水口接头、出水口装置、加热管、在出水口所设的两级温度保护装置、设置在进水口接头上的进水温度传感器、设置在出水口装置上的出水温度传感器、设有单片机的控制电路，所述的控制电路设有220V的交流电源回路，其特征在于：
还包括导流管、设置于进水口接头上的水流量传感器、具形变的防冻垫；
所述进水口接头包括接口、进水管；所述的接口和进水管一体成型，所述的接口呈X轴向布置，所述的进水管呈Z轴向布置；所述进水管与接口的内部通道贯通呈“L”形；
所述加热管采用陶瓷加热管，所述陶瓷加热管采用管壁为中空的陶瓷管，在陶瓷管的中空管壁内设有2组绕向相反的加热线圈；所述陶瓷加热管的进口端位于塑料外壳的进口端外，陶瓷加热管的其余部位从塑料外壳的进口端插入塑料外壳内，且陶瓷加热管与塑料外壳之间设有间距；塑料外壳的进口端与相应处的陶瓷加热管之间密封；
所述导流管的内壁沿轴向设有螺旋纹；所述的导流管套设在陶瓷加热管的外壁上，使导流管与陶瓷加热管之间形成腔体，且导流管的外壁紧密贴合所述塑料外壳的内壁，导流管的进口端缩后于陶瓷加热管的出口端，使陶瓷加热管的出口端与导流管的进口端之间的塑料外壳内形成与所述腔体进口端贯通的进口腔，导流管的出口端与塑料外壳的进口端的端面密闭，且靠近导流管的出口端处的导流管上设出水孔；
所述塑料外壳的末端盖合有端盖，所述端盖的端面中部设有通孔，在端盖与塑料外壳的末端之间设有覆盖住所述通孔的具形变的防冻垫；所述通孔的中心位于陶瓷加热管的中心轴线上；塑料外壳近末端处的外壁上还设有温度传导装置，所述的温度传导装置上设有70℃双金属片温控器；塑料外壳的进口端的外壁上还一体式设有出水口装置，所述的出水口装置的外壳壁的局部设有另一温度传导装置，所述的另一温度传导装置上还装有上限温度为45℃双金属片温控器，且所述出水口装置设有贯穿塑料外壳的壳壁后贯通所述出水孔的进水通道，所述出水口装置上还设有与进水通道的出口端贯通的出水管；所述出水温度传感器的工作端贯穿出水口装置的外壳壁后位于所述出水管和进水通道的交汇处；
所述陶瓷加热管的进口端连接在进水口接头的接口内；呈Y轴向布置的进水温度传感器的工作端贯穿进水口接头的外壁后位于进水管与接口的交汇处；
在220V的交流电源回路中依次串联入所述70℃双金属片温控器、所述45℃双金属片温控器、并联的所述2组绕向相反的加热线圈形成所述的两级温度保护装置。
所述设有单片机的控制电路包括PIC单片机、220V电网同步检测电路；两路浪涌吸收电路；两路双向可控硅过零触发电路；两路同步触发信号放大电路；
所述的PIC单片机采用16F1925单片机；
所述的进水温度传感器的输出端、出水温度传感器的输出端、水流量传感器的输出端分别连接PIC单片机的相应信号输入端；
所述的220V电网同步检测电路包括一端与16F1925单片机的RA2输入引脚连接的电阻R13，电阻R13的另一端分别连接光耦合器件PC814的发射极、电阻R19的一端、电容C7的一端；电阻R19的另一端、电容C7的另一端分别接地；光耦合器件PC814的集电极连接电源；光耦合器件PC814的红外线发光二极管U3的负极连接电阻R16后接地；红外线发光二极管U3的正极连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端220V电源；
所述电阻R9的另一端分两路，各自分别连接一路浪涌吸收电路；
每路浪涌吸收电路再依次连接一路双向可控硅过零触发电路；
两路双向可控硅过零触发电路的输入端分别连接PIC单片机的相应输出端；
所述PIC单片机根据输入的进水温度值和获取的流量信息及需要加热到的设定温度值，按公式计算出需要的加热功率P，判断电网输入的过零同步触发信号，输出相对应的过零触发脉冲，控制加热器的电阻丝加热的时间，来达到温度控制；当达到设定的温度值时，PIC单片机根据当前的输入温度、流量、输出温度再进行微调，确保控制温度在设定值的±1℃范围内；
当由于某种原因PIC单片机控制失效时，加热器温度超过45℃或70℃时，45℃双金属片温控器和70℃双金属片温控器动作，切断电源停止加热；
所述公式为W＝P×t×加热效率、W＝C×M×(T2-T1)，其中，W为加热线圈所消耗的能量；P为加热线圈的加热功率；t为加热线圈的加热时间；C为水的比热容；M为水的质量＝Q×T0×ρ；Q为每秒流量；T0为从所述进水口接头开始进水到进水接头结束进水的时间；ρ为水的密度1g/ml；T2为设定温度；T1为初始温度。
所述的第一路浪涌吸收电路包括串联的电阻R9、电容C4；所述的第二路浪涌吸收电路包括串联的电阻R22、电容C11。
