沸騰式電開水器控制系統的研究與實現

分類：技術教程日期：2011-12-07 00:00:00 來源：西部工控網

1引言

　　自動沸水器早在20世紀八十年代就已經問世，這種自動沸水器已具備：自動補充冷水，自動進入沸水狀態，自動停止工作等自動化控制特點。其工作原理延續至今，仍然有眾多開水器存在以下問題：水位控制多采用浮球式水位開關，隨著浮球在水中浸泡的時間增長，會有有害物質進入飲水，對人們的健康造成威脅；開水儲水箱和冷水儲水箱不能完全隔離，導致形成“陰陽水”和“千滾水”；不能實現隨燒隨用，大量沸水在等待被接走時，溫度降低，變回冷水；水燒開后的大量蒸汽不能夠被及時回收，陡然增加燒水控制系統的熱量，工作環境十分不利于開水器控制系統的正常運行。

　　針對現今開水器控制系統存在的諸多問題，本文研究了一種基于AT89S52單片機的開水器，實現了軟硬件結合，其成本低、節能衛生、構造簡單、性能穩定、實用性較強。

　　2系統總體設計

　　2.1箱體結構設計

　　根據熱力學相關理論，大量蒸汽在冷凝為液態時會釋放大量的熱能，如果能將這些熱量回收利用，對還沒有進行加熱的冷水提前預熱，將會大大降低冷水被加熱時的能耗。因此，本文設計了一種蒸汽回收通道，

　　此通道與底部冷水箱想通，這樣就可以起到提前預熱冷水的作用。其結構圖如圖1所示。

　　在結構設計時，冷水儲水箱和開水儲水箱是完全隔離的，開水箱是一個盛放溢出沸水的容器，這樣保證了從出水口接到的水是百分之百的開水，而不用擔心是“陰陽水”和“千滾水”。

圖1 水箱結構圖

　　由圖1可以看出，加熱腔與冷水儲水箱采用連通器原理相連，這樣可以把冷水的控制轉化到加熱腔里，冷水儲水箱中水位的變化也即是加熱腔中水位的變化，為軟件的實現提供了方便。

　　1.2硬件電路設計

　　硬件電路包括以下幾部分：1、水位檢測電路；2、加熱控制電路；3、進水補水控制電路；4、水位信號指示燈電路；5、電源濾波整流電路6、單片機最小系統。其總體硬件控制方框圖如圖2所示：

圖2 總體硬件控制方框圖

　　2.2.1水位檢測電路設計

　　本文采用電極式傳感器完成水位信號的采集。電極式傳感器的電極棒是可導電金屬，在冷水熱水中均不會產生有害物質，滿足了衛生飲水的要求。三個水位傳感器分別采集冷水低水位信號CWL、冷水高水位信號CWH、以及開水水位信號HW。如圖3是水位信號的采集電路圖。

圖3 水位信號采集電路

　　由電路圖可以看出，15V交流電源通過接線端子接入電路中，其一端直接接在橋堆的一個輸入端，15V交流電源的另一端接在箱體（WaterBox）上，水位傳感器的電極懸空在箱體之中。當水位到達電極棒時，由于水的導電性，此時電極棒和箱體接通，即15V交流電通過水傳給了電極棒，而電極棒是橋堆的另一個輸入端，如果有水位到達電極棒，則意味著15VAC接入到了橋堆。橋堆接受到15V交流電后，通過整流濾波，使光電耦合器導通，光電耦合器的輸出端一端連在控制芯片的P2口，另一端接地，在光電耦合器導通的情況下，P2口的電壓被拉低，屆時，控制芯片檢測到電平變化，根據判斷到的水位信號執行相應的程序。

　　在電路設計時，要考慮的幾點問題：首先，要保證水位信號檢測的靈敏度，為此，應該在選擇光電耦合器時，盡量在滿足電壓條件下選擇導通電壓小的光耦；其次，電路中的分壓電阻可以根據實際情況取舍，是可機動部分；最后，為了安全起見，箱體應該接公共地。

