冉棚水， 李貴川， 陳長(zhǎng)益

（1.長(zhǎng)江師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，重慶408100；2.西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院，重慶400715）

0 引言

受地理環(huán)境影響，在我國(guó)的渝東南、湖南、安徽、江西等長(zhǎng)江濕冷地區(qū)以及高寒山區(qū)的人們冬天常采用實(shí)木電火箱取暖器取暖。隨著生活水平的提高，實(shí)木電火箱取暖器已成為每個(gè)家庭的必備家具之一。目前主流的實(shí)木電火箱取暖器溫度調(diào)節(jié)性能差，人們使用完成后容易忘記關(guān)閉取暖器而引發(fā)火災(zāi)，因此使其成為冬天火災(zāi)的重要原因之一。因溫度調(diào)節(jié)性能差傳統(tǒng)的電火箱取暖器耗能亦較高。據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，目前市售電火箱取暖器外觀尺寸單一、體積龐大，運(yùn)輸安裝不便，更難以滿足不同家庭的需求，這與“智能人性家居”的理念極不相符。鑒于實(shí)際情況，本文基于SolidWorks設(shè)計(jì)了一款安全、節(jié)能、人性化的實(shí)木電火箱取暖器。

1 恒溫控制

1.1 恒溫控制類別

常用的恒溫控制方法有單片機(jī)（芯片）控制、PLC控制、PID控制。PLC是一種可編程邏輯控制器，它利用可編程存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)、順序控制、邏輯運(yùn)算等面向用戶的各類指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬量的輸入、輸出控制各種硬件設(shè)備。PLC恒溫控制系統(tǒng)雖然功能強(qiáng)大，但是其體積龐大、成本極高的缺點(diǎn)難以作為電火箱取暖器的控制系統(tǒng)。

PID恒溫控制系統(tǒng)的信號(hào)來(lái)源是通過(guò)熱敏電阻進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換獲取數(shù)字信號(hào)，在密閉的電火箱內(nèi)該過(guò)程對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)獲取影響較大。總體看來(lái)PID恒溫控制用于實(shí)木電火箱取暖器較為復(fù)雜，成本較高、控制準(zhǔn)確性不高，因此亦不適用于本設(shè)計(jì)。

單片機(jī)是一種集成電路芯片，其體積小、功能齊全、性價(jià)比極高，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制。目前單片機(jī)溫控芯片在恒溫控制領(lǐng)域使用較為成熟，鑒于實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)的恒溫控制系統(tǒng)宜以單片機(jī)溫控芯片作為核心控制元件，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下可達(dá)到節(jié)能穩(wěn)定、安全可靠的效果。

圖1 恒溫自動(dòng)控制原理圖

1.2 基本原理

本設(shè)計(jì)溫度控制原理如圖1所示，給定信號(hào)U1與反饋信號(hào)U2在比較元件中進(jìn)行比較可得出偏差的大小和方向。比較信號(hào)Δu作為恒溫控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)，恒溫控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)計(jì)算比較以完成發(fā)熱系統(tǒng)輸入電壓的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié),最終實(shí)現(xiàn)恒溫控制和節(jié)能的目的。恒溫控制電路如圖2所示。RL是發(fā)熱系統(tǒng)中的發(fā)熱絲，Rt是正溫度系數(shù)開(kāi)關(guān)型熱敏電阻。被測(cè)溫度小于Rt的居里點(diǎn)時(shí)，Rt阻值很小，5S芯片模塊的輸入信號(hào)為低電平，芯片內(nèi)部電路導(dǎo)通，RL通電發(fā)熱。當(dāng)被測(cè)溫度高于Rt居里點(diǎn)時(shí)，Rt的阻值開(kāi)始階躍升高，同時(shí)5S芯片模塊輸入信號(hào)電位急劇增加，芯片模塊內(nèi)部電路變?yōu)閿嗦窢顟B(tài)，RL停止發(fā)熱。待被測(cè)溫度下降至Rt居里點(diǎn)以下時(shí)，5S芯片模塊又接通工作，RL開(kāi)始通電發(fā)熱。發(fā)熱系統(tǒng)如上述周而復(fù)始循環(huán)工作，保持電熱絲溫度的相對(duì)恒定。

