基于MCU的温控器产品创新设计研究 – MCU,热敏电阻,温度传感器,单片机

随着全球经济一体化,各国产品竞争越来越激烈,谁掌握了市场主动权,谁就能够立于不败之地,这就要求相关企业对市场需求快速响应进行产品创新。
  产品创新基于潜在的市场需求,表现在设计阶段对已有产品所涉及的功能、原理、总体布局、具体结构等方面的创新,只有很少的设计是全新设计。因此可以说,产品设计的核心是创新,设计的过程就是一个创新的过程。而产品设计的目的是使用,只有更方便于人们使用的产品才能产生利润,并在一定领域造福于人类。
  基于人们对小家电越来越广泛的需求以及国内外激烈的市场竞争[1~5],本文对小家电中的重要零部件温控器进行了创新设计,并成功地用于电热水壶中,满足了市场对电热水壶多样化的需求。
1 电热水壶及温控器市场现状
  在全球电热水壶市场中,普遍使用的重要零部件之一就是机械式温控器。其原理大致如下:
  水在加热到沸腾时产生大量水蒸气,通过蒸汽管道传递到机械式温控器的金属片上,金属片热胀冷缩,变形的金属片推动温控器的机械结构做功,于是断开电路开关,这样就完成了一次烧水过程。等一段时间之后,金属片随着温度的降低又恢复原位,这样又可以再次进行加热烧水。
  全球大部分电热水壶市场的温控器主要来自于英国,设有层层专利壁垒,而且大部分利润由他们所得[6~7]。这些品牌以STRIX、OTTER等为主要市场领导者,一般国内外比较有名品牌的电热水壶大多使用STRIX、OTTER的温控器。此类温控器具有以下缺点:
  (1)烧水时必须保持水壶壶盖盖上,只有在烧水过程中保持大量的水蒸气不会散开到空气中才可以利用水蒸气的流动性将大量的热通过蒸汽管道传递到温控器的金属片上,否则会使水一直处于沸腾状态而不会自动断电。这样既浪费电能,又影响水的质量,缩短了水壶的寿命,给消费者造成不好的影响。
  (2)一壶水烧好后需继续烧水时,温控器需要一段时间才能使开关复位,会给消费者造成水壶开关失去功能的错觉,也不符合水壶快速的特性。
  (3)工作时对水位有一定的要求,一般最小水位在0.5L。
  (4)很难有扩展功能的机会,如温度显示、温度控制、自动使水冷却等。
2 产品创新点
  为了摆脱对机械式温控器的依赖,面对国外的技术垄断和国内、外市场的机遇,针对机械式温控器的缺点,本设计的创新之处在于:使用MCU控制技术,用热敏电阻作为温度传感装置,实现了安全、实用、方便的温度控制,其功能如下:
  (1)实时水温显示,显示范围:0℃~110℃。
  (2)用户可以通过按键自行设定温度。
  (3)温控精度:温度保持在设定温度的±3℃。
  (4)水温到达设定温度时音乐提示。
  (5)防干烧功能。
  创新设计后的温控器原理框图如图1所示。控制电路以三星S3F9454MCU为核心。该芯片是一个低功耗、高性能的单片8位CMOS MCU,内置10位精度的A/D模块,片上4KB的Flash存储器和208B的RAM,可对Flash存储器进行重复编程,方便软件的修改升级。


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温控器原理:将热敏电阻放在电热水壶某一位置,通过热敏电阻进行温度采样,并将此处的温度相关信息传送给MCU处理;根据此处温度与壶内水的温度的规律关系,MCU将计算出的水温与用户设定的温度进行比较,如果水的温度大于或等于设定的温度,则MCU控制断开加热电路,使电路停止加热发热盘。同样,如果热敏电阻读取到的发热盘温度大于110℃(即发生干烧时),对发热盘的加热电路也将立即断开。
3 总体布局方案设计
3.1 方案一:测量蒸汽温度实现温度控制
  温度传感器通过蒸汽口将测得的蒸汽温度传给S3F9454MCU, MCU通过对温度传感器传来的信号进行分析,决定是否对发热负载供电,并将工作状态输出。当传感器测得的温度信号大于或等于设定温度时,则停止加热,电路复位。该方案是通过感应蒸汽温度实现水温控制的。由于对蒸汽温度的测量相对容易,因此用时较少。此方案适合于只要求烧开水的用户。其实现温度控制的主板、控制面板示意图如图2所示。


