沸腾式电开水器控制系统的研究与实现

分类：技术教程日期：2011-12-07 00:00:00 来源：西部工控网

1引言

　　自动沸水器早在20世纪八十年代就已经问世，这种自动沸水器已具备：自动补充冷水，自动进入沸水状态，自动停止工作等自动化控制特点。其工作原理延续至今，仍然有众多开水器存在以下问题：水位控制多采用浮球式水位开关，随着浮球在水中浸泡的时间增长，会有有害物质进入饮水，对人们的健康造成威胁；开水储水箱和冷水储水箱不能完全隔离，导致形成“阴阳水”和“千滚水”；不能实现随烧随用，大量沸水在等待被接走时，温度降低，变回冷水；水烧开后的大量蒸汽不能够被及时回收，陡然增加烧水控制系统的热量，工作环境十分不利于开水器控制系统的正常运行。

　　针对现今开水器控制系统存在的诸多问题，本文研究了一种基于AT89S52单片机的开水器，实现了软硬件结合，其成本低、节能卫生、构造简单、性能稳定、实用性较强。

　　2系统总体设计

　　2.1箱体结构设计

　　根据热力学相关理论，大量蒸汽在冷凝为液态时会释放大量的热能，如果能将这些热量回收利用，对还没有进行加热的冷水提前预热，将会大大降低冷水被加热时的能耗。因此，本文设计了一种蒸汽回收通道，

　　此通道与底部冷水箱想通，这样就可以起到提前预热冷水的作用。其结构图如图1所示。

　　在结构设计时，冷水储水箱和开水储水箱是完全隔离的，开水箱是一个盛放溢出沸水的容器，这样保证了从出水口接到的水是百分之百的开水，而不用担心是“阴阳水”和“千滚水”。

图1 水箱结构图

　　由图1可以看出，加热腔与冷水储水箱采用连通器原理相连，这样可以把冷水的控制转化到加热腔里，冷水储水箱中水位的变化也即是加热腔中水位的变化，为软件的实现提供了方便。

　　1.2硬件电路设计

　　硬件电路包括以下几部分：1、水位检测电路；2、加热控制电路；3、进水补水控制电路；4、水位信号指示灯电路；5、电源滤波整流电路6、单片机最小系统。其总体硬件控制方框图如图2所示：

图2 总体硬件控制方框图

　　2.2.1水位检测电路设计

　　本文采用电极式传感器完成水位信号的采集。电极式传感器的电极棒是可导电金属，在冷水热水中均不会产生有害物质，满足了卫生饮水的要求。三个水位传感器分别采集冷水低水位信号CWL、冷水高水位信号CWH、以及开水水位信号HW。如图3是水位信号的采集电路图。

图3 水位信号采集电路

　　由电路图可以看出，15V交流电源通过接线端子接入电路中，其一端直接接在桥堆的一个输入端，15V交流电源的另一端接在箱体（WaterBox）上，水位传感器的电极悬空在箱体之中。当水位到达电极棒时，由于水的导电性，此时电极棒和箱体接通，即15V交流电通过水传给了电极棒，而电极棒是桥堆的另一个输入端，如果有水位到达电极棒，则意味着15VAC接入到了桥堆。桥堆接受到15V交流电后，通过整流滤波，使光电耦合器导通，光电耦合器的输出端一端连在控制芯片的P2口，另一端接地，在光电耦合器导通的情况下，P2口的电压被拉低，届时，控制芯片检测到电平变化，根据判断到的水位信号执行相应的程序。

　　在电路设计时，要考虑的几点问题：首先，要保证水位信号检测的灵敏度，为此，应该在选择光电耦合器时，尽量在满足电压条件下选择导通电压小的光耦；其次，电路中的分压电阻可以根据实际情况取舍，是可机动部分；最后，为了安全起见，箱体应该接公共地。

　　2.2.1进水补水控制电路设计

　　在箱体结构设计中，上水水管直接外接水龙头，水管与储水箱之间安装一个常闭电磁阀，根据检测到水位信号，通过电路控制电磁阀的通断来实现上水和停止上水的动作。其控制电路图如图4所示。

图4 进水补水控制电路

　　由于进水补水工作是一个频繁的操作过程，应该提前考虑到元器件的性能及可靠性。在控制进水的通断时采用继电器作为开关，在继电器输入端反接一个二极管D1。由于继电器采用的是电磁感应原理来吸合或放开可动触头来转换电路，根据电感特性，在这个过程中，电流的变化是受阻的，当突然切断电感线圈的电流，则会产生一个非常强大的反向电动势，严重的后果将是击穿或烧毁放大二极管N1，进而影响到整个电路的运行。所以在此反接一个二极管D1，以便为反向电动势提供一个缓冲和泄放的通路，这样就起到了保护电路的作用。此外，采用24VAC常闭电磁阀，J1是接入24VAC的跳线端子。

　 2.23 加热控制电路设计

　　加热采用大功率的380V三相交流电源，这样就可以保证在短时间内迅速烧开冷水，为实现随烧随用提供客观条件。

　　在加热控制电路的设计环节中，由于加热时功率大，并且通断频繁，为了防止假脉冲触发可控硅，遂采用三象限双向可控硅作为交流控制开关。双向可控硅只需要一个触发电路便可以工作，并且内部的缓冲电路是由串联的电容和碳质电阻构成，根据电源电压，合理地选择缓冲电路元件，可以保证双向可控硅的稳定触发。

　　双向可控硅的触发电路对主控制电路有重要的影响，常用的触发电路和主控制电路之间有电的联系，容易受到电磁电压的波动以及电源波形畸变等的影响，应该采用光电隔离技术，将加热部分和主控制电路隔离开。本设计中采用MOTOROLA公司生产的MOC3061光电耦合器，实现过零触发双向可控硅。MOC3061内部结构及管脚排列见图5。

图5 MOC3061内部结构图

　　如图6所示为以MOC3061触发双向可控硅的加热控制电路图，此电路可以实现加热电路与主控制电路间在电气上的完全隔离。控制过程中，芯片通过检测开水水位信号HW和CWL来启动或停止加热控制电路。控制引脚为P1.5，脉冲信号从P1.5输出，经过放大处理后送给光电耦合器MOC3061输入端，MOC3061过零触发双向可控硅，最终将三相电源（U/V/W）与加热器(A/B/C)接通，实现加热。

图6 加热控制电路

　　2.2控制软件设计

　　基于硬件电路搭建的平台，分析开水器工作特性可知，开水从加热腔中溢出，开水慢慢到达开水水位HW，此时冷水水位在下降，在开水没有到达HW，且水位在CWL之上时，应该保持继续加热，直到达到HW为止。必须要注意的是，冷水水位一旦低于CWL，不论HW到否，都应该停止加热，并且开始补水。只要保证冷水在CWL之上，便可以继续加热，这样就可以防止干烧现象，在程序设计时是尤为重要的考虑因素。

　　根据这个工作原理，编写其控制软件。在三个水位信号中，冷水低水位负责水位下限控制，确保低于下限时不能出现干烧现象，并且低水位信号是决定上水控制，如果低于CWL，则须马上补水；高水位信号负责控制水位上限，当到达CWH时，则应该停止补水；开水水位HW决定是否需要加热，如果没有到达HW，则应该在保证冷水在CWL之上时开始加热，当到达HW时，应该停止加热，水位控制流程图如图7所示。