摘 要： 基于MCU" title="MCU">MCU控制技術和熱敏電阻溫度傳感器對溫控器" title="溫控器">溫控器進行了不同方案的創(chuàng)新設計，以滿足不同用戶的需求。優(yōu)化設計了熱敏電阻溫度傳感器放置位置，實測了220V±10%電壓下不同水量時的水溫、熱敏電阻測定溫度、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系作為MCU數(shù)據(jù)處理的依據(jù)，給出了系統(tǒng)軟件設計框圖。經(jīng)實際測試，樣機性能指標達到了設計要求。
關鍵詞： MCU 熱敏電阻溫度傳感器 創(chuàng)新設計 方案設計
隨著全球經(jīng)濟一體化，各國產(chǎn)品競爭越來越激烈，誰掌握了市場主動權，誰就能夠立于不敗之地，這就要求相關企業(yè)對市場需求快速響應進行產(chǎn)品創(chuàng)新。
產(chǎn)品創(chuàng)新基于潛在的市場需求，表現(xiàn)在設計階段對已有產(chǎn)品所涉及的功能、原理、總體布局、具體結(jié)構等方面的創(chuàng)新，只有很少的設計是全新設計。因此可以說，產(chǎn)品設計的核心是創(chuàng)新，設計的過程就是一個創(chuàng)新的過程。而產(chǎn)品設計的目的是使用，只有更方便于人們使用的產(chǎn)品才能產(chǎn)生利潤，并在一定領域造福于人類。
基于人們對小家電越來越廣泛的需求以及國內(nèi)外激烈的市場競爭[1～5]，本文對小家電中的重要零部件溫控器進行了創(chuàng)新設計，并成功地用于電熱水壺中，滿足了市場對電熱水壺多樣化的需求。
1 電熱水壺及溫控器市場現(xiàn)狀
在全球電熱水壺市場中，普遍使用的重要零部件之一就是機械式溫控器。其原理大致如下：
水在加熱到沸騰時產(chǎn)生大量水蒸氣，通過蒸汽管道傳遞到機械式溫控器的金屬片上，金屬片熱脹冷縮，變形的金屬片推動溫控器的機械結(jié)構做功，于是斷開電路開關，這樣就完成了一次燒水過程。等一段時間之后，金屬片隨著溫度的降低又恢復原位，這樣又可以再次進行加熱燒水。
全球大部分電熱水壺市場的溫控器主要來自于英國，設有層層專利壁壘，而且大部分利潤由他們所得[6～7]。這些品牌以STRIX、OTTER等為主要市場領導者，一般國內(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：
(1)燒水時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散開到空氣中才可以利用水蒸氣的流動性將大量的熱通過蒸汽管道傳遞到溫控器的金屬片上，否則會使水一直處于沸騰狀態(tài)而不會自動斷電。這樣既浪費電能，又影響水的質(zhì)量，縮短了水壺的壽命，給消費者造成不好的影響。
(2)一壺水燒好后需繼續(xù)燒水時，溫控器需要一段時間才能使開關復位，會給消費者造成水壺開關失去功能的錯覺，也不符合水壺快速的特性。
(3)工作時對水位有一定的要求，一般最小水位在0.5L。
(4)很難有擴展功能的機會，如溫度顯示、溫度控制、自動使水冷卻等。
2 產(chǎn)品創(chuàng)新點
為了擺脫對機械式溫控器的依賴，面對國外的技術壟斷和國內(nèi)、外市場的機遇，針對機械式溫控器的缺點，本設計的創(chuàng)新之處在于：使用MCU控制技術，用熱敏電阻作為溫度傳感裝置，實現(xiàn)了安全、實用、方便的溫度控制，其功能如下：
(1)實時水溫顯示，顯示范圍：0℃~110℃。
(2)用戶可以通過按鍵自行設定溫度。
(3)溫控精度：溫度保持在設定溫度的±3℃。
(4)水溫到達設定溫度時音樂提示。
(5)防干燒功能。
創(chuàng)新設計后的溫控器原理框圖如圖1所示?？刂齐娐芬匀?a class="cblue" href="http://ihrv.cn/search/?q=S3F9454" title="S3F9454">S3F9454MCU為核心。該芯片是一個低功耗、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存儲器和208B的RAM，可對Flash存儲器進行重復編程，方便軟件的修改升級。
溫控器原理：將熱敏電阻放在電熱水壺某一位置，通過熱敏電阻進行溫度采樣，并將此處的溫度相關信息傳送給MCU處理；根據(jù)此處溫度與壺內(nèi)水的溫度的規(guī)律關系，MCU將計算出的水溫與用戶設定的溫度進行比較，如果水的溫度大于或等于設定的溫度，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），對發(fā)熱盤的加熱電路也將立即斷開。
3 總體布局方案設計
3.1 方案一：測量蒸汽溫度實現(xiàn)溫度控制
