環形多段觸摸一體化顯示控制器的研制

黃 智 朱 藝

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

儲水式電熱水器是一種將水加熱至用戶需求溫度的固定式器具，它可以長時間存儲熱水，并裝有控制或限制水溫的裝置。由于其安裝方便、價格適中，所以大量的用于家庭生活和洗浴熱水的供應上[1]。

而在電熱水器使用過程中，對于電熱水器水溫的控制和調節是尤為重要的。所以，本文使用的技術主要是設計了一種既美觀 又具有實用性的高端控制器。通過觸摸顯示一體化的設計實現對儲水式電熱水器系統的精確控制，來滿足用戶的各種使用需求。

國外早在二十世紀五十年代就已經研發出了首臺儲水式電熱水器，對于電熱水器的控制也從最初的機械式控溫，發展到了通過機械按鍵控制的電腦型。而國外對于電容式觸摸按鍵控制方式的可靠性存在疑問，所以近年來國外生產的電熱水器，主要還是以機械方式控制和機械按鍵控制為主[2]。

在國內，儲水式電熱水器的發展較晚，首臺儲水式電熱水器直到二十世紀八十年代末才由鼎新研發成功。而對于電熱水器的控制方式，也經歷了三個時期的發展：早期電熱水器是用機械式旋鈕調節對應的溫度控制器來實現初步的控溫，這種方式溫度控制方式單一，只能實現循環加熱。隨后發展出了電腦型控溫控制器，是通過機械式按鍵顯示控制器來實現精準的控溫，該方式在實現精準控溫的同時，又通過控制器上的微處理芯片實現多種方式的加熱，更加節能環保。但是由于是機械按鍵，長時間在浴室潮濕的環境下使用，會出現機械按鍵生銹卡死而無法使用的問題。之后，為了解決機械按鍵的問題，又研發出了電容觸摸式按鍵控制器，該控制器對于潮濕環境的適應能力更強，使用壽命更長，但同時也存在結構安裝復雜，容易誤觸發的問題。

針對目前電熱水器控制器中基于觸摸按鍵控制存在結構安裝復雜，容易誤觸發等問題，本文提出了一種新型的環形多段觸摸一體化顯示控制器，用以解決以上存在的問題。

1 儲水式電熱水器觸摸顯示集成控制器系統

1.1 觸摸按鍵控制方法發展

觸摸按鍵技術是由美國人Sam Hurst在1971年發明的，而這項技術應用于電熱水器控制器則是在進入二十一世紀之后。

觸摸按鍵的原理主要是基于電容充放電的原理，當人體手指觸摸對應的控制器面板時（內部為金屬彈簧或導電泡棉），由于人體對大地相當于一個電容，那么控制器上對應觸摸按鍵上相當于并聯了一個電容，對應的電容量就發生了改變，控制器通過這個變化來判定是否有觸摸按鍵按下。

近幾年來，基于電容充放電檢測的觸摸按鍵控制器，由于其安裝結構簡易、人機交互性能好，目前已經在電熱水器上得到了廣泛的應用。同時，由于電熱水器長期在高溫高濕度的環境下使用，觸摸按鍵控制在潮濕環境下的可靠性也是目前研究的重點[3]。

1.2 集成觸摸顯示控制方法發展

隨著時代的發展，最近兩年一種集成觸摸顯示技術也逐漸應用于電熱水器控制器產品，該技術把顯示屏和觸摸按鍵集成到了一起，實現了類似于手機觸摸屏的功能。而具體的實現方式主要有兩種：一種是把觸摸膜片貼裝在電熱水器控制器外殼上；另一種是把顯示和觸摸集成在一個顯示屏上，然后再和控制器外殼組裝起來。第一種方式對于貼裝工藝要求相對嚴格，而第二種方式則要求顯示屏和外殼緊密貼合，實現工藝上也比較復雜[4]。

2 觸摸一體化顯示控制器系統

基于電熱水器的環形多段觸摸一體化顯示控制器原理框圖如圖1所示。

從圖1可以看出，外部市電通過電源線L火線、N零線和E地線引入漏保插頭。隨后L火線和N零線再接入限溫器中，然后接入觸摸一體化顯示控制系統中。該系統由電源控制器、溫度傳感器、觸摸一體化顯示控制器以及對應的發熱管組成。用戶通過觸摸一體化顯示控制器下發控制指令，電源控制器收到指令后，通過分析溫度傳感器發回的電熱水器內膽水溫，綜合分析后，控制對應的發熱管開啟或者斷開，從而實現對電熱水器內膽水溫的控制。同時，內膽水溫及加熱時間等信息也將會在觸摸一體化顯示控制器上進行顯示。從而構建了一套可靠的應用于儲水式電熱水器的觸摸一體化顯示控制系統。

2.1 觸摸一體化顯示控制系統硬件設計

觸摸一體化顯示控制系統由電源控制器、觸摸一體化顯示控制器、溫度傳感器以及對應的發熱管組成。其中電源控制器和觸摸一體化顯示控制器是核心元器件。

電源控制器主要是對儲水式熱水器內膽水溫數據進行采集，同時給觸摸一體化顯示控制器提供低壓直流電源。同時根據用戶端從顯示器發回的功能需求，來控制發熱管的開啟或斷開。用以滿足各類用戶的洗浴需求。針對以上的功能需求，設計了如圖2所示的電源控制器。