　　2.2.1進水補水控制電路設計

　　在箱體結構設計中，上水水管直接外接水龍頭，水管與儲水箱之間安裝一個常閉電磁閥，根據檢測到水位信號，通過電路控制電磁閥的通斷來實現上水和停止上水的動作。其控制電路圖如圖4所示。

圖4 進水補水控制電路

　　由于進水補水工作是一個頻繁的操作過程，應該提前考慮到元器件的性能及可靠性。在控制進水的通斷時采用繼電器作為開關，在繼電器輸入端反接一個二極管D1。由于繼電器采用的是電磁感應原理來吸合或放開可動觸頭來轉換電路，根據電感特性，在這個過程中，電流的變化是受阻的，當突然切斷電感線圈的電流，則會產生一個非常強大的反向電動勢，嚴重的后果將是擊穿或燒毀放大二極管N1，進而影響到整個電路的運行。所以在此反接一個二極管D1，以便為反向電動勢提供一個緩沖和泄放的通路，這樣就起到了保護電路的作用。此外，采用24VAC常閉電磁閥，J1是接入24VAC的跳線端子。

　 2.23 加熱控制電路設計

　　加熱采用大功率的380V三相交流電源，這樣就可以保證在短時間內迅速燒開冷水，為實現隨燒隨用提供客觀條件。

　　在加熱控制電路的設計環節中，由于加熱時功率大，并且通斷頻繁，為了防止假脈沖觸發可控硅，遂采用三象限雙向可控硅作為交流控制開關。雙向可控硅只需要一個觸發電路便可以工作，并且內部的緩沖電路是由串聯的電容和碳質電阻構成，根據電源電壓，合理地選擇緩沖電路元件，可以保證雙向可控硅的穩定觸發。

　　雙向可控硅的觸發電路對主控制電路有重要的影響，常用的觸發電路和主控制電路之間有電的聯系，容易受到電磁電壓的波動以及電源波形畸變等的影響，應該采用光電隔離技術，將加熱部分和主控制電路隔離開。本設計中采用MOTOROLA公司生產的MOC3061光電耦合器，實現過零觸發雙向可控硅。MOC3061內部結構及管腳排列見圖5。

圖5 MOC3061內部結構圖

　　如圖6所示為以MOC3061觸發雙向可控硅的加熱控制電路圖，此電路可以實現加熱電路與主控制電路間在電氣上的完全隔離。控制過程中，芯片通過檢測開水水位信號HW和CWL來啟動或停止加熱控制電路。控制引腳為P1.5，脈沖信號從P1.5輸出，經過放大處理后送給光電耦合器MOC3061輸入端，MOC3061過零觸發雙向可控硅，最終將三相電源（U/V/W）與加熱器(A/B/C)接通，實現加熱。

圖6 加熱控制電路

　　2.2控制軟件設計

　　基于硬件電路搭建的平臺，分析開水器工作特性可知，開水從加熱腔中溢出，開水慢慢到達開水水位HW，此時冷水水位在下降，在開水沒有到達HW，且水位在CWL之上時，應該保持繼續加熱，直到達到HW為止。必須要注意的是，冷水水位一旦低于CWL，不論HW到否，都應該停止加熱，并且開始補水。只要保證冷水在CWL之上，便可以繼續加熱，這樣就可以防止干燒現象，在程序設計時是尤為重要的考慮因素。

　　根據這個工作原理，編寫其控制軟件。在三個水位信號中，冷水低水位負責水位下限控制，確保低于下限時不能出現干燒現象，并且低水位信號是決定上水控制，如果低于CWL，則須馬上補水；高水位信號負責控制水位上限，當到達CWH時，則應該停止補水；開水水位HW決定是否需要加熱，如果沒有到達HW，則應該在保證冷水在CWL之上時開始加熱，當到達HW時，應該停止加熱，水位控制流程圖如圖7所示。