第一路所述的双向可控硅过零触发电路包括双向可控硅T1、双向可控硅光耦MOC3063；双向可控硅T1的一个主电极分别连接第一路浪涌吸收电路中电阻R10的另一端、220V电网同步检测电路中电阻R9的另一端、电阻R8的一端，双向可控硅T1的另一个主电极分别连接第一路浪涌吸收电路中电容C4的另一端、电阻R15的一端；电阻R15的另一端分别连接双向可控硅T1的门极、双向可控硅光耦MOC3063的一主电极；双向可控硅光耦MOC3063的另一主电极连接电阻R8的另一端；双向可控硅光耦MOC3063的红外线发光二极管U2的正极分别连接电阻R7的一端、电容C3的一端，电阻R7的另一端连接电源，电容C3的另一端接地；红外线发光二极管U2的负极连接三极管Q1的集电极；三极管Q1的发射极分别连接电容C5的一端、二极管D1的正极后接地，三极管Q1的基极分别连接电容C5的另一端、电阻R12的一端，电阻R12的另一端分别连接二极管D1的负极，电阻R11的一端；电阻R11的另一端连接电容C2的一端，电容C2的另一端连接PCI单片机的输出引脚RC4；
第二路所述的双向可控硅过零触发电路包括双向可控硅T2、另一个双向可控硅光耦MOC3063；双向可控硅T2的一个主电极分别连接第二路浪涌吸收电路中电阻R22的另一端、220V电网同步检测电路中电阻R9的另一端、电阻R17的一端，双向可控硅T2的另一个主电极分别连接第二路浪涌吸收电路中电容C11的另一端、另一个加热线圈的一端、电阻R24的一端；电阻R24的另一端分别连接双向可控硅T2的门极、另一双向可控硅光耦MOC3063的一主电极；另一双向可控硅光耦MOC3063的另一主电极连接电阻R17的另一端；另一双向可控硅光耦MOC3063的红外线发光二极管U4的正极分别连接电阻R18的一端、电容C9的一端，电阻R18的另一端连接电源，电容C9的另一端接地；红外线发光二极管U4的负极连接三极管Q2的集电极；三极管Q2的发射极分别连接电容C10的一端、二极管D2的正极后接地，三极管Q2的基极分别连接电容C10的另一端、电阻R23的一端，电阻R23的另一端分别连接二极管D2的负极，电阻R21的一端；电阻R21的另一端连接电容C8的一端，电容C8的另一端连接PCI单片机的输出引脚RC2；
第一路双向可控硅过零触发电路中电容C4的另一端连接陶瓷加热管中的一个加热线圈的一端，第二路双向可控硅过零触发电路中电容C11的另一端连接陶瓷加热管中的另一个加热线圈的一端，两个加热线圈的另一端分别连接电阻R16的另一端后接地；两个加热线圈的另一端还依次串联45℃双金属片温控器、70℃双金属片温控器后分别连接220V源、电阻R9的另一端。
所述的双向可控硅T1、T2分别采用BCR8PM双向可控硅。
每组所述加热线圈的加热功率为0.75kW。
所述的温度传导装置、另一温度传导装置分别采用黄铜或紫钢材质的导热片结构。
所述的塑料外壳的进口端与相应处的陶瓷加热管之间密封为如下结构：
位于所述塑料外壳内的进口端处的陶瓷加热管的外壁上还设有环形法兰盘，相应处的塑料外壳的内壁设有环形槽，所述的环形法兰盘卡嵌在所述环形槽内，且环形法兰盘与环形槽之间设有密封垫；
位于塑料外壳与进水口接头之间的陶瓷加热管的外壁上还套设有环形的压盖，所述的压盖的环面盖设在环形法兰盘与塑料外壳的连接处的端面上。
所述的陶瓷加热管的进口端与接口之间还设有密封圈。
所述进水温度传感器与进水口接头之间设有第二密封圈。
本发明与现有技术相比，具有如下优势：
在陶瓷加热管的端口与塑料外壳之间设具形变的防冻垫，在水结冰膨胀时防止陶瓷加热管以及塑料外壳的损坏；
控制电路中接入双金属片温控器，当加热水温度过高时能及时断开电源防止意外，而当水温下降到正常时，还能自动接通无需外部干涉，不易损坏，可靠性高；保证水温安全可控；
结构简单，使用安全，具有防冻保护功能。
附图说明
图1为本发明的主视图。
图2为图1所示A-A剖示图。
图3为图1所示B-B向剖切透视图。
图4为图1所示C-C向剖切透视图。
图5为本发明中硅胶具形变的防冻垫的主视图。
图6为图5的右视图。
图7为本发明中陶瓷加热线圈的示意图。
图8为本发明中设有两个双金属片温控器的220V交流电源回路的电路图。
图9为本发明的控制电路图。
图10为图9中220V电网同步检测电路图。
图11为图10中A点处双向可控硅同步触发信号的波形图。
图12为图10中B点处双向可控硅同步触发信号的波形图。
图13为图9中一路双向可控硅过零触发电路图。
图14为本发明中触发电平为5V，脉冲宽度为5ms时，经软件计算后发出的同步触发信号的波形图。
图15为图13中A1点波形图。
