摘　要： 基于MCU" title="MCU">MCU控制技術(shù)和熱敏電阻溫度傳感器對(duì)溫控器" title="溫控器">溫控器進(jìn)行了不同方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì),，以滿足不同用戶的需求。優(yōu)化設(shè)計(jì)了熱敏電阻溫度傳感器放置位置,，實(shí)測(cè)了220V±10%電壓下不同水量時(shí)的水溫,、熱敏電阻測(cè)定溫度、發(fā)熱盤上熱敏電阻安裝處的溫度變化曲線,，并得出三者之間的相互關(guān)系作為MCU數(shù)據(jù)處理的依據(jù),，給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖。經(jīng)實(shí)際測(cè)試,，樣機(jī)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,。
　　關(guān)鍵詞： MCU 熱敏電阻溫度傳感器 創(chuàng)新設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì)

　　隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化，各國(guó)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈,，誰掌握了市場(chǎng)主動(dòng)權(quán),，誰就能夠立于不敗之地，這就要求相關(guān)企業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求快速響應(yīng)進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新。
　　產(chǎn)品創(chuàng)新基于潛在的市場(chǎng)需求,，表現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段對(duì)已有產(chǎn)品所涉及的功能,、原理、總體布局,、具體結(jié)構(gòu)等方面的創(chuàng)新,，只有很少的設(shè)計(jì)是全新設(shè)計(jì)。因此可以說,，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心是創(chuàng)新,，設(shè)計(jì)的過程就是一個(gè)創(chuàng)新的過程。而產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目的是使用,，只有更方便于人們使用的產(chǎn)品才能產(chǎn)生利潤(rùn),，并在一定領(lǐng)域造福于人類。
　　基于人們對(duì)小家電越來越廣泛的需求以及國(guó)內(nèi)外激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)^[1～5],，本文對(duì)小家電中的重要零部件溫控器進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì),，并成功地用于電熱水壺中，滿足了市場(chǎng)對(duì)電熱水壺多樣化的需求,。
1 電熱水壺及溫控器市場(chǎng)現(xiàn)狀
　　在全球電熱水壺市場(chǎng)中,，普遍使用的重要零部件之一就是機(jī)械式溫控器。其原理大致如下：
　　水在加熱到沸騰時(shí)產(chǎn)生大量水蒸氣,，通過蒸汽管道傳遞到機(jī)械式溫控器的金屬片上,，金屬片熱脹冷縮，變形的金屬片推動(dòng)溫控器的機(jī)械結(jié)構(gòu)做功,，于是斷開電路開關(guān),，這樣就完成了一次燒水過程。等一段時(shí)間之后,，金屬片隨著溫度的降低又恢復(fù)原位,，這樣又可以再次進(jìn)行加熱燒水。
　　全球大部分電熱水壺市場(chǎng)的溫控器主要來自于英國(guó),，設(shè)有層層專利壁壘,，而且大部分利潤(rùn)由他們所得[6～7]。這些品牌以STRIX,、OTTER等為主要市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者,，一般國(guó)內(nèi)外比較有名品牌的電熱水壺大多使用STRIX、OTTER的溫控器,。此類溫控器具有以下缺點(diǎn)：
　　(1)燒水時(shí)必須保持水壺壺蓋蓋上,，只有在燒水過程中保持大量的水蒸氣不會(huì)散開到空氣中才可以利用水蒸氣的流動(dòng)性將大量的熱通過蒸汽管道傳遞到溫控器的金屬片上，否則會(huì)使水一直處于沸騰狀態(tài)而不會(huì)自動(dòng)斷電,。這樣既浪費(fèi)電能,，又影響水的質(zhì)量,，縮短了水壺的壽命，給消費(fèi)者造成不好的影響,。
　　(2)一壺水燒好后需繼續(xù)燒水時(shí),，溫控器需要一段時(shí)間才能使開關(guān)復(fù)位，會(huì)給消費(fèi)者造成水壺開關(guān)失去功能的錯(cuò)覺,，也不符合水壺快速的特性,。
　　(3)工作時(shí)對(duì)水位有一定的要求，一般最小水位在0.5L,。
　　(4)很難有擴(kuò)展功能的機(jī)會(huì),，如溫度顯示、溫度控制,、自動(dòng)使水冷卻等,。
2 產(chǎn)品創(chuàng)新點(diǎn)
　　為了擺脫對(duì)機(jī)械式溫控器的依賴，面對(duì)國(guó)外的技術(shù)壟斷和國(guó)內(nèi),、外市場(chǎng)的機(jī)遇,，針對(duì)機(jī)械式溫控器的缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于：使用MCU控制技術(shù),，用熱敏電阻作為溫度傳感裝置,，實(shí)現(xiàn)了安全、實(shí)用,、方便的溫度控制,，其功能如下：
　　(1)實(shí)時(shí)水溫顯示，顯示范圍：0℃~110℃,。
　　(2)用戶可以通過按鍵自行設(shè)定溫度,。
　　(3)溫控精度：溫度保持在設(shè)定溫度的±3℃。
　　(4)水溫到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)音樂提示,。
　　(5)防干燒功能。
　　創(chuàng)新設(shè)計(jì)后的溫控器原理框圖如圖1所示,?？刂齐娐芬匀?a class="cblue" href="http://wldgj.com/search/?q=S3F9454" title="S3F9454">S3F9454MCU為核心。該芯片是一個(gè)低功耗,、高性能的單片8位CMOS MCU,，內(nèi)置10位精度的A/D模塊，片上4KB的Flash存儲(chǔ)器和208B的RAM,，可對(duì)Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行重復(fù)編程,，方便軟件的修改升級(jí)。

