鄭慧珍

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院，福建 漳州 363000)

隨著人們生活節(jié)奏的加快，全智能化的家電占據(jù)了家電市場的絕大多數(shù)份額，是我國乃至世界重要的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的電熱水壺，采用雙金屬片作為感溫器件。水加熱接近或者達(dá)到沸點(diǎn)時，雙金屬片受熱變形，斷開開關(guān)，達(dá)到控溫的效果。這種電熱水壺溫度控制點(diǎn)不確定，有可能在還未充分煮沸的情況下停止加熱。干燒保護(hù)反應(yīng)速度慢、無法及時斷開電源，無人看守時存在火災(zāi)的隱患。加熱功率不可控，導(dǎo)致煮沸時飛濺時有發(fā)生，增加了燙傷的風(fēng)險。內(nèi)部無智能化設(shè)計，加水、燒水等所有環(huán)節(jié)，均需要手動控制。[1]針對上述問題，設(shè)計了一種以STM8單片機(jī)為核心的電熱水壺裝置。采用可控硅控制加熱開啟關(guān)閉，調(diào)節(jié)加熱功率，實(shí)現(xiàn)防飛濺、保溫等功能。采用微型隔膜泵和步進(jìn)電機(jī)，控制水龍頭自動對準(zhǔn)加水孔并加水。引入了多個PID控制環(huán)路，安全可靠地控制隔膜泵、步進(jìn)電機(jī)和晶閘管等部件。

1 基本原理

采用STM單片機(jī)作為控制核心，對顯示、加熱、加水、檢測等單元進(jìn)行控制。該芯片具有豐富的IO口。各IO口復(fù)用了各種強(qiáng)大的功能，例如UART串口、I2C接口、SPI接口、AD轉(zhuǎn)換端口和PWM輸出。由于其價格低廉，且技術(shù)成熟，工作穩(wěn)定，被廣泛地應(yīng)用到家電產(chǎn)品中。整機(jī)電路框圖如圖1所示。交流市電輸入，通入AC-DC開關(guān)電源模塊，將其降壓為12 V的直流電源。再通過DC-DC電路，轉(zhuǎn)換為紋波更小的5 V電源，為單片機(jī)等芯片供電。

圖1 電路結(jié)構(gòu)示意圖

人機(jī)交互接口采用觸摸按鍵和定制特殊筆段的數(shù)碼管。觸摸面板對地等效為一個電容，與觸摸按鍵驅(qū)動芯片內(nèi)部電路組成振蕩電路。當(dāng)手指放在觸摸面板上時，對地電容值發(fā)生微弱的變化，改變了振蕩頻率。頻率變化量超過一定值，則判定為按鍵動作。顯示面板主要用于顯示實(shí)時溫度值，選用定制的LED屏。由于LED顯示具有自發(fā)光的特性，不需要借助外部光線，特別適用于臺式家電。單片機(jī)讀取觸摸按鍵電路的用戶指令。當(dāng)需要加熱時，開啟加熱電路，然后實(shí)時檢測測溫電路，適時改變加熱功率，達(dá)到閉環(huán)控制的效果。加水功能同樣采用閉環(huán)控制的原理，當(dāng)水位過低或者按鍵指令要求加水時，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)和水泵有序運(yùn)行，達(dá)到自動加水的效果。當(dāng)水位達(dá)到上限時，關(guān)閉水泵并復(fù)位水龍頭位置。[2-3]

2 電路設(shè)計

2.1 電源電路設(shè)計

電源電路是單片機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，全天候?yàn)閱纹瑱C(jī)供電，在兼顧成本的同時，需要選用長期穩(wěn)定的AC-DC方案。全自動電熱水壺，選用合泰半導(dǎo)體公司出品的HT7A6322芯片作為開關(guān)電源的主芯片。該芯片是一種高度集成的小功率初級轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)置電流模式PWM控制器及高壓功率晶體管。AC-DC轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。市電從火線L和零線N端子輸入，經(jīng)過保險絲后，送入U1整流橋和電容C14，生成變化比較平緩的直流送入T1的PIN7。U2的SW引腳以60 kHz的頻率開關(guān)，使T1的初級線圈7～8產(chǎn)生交流。T1的次級線圈5～6產(chǎn)生感應(yīng)電流，利用D4進(jìn)行半橋整流，C15去耦，通入U2的PIN4，為U2提供電源供應(yīng)。T1的1～3線圈在初級線圈的激勵下，產(chǎn)生頻率為60 kHz的交流信號，經(jīng)過二極管D1作半橋整流后輸出直流VCC。R13和R14組成分壓電路，分壓得到的電壓通入U5的REF引腳。VCC過高，導(dǎo)致REF引腳電位高于2.5 V時，U5導(dǎo)通，U4的發(fā)光二極管發(fā)光。經(jīng)過光電耦合后，反饋至U2的FB引腳，將該引腳電位拉高。當(dāng)FB引腳電壓值高于0.23 V時，SW引腳輸出被關(guān)閉，從而降低VCC節(jié)點(diǎn)電壓。反之，當(dāng)VCC直流電壓過低時，F(xiàn)B引腳電壓低于0.23V，則恢復(fù)SW引腳輸出。通過閉環(huán)控制，將VCC電壓穩(wěn)定在一定值。合理選擇R13、R14的比例，即可得到+12 V的電源。另外，R5和C13，用于防止開關(guān)電源的高頻干擾從電源線外泄，干擾其他的用電設(shè)備。VCC電源，經(jīng)過AM1117之類的LDO穩(wěn)壓后，得到+5V電壓，為單片機(jī)等芯片供電。