图16为图13中B1点波形图。
图17为本发明中2组线圈全功率加热图。
图18为t时间内整个交流电的周期内，2组加热线圈都得到有效触发加热功率为100％。
图19为本发明中2组线圈50％功率加热图，图中箭头处为2组线圈同步触发脉冲位置。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明作进一步地说明。
实施例1
参见图1～图8，一种智能马桶即热式加热系统，包括两端贯通的塑料外壳14、端盖6、进水口接头4、出水口装置9、加热管、在出水口所设的两级温度保护装置、设置在进水口接头4上的进水温度传感器、设置在出水口装置9上的出水温度传感器、设有单片机的控制电路，所述的控制电路设有220V的交流电源回路，其特征在于：
还包括导流管1、设置于进水口接头4上的水流量传感器、具形变的防冻垫7；
所述进水口接头4包括接口4-2、进水管4-1；所述的接口4-2和进水管4-1一体成型，所述的接口4-2呈X轴向布置，所述的进水管4-1呈Z轴向布置；所述进水管4-1与接口4-2的内部通道贯通呈“L”形；
所述加热管采用陶瓷加热管2，所述陶瓷加热管2采用管壁为中空的陶瓷管，在陶瓷管的中空管壁内设有2组绕向相反的加热线圈；所述陶瓷加热管2的进口端位于塑料外壳14的进口端外，陶瓷加热管2的其余部位从塑料外壳14的进口端插入塑料外壳14内，且陶瓷加热管2与塑料外壳14之间设有间距；塑料外壳14的进口端与相应处的陶瓷加热管2之间密封；
所述导流管1的内壁沿轴向设有螺旋纹；所述的导流管1套设在陶瓷加热管2的外壁上，使导流管1与陶瓷加热管2之间形成腔体，且导流管1的外壁紧密贴合所述塑料外壳14的内壁，导流管1的进口端缩后于陶瓷加热管2的出口端，使陶瓷加热管2的出口端与导流管1的进口端之间的塑料外壳14内形成与所述腔体进口端贯通的进口腔，导流管1的出口端与塑料外壳14的进口端的端面密闭，且靠近导流管1的出口端处的导流管1上设出水孔；
所述塑料外壳14的末端盖合有端盖6，所述端盖6的端面中部设有通孔6-1，在端盖6与塑料外壳14的末端之间设有覆盖住所述通孔6-1的具形变的防冻垫7；本例中防冻垫7主要采用硬度为80度、食品级的硅胶垫；所述通孔6-1的中心位于陶瓷加热管2的中心轴线上；塑料外壳14近末端处的外壁上还设有温度传导装置10-1，所述的温度传导装置10-1上设有70℃双金属片温控器12-2，其中温度传导装置10-1起到传导热量给70℃双金属片温控器12-2的作用，同时，本案中温度传导装置10-1的另一端还连接电路板可控硅，所以温度传导装置10-1还可以起到传导出电路板可控硅工作时产生的热量、防止电路板可控硅工作时产生过高温度下的热损坏的作用，本例中温度传导装置10-1采用紫铜材质的导热片结构；塑料外壳14的进口端的外壁上还一体式设有出水口装置9，所述的出水口装置9的外壳壁的局部设有另一温度传导装置10-2，本例中另一温度传导装置10-2采用黄铜材质的导热片结构，所述的另一温度传导装置10-2上还装有上限温度为45℃双金属片温控器12-1，且所述出水口装置9设有贯穿塑料外壳14的壳壁后贯通所述出水孔的进水通道9-1，所述出水口装置9上还设有与进水通道9-1的出口端贯通的出水管9-2；所述出水温度传感器13的工作端贯穿出水口装置9的外壳壁后位于所述出水管9-2和进水通道9-1的交汇处；
所述陶瓷加热管2的进口端连接在进水口接头4的接口4-2内；呈Y轴向布置的进水温度传感器8的工作端贯穿进水口接头4的外壁后位于进水管4-1与接口4-2的交汇处；
在220V的交流电源回路中依次串联入所述70℃双金属片温控器12-2、所述45℃双金属片温控器12-1、并联的所述2组绕向相反的加热线圈形成所述的两级温度保护装置。
本发明中，加热线圈由2组绕向相反、功率相同的线圈组成。优点：1、两组绕组轮换通电控制，仅电网冲击电流减小一半。2、两个绕向相反绕组所产生的电磁干扰互相抵消，电磁干扰大大减小。
本发明中采用了由机械器件构成双金属片温控器，双金属片温控不需要外部电源供电，实现硬件双重保护功能的，确保在使用时出现烧坏陶瓷加热管的现象。在电器正常工作时，双金属片处于自由状态，触点处于闭合状态，当温度达到动作温度时，双金属片受热产生内应力而迅速动作，打开触点，切断电路，从而起到控温作用。当电器冷却到复位温度时，触点自动闭合，恢复正常工作状态。本例中70℃双金属片温控器12-2的动作温度是70℃，自恢复温度约为55℃，45℃双金属片温控器12-1的动作温度是45℃，自恢复温度约为38℃。具体为：
