基于單片機的全自動電熱水壺的設計

鄭慧珍

(漳州職業技術學院 電子工程學院，福建 漳州 363000)

隨著人們生活節奏的加快，全智能化的家電占據了家電市場的絕大多數份額，是我國乃至世界重要的經濟增長點之一。傳統的電熱水壺，采用雙金屬片作為感溫器件。水加熱接近或者達到沸點時，雙金屬片受熱變形，斷開開關，達到控溫的效果。這種電熱水壺溫度控制點不確定，有可能在還未充分煮沸的情況下停止加熱。干燒保護反應速度慢、無法及時斷開電源，無人看守時存在火災的隱患。加熱功率不可控，導致煮沸時飛濺時有發生，增加了燙傷的風險。內部無智能化設計，加水、燒水等所有環節，均需要手動控制。[1]針對上述問題，設計了一種以STM8單片機為核心的電熱水壺裝置。采用可控硅控制加熱開啟關閉，調節加熱功率，實現防飛濺、保溫等功能。采用微型隔膜泵和步進電機，控制水龍頭自動對準加水孔并加水。引入了多個PID控制環路，安全可靠地控制隔膜泵、步進電機和晶閘管等部件。

1 基本原理

采用STM單片機作為控制核心，對顯示、加熱、加水、檢測等單元進行控制。該芯片具有豐富的IO口。各IO口復用了各種強大的功能，例如UART串口、I2C接口、SPI接口、AD轉換端口和PWM輸出。由于其價格低廉，且技術成熟，工作穩定，被廣泛地應用到家電產品中。整機電路框圖如圖1所示。交流市電輸入，通入AC-DC開關電源模塊，將其降壓為12 V的直流電源。再通過DC-DC電路，轉換為紋波更小的5 V電源，為單片機等芯片供電。

圖1 電路結構示意圖

人機交互接口采用觸摸按鍵和定制特殊筆段的數碼管。觸摸面板對地等效為一個電容，與觸摸按鍵驅動芯片內部電路組成振蕩電路。當手指放在觸摸面板上時，對地電容值發生微弱的變化，改變了振蕩頻率。頻率變化量超過一定值，則判定為按鍵動作。顯示面板主要用于顯示實時溫度值，選用定制的LED屏。由于LED顯示具有自發光的特性，不需要借助外部光線，特別適用于臺式家電。單片機讀取觸摸按鍵電路的用戶指令。當需要加熱時，開啟加熱電路，然后實時檢測測溫電路，適時改變加熱功率，達到閉環控制的效果。加水功能同樣采用閉環控制的原理，當水位過低或者按鍵指令要求加水時，單片機控制步進電機和水泵有序運行，達到自動加水的效果。當水位達到上限時，關閉水泵并復位水龍頭位置。[2-3]

2 電路設計

2.1 電源電路設計

電源電路是單片機穩定運行的基礎，全天候為單片機供電，在兼顧成本的同時，需要選用長期穩定的AC-DC方案。全自動電熱水壺，選用合泰半導體公司出品的HT7A6322芯片作為開關電源的主芯片。該芯片是一種高度集成的小功率初級轉換芯片，內置電流模式PWM控制器及高壓功率晶體管。AC-DC轉換電路如圖2所示。市電從火線L和零線N端子輸入，經過保險絲后，送入U1整流橋和電容C14，生成變化比較平緩的直流送入T1的PIN7。U2的SW引腳以60 kHz的頻率開關，使T1的初級線圈7～8產生交流。T1的次級線圈5～6產生感應電流，利用D4進行半橋整流，C15去耦，通入U2的PIN4，為U2提供電源供應。T1的1～3線圈在初級線圈的激勵下，產生頻率為60 kHz的交流信號，經過二極管D1作半橋整流后輸出直流VCC。R13和R14組成分壓電路，分壓得到的電壓通入U5的REF引腳。VCC過高，導致REF引腳電位高于2.5 V時，U5導通，U4的發光二極管發光。經過光電耦合后，反饋至U2的FB引腳，將該引腳電位拉高。當FB引腳電壓值高于0.23 V時，SW引腳輸出被關閉，從而降低VCC節點電壓。反之，當VCC直流電壓過低時，FB引腳電壓低于0.23V，則恢復SW引腳輸出。通過閉環控制，將VCC電壓穩定在一定值。合理選擇R13、R14的比例，即可得到+12 V的電源。另外，R5和C13，用于防止開關電源的高頻干擾從電源線外泄，干擾其他的用電設備。VCC電源，經過AM1117之類的LDO穩壓后，得到+5V電壓，為單片機等芯片供電。

圖2 AC-DC轉換電路

2.2 加熱和測溫電路設計

燒水壺和消毒容器需要加熱管加熱以及溫度測量。分別在容器底部安裝50 Ω的發熱管和熱敏電阻，電路連接方式如圖3所示。采用3063光電耦合器U6和雙向晶閘管Q1，控制加熱管的開啟關閉。雙向晶閘管Q1選用BT138，主電極最大電流12 A，滿足50 Ω加熱管的功率需求。控制極最大電流10 mA，直接用單片機IO口控制存在諸多缺點。一方面，控制電流較大，加大單片機過度發熱的風險；另一方面，惡劣環境下，交流市電會通過控制極流入單片機內部，燒毀單片機。因此，選用3063光電耦合器，起到強弱電隔離的效果。當PA1為高電平時，光耦雙向導通，火線L電流通過R3，光耦，R2和R17留回零線N。雙向晶閘管Q1控制極與主電極存在壓差，從而進入導通狀態。反之，當PA1為低電平時，Q1控制極與主電極無壓差，交流市電經過零點后，Q1保持截止狀態，停止加熱。因此，給PA1加入頻率遠低于50 Hz的PWM信號，控制正脈沖寬度即可調整加熱功率。R16和C6支路與Q1并聯，起到保護Q1的作用。保險起見，晶閘管需要涂上導熱硅脂，用螺絲與散熱片固定，提高散熱速度。[4-5]