圖1 原理框圖

從圖2可以看出，電源控制器主要由五個部分組成：①用于連接發熱管的5個接線端子；②用來控制發熱管開啟和斷開的繼電器驅動電路；③把220 V交流高壓轉為5 V直流低壓的轉換電路；④用于連接探測熱水器內膽水溫的溫度傳感器接口；⑤用于給觸摸一體化顯示控制器供電和數據傳輸的顯示器接口。通過以上五個部分則可以實現設計的要求。

而觸摸一體化顯示控制器主要是提供一個用戶可以操作的功能界面。通過功能界面上面的各種按鍵，用戶可以實現自己需要的功能。同時界面上可以實時顯示電熱水器內膽的水溫，工作模式，以及預約洗浴時間等信息。針對以上的功能需求，設計了如圖3所示的顯示觸摸一體化控制器。

從圖3可以看出，顯示觸摸一體化控制器主要由四個部分構成為：①帶有LED顯示和觸摸功能的顯示屏，該顯示屏為整個控制器的核心部分。從左至右分成三個部分：左邊部分由LED圖標顯示部分以及對應的4個彈簧觸摸功能按鍵組成，中間部分的圓圈內也是由LED圖標顯示部分以及12段帶LED顯示的觸摸環組成（為保證觸摸屏效果，已在觸摸環的四周增加了4個對位螺釘，以此保證觸摸環和顯示外殼的貼合度），右邊部分由LED圖標顯示部分以及對應的5個彈簧觸摸功能按鍵組成；②PCB底板，用來把觸摸顯示一體屏焊接起來進行固定；③長條形側發光燈條，焊接于PCB底板上增加控制器的顯示效果；④電源控制器接口，用于接收電源控制器發回的數據以及提供供電電源。

圖2 電源控制器設計框圖

2.2 觸摸一體化顯示控制系統軟件設計

在軟件上，針對電源控制器，主要是通過一個主MCU進行數據的采集和處理。采集的主要是溫度傳感器探測到的內膽溫度值，通過AD采樣電路輸入到主MCU中進行處理，根據用戶從顯示器回傳的設置溫度，來判斷是否開啟繼電器進行加熱。而主MCU與顯示器的通訊方式采用傳統的串口通訊進行。

而對于顯示觸摸一體化控制器，在軟件上則需要處理各個模塊上的觸摸按鍵響應，以及根據用戶設置的功能模式進行對應的顯示。特別在進行觸摸按鍵的處理時，由于使用的是多個觸摸IC進行觸摸按鍵采集，所以在軟件上必須設置好各個觸摸IC響應的時序，避免出現時序上的混亂而導致觸摸失靈或誤觸發的情況發生。

經過上述的設計，集成了觸摸彈簧控制和顯示觸摸一體化控制方式，融合了兩種控制方式的優點，既解決了彈簧觸摸按鍵需要高精度定位的問題，又減少了帶有觸摸功能的顯示屏的面積，降低了加工難度，提高了產品的可靠性。

圖3 觸摸一體化顯示控制器設計框圖

綜上所述，通過電源控制器和顯示觸摸一體化控制器的設計，就構建了一套完整的儲水式電熱水器的控制系統。用戶可以通過操作顯示器面板上的彈簧觸摸按鍵或觸摸環來實現特定的功能，同時熱水器的加熱狀態，如：實時水溫，設置水溫，加熱時間等都可以在面板上顯示出來，完全可以滿足用戶使用熱水的需求。

3 觸摸一體化顯示控制系統性能試驗

當把觸摸一體化顯示控制系統應用于儲水式電熱水器控制系統中時，完全可以構建出新型的電熱水器控制系統。使用構建的新系統，在EMC實驗室進行了整機配套性能測試[5]。主要測試項目為：

1）EFT群脈沖抗干擾測試如圖4。

結論：通過測試圖4可以看出，該系統可以通過EFT 4 000 V 正負極性的測試。符合使用要求。

2）SUGER浪涌抗干擾測試如圖5。

結論：通過測試圖5可以看出，該系統可以通過SUGER L+N 2 000 V 正負極性的測試。符合使用要求。

3）CS傳導抗干擾測試如圖6。

結論：通過測試圖6可以看出，該系統可以通過CS 10V 傳導抗干擾的測試。符合使用要求。

4）CE電壓騷擾測試（0～30 MHz）如圖7。

結論：通過測試圖7可以看出，該系統可以通過CE 電壓騷擾的測試。符合使用要求。

5）PC 功率輻射測試（30～300 MHz）如圖 8。

結論：通過測試圖8可以看出，該系統可以通過PC 功率輻射測試。符合使用要求。

可以看出基于環形多段觸摸一體化顯示控制器構建的新系統，在符合EMC測試標準情況下，可以可靠的實現電熱水器內膽水溫的精確探測和控制。

4 結論

圖4 EFT群脈沖抗干擾測試

圖5 SUGER浪涌抗干擾測試

圖6 CS傳導抗干擾測試

圖7 CE 電壓騷擾測試（0～30 MHz）

實驗表明，基于環形多段觸摸顯示技術的控制器，與之前技術相比，具有可靠性高、安裝工藝簡易、精度高等優點，非常適合應用于高精度的電熱水器控制器上。將這些技術應用于現代的電熱水器精準控溫中，對提高內膽水溫控制的精準性、觸摸按鍵的操控性以及顯示的多元化必將發揮重要的作用。

圖8 PC 功率輻射測試（30～300 MHz）

而之前的觸摸顯示控制器，受到安裝方式的限制，在電熱水器上的應用受到了限制，可靠性也達不到EMC的要求。所以，新方法構建的系統具有很大的優勢。