　　溫控器原理：將熱敏電阻放在電熱水壺某一位置,，通過熱敏電阻進(jìn)行溫度采樣,，并將此處的溫度相關(guān)信息傳送給MCU處理,；根據(jù)此處溫度與壺內(nèi)水的溫度的規(guī)律關(guān)系，MCU將計(jì)算出的水溫與用戶設(shè)定的溫度進(jìn)行比較,，如果水的溫度大于或等于設(shè)定的溫度,，則MCU控制斷開加熱電路，使電路停止加熱發(fā)熱盤,。同樣,，如果熱敏電阻讀取到的發(fā)熱盤溫度大于110℃（即發(fā)生干燒時(shí)），對(duì)發(fā)熱盤的加熱電路也將立即斷開,。
3 總體布局方案設(shè)計(jì)
3.1 方案一：測(cè)量蒸汽溫度實(shí)現(xiàn)溫度控制
　　溫度傳感器通過蒸汽口將測(cè)得的蒸汽溫度傳給S3F9454MCU,， MCU通過對(duì)溫度傳感器傳來的信號(hào)進(jìn)行分析，決定是否對(duì)發(fā)熱負(fù)載供電,，并將工作狀態(tài)輸出,。當(dāng)傳感器測(cè)得的溫度信號(hào)大于或等于設(shè)定溫度時(shí)，則停止加熱,，電路復(fù)位,。該方案是通過感應(yīng)蒸汽溫度實(shí)現(xiàn)水溫控制的。由于對(duì)蒸汽溫度的測(cè)量相對(duì)容易,，因此用時(shí)較少,。此方案適合于只要求燒開水的用戶。其實(shí)現(xiàn)溫度控制的主板,、控制面板示意圖如圖2所示,。

3.2 方案二： 測(cè)量壺身溫度實(shí)現(xiàn)溫度控制
　　將熱敏電阻溫度傳感器放在壺身側(cè)面處（為了避免修改壺身結(jié)構(gòu)，最好放在手柄與壺身交接的地方）,，MCU根據(jù)壺身溫度與水溫之間的規(guī)律關(guān)系編程,，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制溫度。但是熱敏電阻的放置結(jié)構(gòu)有一定的要求,，壺身上與熱敏電阻接觸的地方需要比其他地方的壁厚薄一些,，且該地方需要密封，以防止受到空氣溫度的影響,；壺身上熱敏電阻與水之間需要有一個(gè)介質(zhì),，以防止壺水被污染。該方案可以任意控制水溫,，因此適合于有多種水溫要求的用戶,。
3.3 方案三： 測(cè)量發(fā)熱盤底部的溫度實(shí)現(xiàn)溫度控制
　　壺身底部發(fā)熱盤上使用發(fā)熱絲，發(fā)熱絲接電源線的地方因?yàn)榘l(fā)熱較少稱為冷端,，其他部分因?yàn)榘l(fā)熱較多稱為熱端,。將熱敏電阻置于壺身底部發(fā)熱盤靠冷端處，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),，得出水溫與發(fā)熱盤溫度之間的關(guān)系,，MCU根據(jù)此關(guān)系進(jìn)行編程處理,，這樣熱敏電阻測(cè)得的發(fā)熱盤的溫度就可以轉(zhuǎn)換成水的溫度并顯示在顯示屏上，同時(shí)可以檢測(cè)發(fā)熱盤的溫度以防止干燒,。該方案對(duì)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較低,，更方便實(shí)現(xiàn)防干燒功能。
　　上述三種方案可滿足不同用戶的個(gè)性化要求,，以滿足電熱水壺系列化設(shè)計(jì)需要,。下面以方案三為例，進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),。
4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
4.1 熱敏電阻放置位置的確定
　　保證測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟是找一個(gè)最佳位置放置熱敏電阻,，分別對(duì)1000W、800W功率,，1.7L,、1.0L水位選用各個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試的內(nèi)容及結(jié)果如表1和圖3所示,。

