基于一種智能調溫控制系統的研制

唐幸兒 梁季彝

【關鍵詞】可控硅調相 PWM脈寬調制 旋轉編碼器 調相調頻加熱控制

電熱飲水器的最大作用是以人為本，安全可靠。因為電熱飲水器是要適應不同的人群需要，（如老人、孕婦、嬰兒等）國內外生產的飲用水機大多數都是采用反復加熱的模式，而反復加熱的飲用水經醫學專家的研究發現，會產生很多的致癌物質，若長期飲用會嚴重影響人們的身體健康。而智能電熱飲水器采用革命性首次采用PWM脈寬調節IGBT管調頻控制和可控硅調相加熱雙結合方式設計，使電熱飲水器加熱效率較高的情況下避免出現過熱失控現象。由于電熱飲水器采用即熱式加熱方式故不存在對飲用水長期加熱的情況，所以更加安全健康。

1 國內、外現狀

目前，國內的即熱式飲水機做得比較完善的有美的和沁園這兩大品牌的飲水機，而國外比較先進的是韓國的美吉和德國的艾可麗，這四種品牌的飲水機大多采用儲水加熱的方式，而加熱的方式均為調幅加熱到100℃，無法做到無級調溫，即使有調溫功能的飲水機，最終就只能做到幾個檔位的溫度加熱，并且價格昂貴。經市場調查，這幾種牌子的即熱式飲水機均為小功率的即熱式電熱飲水機，一但上大功率會造成發熱過度現象甚至失控，極不安全。而智能電熱飲水機運用全新的PWM調頻技術與可控硅調相結合來進行控溫，這種全新的技術可以實行高效能加熱并且不會造成大功率時溫度過高的失控現象。

2 項目基本思路

2.1 研究項目總體設計內容

本系統由單片機MCU模塊、可控硅調壓電路模塊、電源模塊、顯示掃描模塊、A/D轉換模塊、按鍵掃描處理模塊、旋轉編碼器模塊、輸出控制模塊、溫度傳感器流量計組成的反饋電路模塊、電流互感器漏電保護模塊、加熱控制和溫度檢測等組成。智能反饋調溫電熱控制系統，可以實現按鍵中斷通過調頻、調相控制相應的溫度值，并結合旋轉編碼器進行精準控制，顯示模塊顯示相應的溫度值，IGBT輸出模塊恒溫加熱將水加熱到設定溫度值，通過反饋電路模塊對溫度進行精準控制。系統總體設計框圖如圖1所示。

2.2 工作原理

本系統將以調頻、調幅雙結合的方式進行溫度控制，調幅加熱是以可控硅調壓電路組成，調頻加熱是以單片機PWM控制IGBT驅動電路組成。設置4個調溫中斷控制按鍵，當按下其中一個按鍵時便顯示該檔位的下限溫度值（20℃、40℃、60℃、80℃），如在5秒鐘之內不用旋轉編碼器細調所需的溫度值，則默認當前檔位的下限溫度值為目標溫度值，如在5秒鐘之內使用旋轉編碼器細調，則旋轉編碼器所調節的溫度則為目標溫度。當目標溫度大于實際水溫5℃時進行效率高的調幅加熱控制，當實際水溫小于目標溫度5℃時則進行PWM調頻加熱控制，基于PWM脈寬調制技術和旋轉編碼器控制技術，結合智能反饋調溫系統，通過PWM調頻實現無級調溫。當按下控制面板上的其中一個功率檔位按鈕，然后再選擇是否使用旋轉編碼器。當溫度確定后，MCU先通過溫度傳感器檢測實際水溫，并送入MCU中將目標水溫與實際水溫比較，若目標水溫小于實際水溫5攝氏度時MCU會立刻啟動IGBT驅動電路，并輸出PWM調頻加熱至目標溫度，若目標溫度高于實際水溫5攝氏度時MCU馬上啟動可控硅調幅加熱控制。