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的發(fā)熱系統(tǒng)溫度可控，始終在設(shè)定范圍內(nèi)波動(dòng)且低于所用木材和棉絮的燃點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)木電火箱取暖器的安全性能將得到極大提高，火災(zāi)發(fā)生率大幅降低。同時(shí)相對(duì)于傳統(tǒng)的電火箱其功率也將降低。達(dá)到了恒溫、安全和節(jié)能的目的。

圖2 5S恒溫控制電路

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

如圖3和圖4所示，該實(shí)木電火箱取暖器主要由內(nèi)箱體、外箱體、格柵板組成。為了健康環(huán)保、美觀和尊重傳統(tǒng)習(xí)慣，內(nèi)外箱體和格柵板均采用實(shí)木材料。內(nèi)外箱體木板厚度采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，利于在制造過(guò)程中使用氣槍釘固定。內(nèi)箱體的核心部件為發(fā)熱系統(tǒng)和溫度傳感器。發(fā)熱系統(tǒng)由熱量反射板、陶瓷基座、石英管及發(fā)熱絲組成，發(fā)熱系統(tǒng)安裝在內(nèi)箱體底部。發(fā)熱系統(tǒng)作為用電器與恒溫控制系統(tǒng)串聯(lián)。溫度傳感器利用木螺釘固定在內(nèi)箱體側(cè)壁，為了測(cè)量的準(zhǔn)確性和全面性，前側(cè)壁和后側(cè)壁各安裝1個(gè)溫度傳感器，2個(gè)溫度傳感器串聯(lián)后作為信號(hào)輸入端接入恒溫控制系統(tǒng)中。

圖3 實(shí)木電火箱取暖器內(nèi)箱體

圖4 實(shí)木電火箱取暖器外箱體

外箱體主要起到固定聯(lián)接作用，用于固定內(nèi)箱體、格柵板、恒溫控制模塊和電源開(kāi)關(guān)，外箱體也可以通過(guò)螺栓與其它外箱體剛性聯(lián)接。恒溫控制模塊和電源開(kāi)關(guān)利用木螺釘固定在外箱體前側(cè)壁的槽口中。恒溫控制模塊和電源開(kāi)關(guān)串聯(lián)之后再與發(fā)熱系統(tǒng)串聯(lián)，聯(lián)接線路由內(nèi)箱體前側(cè)壁導(dǎo)線孔引出。為保證線路安全可靠，發(fā)熱系統(tǒng)與其他線路之間采用冷聯(lián)接。內(nèi)箱體與外箱體之間通過(guò)氣槍釘形成永久固定。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查實(shí)木電火箱取暖器平均長(zhǎng)度尺寸有 600 mm、1 000 mm、1 600 mm、2 000 mm 4種規(guī)格，因此本設(shè)計(jì)的實(shí)木電火箱共4種類型。長(zhǎng)度不同的4種電火箱能以模塊形式拼裝組合出10種長(zhǎng)度不同的電火箱，加上原始模塊可形成14種長(zhǎng)度不一的型號(hào)，能滿足不同用戶的需求。

2.2 格柵板

格柵板主要作用是支撐人體。在使用實(shí)木電火箱取暖器時(shí)人體雙腳放于格柵板上，因此格柵板具備一定承載能力，同時(shí)保證與發(fā)熱系統(tǒng)有合適的間距。從人體工程學(xué)角度出發(fā)，將格柵板與人體接觸部分設(shè)計(jì)為橫向分布可使舒適感增強(qiáng)。即格柵板由若干根橫向支撐條和4根縱向支撐條組合而成，橫向支撐條位于上方與人體直接接觸，縱向支撐條位于下方并均勻分布。在內(nèi)箱體的前后側(cè)壁上分別開(kāi)有4個(gè)槽口并分別與4根縱向支撐條相對(duì)應(yīng)，在中間的4個(gè)槽口正下方安裝有4根支撐柱起到支撐加固的作用。支撐柱的尺寸與格柵條的尺寸一致利于加工。格柵板沿著外箱體上下取放，使用時(shí)放下卡入內(nèi)箱體槽口中，檢修或者組裝時(shí)向上取出。

