摘要：隨著開水器占據(jù)市場(chǎng)份額的加大，對(duì)開水器的研究已經(jīng)成為重要的課題。本文結(jié)合沸騰式開水器在結(jié)構(gòu)和控制方面的優(yōu)點(diǎn)，分析其工作原理，完成了沸騰式開水器的系統(tǒng)構(gòu)造，包括硬件電路的設(shè)計(jì)和相關(guān)軟件的程序設(shè)計(jì)。本文研究的開水器實(shí)現(xiàn)了水位信號(hào)的檢測(cè)，雙向可控硅加熱控制以及進(jìn)水控制等功能。

　　關(guān)鍵字：水位檢測(cè)；雙向可控硅；加熱控制

　　中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

      The Research and Implementation of Control System with Boiling Electric Water Boiler

                            Wang Yan Hong      Meng Wen

      Abstract：As the increasing market share of water boiler, the research on water boiler has become an important subject. Combining with boiling water boiler in structure and control, the paper analyzed its working principle, completed with the system structure, including hardware circuit design and related software programming. The paper has realized the functions on detection circuit for water-level signals, heating control circuit with two-way SCR drive, and feed-water control circuit, etc.

      Key Words: Water Level Detection; Two-way SCR; Heating  Control

　　1引言

　　自動(dòng)沸水器早在20世紀(jì)八十年代就已經(jīng)問世，這種自動(dòng)沸水器已具備：自動(dòng)補(bǔ)充冷水，自動(dòng)進(jìn)入沸水狀態(tài)，自動(dòng)停止工作等自動(dòng)化控制特點(diǎn)。其工作原理延續(xù)至今，仍然有眾多開水器存在以下問題：水位控制多采用浮球式水位開關(guān)，隨著浮球在水中浸泡的時(shí)間增長(zhǎng)，會(huì)有有害物質(zhì)進(jìn)入飲水，對(duì)人們的健康造成威脅；開水儲(chǔ)水箱和冷水儲(chǔ)水箱不能完全隔離，導(dǎo)致形成“陰陽水”和“千滾水”；不能實(shí)現(xiàn)隨燒隨用，大量沸水在等待被接走時(shí)，溫度降低，變回冷水；水燒開后的大量蒸汽不能夠被及時(shí)回收，陡然增加燒水控制系統(tǒng)的熱量，工作環(huán)境十分不利于開水器控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　針對(duì)現(xiàn)今開水器控制系統(tǒng)存在的諸多問題，本文研究了一種基于AT89S52單片機(jī)的開水器，實(shí)現(xiàn)了軟硬件結(jié)合，其成本低、節(jié)能衛(wèi)生、構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、實(shí)用性較強(qiáng)。

　　2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　2.1箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)熱力學(xué)相關(guān)理論，大量蒸汽在冷凝為液態(tài)時(shí)會(huì)釋放大量的熱能，如果能將這些熱量回收利用，對(duì)還沒有進(jìn)行加熱的冷水提前預(yù)熱，將會(huì)大大降低冷水被加熱時(shí)的能耗。因此，本文設(shè)計(jì)了一種蒸汽回收通道，

　　此通道與底部冷水箱想通，這樣就可以起到提前預(yù)熱冷水的作用。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，冷水儲(chǔ)水箱和開水儲(chǔ)水箱是完全隔離的，開水箱是一個(gè)盛放溢出沸水的容器，這樣保證了從出水口接到的水是百分之百的開水，而不用擔(dān)心是“陰陽水”和“千滾水”。

圖1  水箱結(jié)構(gòu)圖

　　由圖1可以看出，加熱腔與冷水儲(chǔ)水箱采用連通器原理相連，這樣可以把冷水的控制轉(zhuǎn)化到加熱腔里，冷水儲(chǔ)水箱中水位的變化也即是加熱腔中水位的變化，為軟件的實(shí)現(xiàn)提供了方便。

　　1.2硬件電路設(shè)計(jì)

　　硬件電路包括以下幾部分：1、水位檢測(cè)電路；2、加熱控制電路；3、進(jìn)水補(bǔ)水控制電路；4、水位信號(hào)指示燈電路；5、電源濾波整流電路6、單片機(jī)最小系統(tǒng)。其總體硬件控制方框圖如圖2所示：