第一级硬件保护器——45℃双金属片温控器12-1，机械式自恢复的设定的温度是45℃断开，在低于38℃自动接通，这样当故障排除恢复正常以后，模块就能正常工作。它的作用原理是由于它是串联在220V的电源中，当水加热上升到45℃时，立刻就断开。这样它的出水温度控制在不超过45℃，让使用者不会由于温度过高而发生烫伤。
第二级硬件保护器——70℃双金属片温控器12-2，也是一个机械式的温度开关，设定温度70℃断开，温度下降至55℃左右接通自恢复，它也是串联在220V的交流回路中的。它的作用原理是，当第一级硬件保护器失效时，水温继续上升，当水温升至70℃左右时，第二级硬件保护器动作断开电源，第二级主要作用来保护模块塑料外壳，及陶瓷加热管不至于被烧坏。
另外本例中，防冻结构主要考虑在极端恶劣天气情况保护模块，以设置温度-20℃为实验。加热模块的塑料外壳、陶瓷加热管均能在-20℃下不出现冻裂等现象发生，因此可忽略不计。但是水在-20℃会结冰，体积会出现明显膨胀，会对陶瓷加热管及塑料外壳造成破坏。为避免不可预计的损坏发生，利用硅胶的可逆形变的高弹性这一特质，在陶瓷加热管的出口端添加一具形变的防冻垫7，当其膨胀时，可从端盖6的通孔6-1中向外膨胀，也即具形变的防冻垫7即可保证密封，又可在水结冰膨胀时预留缓冲空间，从而避免因水结冰体积增大而胀裂陶瓷加热管及塑料外壳。
现整个未注水的加热模块，质量为178g，注水以后，正常工作期间总质量为192g，以此得知，满负载情况下，水最大质量为14g。水密度为1g/cm3，水体积为14cm3。
当水结成冰时，体积膨胀，此时冰体积约为15.5cm3。
计算演示如下：
m水＝14g m水＝14g＝m冰
ρ水＝1g/cm3 ρ冰＝0.9g/cm3
V水＝m水/ρ水＝14cm3 V冰＝m冰/ρ冰＝15.5cm3
V＝V冰-V水＝1.5cm3
此时，比原来多出约1.5cm3＜2.195cm3的体积。
假如采用内径为16.8mm，外径为22.8mm的硅胶具形变的防冻垫，其形变后的凹陷的曲率半径为14mm，凹陷深度为4.3mm；根据NX 10.0软件导出结果，凹面积为：0.439cm3，可承受最大形变体积为2.195cm3。从水到冰1.5cm3的体积变化是在所选橡胶具形变的防冻垫的承受范围内。
进一步的，本例中所述的塑料外壳14的进口端与相应处的陶瓷加热管2之间密封为如下结构：
位于所述塑料外壳14内的进口端处的陶瓷加热管2的外壁上还设有环形法兰盘2-1，相应处的塑料外壳14的内壁设有环形槽，所述的环形法兰盘2-1卡嵌在所述环形槽内，且环形法兰盘2-1与环形槽之间设有密封垫；位于塑料外壳14与进水口接头4之间的陶瓷加热管2的外壁上还套设有环形的压盖16，所述的压盖16的环面盖设在环形法兰盘2-1与塑料外壳14的连接处的端面上。这样设计能使塑料外壳14与陶瓷加热管2的端面安装处结构更紧密，不泄漏。
进一步的，所述的陶瓷加热管2的进口端与接口4-2之间还设有密封圈11。
进一步的，所述进水温度传感器8与进水口接头4之间设有第二密封圈。
这里密封圈11和第二密封圈都可以采用性能更佳的硅胶，一般采用硬度为80度、食品级的硅胶。
进一步的，所述的塑料壳体14的外壁上还设有用于固定电路板用的电路板固定框15。
实施例2
参见图9，本例是在实施例1的基础上对控制电路做的进一步的优化改进。
本例中所述设有单片机的控制电路包括PIC单片机、220V电网同步检测电路；两路浪涌吸收电路；两路双向可控硅过零触发电路；两路同步触发信号放大电路；
所述的PIC单片机采用16F1925单片机；
所述的进水温度传感器的输出端、出水温度传感器的输出端、水流量传感器的输出端分别连接PIC单片机的相应信号输入端；参见图9，其中J1、J4是高精度进、出水温度传感器的输入信号，分别连接单片机的RC1引脚、RC0引脚，进、出水温度传感器的探头经过防水处理。在室温25℃的情况下，它的阻值约为50k，温度的变化能引起温度探头阻值发生变化，经过电路中的电阻分压，从而使输入到单片机引脚的电压发生变化，根据电压的变化计算出温度的变化，从而可以计算出加热线圈的加热量的多少。图9中J3输入是串口通信命令，传递的信号有：水流量、加热量控制、系统自检。
