家用電器中基于PPTC智能微型保護器設計

沈浩強 袁娜 黃山學院

一、傳統保險絲局限性分析

保險絲也被稱為熔斷器，它是一種保證電路安全正常運行的器件。當電器或電子設備出現過流時保險絲會斷裂，起到斷開電源保護電路的作用。當電器或電子設備出現過流時保險絲會斷裂，起到斷開電源保護電路的作用。但保險絲并不能起到預防危險，和多次使用的局限性，當電流過大時保險絲會斷開，但當恢復正常時，保險絲并不能恢復正常，如果要更換時很難買到相應型號，且對于現在智能電器，拆卸起來比較麻煩，對于大多數人來說一旦出現此類問題，只能重新購買此電器。加大了資源的浪費。隨著電器越來越智能，所用的電子元器件越來越多，但電器一般放在廚房這種潮濕和溫度較高的環境當中，這樣電器中的電路板極其容易因為過度潮濕或溫度過高而發生短路或者元器件的損毀，這樣電器中的電路板極其容易因為過度潮濕或溫度過高而發生短路或者元器件的損毀。根據上述分析，保險絲已經不能滿足現階段的需求，必須采取新的材料，新的技術，才能使產品更加智能更加安全。

二、PPTC工作原理

圖1為 PPTC結構及工作原理圖，圖2 PPTC實物圖。PPTC材料具有可恢復性，遇到異常情況PPTC升溫變為高阻狀態，從而阻斷電流，溫度恢復到正常溫度時又變為低阻狀態形成通路。PPTC阻值小、外形小的特點有助于更好的與其他的電子器件相結合。PPTC價格便宜，工作性能穩定且不容易損壞，其可恢復功能，有利于整體方案的設計，更好的減少維護和修理的成本。

圖1 PPTC結構及工作原理

圖2 為 PPTC實物圖

三、系統的硬件設計方案

本裝置系統以STC12C5410單片機為主控芯片，DHT11溫濕度傳感器作為溫度和濕度的信號收集模塊，PPTC作為保護模塊控制電路的通斷，圖3為硬件組成。

圖3 硬件組成

（一）報警裝置設計

本方案報警裝置采用成本低、好開發、體積小的耐高溫蜂鳴器。耐高溫蜂鳴器不僅價格低，而且工作溫度寬，非常適合在溫度高濕度大的惡劣環境中工作。圖4為耐高溫蜂鳴器實物圖。圖5為蜂鳴器工作的電路圖。

圖4 蜂鳴器實物圖

圖5 工作電路圖

（二）溫濕度傳感器選用

如表1所示，DHT11傳感器它對溫度和濕度的測量精度較為準確價格相對便宜，DHT11的原理圖介紹如圖6所示。

圖6 DHT11原理圖

四、系統的電路設計方案

（一）濾波調理電路

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高功率電器的電源端電壓一般為 220V，有的甚至更高可以達到380V，電流可達十幾甚至幾百安培，這么高的電流和電壓是不宜用于檢測的更不可以不加處理就進行AD轉換，在此方案中電壓互感器和電流互感器恰到好處的配合使用將較高電壓，將電流電源進行轉換。使其可以正常工作不會損壞器件，接著我們再將電流進行電流-電壓轉換，將電流量轉換成容易檢測的電壓量。然后用整流器件將交流的電壓轉換成直流的電壓值。

將輸入信號在送入 AD 轉換器之前進行隔斷。用光電耦合器對數字信號的傳輸進行隔斷。然而不加處理就用來傳送模擬量時精度不是那么的準確，因此設計了如下電路，來提高整體電路抗擾動能力。電路圖如圖7所示。

圖7 線性光電隔離電路

（二）AD轉換電路

STC12C5410 單片機用于保護裝置的數據采集任務。P1 口中可以通過程序將任意一路作為 A/D 轉換，不用于 A/D 使用的口可以作為 I/O 口。將進行A/D 轉換口設為開漏模式或高阻輸入，因此需對 PIM0、PIM1寄存器進行配置。配置表見表2。

表2 A/D 端口設置

五、系統中關鍵算法的設計

DHT11溫濕識別算法設計：DHT11單片機之間的通信主要由起始信號、響應信號、數據傳輸信號和結束信號構成的。數據是高位先出。DHT11被啟動后，就改變工作狀態，然后開始信號結束后才進行響應，向單片機口傳輸數據信息，單片機可以通過C語言編程來達到想的數據處理效果，DHT11完成數據發出后，會以輸出低電平作為結束。DHT11的工作原理圖如圖8所示。

圖8 DHT11的工作原理圖

當DHT11采集外界溫濕度信息，我們要知道傳輸信號引腳狀態的變化，本方案的思路是檢測有無下降沿，然后進入不停的檢測，直到有上升沿的出現，然后將相應數據存入數組，因為數據的大小不相同，所以門限的設置與溫濕度數值的轉換與計算以此為依據。

六、結論

本裝置結合單片機與傳感器，通過傳感器收集外部環境信息，然后傳給主IC，當溫度和濕度數據超過程序設定值，則會發出異常警報，從而可以減少不必要的故障；PPTC在正常溫度下為低阻狀態，再加上溫度傳感器、濕度傳感器和單片機的作用，實現多功能保護，保護電器不受到損壞。產品的設計在未來會使家用電器更加的安全，本設計具有功能性強特點，例如（1）溫度、濕度異常預警功能：本裝置結合單片機與傳感器，通過傳感器收集外部環境信息，然后傳給主IC，當溫度和濕度數據超過程序設定值，則會發出異常警報，從而可以減少不必要的故障，減少電器損壞給用戶帶來不必要的麻煩和維修費用。（2）多種保護功能：自身在溫度較高狀態下為高阻狀態，在正常溫度下為低阻狀態，再加上溫度傳感器、濕度傳感器和單片機的作用，通過調控通過PPTC的電流使PPTC成高阻狀態或低阻狀態，當溫度過高、濕度過大或者電流過大時，可以及時阻斷電流，從而實現多功能保護功能，保護電器不受到損壞。（3）可恢復性功能：本裝置首先采用的是PPTC可復性材料，當通過電流過大時，PPTC會升溫進入高阻狀態，從而達到斷開電源作用，當故障排除電流正常時，則溫度下降可恢復到原來的狀態，從而達到控制電源通斷的目的，具有可恢復性，可以重復長期使用。