圖2   總體硬件控制方框圖

　　2.2.1水位檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

　　本文采用電極式傳感器完成水位信號(hào)的采集。電極式傳感器的電極棒是可導(dǎo)電金屬，在冷水熱水中均不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，滿足了衛(wèi)生飲水的要求。三個(gè)水位傳感器分別采集冷水低水位信號(hào)CWL、冷水高水位信號(hào)CWH、以及開水水位信號(hào)HW。如圖3是水位信號(hào)的采集電路圖。

圖3  水位信號(hào)采集電路

　　由電路圖可以看出，15V交流電源通過接線端子接入電路中，其一端直接接在橋堆的一個(gè)輸入端，15V交流電源的另一端接在箱體（WaterBox）上，水位傳感器的電極懸空在箱體之中。當(dāng)水位到達(dá)電極棒時(shí)，由于水的導(dǎo)電性，此時(shí)電極棒和箱體接通，即15V交流電通過水傳給了電極棒，而電極棒是橋堆的另一個(gè)輸入端，如果有水位到達(dá)電極棒，則意味著15VAC接入到了橋堆。橋堆接受到15V交流電后，通過整流濾波，使光電耦合器導(dǎo)通，光電耦合器的輸出端一端連在控制芯片的P2口，另一端接地，在光電耦合器導(dǎo)通的情況下，P2口的電壓被拉低，屆時(shí)，控制芯片檢測(cè)到電平變化，根據(jù)判斷到的水位信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的程序。

　　在電路設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮的幾點(diǎn)問題：首先，要保證水位信號(hào)檢測(cè)的靈敏度，為此，應(yīng)該在選擇光電耦合器時(shí)，盡量在滿足電壓條件下選擇導(dǎo)通電壓小的光耦；其次，電路中的分壓電阻可以根據(jù)實(shí)際情況取舍，是可機(jī)動(dòng)部分；最后，為了安全起見，箱體應(yīng)該接公共地。

　　2.2.1進(jìn)水補(bǔ)水控制電路設(shè)計(jì)

　　在箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，上水水管直接外接水龍頭，水管與儲(chǔ)水箱之間安裝一個(gè)常閉電磁閥，根據(jù)檢測(cè)到水位信號(hào)，通過電路控制電磁閥的通斷來實(shí)現(xiàn)上水和停止上水的動(dòng)作。其控制電路圖如圖4所示。

圖4  進(jìn)水補(bǔ)水控制電路

　　由于進(jìn)水補(bǔ)水工作是一個(gè)頻繁的操作過程，應(yīng)該提前考慮到元器件的性能及可靠性。在控制進(jìn)水的通斷時(shí)采用繼電器作為開關(guān)，在繼電器輸入端反接一個(gè)二極管D1。由于繼電器采用的是電磁感應(yīng)原理來吸合或放開可動(dòng)觸頭來轉(zhuǎn)換電路，根據(jù)電感特性，在這個(gè)過程中，電流的變化是受阻的，當(dāng)突然切斷電感線圈的電流，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常強(qiáng)大的反向電動(dòng)勢(shì)，嚴(yán)重的后果將是擊穿或燒毀放大二極管N1，進(jìn)而影響到整個(gè)電路的運(yùn)行。所以在此反接一個(gè)二極管D1，以便為反向電動(dòng)勢(shì)提供一個(gè)緩沖和泄放的通路，這樣就起到了保護(hù)電路的作用。此外，采用24VAC常閉電磁閥，J1是接入24VAC的跳線端子。

　  2.23 加熱控制電路設(shè)計(jì)

　　加熱采用大功率的380V三相交流電源，這樣就可以保證在短時(shí)間內(nèi)迅速燒開冷水，為實(shí)現(xiàn)隨燒隨用提供客觀條件。

　　在加熱控制電路的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，由于加熱時(shí)功率大，并且通斷頻繁，為了防止假脈沖觸發(fā)可控硅，遂采用三象限雙向可控硅作為交流控制開關(guān)。雙向可控硅只需要一個(gè)觸發(fā)電路便可以工作，并且內(nèi)部的緩沖電路是由串聯(lián)的電容和碳質(zhì)電阻構(gòu)成，根據(jù)電源電壓，合理地選擇緩沖電路元件，可以保證雙向可控硅的穩(wěn)定觸發(fā)。

