一種即熱式飲水機(jī)溫度控制方案

包 健

（廈門華聯(lián)電子股份有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

目前傳統(tǒng)飲水機(jī)大部分只有常溫水、熱水2種水溫，隨著生活的提高改善、生活節(jié)奏的加快以及人們對(duì)健康的追求，大家對(duì)各種水溫的需求越來(lái)越多，例如泡奶、泡咖啡、泡茶等所需要的水溫都不一樣，這就需要有一種可即時(shí)產(chǎn)生各種水溫的飲水機(jī)來(lái)滿足大家的生活需求。該文針對(duì)傳統(tǒng)飲水機(jī)的一些主要痛點(diǎn)，研究解決單一出水溫度及“千滾水”問(wèn)題，使用大功率不銹鋼厚膜加熱管將要取出的水瞬間加熱至沸騰，并且利用過(guò)零檢測(cè)技術(shù)，使用軟件程序控制可控硅導(dǎo)通時(shí)間及直流水泵的出水流速，對(duì)出水溫度進(jìn)行精確控制，以及可調(diào)的出水溫度[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由顯示板和驅(qū)動(dòng)板構(gòu)成，即熱式加熱相關(guān)算法主要由驅(qū)動(dòng)板實(shí)現(xiàn)。顯示板和驅(qū)動(dòng)板通過(guò)UART通信，用戶通過(guò)顯示板上的按鍵選擇出水溫度、出水流量以及控制開(kāi)始和停止出水，顯示板會(huì)將用戶設(shè)定的參數(shù)和開(kāi)停指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)板。驅(qū)動(dòng)板接收到開(kāi)始出水指令后，利用過(guò)零檢測(cè)電路，使用軟件控制可控硅開(kāi)關(guān)時(shí)間及直流水泵的出水流速，精確控制出水溫度，并將進(jìn)水溫度、出水溫度以及實(shí)時(shí)出水流量等信息回傳給顯示板。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

即熱式控溫的控制方案主要是通過(guò)過(guò)零調(diào)功電路控制加熱管功率，通過(guò)PWM信號(hào)控制直流水泵的出水流速，兩者協(xié)同工作從而調(diào)節(jié)出各種溫度的水。

根據(jù)公式（1）：

由于大功率加熱管的電阻R可認(rèn)為是固定的，故其加熱功率主要由加在其兩端的電壓U的大小所決定，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)電功率的變化將導(dǎo)致加熱功率的改變，因此只要能夠控制交流電的有效電壓Um的大小就可以控制大功率加熱管的加熱功率，從而達(dá)到控制出水溫度的第一步。

雙向可控硅過(guò)零控制波形見(jiàn)圖1。該方案由MCU控制一定周期內(nèi)可控硅導(dǎo)通的正弦波市電的半波個(gè)數(shù)來(lái)控制加熱管兩端的有效電壓。因此選用具有過(guò)零截至（如圖1中A點(diǎn)）且過(guò)零導(dǎo)通（如圖1中B點(diǎn)）特性的過(guò)零調(diào)功電路來(lái)控制。該方法控制可控硅在電壓過(guò)零時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)的波形是正弦波市電完整的正半周波或負(fù)半周波，所以不存在斬波調(diào)壓方式的缺點(diǎn)，其負(fù)載浪涌電流和電流變化率都很小，有利于可控硅的安全工作。

圖1 可控硅過(guò)零控制信號(hào)波形圖

第二步通過(guò)軟件控制MCU輸出PWM信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)直流水泵的出水流速，并控制出水溫度，在相同加熱功率的情況下，占空比越大，出水量就越大，出水溫度就越低；占空比越小，出水量就越小，出水溫度就越高。