圖2 AC-DC轉(zhuǎn)換電路

2.2 加熱和測溫電路設(shè)計

燒水壺和消毒容器需要加熱管加熱以及溫度測量。分別在容器底部安裝50 Ω的發(fā)熱管和熱敏電阻，電路連接方式如圖3所示。采用3063光電耦合器U6和雙向晶閘管Q1，控制加熱管的開啟關(guān)閉。雙向晶閘管Q1選用BT138，主電極最大電流12 A，滿足50 Ω加熱管的功率需求。控制極最大電流10 mA，直接用單片機(jī)IO口控制存在諸多缺點(diǎn)。一方面，控制電流較大，加大單片機(jī)過度發(fā)熱的風(fēng)險；另一方面，惡劣環(huán)境下，交流市電會通過控制極流入單片機(jī)內(nèi)部，燒毀單片機(jī)。因此，選用3063光電耦合器，起到強(qiáng)弱電隔離的效果。當(dāng)PA1為高電平時，光耦雙向?qū)?，火線L電流通過R3，光耦，R2和R17留回零線N。雙向晶閘管Q1控制極與主電極存在壓差，從而進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。反之，當(dāng)PA1為低電平時，Q1控制極與主電極無壓差，交流市電經(jīng)過零點(diǎn)后，Q1保持截止?fàn)顟B(tài)，停止加熱。因此，給PA1加入頻率遠(yuǎn)低于50 Hz的PWM信號，控制正脈沖寬度即可調(diào)整加熱功率。R16和C6支路與Q1并聯(lián)，起到保護(hù)Q1的作用。保險起見，晶閘管需要涂上導(dǎo)熱硅脂，用螺絲與散熱片固定，提高散熱速度。[4-5]

圖3 加熱和測溫電路

熱敏電阻R4安裝于消毒容器或者燒水壺的底部，涂上導(dǎo)熱硅脂促進(jìn)底部金屬和熱敏電阻熱交換。當(dāng)水溫升高時，熱敏電阻值降低，R4和R19的分壓比例發(fā)生變化，AD轉(zhuǎn)換AdTemp節(jié)點(diǎn)電壓，即可換算為溫度值。C7和C8分別與電阻并聯(lián)，一定程度上消除電壓值抖動，提高溫度檢測穩(wěn)定性。

2.3 水泵和水龍頭轉(zhuǎn)動電路設(shè)計

水龍頭抽水功能采用EDLP600隔膜泵來實(shí)現(xiàn)。EDLP600是氣液兩用的微型隔膜泵，根據(jù)容積式泵的原理設(shè)計而成。直流電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)軸上的偏心輪，驅(qū)動橡膠循環(huán)往復(fù)運(yùn)動，在腔體里形成吸、排動作，通過單向閥的閉合、打開動作達(dá)到吸入排出氣體或液體的效果。該隔膜泵額定電壓為12 V，額定電流為0.3 A，無法直接用單片機(jī)驅(qū)動。如圖4所示，采用Q2和Q3三極管驅(qū)動。當(dāng)PA2為高電平時，Q2形成共集電路輸出高電平，拉升Q3基極電壓。Q3采用共射接法，基極電位升高時導(dǎo)通，帶動隔膜泵工作。采用35BYJ46步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動水龍頭轉(zhuǎn)動，由ULN2003A芯片驅(qū)動電機(jī)。[6]PD0至PD3連接單片機(jī)IO口，利用定時器中斷每隔一定時間操作4個IO口的電平值，使電機(jī)工作在四相八拍的狀態(tài)即可帶動水龍頭轉(zhuǎn)動。

圖4 水龍頭抽水和轉(zhuǎn)動電路

水龍頭轉(zhuǎn)動需要檢測3個定位點(diǎn)，包括水龍頭復(fù)位位置、熱水壺加水位置和消毒容器加水位置。將滑動金屬片連接地線，其中一端與水龍頭固定，水龍頭轉(zhuǎn)動時另一端隨之旋轉(zhuǎn)一定角度。在旋轉(zhuǎn)路徑上設(shè)置觸點(diǎn)。到位時，觸點(diǎn)與金屬片接通，等同于開關(guān)接通，單片機(jī)設(shè)置三個開關(guān)檢測電路即可檢測水龍頭的三個位置。水位檢測功能與之相似，飲用水淹沒特定觸點(diǎn)時，電路接通，設(shè)置兩個開關(guān)檢測電路即可實(shí)現(xiàn)水位上限和下限的檢測功能。[7]