溫度傳感器通過蒸汽口將測得的蒸汽溫度傳給S3F9454MCU， MCU通過對溫度傳感器傳來的信號進行分析，決定是否對發(fā)熱負載供電，并將工作狀態(tài)輸出。當傳感器測得的溫度信號大于或等于設定溫度時，則停止加熱，電路復位。該方案是通過感應蒸汽溫度實現(xiàn)水溫控制的。由于對蒸汽溫度的測量相對容易，因此用時較少。此方案適合于只要求燒開水的用戶。其實現(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： 測量壺身溫度實現(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，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)律關系編程，實現(xiàn)自動控制溫度。但是熱敏電阻的放置結(jié)構有一定的要求，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： 測量發(fā)熱盤底部的溫度實現(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為發(fā)熱較少稱為冷端，其他部分因為發(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)實驗數(shù)據(jù)，得出水溫與發(fā)熱盤溫度之間的關系，MCU根據(jù)此關系進行編程處理，這樣熱敏電阻測得的發(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，同時可以檢測發(fā)熱盤的溫度以防止干燒。該方案對總體結(jié)構設計要求較低，更方便實現(xiàn)防干燒功能。
上述三種方案可滿足不同用戶的個性化要求，以滿足電熱水壺系列化設計需要。下面以方案三為例，進行系統(tǒng)結(jié)構優(yōu)化設計。
4 結(jié)構優(yōu)化設計
4.1 熱敏電阻放置位置的確定
保證測量準確性的關鍵步驟是找一個最佳位置放置熱敏電阻，分別對1000W、800W功率，1.7L、1.0L水位選用各個不同的點進行了實際測試，測試的內(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，與實際水溫最為接近。
熱敏電阻放置位置結(jié)構設計如圖4所示。
4.2 熱敏電阻與水溫及發(fā)熱盤溫度的關系
溫控器通過熱敏電阻測量溫度時，MCU根據(jù)水溫、熱敏電阻測定溫度、發(fā)熱盤上熱敏電阻安裝處溫度三者之間的對應關系編程，進行數(shù)據(jù)處理，以控制加熱電路。
實測方法：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℃開始計時，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。
通過實測，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)熱盤溫度的關系：選取242V電壓、1.0L水量時實測結(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實測結(jié)果如圖6所示。
由上述圖形比較可以看出：水溫、熱敏電阻實測溫度、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＞熱敏電阻實測溫度＞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)律進行編程。
5 軟件設計
主程序流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電后，MCU電路加電，程序開始運行，系統(tǒng)初始化：首先檢測是否有按鍵按下，若有按鍵按下，讀入用戶設定的溫度并顯示；若沒有檢測到按鍵按下，設定溫度采用缺省值100℃，同時顯示實時溫度。啟動加熱，當溫度達到設定溫度時，停止加熱且音樂提示。防干燒功能由中斷程序完成，發(fā)熱盤溫度達到110℃時，產(chǎn)生中斷，MCU立即斷開加熱電路。
創(chuàng)新設計后的溫控器相對于機械式溫控器具有以下優(yōu)勢：
(1)水溫可以任意設定，可實現(xiàn)對水溫的準確控制。
(2)燒水時沒有最小水位的限制。
(3)系統(tǒng)功能可擴展，如增加定時功能等。
(4)電路板的大小和形狀可根據(jù)結(jié)構要求設計，可以滿足各種形狀電水壺的要求。
(5)可滿足不同用戶的個性化需要。
基于三星MCU的溫控器設計，擺脫了對機械式溫控器金屬片的依賴。經(jīng)實際檢測，樣機性能指標達到了設計要求，且該溫控器還可以用于其他小家電產(chǎn)品，具有廣闊的市場前景。
參考文獻
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7 核心技術之痛：快速電熱水壺溫控器市場調(diào)查分析.http://www.dianyuan.com. 2006-02-24