1引言

　　自動沸水器早在20世紀(jì)八十年代就已經(jīng)問世，這種自動沸水器已具備：自動補(bǔ)充冷水，自動進(jìn)入沸水狀態(tài)，自動停止工作等自動化控制特點(diǎn)。其工作原理延續(xù)至今，仍然有眾多開水器存在以下問題：水位控制多采用浮球式水位開關(guān)，隨著浮球在水中浸泡的時(shí)間增長，會有有害物質(zhì)進(jìn)入飲水，對人們的健康造成威脅；開水儲水箱和冷水儲水箱不能完全隔離，導(dǎo)致形成“陰陽水”和“千滾水”；不能實(shí)現(xiàn)隨燒隨用，大量沸水在等待被接走時(shí)，溫度降低，變回冷水；水燒開后的大量蒸汽不能夠被及時(shí)回收，陡然增加燒水控制系統(tǒng)的熱量，工作環(huán)境十分不利于開水器控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　針對現(xiàn)今開水器控制系統(tǒng)存在的諸多問題，本文研究了一種基于AT89S52單片機(jī)的開水器，實(shí)現(xiàn)了軟硬件結(jié)合，其成本低、節(jié)能衛(wèi)生、構(gòu)造簡單、性能穩(wěn)定、實(shí)用性較強(qiáng)。

　　2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　2.1箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)熱力學(xué)相關(guān)理論，大量蒸汽在冷凝為液態(tài)時(shí)會釋放大量的熱能，如果能將這些熱量回收利用，對還沒有進(jìn)行加熱的冷水提前預(yù)熱，將會大大降低冷水被加熱時(shí)的能耗。因此，本文設(shè)計(jì)了一種蒸汽回收通道，

　　此通道與底部冷水箱想通，這樣就可以起到提前預(yù)熱冷水的作用。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，冷水儲水箱和開水儲水箱是完全隔離的，開水箱是一個(gè)盛放溢出沸水的容器，這樣保證了從出水口接到的水是百分之百的開水，而不用擔(dān)心是“陰陽水”和“千滾水”。

圖1 水箱結(jié)構(gòu)圖

　　由圖1可以看出，加熱腔與冷水儲水箱采用連通器原理相連，這樣可以把冷水的控制轉(zhuǎn)化到加熱腔里，冷水儲水箱中水位的變化也即是加熱腔中水位的變化，為軟件的實(shí)現(xiàn)提供了方便。

　　1.2硬件電路設(shè)計(jì)

　　硬件電路包括以下幾部分：1、水位檢測電路；2、加熱控制電路；3、進(jìn)水補(bǔ)水控制電路；4、水位信號指示燈電路；5、電源濾波整流電路6、單片機(jī)最小系統(tǒng)。其總體硬件控制方框圖如圖2所示：

圖2 總體硬件控制方框圖

　　2.2.1水位檢測電路設(shè)計(jì)

　　本文采用電極式傳感器完成水位信號的采集。電極式傳感器的電極棒是可導(dǎo)電金屬，在冷水熱水中均不會產(chǎn)生有害物質(zhì)，滿足了衛(wèi)生飲水的要求。三個(gè)水位傳感器分別采集冷水低水位信號CWL、冷水高水位信號CWH、以及開水水位信號HW。如圖3是水位信號的采集電路圖。

圖3 水位信號采集電路

　　由電路圖可以看出，15V交流電源通過接線端子接入電路中，其一端直接接在橋堆的一個(gè)輸入端，15V交流電源的另一端接在箱體（WaterBox）上，水位傳感器的電極懸空在箱體之中。當(dāng)水位到達(dá)電極棒時(shí)，由于水的導(dǎo)電性，此時(shí)電極棒和箱體接通，即15V交流電通過水傳給了電極棒，而電極棒是橋堆的另一個(gè)輸入端，如果有水位到達(dá)電極棒，則意味著15VAC接入到了橋堆。橋堆接受到15V交流電后，通過整流濾波，使光電耦合器導(dǎo)通，光電耦合器的輸出端一端連在控制芯片的P2口，另一端接地，在光電耦合器導(dǎo)通的情況下，P2口的電壓被拉低，屆時(shí)，控制芯片檢測到電平變化，根據(jù)判斷到的水位信號執(zhí)行相應(yīng)的程序。

　　在電路設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮的幾點(diǎn)問題：首先，要保證水位信號檢測的靈敏度，為此，應(yīng)該在選擇光電耦合器時(shí)，盡量在滿足電壓條件下選擇導(dǎo)通電壓小的光耦；其次，電路中的分壓電阻可以根據(jù)實(shí)際情況取舍，是可機(jī)動部分；最后，為了安全起見，箱體應(yīng)該接公共地。

　　2.2.1進(jìn)水補(bǔ)水控制電路設(shè)計(jì)

　　在箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，上水水管直接外接水龍頭，水管與儲水箱之間安裝一個(gè)常閉電磁閥，根據(jù)檢測到水位信號，通過電路控制電磁閥的通斷來實(shí)現(xiàn)上水和停止上水的動作。其控制電路圖如圖4所示。