圖3 加熱和測溫電路

熱敏電阻R4安裝于消毒容器或者燒水壺的底部，涂上導熱硅脂促進底部金屬和熱敏電阻熱交換。當水溫升高時，熱敏電阻值降低，R4和R19的分壓比例發生變化，AD轉換AdTemp節點電壓，即可換算為溫度值。C7和C8分別與電阻并聯，一定程度上消除電壓值抖動，提高溫度檢測穩定性。

2.3 水泵和水龍頭轉動電路設計

水龍頭抽水功能采用EDLP600隔膜泵來實現。EDLP600是氣液兩用的微型隔膜泵，根據容積式泵的原理設計而成。直流電機轉動時，電機軸上的偏心輪，驅動橡膠循環往復運動，在腔體里形成吸、排動作，通過單向閥的閉合、打開動作達到吸入排出氣體或液體的效果。該隔膜泵額定電壓為12 V，額定電流為0.3 A，無法直接用單片機驅動。如圖4所示，采用Q2和Q3三極管驅動。當PA2為高電平時，Q2形成共集電路輸出高電平，拉升Q3基極電壓。Q3采用共射接法，基極電位升高時導通，帶動隔膜泵工作。采用35BYJ46步進電機驅動水龍頭轉動，由ULN2003A芯片驅動電機。[6]PD0至PD3連接單片機IO口，利用定時器中斷每隔一定時間操作4個IO口的電平值，使電機工作在四相八拍的狀態即可帶動水龍頭轉動。

圖4 水龍頭抽水和轉動電路

水龍頭轉動需要檢測3個定位點，包括水龍頭復位位置、熱水壺加水位置和消毒容器加水位置。將滑動金屬片連接地線，其中一端與水龍頭固定，水龍頭轉動時另一端隨之旋轉一定角度。在旋轉路徑上設置觸點。到位時，觸點與金屬片接通，等同于開關接通，單片機設置三個開關檢測電路即可檢測水龍頭的三個位置。水位檢測功能與之相似，飲用水淹沒特定觸點時，電路接通，設置兩個開關檢測電路即可實現水位上限和下限的檢測功能。[7]

2.4 顯示和觸摸檢測電路

顯示電路和觸摸按鍵檢測電路如圖5所示。采用特殊符號的數碼管作為顯示屏，用于顯示熱水壺和消毒容器的實時溫度值。TM1652是數碼管驅動芯片，通過SDA引腳連接單片機UART串口，實現單向通信。觸摸按鍵檢測電路采用合泰半導體的BS82B08A芯片，該芯片最多可以同時檢測8個觸摸按鍵，通過I2C接口輸出按鍵狀態。[8-9]

圖5 顯示和觸摸檢測電路

圖6 任務三狀態轉換圖

3 軟件設計

傳統的單片機編程方法是順序執行法。單片機上電后，經過短暫的初始化環節，進入死循環。在死循環中，完成一個任務再執行下一個任務。由于全自動電熱水壺水龍頭轉動、加熱等環節需要較長的時間，如果采用順序執行法，無法及時響應突發事件和按鍵命令。在CPU中安裝操作系統，根據整機功能劃分多個任務，采用任務調度機制，執行各項任務，可以解決突發事件和按鍵命令響應不及時的問題。但是由于成本問題，家電產品使用的單片機內部資源有限，引入操作系統將占用大量的內部資源，反而無法完成整機控制的任務。借鑒操作系統的原理，編寫一個簡易的任務調度和輪詢的機制，既節約芯片資源，又能快速響應各個事件。[10]根據功能特點，將其劃分為3個任務：(1)熱水壺加熱任務；(2)消毒容器加熱任務；(3)水龍頭轉動任務。各個任務之間用信號量進行消息發送。當任務一或任務二檢測到水位過低時，發送信息通知任務三加水。任務三一邊驅動步進電機旋轉，一邊檢測是否到達加水點。到達加水點后，步進電機停止，隔膜泵接通開始抽水。抽水過程中檢測水位是否達到上限位，達到上限位立刻關閉隔膜泵，水龍頭回到復位位置。若水位未達到上限值且時間超過閾值，則停止抽水，屏幕顯示加水異常錯誤代碼。詳細的轉換切換如圖6所示。

圖7 任務二狀態轉換圖

任務一和任務二都是檢測溫度和外部命令、控制加熱管加熱，狀態轉換過程非常相似，任務二狀態轉換如圖7所示，任務一不再贅述。開機時關閉加熱管，當接收到消毒命令時，先進行全功率加熱。溫度超過95 ℃時，降低加熱功率防止飛濺。加熱過程中，水位低于下限時，停止加熱，等待任務三加水完畢后繼續加熱。加熱到100 ℃后，關閉加熱管。

4 整機測試

對整機各項功能進行了測試。溫度低于95 ℃時，測得加熱功率約為950 W；溫度高于95 ℃時，測得加熱功率約為500 W。溫度高于99.0 ℃時，延時20 s后，停止加熱。水位低于下限時停止加熱，并啟動水龍頭加水。水龍頭能按照邏輯要求閑時停在復位位置。需要加水時，能轉動到熱水壺或者消毒容器位置加水。水龍頭轉動定位精確，未發現水流飛濺現象。水泵抽不到水時，水泵啟動超過一分鐘仍未檢測到水位達到上限，整機能及時抽水和加熱，報警停機。綜上所述，全自動電熱水壺各項功能均達到了要求。