参见图10，所述的220V电网同步检测电路包括一端与16F1925单片机的RA2输入引脚连接的电阻R13，电阻R13的另一端分别连接光耦合器件PC814的发射极、电阻R19的一端、电容C7的一端；电阻R19的另一端、电容C7的另一端分别接地；光耦合器件PC814的集电极连接电源；光耦合器件PC814的红外线发光二极管U3的负极连接电阻R16后接地；红外线发光二极管U3的正极连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端220V电源；本例中220V电网同步检测电路，采用双向光耦合器件PC814，比通常使用的光耦合的电路简化一半的电路，其作用是在交流电的正负半周期都能产生触发信号，引起单片机的RA2引脚发生中断，再由单片机的中断服务程序计算出触发双向可控硅过零触发电路工作的同步触发信号；参见图11、图12，是图10中A点、B点处的波形图。
所述电阻R9的另一端分两路，各自分别连接一路浪涌吸收电路；
每路浪涌吸收电路再依次连接一路双向可控硅过零触发电路，两路双向可控硅过零触发电路的输入端分别连接PIC单片机的相应输出端；
所述PIC单片机根据输入的进水温度值和获取的流量信息及需要加热到的设定温度值，按公式计算出需要的加热功率P，判断电网输入的过零同步触发信号，输出相对应的过零触发脉冲，控制加热器的电阻丝加热的时间，来达到温度控制；当达到设定的温度值时，PIC单片机根据当前的输入温度、流量、输出温度再进行微调，确保控制温度在设定值的±1℃范围内；
当由于某种原因PIC单片机控制失效时，加热器温度超过45℃或70℃时，45℃双金属片温控器12-1和70℃双金属片温控器12-2动作，切断电源停止加热；
所述公式为W＝P×t×加热效率、W＝C×M×(T2-T1)，其中，W为加热线圈所消耗的能量；P为加热线圈的加热功率；t为加热线圈的加热时间；所述C为水的比热容；M为水的质量＝Q×T0×ρ；Q为每秒流量；T0为从所述进水口接头开始进水到进水接头结束进水的时间；ρ为水的密度1g/ml，比如设定每分钟流量为500ml，进水与结束进水的时间为4秒，则M为水的质量＝4×500×1÷60＝33g；T2为设定温度；T1为初始温度。
进一步的，所述的第一路浪涌吸收电路包括串联的电阻R9、电容C4；所述的第二路浪涌吸收电路包括串联的电阻R22、电容C11。
进一步的，参见图9、图13，第一路所述的双向可控硅过零触发电路包括双向可控硅T1、双向可控硅光耦MOC3063；双向可控硅T1的一个主电极分别连接第一路浪涌吸收电路中电阻R10的另一端、220V电网同步检测电路中电阻R9的另一端、电阻R8的一端，双向可控硅T1的另一个主电极分别连接第一路浪涌吸收电路中电容C4的另一端、电阻R15的一端；电阻R15的另一端分别连接双向可控硅T1的门极、双向可控硅光耦MOC3063的一主电极；双向可控硅光耦MOC3063的另一主电极连接电阻R8的另一端；双向可控硅光耦MOC3063的红外线发光二极管U2的正极分别连接电阻R7的一端、电容C3的一端，电阻R7的另一端连接电源，电容C3的另一端接地；红外线发光二极管U2的负极连接三极管Q1的集电极；三极管Q1的发射极分别连接电容C5的一端、二极管D1的正极后接地，三极管Q1的基极分别连接电容C5的另一端、电阻R12的一端，电阻R12的另一端分别连接二极管D1的负极，电阻R11的一端；电阻R11的另一端连接电容C2的一端，电容C2的另一端连接PCI单片机的输出引脚RC4；
第二路所述的双向可控硅过零触发电路包括双向可控硅T2、另一个双向可控硅光耦MOC3063；双向可控硅T2的一个主电极分别连接第二路浪涌吸收电路中电阻R22的另一端、220V电网同步检测电路中电阻R9的另一端、电阻R17的一端，双向可控硅T2的另一个主电极分别连接第二路浪涌吸收电路中电容C11的另一端、另一个加热线圈的一端、电阻R24的一端；电阻R24的另一端分别连接双向可控硅T2的门极、另一双向可控硅光耦MOC3063的一主电极；另一双向可控硅光耦MOC3063的另一主电极连接电阻R17的另一端；另一双向可控硅光耦MOC3063的红外线发光二极管U4的正极分别连接电阻R18的一端、电容C9的一端，电阻R18的另一端连接电源，电容C9的另一端接地；红外线发光二极管U4的负极连接三极管Q2的集电极；三极管Q2的发射极分别连接电容C10的一端、二极管D2的正极后接地，三极管Q2的基极分别连接电容C10的另一端、电阻R23的一端，电阻R23的另一端分别连接二极管D2的负极，电阻R21的一端；电阻R21的另一端连接电容C8的一端，电容C8的另一端连接PCI单片机的输出引脚RC2；
第一路双向可控硅过零触发电路中电容C4的另一端连接陶瓷加热管中的一个加热线圈的一端，第二路双向可控硅过零触发电路中电容C11的另一端连接陶瓷加热管中的另一个加热线圈的一端，两个加热线圈的另一端分别连接电阻R16的另一端后接地；两个加热线圈的另一端还依次串联45℃双金属片温控器、70℃双金属片温控器后分别连接220V源、电阻R9的另一端。