格柵板與發(fā)熱系統(tǒng)的距離以及格柵板橫向支撐條的疏密程度對(duì)于電火箱整體安全性能有著極大的影響。格柵板必須與發(fā)熱系統(tǒng)保持最合適的距離才能使吸熱與散熱平衡，以達(dá)到在保證安全前提下最大限度節(jié)省電能。最適距離通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)取得定為L(zhǎng)適作為本設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。格柵板橫向支撐條的疏密程度用l適表示，該數(shù)據(jù)同樣利用大量實(shí)驗(yàn)獲得且作為本設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。當(dāng)電火箱寬度發(fā)生變化時(shí)L適與l適保持不變，在寬度方向平均分布，如出現(xiàn)不能均分時(shí)前面的保證均分最后一根支撐條作為調(diào)整對(duì)象。

格柵板底部裝訂有鋼絲網(wǎng)，有利于熱量向上傳導(dǎo)同時(shí)可防止雜物掉落損壞發(fā)熱系統(tǒng)。

2.3 聯(lián)接組合

模塊化是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)之一。根據(jù)前述的4種尺寸不同的電火箱模塊可按用戶需求臨時(shí)組合。在實(shí)木電火箱取暖器機(jī)械結(jié)構(gòu)中，用于拼裝的模塊是可分解、更換的獨(dú)立單元。模塊化思想是把復(fù)雜機(jī)構(gòu)分解成為多個(gè)簡(jiǎn)潔易操作模塊的方式。它可以通過(guò)對(duì)不同零件的設(shè)定并實(shí)現(xiàn)不同的功能。本設(shè)計(jì)中各個(gè)電火箱取暖器可獨(dú)立工作，即使獨(dú)立的電火箱取暖器模塊出現(xiàn)故障也不影響整個(gè)系統(tǒng)正常工作。這樣的安裝方式可確保每個(gè)獨(dú)立的電火箱取暖器高效率運(yùn)行，同時(shí)可以節(jié)約電能，提高安全系數(shù)。

如圖5所示，每個(gè)模塊的左端板可拆卸，模塊單獨(dú)使用時(shí)左端板固定不動(dòng)，當(dāng)需要組合時(shí)2個(gè)模塊分別拆卸左端板再形成機(jī)械聯(lián)接。模塊尺寸的選擇根據(jù)使用場(chǎng)所而定。內(nèi)外箱體通過(guò)氣槍釘永久固定，其左端是聯(lián)接機(jī)構(gòu)，如圖6所示。前后頂板、左頂板和內(nèi)箱體左端板上有螺栓孔，用于安裝聯(lián)接螺栓。單獨(dú)使用時(shí)左端板和內(nèi)箱體通過(guò)2根螺栓聯(lián)接，左端板和前后頂板利用聯(lián)接鋼板和螺栓固定。如需組合2個(gè)模塊的內(nèi)箱用上述同樣螺栓聯(lián)接，前后頂板利用上述同一聯(lián)接鋼板、螺栓聯(lián)接。

圖5 外箱體端板結(jié)構(gòu)

圖6 外箱體聯(lián)接機(jī)構(gòu)

3 供電線路連接方式

模塊單獨(dú)使用時(shí)供電插頭直接接入插座中即可獲取電能。當(dāng)拼裝組合形成新的電火箱體后系統(tǒng)將出現(xiàn)多個(gè)供電插頭，此時(shí)每個(gè)插頭仍可直接接入插座，亦可將多出的插頭接入模塊220 V供電插孔中。使用環(huán)境線路簡(jiǎn)單時(shí)可把每個(gè)模塊的插頭分別接入插座，2個(gè)模塊可互不干擾獨(dú)立運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)線路簡(jiǎn)潔化，可把第二個(gè)模塊插頭接入上一模塊供電插孔中，但兩模塊的獨(dú)立運(yùn)行性能將受到影響。

4結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)成功解決了傳統(tǒng)實(shí)木電火箱取暖器的火災(zāi)發(fā)生率高、耗能高和體積龐大不能拆卸組裝的缺點(diǎn)，具有很高的實(shí)用價(jià)值和可行性。其中的恒溫系統(tǒng)較目前已使用恒溫技術(shù)的實(shí)木電火箱取暖器有測(cè)溫均勻全面、靈敏度高和價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)?？山M合功能使得該設(shè)計(jì)人性化，可大范圍推廣。該設(shè)計(jì)成功地把工業(yè)上常用技術(shù)與思想應(yīng)用到了生活家居之中。

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