2.4 顯示和觸摸檢測電路

顯示電路和觸摸按鍵檢測電路如圖5所示。采用特殊符號的數(shù)碼管作為顯示屏，用于顯示熱水壺和消毒容器的實(shí)時溫度值。TM1652是數(shù)碼管驅(qū)動芯片，通過SDA引腳連接單片機(jī)UART串口，實(shí)現(xiàn)單向通信。觸摸按鍵檢測電路采用合泰半導(dǎo)體的BS82B08A芯片，該芯片最多可以同時檢測8個觸摸按鍵，通過I2C接口輸出按鍵狀態(tài)。[8-9]

圖5 顯示和觸摸檢測電路

圖6 任務(wù)三狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3 軟件設(shè)計

傳統(tǒng)的單片機(jī)編程方法是順序執(zhí)行法。單片機(jī)上電后，經(jīng)過短暫的初始化環(huán)節(jié)，進(jìn)入死循環(huán)。在死循環(huán)中，完成一個任務(wù)再執(zhí)行下一個任務(wù)。由于全自動電熱水壺水龍頭轉(zhuǎn)動、加熱等環(huán)節(jié)需要較長的時間，如果采用順序執(zhí)行法，無法及時響應(yīng)突發(fā)事件和按鍵命令。在CPU中安裝操作系統(tǒng)，根據(jù)整機(jī)功能劃分多個任務(wù)，采用任務(wù)調(diào)度機(jī)制，執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)，可以解決突發(fā)事件和按鍵命令響應(yīng)不及時的問題。但是由于成本問題，家電產(chǎn)品使用的單片機(jī)內(nèi)部資源有限，引入操作系統(tǒng)將占用大量的內(nèi)部資源，反而無法完成整機(jī)控制的任務(wù)。借鑒操作系統(tǒng)的原理，編寫一個簡易的任務(wù)調(diào)度和輪詢的機(jī)制，既節(jié)約芯片資源，又能快速響應(yīng)各個事件。[10]根據(jù)功能特點(diǎn)，將其劃分為3個任務(wù)：(1)熱水壺加熱任務(wù)；(2)消毒容器加熱任務(wù)；(3)水龍頭轉(zhuǎn)動任務(wù)。各個任務(wù)之間用信號量進(jìn)行消息發(fā)送。當(dāng)任務(wù)一或任務(wù)二檢測到水位過低時，發(fā)送信息通知任務(wù)三加水。任務(wù)三一邊驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，一邊檢測是否到達(dá)加水點(diǎn)。到達(dá)加水點(diǎn)后，步進(jìn)電機(jī)停止，隔膜泵接通開始抽水。抽水過程中檢測水位是否達(dá)到上限位，達(dá)到上限位立刻關(guān)閉隔膜泵，水龍頭回到復(fù)位位置。若水位未達(dá)到上限值且時間超過閾值，則停止抽水，屏幕顯示加水異常錯誤代碼。詳細(xì)的轉(zhuǎn)換切換如圖6所示。

圖7 任務(wù)二狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

任務(wù)一和任務(wù)二都是檢測溫度和外部命令、控制加熱管加熱，狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程非常相似，任務(wù)二狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖7所示，任務(wù)一不再贅述。開機(jī)時關(guān)閉加熱管，當(dāng)接收到消毒命令時，先進(jìn)行全功率加熱。溫度超過95 ℃時，降低加熱功率防止飛濺。加熱過程中，水位低于下限時，停止加熱，等待任務(wù)三加水完畢后繼續(xù)加熱。加熱到100 ℃后，關(guān)閉加熱管。

4 整機(jī)測試

對整機(jī)各項(xiàng)功能進(jìn)行了測試。溫度低于95 ℃時，測得加熱功率約為950 W；溫度高于95 ℃時，測得加熱功率約為500 W。溫度高于99.0 ℃時，延時20 s后，停止加熱。水位低于下限時停止加熱，并啟動水龍頭加水。水龍頭能按照邏輯要求閑時停在復(fù)位位置。需要加水時，能轉(zhuǎn)動到熱水壺或者消毒容器位置加水。水龍頭轉(zhuǎn)動定位精確，未發(fā)現(xiàn)水流飛濺現(xiàn)象。水泵抽不到水時，水泵啟動超過一分鐘仍未檢測到水位達(dá)到上限，整機(jī)能及時抽水和加熱，報警停機(jī)。綜上所述，全自動電熱水壺各項(xiàng)功能均達(dá)到了要求。