参见图13，以一路双向可控硅过零触发电路为例，CPU第六脚和第八脚产生的同步触发信号，经过电容C2和三极管Q1驱动双向可控硅光耦MOC3063触发双向可控硅T1导通控制加热线圈工作。在这里C2和Q1还有一个作用是防止单片机由于一些原因，电容触发电路只对脉冲信号起作用，当单片机一旦受到干扰、程序走飞，那么单片机的第6引脚和第8引脚可能一直输出高电平来触发MOC3063；如果没有电容C2将一直触发双向可控硅T1工作，加热线圈就一直处于加热状态，将出现过度加热的现象，从而引起整个加热模块失控，影响正常使用；可见电容对系统的可靠性及防止过加热起了很重要的作用。因此，双向可控硅过零触发电路在交流电周期过零时，触发可控硅导通，这样的触发电路可以减少触发电路对电网的干扰，减少对其室内的其他家用电器的干扰。
单片机程序控制采用脉冲同步算法，由于产生的同步脉冲的条件有下面几个条件：a、交流电产生过零信号；b、输入温度、出水温度在正常范围内；c、进水流量在控制的范围内；d、系统收到加热控制命令G1脉冲电平为5V、宽度为5ms，从而使整个温度控制系统不会由于程序走飞而产生错误的同步触发信号。经过单片机的程序计算后发出的同步触发信号，参见图14～图16。
进一步的，所述的双向可控硅T1、T2分别采用BCR8PM双向可控硅。
进一步的，每组加热线圈的加热功率为0.75kW。
假设已知陶瓷加热线圈总功率为1.5KW。恒温5℃的水通过加热模块加热到35℃，加热时间为3s，加热效率为80％，经测量加热模块中的水的质量为14g。
则W＝C*M*(T2-T1)＝4.2*0.014*(35-5)＝1.764J；
则通过单片机计算得到的理论功率为P理＝W/t/效率＝1.764/3/0.80＝0.735kW。
示波器显示的实际效果图参见图18。从图可以大致看出加热功率约为50％。所以实际功率P实＝W总*50％＝1.5*0.5＝0.75KW。
P差＝P实-P理＝0.75-0.735＝0.015kW。由此可以看出，理论值计算和实际数据比较符合。
本例中水流量传感器每500ms检测一次，当由于某种不可预知原因突然断水、水流量突然大幅减小、进水温度突然快速升高等情况，流量参数快速传送单片机计算采取如下相应保护：1、根据水流量调整加热功率，水流量为零时关闭加热；2、根据传感器的测量值调整加热功率，当水温超限时关闭加热。单片机每隔20ms检测一次水温变化，当加热水温超过45℃时快速切断双向可控硅的控制电路，电路的反应时间约50ms，从而保证上述不可预知因素不能对用户造成伤害。
当由于某种原因单片机系统控制失效时，2个双金属温度控制器动作，切断电源停止加热，从而提高了整个即热式加热模块的安全性和可靠性。
进一步的，本例中还可通过PCI单片机设定快速加热模式，即当进水水温低于10℃时，为了达到快速出热水，当控制电路中检测到进水温度小于10℃时，立刻启动全功率预加热，时间约500ms，当进水温大于15℃时进入正常加热模式。从而达到了在冬季也能更快速出温水，提高用户体验和舒适度。
参见图17～图19，详细说明单位时间段加热原理。图17为全功率加热，其中箭头处为单片机发出的交流电同步触发信号，触发脉冲的宽度为5ms。图18可见在t时间内，整个交流电的周期内都得到有效触发加热功率为100％。图19为50％功率加热，每组线图在6个交流电周期触发三次，由于是交替触发工作，实际加热功率为750W，在整个加热周期内由于采用的是过零同步触发，输出的交流电是完整的正弦波，对于电网无干扰，冲击电流也小于间线圈绕组的加热器，同样根据上述有原理可以推算5％、10％等加热功率图表。
将本加热系统在实验室进行实测，进水温度5℃——30℃，设定温度38℃，出水2-3秒达到设定温度，温度变化范围38℃±1℃，出水温度超过45℃保护电路工作，可以连续工作8小时以上，达到设计要求。

Claims (9)

1.一种智能马桶即热式加热系统，包括两端贯通的塑料外壳(14)、端盖(6)、进水口接头(4)、出水口装置(9)、加热管、在出水口所设的两级温度保护装置、设置在进水口接头(4)上的进水温度传感器、设置在出水口装置(9)上的出水温度传感器、设有单片机的控制电路，所述的控制电路设有220V的交流电源回路，其特征在于：
还包括导流管(1)、设置于进水口接头(4)上的水流量传感器、具形变的防冻垫(7)；
所述进水口接头(4)包括接口(4-2)、进水管(4-1)；所述的接口(4-2)和进水管(4-1)一体成型，所述的接口(4-2)呈X轴向布置，所述的进水管(4-1)呈Z轴向布置；所述进水管(4-1)与接口(4-2)的内部通道贯通呈“L”形；