　　由表1和圖3可以看出,，將熱敏電阻放置在發(fā)熱盤靠冷端處，與實(shí)際水溫最為接近,。
　　熱敏電阻放置位置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示,。
4.2 熱敏電阻與水溫及發(fā)熱盤溫度的關(guān)系
　　溫控器通過熱敏電阻測(cè)量溫度時(shí)，MCU根據(jù)水溫,、熱敏電阻測(cè)定溫度,、發(fā)熱盤上熱敏電阻安裝處溫度三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系編程，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,，以控制加熱電路,。
　　實(shí)測(cè)方法：在220V±10%電壓情況下,采用不同的水量（1.0L、1.2L,、1.5L,、1.7L）,將熱敏電阻放在發(fā)熱盤底部，熱電偶采用分別放在熱敏電阻安裝處,、塑膠管里的熱敏電阻安裝處以及壺水里面,，從水溫40℃開始計(jì)時(shí)，用溫度巡檢儀每10秒打印一次數(shù)據(jù),，到水溫90℃結(jié)束加熱，然后繼續(xù)打印,，直到水溫開始下降為止,。
　　通過實(shí)測(cè)，得到放置在水壺底部發(fā)熱盤上的熱敏電阻與水溫及發(fā)熱盤溫度的關(guān)系：選取242V電壓,、1.0L水量時(shí)實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示;選取242V電壓,、1.2L,、220V電壓、1.5L,、198V電壓,、1.2L、1.7L實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6所示,。

　　由上述圖形比較可以看出：水溫,、熱敏電阻實(shí)測(cè)溫度、發(fā)熱盤上熱敏電阻安裝處的溫度三者之間呈現(xiàn)有規(guī)律的變化：不管是冷水還是熱水,、發(fā)熱盤有沒有加熱,，水溫＞熱敏電阻實(shí)測(cè)溫度＞發(fā)熱盤溫度，壺內(nèi)水的溫度比該處發(fā)熱盤的溫度要高7±3℃,， MCU都將根據(jù)這些規(guī)律進(jìn)行編程,。
5 軟件設(shè)計(jì)
　　主程序流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電后,，MCU電路加電,，程序開始運(yùn)行，系統(tǒng)初始化：首先檢測(cè)是否有按鍵按下,，若有按鍵按下,，讀入用戶設(shè)定的溫度并顯示；若沒有檢測(cè)到按鍵按下,，設(shè)定溫度采用缺省值100℃,，同時(shí)顯示實(shí)時(shí)溫度。啟動(dòng)加熱,，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí),，停止加熱且音樂提示。防干燒功能由中斷程序完成,，發(fā)熱盤溫度達(dá)到110℃時(shí),，產(chǎn)生中斷，MCU立即斷開加熱電路,。
　　創(chuàng)新設(shè)計(jì)后的溫控器相對(duì)于機(jī)械式溫控器具有以下優(yōu)勢(shì)：
　　(1)水溫可以任意設(shè)定,，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的準(zhǔn)確控制。
　　(2)燒水時(shí)沒有最小水位的限制,。
　　(3)系統(tǒng)功能可擴(kuò)展,，如增加定時(shí)功能等。
　　(4)電路板的大小和形狀可根據(jù)結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì),，可以滿足各種形狀電水壺的要求,。
　　(5)可滿足不同用戶的個(gè)性化需要。
　　基于三星MCU的溫控器設(shè)計(jì),，擺脫了對(duì)機(jī)械式溫控器金屬片的依賴,。經(jīng)實(shí)際檢測(cè),，樣機(jī)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，且該溫控器還可以用于其他小家電產(chǎn)品,，具有廣闊的市場(chǎng)前景,。
參考文獻(xiàn)
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