2.1 過(guò)零檢測(cè)電路

過(guò)零檢測(cè)電路是將電網(wǎng)的交流電壓通過(guò)零點(diǎn)的瞬間轉(zhuǎn)換成MCU可以檢測(cè)到的電平翻轉(zhuǎn)。該方案采用光電耦合器實(shí)現(xiàn)過(guò)零檢測(cè)，其工作原理是：交流電經(jīng)分壓電阻加到光電二極管上，在交流電的正半周，光耦的源 級(jí)導(dǎo)通/截至，光耦次級(jí)也隨之導(dǎo)通/截至，在導(dǎo)通期間光耦次級(jí)輸出低電平，截至期間光耦次級(jí)輸出高電平，在交流電過(guò)零的瞬間，光耦次級(jí)電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)，因此光耦次級(jí)得到50Hz的方波信號(hào)，由MCU的外部中斷引腳檢測(cè)該信號(hào)，以檢測(cè)到交流電的過(guò)零瞬間。

2.2 可控硅觸發(fā)電路

可控硅控制電路中采用了過(guò)零雙向可控硅型光耦，集光電隔離、過(guò)零檢測(cè)、過(guò)零觸發(fā)等功能于一身，避免了輸入輸出通道同時(shí)控制雙向可控硅觸發(fā)的缺陷，簡(jiǎn)化了輸出通道隔離-驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)。該方案的可控硅觸發(fā)電路的工作原理是MCU在I/O口輸出一個(gè)高電平，經(jīng)三極管反向后，送出一個(gè)低電平，使光電耦合器導(dǎo)通，同時(shí)觸發(fā)雙向可控硅，使加熱管電路導(dǎo)通工作[2]。

給定時(shí)間內(nèi)，負(fù)載得到的功率如公式（2）所示。

式中：P為給定時(shí)間負(fù)載得到的功率；n為給定時(shí)間內(nèi)可控硅導(dǎo)通的正弦半波個(gè)數(shù)；N為給定時(shí)間內(nèi)交流正弦半波的總個(gè)數(shù)；Um為可控硅在一個(gè)電源半周期全導(dǎo)通時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓有效值；R為加熱管電阻值。由式（2）可知，當(dāng)Um，R，N為定值時(shí)，只要改變n值的大小即可控制功率的輸出，從而達(dá)到調(diào)節(jié)加熱功率的目的。

2.3 PWM直流水泵調(diào)速電路

直流水泵調(diào)速電路利用MOS管的通斷，使直流水泵的電流隨著MOS管的通斷而變化，MOS管導(dǎo)通時(shí)，直流水泵回路導(dǎo)通，水泵壓降為24V，MOS管斷開(kāi)時(shí)，直流水泵回路斷開(kāi)，水泵壓降為0V。這樣就把水泵的直流壓降變成了脈沖信號(hào)，通過(guò)改變MOS管的通斷狀態(tài)就可以改變水泵壓降的頻率或者脈沖寬度，即改變了直流壓降的平均值，從而達(dá)到直流水泵的調(diào)速目的。

利用MCU編程實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)，在該設(shè)計(jì)中用MCU的1個(gè)I/O口作為PWM信號(hào)的控制端。PWM采用定頻調(diào)寬的方式調(diào)整水泵流速，即PWM脈沖信號(hào)的頻率（周期）是固定的，通過(guò)調(diào)節(jié)MOS管G-S間脈沖的寬度（即壓降為24V狀態(tài)的時(shí)間）來(lái)改變PWM脈沖信號(hào)的占空比，從而改變直流水泵兩端壓降的平均值，這樣就實(shí)現(xiàn)了直流水泵的調(diào)速，進(jìn)而達(dá)到了控制出水流速的目的[3]。

3 軟件控制算法實(shí)現(xiàn)

如上節(jié)所述，出水溫度既可以通過(guò)控制加熱功率來(lái)調(diào)節(jié)，也可以通過(guò)控制直流水泵的占空比來(lái)調(diào)節(jié)。但是加熱功率的調(diào)節(jié)精度低，而且根據(jù)式（2）不難看出，加熱功率除了受到n的控制外，還與電網(wǎng)電壓有關(guān)，該產(chǎn)品的工作電壓為191Vac~253Vac，因此難以通過(guò)控制加熱功率來(lái)保證高精度的出水溫度。雖然直流水泵的量化精度很高，但是受到結(jié)構(gòu)的限制，水流速不能太高，水流速過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致客戶體驗(yàn)變差，用戶需要等待較長(zhǎng)時(shí)間才能接到需要的水流量。另外，在量產(chǎn)時(shí)，不同水泵的特性也存在差異，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。