所述加热管采用陶瓷加热管(2)，所述陶瓷加热管(2)采用管壁为中空的陶瓷管，在陶瓷管的中空管壁内设有2组绕向相反的加热线圈；所述陶瓷加热管(2)的进口端位于塑料外壳(14)的进口端外，陶瓷加热管(2)的其余部位从塑料外壳(14)的进口端插入塑料外壳(14)内，且陶瓷加热管(2)与塑料外壳(14)之间设有间距；塑料外壳(14)的进口端与相应处的陶瓷加热管(2)之间密封；
所述导流管(1)的内壁沿轴向设有螺旋纹；所述的导流管(1)套设在陶瓷加热管(2)的外壁上，使导流管(1)与陶瓷加热管(2)之间形成腔体，且导流管(1)的外壁紧密贴合所述塑料外壳(14)的内壁，导流管(1)的进口端缩后于陶瓷加热管(2)的出口端，使陶瓷加热管(2)的出口端与导流管(1)的进口端之间的塑料外壳(14)内形成与所述腔体进口端贯通的进口腔，导流管(1)的出口端与塑料外壳(14)的进口端的端面密闭，且靠近导流管(1)的出口端处的导流管(1)上设出水孔；
所述塑料外壳(14)的末端盖合有端盖(6)，所述端盖(6)的端面中部设有通孔(6-1)，在端盖(6)与塑料外壳(14)的末端之间设有覆盖住所述通孔(6-1)的具形变的防冻垫(7)；所述通孔(6-1)的中心位于陶瓷加热管(2)的中心轴线上；塑料外壳(14)近末端处的外壁上还设有温度传导装置(10-1)，所述的温度传导装置(10-1)上设有70℃双金属片温控器(12-2)；塑料外壳(14)的进口端的外壁上还一体式设有出水口装置(9)，所述的出水口装置(9)的外壳壁的局部设有另一温度传导装置(10-2)，所述的另一温度传导装置(10-2)上还装有上限温度为45℃双金属片温控器(12-1)，且所述出水口装置(9)设有贯穿塑料外壳(14)的壳壁后贯通所述出水孔的进水通道(9-1)，所述出水口装置(9)上还设有与进水通道(9-1)的出口端贯通的出水管(9-2)；所述出水温度传感器(13)的工作端贯穿出水口装置(9)的外壳壁后位于所述出水管(9-2)和进水通道(9-1)的交汇处；
所述陶瓷加热管(2)的进口端连接在进水口接头(4)的接口(4-2)内；呈Y轴向布置的进水温度传感器(8)的工作端贯穿进水口接头(4)的外壁后位于进水管(4-1)与接口(4-2)的交汇处；
在220V的交流电源回路中依次串联入所述70℃双金属片温控器(12-2)、所述45℃双金属片温控器(12-1)、并联的所述2组绕向相反的加热线圈形成所述的两级温度保护装置；
所述设有单片机的控制电路包括PIC单片机、220V电网同步检测电路；两路浪涌吸收电路；两路双向可控硅过零触发电路；两路同步触发信号放大电路；
所述的PIC单片机采用16F1925单片机；
所述的进水温度传感器的输出端、出水温度传感器的输出端、水流量传感器的输出端分别连接PIC单片机的相应信号输入端；
所述的220V电网同步检测电路包括一端与16F1925单片机的RA2输入引脚连接的电阻R13，电阻R13的另一端分别连接光耦合器件PC814的发射极、电阻R19的一端、电容C7的一端；电阻R19的另一端、电容C7的另一端分别接地；光耦合器件PC814的集电极连接电源；光耦合器件PC814的红外线发光二极管U3的负极连接电阻R16后接地；红外线发光二极管U3的正极连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端220V电源；
所述电阻R9的另一端分两路，各自对应连接第一路浪涌吸收电路、第二路浪涌吸收电路；
每路浪涌吸收电路再依次连接一路双向可控硅过零触发电路；
两路双向可控硅过零触发电路的输入端分别连接PIC单片机的相应输出端；
所述PIC单片机根据输入的进水温度值和获取的流量信息及需要加热到的设定温度值，按公式计算出需要的加热功率P，判断电网输入的过零同步触发信号，输出相对应的过零触发脉冲，控制加热器的电阻丝加热的时间，来达到温度控制；当达到设定的温度值时，PIC单片机根据当前的输入温度、流量、输出温度再进行微调，确保控制温度在设定值的±1℃范围内；
当PIC单片机控制失效，加热器温度超过45℃或70℃时，45℃双金属片温控器(12-1)和70℃双金属片温控器(12-2)动作，切断电源停止加热；
所述公式为W＝P×t×加热效率、W＝C×M×(T2-T1)，其中，W为加热线圈所消耗的能量；P为加热线圈的加热功率；t为加热线圈的加热时间；C为水的比热容；M为水的质量＝Q×T0×ρ；Q为每秒流量；T0为从所述进水口接头开始进水到进水接头结束进水的时间；