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3.2 方案二: 测量壶身温度实现温度控制
  将热敏电阻温度传感器放在壶身侧面处(为了避免修改壶身结构,最好放在手柄与壶身交接的地方),MCU根据壶身温度与水温之间的规律关系编程,实现自动控制温度。但是热敏电阻的放置结构有一定的要求,壶身上与热敏电阻接触的地方需要比其他地方的壁厚薄一些,且该地方需要密封,以防止受到空气温度的影响;壶身上热敏电阻与水之间需要有一个介质,以防止壶水被污染。该方案可以任意控制水温,因此适合于有多种水温要求的用户。
3.3 方案三: 测量发热盘底部的温度实现温度控制
  壶身底部发热盘上使用发热丝,发热丝接电源线的地方因为发热较少称为冷端,其他部分因为发热较多称为热端。将热敏电阻置于壶身底部发热盘靠冷端处,根据实验数据,得出水温与发热盘温度之间的关系,MCU根据此关系进行编程处理,这样热敏电阻测得的发热盘的温度就可以转换成水的温度并显示在显示屏上,同时可以检测发热盘的温度以防止干烧。该方案对总体结构设计要求较低,更方便实现防干烧功能。
  上述三种方案可满足不同用户的个性化要求,以满足电热水壶系列化设计需要。下面以方案三为例,进行系统结构优化设计。
4 结构优化设计
4.1 热敏电阻放置位置的确定
  保证测量准确性的关键步骤是找一个最佳位置放置热敏电阻,分别对1000W、800W功率,1.7L、1.0L水位选用各个不同的点进行了实际测试,测试的内容及结果如表1和图3所示。


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由表1和图3可以看出,将热敏电阻放置在发热盘靠冷端处,与实际水温最为接近。
  热敏电阻放置位置结构设计如图4所示。


4.2 热敏电阻与水温及发热盘温度的关系
  温控器通过热敏电阻测量温度时,MCU根据水温、热敏电阻测定温度、发热盘上热敏电阻安装处温度三者之间的对应关系编程,进行数据处理,以控制加热电路。
  实测方法:在220V±10%电压情况下,采用不同的水量(1.0L、1.2L、1.5L、1.7L),将热敏电阻放在发热盘底部,热电偶采用分别放在热敏电阻安装处、塑胶管里的热敏电阻安装处以及壶水里面,从水温40℃开始计时,用温度巡检仪每10秒打印一次数据,到水温90℃结束加热,然后继续打印,直到水温开始下降为止。
  通过实测,得到放置在水壶底部发热盘上的热敏电阻与水温及发热盘温度的关系:选取242V电压、1.0L水量时实测结果如图5所示;选取242V电压、1.2L、220V电压、1.5L、198V电压、1.2L、1.7L实测结果如图6所示。


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由上述图形比较可以看出:水温、热敏电阻实测温度、发热盘上热敏电阻安装处的温度三者之间呈现有规律的变化:不管是冷水还是热水、发热盘有没有加热,水温>热敏电阻实测温度>发热盘温度,壶内水的温度比该处发热盘的温度要高7±3℃, MCU都将根据这些规律进行编程。
5 软件设计
  主程序流程图如图7所示。系统上电后,MCU电路加电,程序开始运行,系统初始化:首先检测是否有按键按下,若有按键按下,读入用户设定的温度并显示;若没有检测到按键按下,设定温度采用缺省值100℃,同时显示实时温度。启动加热,当温度达到设定温度时,停止加热且音乐提示。防干烧功能由中断程序完成,发热盘温度达到110℃时,产生中断,MCU立即断开加热电路。
  创新设计后的温控器相对于机械式温控器具有以下优势:
  (1)水温可以任意设定,可实现对水温的准确控制。
  (2)烧水时没有最小水位的限制。
  (3)系统功能可扩展,如增加定时功能等。
  (4)电路板的大小和形状可根据结构要求设计,可以满足各种形状电水壶的要求。
  (5)可满足不同用户的个性化需要。
  基于三星MCU的温控器设计,摆脱了对机械式温控器金属片的依赖。经实际检测,样机性能指标达到了设计要求,且该温控器还可以用于其他小家电产品,具有广阔的市场前景。
参考文献
1 小家电:家电行业的“最后一桶金”.赢周刊.http://finance.sina.com.cn. 2004-08-02
2家电发展内外融合将加快.http://finance.sina.com.cn. 北京晨报, 2004-08-26
3 电热水器节能问题逐渐摆上桌面. 中国电子报.http://finance.sina.com.cn. 2004-10-10
4 美的进入厨房小家电行业.中华工商时报. http://finance.sina.com.cn, 2003-07-25
5 广东美的扩张掘金看好小家电前途咬定不放松.中华工商时报, http://finance.sina.com.cn. 2003-07-24
6 小家电——家电业最后一块没动过的奶酪等待瓜分.人民网-市场报. http://finance.sina.com.cn.2005-12-19
7 核心技术之痛:快速电热水壶温控器市场调查分析.http://www.dianyuan.com. 2006-02-24

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发布日期:2019年03月17日  所属分类:参考设计