考慮到工作電壓范圍寬、水流速范圍窄等問(wèn)題，該方案采用協(xié)同控制加熱功率和水流速的方式調(diào)節(jié)出水溫度。當(dāng)設(shè)定出水溫度后，根據(jù)事先確定的加熱功率和Δt（設(shè)定溫度-進(jìn)水溫度，下同）的關(guān)系（詳見(jiàn)章節(jié)3.2），取當(dāng)前Δt對(duì)應(yīng)的n，然后使用PID算法在事先確定的范圍內(nèi)控制水流速進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)出水溫度功能。即對(duì)確定的Δt，采用定功率，變流速的方式調(diào)節(jié)水溫。

3.1 出水溫度、進(jìn)水溫度、加熱功率、水流速的關(guān)系理論分析

根據(jù)熱傳導(dǎo)吸熱公式：

式中：c為水的比熱，為常數(shù)4200J（kg·℃）；m為質(zhì)量，單位kg；Tend為水吸收熱量后的溫度，單位℃；Tstart為水吸收熱量前的溫度，單位℃；Q為質(zhì)量m的水溫度從Tend升高到Tstart需要吸收的熱量，單位J。

在該產(chǎn)品中，Tend=Tout，Tstart=Tin，m=vt·ρ，Q=P·t，其中Tout為出水溫度；Tin為進(jìn)水溫度；v水流速，單位m3/s；t為時(shí)間，單位s；ρ為水的密度，可看作常數(shù)1.0×103kg/m3；P為加熱管輸出功率，單位W。將這些表達(dá)式帶入式（3）得：

其中，c和ρ為常數(shù)；進(jìn)水溫度Tin在整個(gè)加熱過(guò)程可認(rèn)為是不變量；當(dāng)用戶設(shè)定出水溫度后，將式（4）中Tout用出水溫度設(shè)定值Tset替代，且如前所述將P設(shè)置為固定值。對(duì)式（4）化簡(jiǎn)和移項(xiàng)得到公式（5）。

當(dāng)用戶設(shè)定出水溫度后，便可通過(guò)式（2）和式（5）計(jì)算出各工作電壓下水流速的理論值。

3.2 水流速、加熱功率和Δt的關(guān)系

為達(dá)到精確控制，且在很短時(shí)間內(nèi)將水溫加熱到設(shè)定值，所以需要先對(duì)各個(gè)控制量的理論值進(jìn)行分析。

出水流速直接影響用戶體驗(yàn)感，出水流速太低，用戶需要等待較長(zhǎng)時(shí)間才能接到需要的水流量。通常要求出水流速需要保持在600mL/min左右。但由于加熱功率有限，當(dāng)Δt（設(shè)定溫度-進(jìn)水溫度，下同）較大時(shí)，即使使用最大輸出功率加熱，如果不降低水流速，實(shí)際出水溫度依然達(dá)不到設(shè)定值。所以采用出水流速與Δt的關(guān)系曲線。當(dāng)Δt較小時(shí)保持出水流速在600mL/min，此時(shí)為了達(dá)到相應(yīng)的Δt，加熱管輸出功率需隨Δt增大而增加；當(dāng)Δt較大時(shí)，由于加熱功率已達(dá)最大值，需要降低出水流速來(lái)達(dá)到相應(yīng)的Δt，所以出水流速隨Δt的增大而減少。加熱管輸出功率除了與每周期導(dǎo)通的半波數(shù)有關(guān)外，還與電網(wǎng)電壓有關(guān)，該方案支持的工作電壓范圍是191Vac~253Vac。