智能反饋調溫系統的控制器采用成本低廉且工作可靠的新一代增強型51單片機，自帶晶振，片內集成ADC、PWM、IIC、SPI，有工作速度快功耗低的特點。15系列單片機對電源要求不甚嚴格，電源電路采用普通的市電降壓整流，然后經集成穩壓器（7805）穩壓輸出+5V電壓。采用4個按鈕和旋轉編碼器來組成加熱控制電路。加熱驅動由IGBT驅動電路和可控硅驅動電路組成。顯示電路采用三位共陰數碼管和液晶，由74HC573驅動數碼管。系統硬件框圖見2，主程序設計框圖見圖3。

2.3 設計思路

步驟一：按下其中一個按鍵時便顯示該檔位的下限溫度值（20℃、40℃、60℃、80℃）如在5秒鐘之內不用旋轉編碼器細調所需的溫度值，則默認當前檔位的下限溫度值為目標溫度值，如在5秒鐘之內使用旋轉編碼器細調，則旋轉編碼器所調節的溫度則為目標溫度。

步驟二：當流量計一旦有數值時，單片機有輸出信號通過輸出控制模塊控制可控硅導通角使電壓幅度以180V標準加熱控制，當目標溫度大于實際水溫5℃時進行220V效率更高的調幅加熱控制，當實際水溫小于目標溫度5℃時則進行PWM調頻加熱控制，而且旋轉編碼器可以以“1”為單位對每檔溫度進行細調，實現無級調溫的控制。

中斷處理函數框圖，如圖4所示。

51系列單片機自帶晶振，工作于24MHZ的IRC頻率，1T工作模式。定時器0的溢出率為：（1/溢出周期），溢出周期：脈沖周期/（1/24M）=（1/24M）=PWM頻率*256=溢出率CCAPnL初值：2.55*（100-a） = CCAPnL

PWM脈寬調制調頻加熱技術參數，如表1所示。

3 結論

智能反饋調溫系統利用旋轉編碼器對溫度進行細調的新技術來實現無級調溫，采用智能化的反饋設計來進行加熱。當目標溫度小于實際水溫5℃時，單片機指向PWM調頻加熱控制程序，并通過反饋電路及流量計啟動IGBT輸出模塊的PWM脈沖調頻電路將水溫加熱到預設值；當目標溫度高于實際水溫5℃時，單片機立刻指向可控硅調幅加熱控制程序，并通過反饋電路及流量計再次啟動可控硅調壓電路，使水溫達到預設值。就飲水機這種常見的電加熱水裝置比較，采用智能調溫控制系統的飲水機優點明顯。國內外生產的飲用水機大多數都是采用反復加熱的模式，而反復加熱的飲用水經醫學專家的研究發現，會產生很多的致癌物質，若長期飲用會嚴重影響人們的身體健康。智能反饋調溫系統采用即熱式的飲用水系統，不存在對飲用水長期加熱的情況，使飲用水更加安全可靠；普通的電熱飲水機為了保持溫度而采用保溫加熱，往往溫度維持在100℃左右，若使用的目標溫度如果小于100℃，會造成能源的浪費。智能反饋調溫系統，對目標溫度進行分段設置加熱，由于采取即熱式加熱，所以比傳統的飲水機更加節能。普通的電熱飲水機只能加熱到100℃一種溫度，而我們的智能反饋調溫系統設置了4檔區間的溫度，分別是20～40℃、40～60℃、60～80℃、80～100℃，并且在上述區間可使用旋轉編碼器以1為單位對每檔溫度進行細調，因為各種溫度的飲用水對我們日常生活的飲品（例如：沖劑、奶粉、咖啡、茶）有不同的需求，所以我們的智能反饋調溫系統操作更加便利。另外由于本項目采取了可控硅調幅和PWM調頻雙結合的加熱技術，在加熱效率沒有降低的情況下，克服了國內外即熱式大功率飲水機過熱的缺陷。

參考文獻

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