圖4 進(jìn)水補(bǔ)水控制電路

　　由于進(jìn)水補(bǔ)水工作是一個(gè)頻繁的操作過程，應(yīng)該提前考慮到元器件的性能及可靠性。在控制進(jìn)水的通斷時(shí)采用繼電器作為開關(guān)，在繼電器輸入端反接一個(gè)二極管D1。由于繼電器采用的是電磁感應(yīng)原理來吸合或放開可動觸頭來轉(zhuǎn)換電路，根據(jù)電感特性，在這個(gè)過程中，電流的變化是受阻的，當(dāng)突然切斷電感線圈的電流，則會產(chǎn)生一個(gè)非常強(qiáng)大的反向電動勢，嚴(yán)重的后果將是擊穿或燒毀放大二極管N1，進(jìn)而影響到整個(gè)電路的運(yùn)行。所以在此反接一個(gè)二極管D1，以便為反向電動勢提供一個(gè)緩沖和泄放的通路，這樣就起到了保護(hù)電路的作用。此外，采用24VAC常閉電磁閥，J1是接入24VAC的跳線端子。

　 2.23 加熱控制電路設(shè)計(jì)

　　加熱采用大功率的380V三相交流電源，這樣就可以保證在短時(shí)間內(nèi)迅速燒開冷水，為實(shí)現(xiàn)隨燒隨用提供客觀條件。

　　在加熱控制電路的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，由于加熱時(shí)功率大，并且通斷頻繁，為了防止假脈沖觸發(fā)可控硅，遂采用三象限雙向可控硅作為交流控制開關(guān)。雙向可控硅只需要一個(gè)觸發(fā)電路便可以工作，并且內(nèi)部的緩沖電路是由串聯(lián)的電容和碳質(zhì)電阻構(gòu)成，根據(jù)電源電壓，合理地選擇緩沖電路元件，可以保證雙向可控硅的穩(wěn)定觸發(fā)。

　　雙向可控硅的觸發(fā)電路對主控制電路有重要的影響，常用的觸發(fā)電路和主控制電路之間有電的聯(lián)系，容易受到電磁電壓的波動以及電源波形畸變等的影響，應(yīng)該采用光電隔離技術(shù)，將加熱部分和主控制電路隔離開。本設(shè)計(jì)中采用MOTOROLA公司生產(chǎn)的MOC3061光電耦合器，實(shí)現(xiàn)過零觸發(fā)雙向可控硅。MOC3061內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳排列見圖5。

圖5 MOC3061內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　如圖6所示為以MOC3061觸發(fā)雙向可控硅的加熱控制電路圖，此電路可以實(shí)現(xiàn)加熱電路與主控制電路間在電氣上的完全隔離。控制過程中，芯片通過檢測開水水位信號HW和CWL來啟動或停止加熱控制電路?？刂埔_為P1.5，脈沖信號從P1.5輸出，經(jīng)過放大處理后送給光電耦合器MOC3061輸入端，MOC3061過零觸發(fā)雙向可控硅，最終將三相電源（U/V/W）與加熱器(A/B/C)接通，實(shí)現(xiàn)加熱。

圖6 加熱控制電路

　　2.2控制軟件設(shè)計(jì)

　　基于硬件電路搭建的平臺，分析開水器工作特性可知，開水從加熱腔中溢出，開水慢慢到達(dá)開水水位HW，此時(shí)冷水水位在下降，在開水沒有到達(dá)HW，且水位在CWL之上時(shí)，應(yīng)該保持繼續(xù)加熱，直到達(dá)到HW為止。必須要注意的是，冷水水位一旦低于CWL，不論HW到否，都應(yīng)該停止加熱，并且開始補(bǔ)水。只要保證冷水在CWL之上，便可以繼續(xù)加熱，這樣就可以防止干燒現(xiàn)象，在程序設(shè)計(jì)時(shí)是尤為重要的考慮因素。

　　根據(jù)這個(gè)工作原理，編寫其控制軟件。在三個(gè)水位信號中，冷水低水位負(fù)責(zé)水位下限控制，確保低于下限時(shí)不能出現(xiàn)干燒現(xiàn)象，并且低水位信號是決定上水控制，如果低于CWL，則須馬上補(bǔ)水；高水位信號負(fù)責(zé)控制水位上限，當(dāng)?shù)竭_(dá)CWH時(shí)，則應(yīng)該停止補(bǔ)水；開水水位HW決定是否需要加熱，如果沒有到達(dá)HW，則應(yīng)該在保證冷水在CWL之上時(shí)開始加熱，當(dāng)?shù)竭_(dá)HW時(shí)，應(yīng)該停止加熱，水位控制流程圖如圖7所示。

圖7 水位檢測控制主循環(huán)控制流程圖

　　在正常工作情況下，控制芯片不斷掃描水位信號入口引腳。以低電平為使能信號，通過檢測各個(gè)控制引腳來完成進(jìn)水和加熱的操作，并通過水位信號指示燈來表征水位變化情況。結(jié)合實(shí)際情況，如果遇到停電后重啟，為了表征當(dāng)前狀態(tài)，必須要在程序設(shè)計(jì)時(shí)對上電復(fù)位后當(dāng)前狀態(tài)做出判斷，以方便人們識別當(dāng)前開水器內(nèi)部狀態(tài)。

　　本設(shè)計(jì)采用Keiluvision4編程軟件，其編程界面如圖8所示：

圖8 Keil uvision4編程界面

　　3結(jié)語

　　隨著人們生活水平和環(huán)保節(jié)能意識的提高，高能效電開水器的發(fā)展將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。本文既是對現(xiàn)今開水器市場的一次完整剖析，又是一次新的探索，隨著智能控制技術(shù)的不斷普及，即開電節(jié)能開水器控制系統(tǒng)的性能將得到更進(jìn)一步的完善，并向著智能化、人性化、更環(huán)保的方向行進(jìn)。

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