3.3 出水溫度控制流程

當(dāng)收到開(kāi)始出水信號(hào)，首先通過(guò)出水溫度設(shè)定值Tset和進(jìn)水溫度Tin計(jì)算出Δt，根據(jù)Δt和Tset的值選擇加熱方式。

當(dāng)設(shè)定溫度小于40℃，或小于當(dāng)前進(jìn)水溫度時(shí)，則直接按600ml/min出水并實(shí)時(shí)反饋出水量給顯示板，當(dāng)顯示板判斷出本次出水量已達(dá)設(shè)定值，便會(huì)發(fā)送停止出水指令給驅(qū)動(dòng)板。這一項(xiàng)主要是因?yàn)楸井a(chǎn)品支持的出水溫度范圍是40℃~95℃，當(dāng)設(shè)定溫度低于40℃時(shí)則直接出常溫水。

當(dāng)設(shè)定溫度大于等于40℃，且Δt<40℃時(shí)，先根據(jù)Δt選擇合適輸出功率半波數(shù)，并在不出水的情況下開(kāi)啟加熱管，直到Tout接近Tset后再開(kāi)啟水泵，再使用PID溫度控制器通過(guò)調(diào)節(jié)水泵占比，來(lái)控制出水溫度。這一點(diǎn)主要是考慮到用戶需要用40℃~45℃的水沖奶粉等應(yīng)用，用量不大，且出水溫度低，如果前幾秒先出冷水，則會(huì)使本次出水的整體溫度可能達(dá)不到40℃，導(dǎo)致奶粉沖不開(kāi)等。

當(dāng)設(shè)定溫度大于等于40℃，且Δt≥40℃時(shí)，先根據(jù)一定條件判斷本次出水水溫是否和上次一樣，且本次出水是否和上次出水的時(shí)間間隔很近，如果滿足上述幾個(gè)條件，則按上次停止出水時(shí)的流速出水3s；否則，按最大出水流速出水3s。再使用PID溫度控制器通過(guò)調(diào)節(jié)水泵占比，來(lái)控制出水溫度。當(dāng)設(shè)定溫度較高時(shí)，如用戶需要95℃的水，這個(gè)溫度非常接近水的沸點(diǎn)，如果用常規(guī)的PID調(diào)溫算法，很容易使水溫過(guò)高而氣化，進(jìn)而導(dǎo)致噴水燙傷用戶。因此前3s一邊以最大流速出水一邊加熱，3s后溫度接近設(shè)定溫度后再利用PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)流速來(lái)控制出水溫度。

3.4 出水流量估算

該控制器方案可以根據(jù)水泵的PWM占空比采用數(shù)學(xué)建模的方式估算出當(dāng)前的水流速，再通過(guò)積分運(yùn)算，計(jì)算出水流量，實(shí)時(shí)反饋給顯示板，當(dāng)出水流量達(dá)到設(shè)定值后，停止出水。

根據(jù)實(shí)際測(cè)量，在水溫26℃的條件下，控制PWM占空比從15%~95%，按5%遞增，分別測(cè)試出每個(gè)占空比對(duì)應(yīng)的出水流速。用一次函數(shù)擬合折線，得出出水流速和控制信號(hào)占空比的關(guān)系如式（5）所示（v為出水流速；duty為控制信號(hào)占空比）。

出水流速除了和控制信號(hào)占空比直接相關(guān)外，還與溫度、吸程、揚(yáng)程等因素有關(guān)，根據(jù)實(shí)測(cè)得出，吸程和揚(yáng)程對(duì)出水流速影響較小，溫度大于15℃時(shí)，對(duì)流速影響也可忽略不計(jì)，而當(dāng)水溫低于15℃時(shí)，出水流速與溫度成一次函數(shù)的關(guān)系（控制信號(hào)占空比固定的情況下）。因此，出水流速（v）與控制信號(hào)占比（duty）、溫度（temp）的關(guān)系如式（7）所示。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)