ρ为水的密度1g/ml；T2为设定温度；T1为初始温度。
2.如权利要求1所述的智能马桶即热式加热系统，其特征在于：
所述的第一路浪涌吸收电路包括串联的电阻R9、电容C4；
所述的第二路浪涌吸收电路包括串联的电阻R22、电容C11。
3.如权利要求2所述的智能马桶即热式加热系统，其特征在于：
第一路所述的双向可控硅过零触发电路包括双向可控硅T1、双向可控硅光耦MOC3063；双向可控硅T1的一个主电极分别连接第一路浪涌吸收电路中电阻R10的另一端、220V电网同步检测电路中电阻R9的另一端、电阻R8的一端，双向可控硅T1的另一个主电极分别连接第一路浪涌吸收电路中电容C4的另一端、电阻R15的一端；电阻R15的另一端分别连接双向可控硅T1的门极、双向可控硅光耦MOC3063的一主电极；双向可控硅光耦MOC3063的另一主电极连接电阻R8的另一端；双向可控硅光耦MOC3063的红外线发光二极管U2的正极分别连接电阻R7的一端、电容C3的一端，电阻R7的另一端连接电源，电容C3的另一端接地；红外线发光二极管U2的负极连接三极管Q1的集电极；三极管Q1的发射极分别连接电容C5的一端、二极管D1的正极后接地，三极管Q1的基极分别连接电容C5的另一端、电阻R12的一端，电阻R12的另一端分别连接二极管D1的负极，电阻R11的一端；电阻R11的另一端连接电容C2的一端，电容C2的另一端连接PCI单片机的输出引脚RC4；
第二路所述的双向可控硅过零触发电路包括双向可控硅T2、另一个双向可控硅光耦MOC3063；双向可控硅T2的一个主电极分别连接第二路浪涌吸收电路中电阻R22的另一端、220V电网同步检测电路中电阻R9的另一端、电阻R17的一端，双向可控硅T2的另一个主电极分别连接第二路浪涌吸收电路中电容C11的另一端、另一个加热线圈的一端、电阻R24的一端；电阻R24的另一端分别连接双向可控硅T2的门极、另一双向可控硅光耦MOC3063的一主电极；另一双向可控硅光耦MOC3063的另一主电极连接电阻R17的另一端；另一双向可控硅光耦MOC3063的红外线发光二极管U4的正极分别连接电阻R18的一端、电容C9的一端，电阻R18的另一端连接电源，电容C9的另一端接地；红外线发光二极管U4的负极连接三极管Q2的集电极；三极管Q2的发射极分别连接电容C10的一端、二极管D2的正极后接地，三极管Q2的基极分别连接电容C10的另一端、电阻R23的一端，电阻R23的另一端分别连接二极管D2的负极，电阻R21的一端；电阻R21的另一端连接电容C8的一端，电容C8的另一端连接PCI单片机的输出引脚RC2；
第一路双向可控硅过零触发电路中电容C4的另一端连接陶瓷加热管中的一个加热线圈的一端，第二路双向可控硅过零触发电路中电容C11的另一端连接陶瓷加热管中的另一个加热线圈的一端，两个加热线圈的另一端分别连接电阻R16的另一端后接地；两个加热线圈的另一端还依次串联45℃双金属片温控器、70℃双金属片温控器后分别连接220V源、电阻R9的另一端。
4.如权利要求3所述的智能马桶即热式加热系统，其特征在于：所述的双向可控硅T1、T2分别采用BCR8PM双向可控硅。
5.如权利要求1所述的智能马桶即热式加热系统，其特征在于：每组所述加热线圈的加热功率为0.75kW。
6.如权利要求1所述的智能马桶即热式加热系统，其特征在于：所述的温度传导装置(10-1)、另一温度传导装置(10-2)分别采用黄铜或紫钢材质的导热片结构。
7.如权利要求1所述的智能马桶即热式加热系统，其特征在于：
所述的塑料外壳(14)的进口端与相应处的陶瓷加热管(2)之间密封为如下结构：
位于所述塑料外壳(14)内的进口端处的陶瓷加热管(2)的外壁上还设有环形法兰盘(2-1)，相应处的塑料外壳(14)的内壁设有环形槽，所述的环形法兰盘(2-1)卡嵌在所述环形槽内，且环形法兰盘(2-1)与环形槽之间设有密封垫；
位于塑料外壳(14)与进水口接头(4)之间的陶瓷加热管(2)的外壁上还套设有环形的压盖(16)，所述的压盖(16)的环面盖设在环形法兰盘(2-1)与塑料外壳(14)的连接处的端面上。
8.如权利要求1所述的智能马桶即热式加热系统，其特征在于：所述的陶瓷加热管(2)的进口端与接口(4-2)之间还设有密封圈(11)；所述进水温度传感器(8)与进水口接头(4)之间设有第二密封圈。
9.如权利要求1所述的智能马桶即热式加热系统，其特征在于：所述的塑料外壳(14)的外壁上还设有用于固定电路板用的电路板固定框(15)。
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