唐幸儿 梁季彝

【关键词】可控硅调相 PWM脉宽调制 旋转编码器 调相调频加热控制

电热饮水器的最大作用是以人为本，安全可靠。因为电热饮水器是要适应不同的人群需要，（如老人、孕婦、婴儿等）国内外生产的饮用水机大多数都是采用反复加热的模式，而反复加热的饮用水经医学专家的研究发现，会产生很多的致癌物质，若长期饮用会严重影响人们的身体健康。而智能电热饮水器采用革命性首次采用PWM脉宽调节IGBT管调频控制和可控硅调相加热双结合方式设计，使电热饮水器加热效率较高的情况下避免出现过热失控现象。由于电热饮水器采用即热式加热方式故不存在对饮用水长期加热的情况，所以更加安全健康。

1 国内、外现状

目前，国内的即热式饮水机做得比较完善的有美的和沁园这两大品牌的饮水机，而国外比较先进的是韩国的美吉和德国的艾可丽，这四种品牌的饮水机大多采用储水加热的方式，而加热的方式均为调幅加热到100℃，无法做到无级调温，即使有调温功能的饮水机，最终就只能做到几个档位的温度加热，并且价格昂贵。经市场调查，这几种牌子的即热式饮水机均为小功率的即热式电热饮水机，一但上大功率会造成发热过度现象甚至失控，极不安全。而智能电热饮水机运用全新的PWM调频技术与可控硅调相结合来进行控温，这种全新的技术可以实行高效能加热并且不会造成大功率时温度过高的失控现象。

2 项目基本思路

2.1 研究项目总体设计内容

本系统由单片机MCU模块、可控硅调压电路模块、电源模块、显示扫描模块、A/D转换模块、按键扫描处理模块、旋转编码器模块、输出控制模块、温度传感器流量计组成的反馈电路模块、电流互感器漏电保护模块、加热控制和温度检测等组成。智能反馈调温电热控制系统，可以实现按键中断通过调频、调相控制相应的温度值，并结合旋转编码器进行精准控制，显示模块显示相应的温度值，IGBT输出模块恒温加热将水加热到设定温度值，通过反馈电路模块对温度进行精准控制。系统总体设计框图如图1所示。

2.2 工作原理

本系统将以调频、调幅双结合的方式进行温度控制，调幅加热是以可控硅调压电路组成，调频加热是以单片机PWM控制IGBT驱动电路组成。设置4个调温中断控制按键，当按下其中一个按键时便显示该档位的下限温度值（20℃、40℃、60℃、80℃），如在5秒钟之内不用旋转编码器细调所需的温度值，则默认当前档位的下限温度值为目标温度值，如在5秒钟之内使用旋转编码器细调，则旋转编码器所调节的温度则为目标温度。当目标温度大于实际水温5℃时进行效率高的调幅加热控制，当实际水温小于目标温度5℃时则进行PWM调频加热控制，基于PWM脉宽调制技术和旋转编码器控制技术，结合智能反馈调温系统，通过PWM调频实现无级调温。当按下控制面板上的其中一个功率档位按钮，然后再选择是否使用旋转编码器。当温度确定后，MCU先通过温度传感器检测实际水温，并送入MCU中将目标水温与实际水温比较，若目标水温小于实际水温5摄氏度时MCU会立刻启动IGBT驱动电路，并输出PWM调频加热至目标温度，若目标温度高于实际水温5摄氏度时MCU马上启动可控硅调幅加热控制。

智能反馈调温系统的控制器采用成本低廉且工作可靠的新一代增强型51单片机，自带晶振，片内集成ADC、PWM、IIC、SPI，有工作速度快功耗低的特点。15系列单片机对电源要求不甚严格，电源电路采用普通的市电降压整流，然后经集成稳压器（7805）稳压输出+5V电压。采用4个按钮和旋转编码器来组成加热控制电路。加热驱动由IGBT驱动电路和可控硅驱动电路组成。显示电路采用三位共阴数码管和液晶，由74HC573驱动数码管。系统硬件框图见2，主程序设计框图见图3。

2.3 设计思路

步骤一：按下其中一个按键时便显示该档位的下限温度值（20℃、40℃、60℃、80℃）如在5秒钟之内不用旋转编码器细调所需的温度值，则默认当前档位的下限温度值为目标温度值，如在5秒钟之内使用旋转编码器细调，则旋转编码器所调节的温度则为目标温度。

步骤二：当流量计一旦有数值时，单片机有输出信号通过输出控制模块控制可控硅导通角使电压幅度以180V标准加热控制，当目标温度大于实际水温5℃时进行220V效率更高的调幅加热控制，当实际水温小于目标温度5℃时则进行PWM调频加热控制，而且旋转编码器可以以“1”为单位对每档温度进行细调，实现无级调温的控制。

中断处理函数框图，如图4所示。

51系列单片机自带晶振，工作于24MHZ的IRC频率，1T工作模式。定时器0的溢出率为：（1/溢出周期），溢出周期：脉冲周期/（1/24M）=（1/24M）=PWM频率*256=溢出率CCAPnL初值：2.55*（100-a） = CCAPnL

PWM脉宽调制调频加热技术参数，如表1所示。

3 结论

智能反馈调温系统利用旋转编码器对温度进行细调的新技术来实现无级调温，采用智能化的反馈设计来进行加热。当目标温度小于实际水温5℃时，单片机指向PWM调频加热控制程序，并通过反馈电路及流量计启动IGBT输出模块的PWM脉冲调频电路将水温加热到预设值；当目标温度高于实际水温5℃时，单片机立刻指向可控硅调幅加热控制程序，并通过反馈电路及流量计再次启动可控硅调压电路，使水温达到预设值。就饮水机这种常见的电加热水装置比较，采用智能调温控制系统的饮水机优点明显。国内外生产的饮用水机大多数都是采用反复加热的模式，而反复加热的饮用水经医学专家的研究发现，会产生很多的致癌物质，若长期饮用会严重影响人们的身体健康。智能反馈调温系统采用即热式的饮用水系统，不存在对饮用水长期加热的情况，使饮用水更加安全可靠；普通的电热饮水机为了保持温度而采用保温加热，往往温度维持在100℃左右，若使用的目标温度如果小于100℃，会造成能源的浪费。智能反馈调温系统，对目标温度进行分段设置加热，由于采取即热式加热，所以比传统的饮水机更加节能。普通的电热饮水机只能加热到100℃一种温度，而我们的智能反馈调温系统设置了4档区间的温度，分别是20～40℃、40～60℃、60～80℃、80～100℃，并且在上述区间可使用旋转编码器以1为单位对每档温度进行细调，因为各种温度的饮用水对我们日常生活的饮品（例如：冲剂、奶粉、咖啡、茶）有不同的需求，所以我们的智能反馈调温系统操作更加便利。另外由于本项目采取了可控硅调幅和PWM调频双结合的加热技术，在加热效率没有降低的情况下，克服了国内外即热式大功率饮水机过热的缺陷。

参考文献

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