為了測(cè)試該溫度控制方案的性能指標(biāo)，該驅(qū)動(dòng)板利用預(yù)留的UART1將進(jìn)水溫度、出水溫度、控制水泵的PWM導(dǎo)通計(jì)數(shù)值等發(fā)送到電腦上，由上位機(jī)數(shù)字示波器顯示出波形。通過(guò)數(shù)字示波器能夠直觀地看出出水溫度的變化曲線，方便調(diào)整PID參數(shù)等。

使用常規(guī)PID算法測(cè)試，即在加熱的同時(shí)便開(kāi)啟PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)溫度，水泵PWM導(dǎo)通時(shí)間計(jì)數(shù)值（控制量）從最小值開(kāi)始逐漸增加，只要選擇合適的PID參數(shù)，經(jīng)過(guò)幾秒的振蕩，出水溫度很快便穩(wěn)定在設(shè)定溫度（80℃），但是這里存在幾個(gè)問(wèn)題：1）當(dāng)設(shè)定溫度為95℃時(shí)，前幾秒的振蕩會(huì)使出水溫度達(dá)到沸點(diǎn)（一般水溫超過(guò)97℃便會(huì)開(kāi)始沸騰），導(dǎo)致飲水機(jī)噴開(kāi)水，燙傷用戶；2）剛開(kāi)始的振蕩持續(xù)時(shí)間在10s以上，而該產(chǎn)品要求在9s內(nèi)出水溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度±2℃，調(diào)節(jié)速度較慢；3）上述2個(gè)問(wèn)題都可以通過(guò)調(diào)節(jié)PID參數(shù)來(lái)優(yōu)化波形，使振蕩的幅度降低，以及減少振蕩時(shí)間。但是PID參數(shù)也是針對(duì)出水溫度和設(shè)定溫度的運(yùn)算結(jié)果（差值、差值的微分）來(lái)計(jì)算的，因此相同的PID參數(shù)，對(duì)不同的出水溫度的初始值對(duì)PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)效果也有很大影響。

為解決常規(guī)PID調(diào)節(jié)器出現(xiàn)的上述問(wèn)題，在剛開(kāi)始加熱時(shí)的前3s先以最大流速出水，之后再開(kāi)啟PID調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)溫度，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)證明，這種方式使PID調(diào)節(jié)器根據(jù)不同初始出水溫度來(lái)達(dá)到相同的控制效果，既沒(méi)有出現(xiàn)前幾秒的振蕩，又能夠很快地將出水溫度加熱到設(shè)定溫度。

根據(jù)測(cè)量，本次開(kāi)始出水距上次停止出水的時(shí)間很接近時(shí)，加熱管內(nèi)的水溫仍保持在設(shè)定溫度附近時(shí)的溫度控制波形，當(dāng)剛開(kāi)啟加熱的前3s，先以前一次加熱結(jié)束時(shí)的出水流速出水，之后再用PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)水溫，這樣可以在5s內(nèi)將溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度±2℃。

5 結(jié)論

該文給出了即熱式分段控溫的控制方案，該方案通過(guò)過(guò)零檢測(cè)電路監(jiān)測(cè)交流電的過(guò)零點(diǎn)，通過(guò)控制每500ms導(dǎo)通一次的電網(wǎng)電壓半波數(shù)來(lái)調(diào)整加熱管的功率，并通過(guò)控制MCU輸出PWM信號(hào)的占空比控制直流水泵的出水量，只要選擇合適的加熱管功率以及控制水泵使用的PID參數(shù)，就能得到穩(wěn)定的不同的出水溫度。該文還針對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的幾個(gè)實(shí)際問(wèn)題提出了解決方法，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)波形闡述了該方案的可行性，實(shí)驗(yàn)證明，該方案能夠十分精確地控制出水溫度，且能夠在短時(shí)間內(nèi)將水溫加熱到設(shè)定值。該方案可解決傳統(tǒng)凈水機(jī)、飲水機(jī)所帶來(lái)的單一出水溫度、“千滾水”、高能耗等問(wèn)題，事實(shí)證明該即熱式溫度控制方案是合理、節(jié)能、可靠、健康、環(huán)保、高效的，有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。