　　雙向可控硅的觸發(fā)電路對(duì)主控制電路有重要的影響，常用的觸發(fā)電路和主控制電路之間有電的聯(lián)系，容易受到電磁電壓的波動(dòng)以及電源波形畸變等的影響，應(yīng)該采用光電隔離技術(shù)，將加熱部分和主控制電路隔離開。本設(shè)計(jì)中采用MOTOROLA公司生產(chǎn)的MOC3061光電耦合器，實(shí)現(xiàn)過零觸發(fā)雙向可控硅。MOC3061內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳排列見圖5。

圖5   MOC3061內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　如圖6所示為以MOC3061觸發(fā)雙向可控硅的加熱控制電路圖，此電路可以實(shí)現(xiàn)加熱電路與主控制電路間在電氣上的完全隔離?？刂七^程中，芯片通過檢測(cè)開水水位信號(hào)HW和CWL來啟動(dòng)或停止加熱控制電路。控制引腳為P1.5，脈沖信號(hào)從P1.5輸出，經(jīng)過放大處理后送給光電耦合器MOC3061輸入端，MOC3061過零觸發(fā)雙向可控硅，最終將三相電源（U/V/W）與加熱器(A/B/C)接通，實(shí)現(xiàn)加熱。

圖6  加熱控制電路

　　2.2控制軟件設(shè)計(jì)

　　基于硬件電路搭建的平臺(tái)，分析開水器工作特性可知，開水從加熱腔中溢出，開水慢慢到達(dá)開水水位HW，此時(shí)冷水水位在下降，在開水沒有到達(dá)HW，且水位在CWL之上時(shí)，應(yīng)該保持繼續(xù)加熱，直到達(dá)到HW為止。必須要注意的是，冷水水位一旦低于CWL，不論HW到否，都應(yīng)該停止加熱，并且開始補(bǔ)水。只要保證冷水在CWL之上，便可以繼續(xù)加熱，這樣就可以防止干燒現(xiàn)象，在程序設(shè)計(jì)時(shí)是尤為重要的考慮因素。

　　根據(jù)這個(gè)工作原理，編寫其控制軟件。在三個(gè)水位信號(hào)中，冷水低水位負(fù)責(zé)水位下限控制，確保低于下限時(shí)不能出現(xiàn)干燒現(xiàn)象，并且低水位信號(hào)是決定上水控制，如果低于CWL，則須馬上補(bǔ)水；高水位信號(hào)負(fù)責(zé)控制水位上限，當(dāng)?shù)竭_(dá)CWH時(shí)，則應(yīng)該停止補(bǔ)水；開水水位HW決定是否需要加熱，如果沒有到達(dá)HW，則應(yīng)該在保證冷水在CWL之上時(shí)開始加熱，當(dāng)?shù)竭_(dá)HW時(shí)，應(yīng)該停止加熱，水位控制流程圖如圖7所示。

圖7  水位檢測(cè)控制主循環(huán)控制流程圖

　　在正常工作情況下，控制芯片不斷掃描水位信號(hào)入口引腳。以低電平為使能信號(hào)，通過檢測(cè)各個(gè)控制引腳來完成進(jìn)水和加熱的操作，并通過水位信號(hào)指示燈來表征水位變化情況。結(jié)合實(shí)際情況，如果遇到停電后重啟，為了表征當(dāng)前狀態(tài)，必須要在程序設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)上電復(fù)位后當(dāng)前狀態(tài)做出判斷，以方便人們識(shí)別當(dāng)前開水器內(nèi)部狀態(tài)。

　　本設(shè)計(jì)采用Keiluvision4編程軟件，其編程界面如圖8所示：

圖8   Keil uvision4編程界面

　　3結(jié)語

　　隨著人們生活水平和環(huán)保節(jié)能意識(shí)的提高，高能效電開水器的發(fā)展將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。本文既是對(duì)現(xiàn)今開水器市場(chǎng)的一次完整剖析，又是一次新的探索，隨著智能控制技術(shù)的不斷普及，即開電節(jié)能開水器控制系統(tǒng)的性能將得到更進(jìn)一步的完善，并向著智能化、人性化、更環(huán)保的方向行進(jìn)。

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