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生活电器

电熨斗方案设计开发


电熨斗是利用电流热效应使底板发热熨烫各种织物的电器。目前家用电熨斗主要分为无调温器依靠人控制通电时间的普通型电熨斗和采用双金属片控温的调温型电熨斗。前者当人忘记断开电源开关时十分危险;后者当调温器失效或人不在使用时仍然保持较大功率输出,也存在火灾危险。

为了提高家用电熨斗的安全性,同时降低其能耗,本文提出并设计了一种基于触摸式开关、单片机和可控硅的电熨斗安全控制装置,利用触摸开关检测电熨斗的使用状态,通过单片机控制可控硅导通角来控制电熨斗的输出功率,从而达到安全控温、节能降耗的目的。

深圳电熨斗方案开发

一、电熨斗调温原理及问题

为了适应不同织物的熨烫温度需求,在普通型电熨斗的基础上增加调温器,可控制底板温度在60~250℃之间连续可调,常用的调温器结构均为双金属片结构。其调温原理是当底板温度上升至调温旋钮设定的温度时,双金属片由直变弯,与静触点断开,切断电路;随着电熨斗温度逐渐下降,双金属片逐渐由弯变直,当温度下降到一定程度,双金属片与静触点重新接触;如此不断反复,将温度控制在设定温度附近。

采用调温器后电熨斗的安全性有了较大提高,但是仍然存在安全隐患,其原因包括以下两个方面。在电熨斗本身方面,调温型电熨斗双金属片由于长时间受压失去弹性或长时间大功率输出导致触点熔合而失效;在使用者方面,由于操作不当而导致火灾,例如:电熨斗放置错误,长时间平放或竖放;忘记切断电源。

目前,针对上述安全问题,主要采用以下两种方法进行改进:一是采用温度传感器、姿态传感器以及模糊控制算法开发智能型电熨斗控制器,但这种方法温度控制技术复杂、成本高,难以用于家用电熨斗,主要用于工业用电熨斗或较高档的电熨斗产品;二是根据电熨斗的使用状态或姿态,使该状态或姿态持续持续一段时间后再关机,这种方法由于不涉及具体的温度控制,而是利用状态、姿态传感器和定时器控制电源的关断来保证安全,具有成本低、使用较安全的优点,从而被广泛应用。

但是,第二种改进方法仍存在以下问题:

(1)在使用状态或姿态检测方面,常见的姿态传感器有水银开关、金属球滚动接触开关等,前者使电熨斗在制造、使用和回收等生命环节中存在环保压力,而后者容易产生误动作;

(2)采用定时器控制电源关断时,一般只有三种功率输出方式:正常使用时,满功率输出;暂停使用一段时间内(如设为ts),半功率输出;ts时间后,零功率输出。由于暂停使用期间,仍维持半功率输出,电熨斗底板温度较高,不仅存在火灾危险,而且能耗浪费严重。

二、基于单片机的电熨斗安全控制器设计

2.1电熨斗基本设计思路

针对双金属片调温型电熨斗存在的问题,本文提出一种基于单片的电熨斗安全控制器,其基本设计思路如图1所示。

图 1 基于单片机的电熨斗安全控制器示意图

通过安装在电熨斗把手处的触摸式开关检测人手的状态,即当人手握住把手时触摸式开关输出信号,认为处于使用状态;当人手离开把手时触摸式开关没有信号输出,认为处于暂停状态。

由于采用单片机控制,电熨斗在暂停使用时可实现“功率衰减输出”,其控制过程为:检测到暂停,立刻半功率输出,在其后的ts时间内,单片机通过控制可控硅的导通角,使输出功率平滑衰减下降;若在ts时间内,检测到恢复使用,则立刻恢复至满功率输出;若在ts时间内,检测不到恢复使用的信号,单片机将控制可控硅导通角保持为零,可控硅截止,即相当于电源关断(此为电子关断),并使蜂鸣器发声提醒用户拔掉电源(此为物理关断),直到重新开机才能恢复使用。

与“半功率输出”相比,“功率衰减输出”型控制器的特点是:(1)在检测到暂停使用后,输出功率立即减半,在随后的ts时间内,功率保持平滑衰减,直至为零,但当恢复使用时又能方便快速地升温至设定温度,兼顾了安全与效益;(2)在“暂停使用”至“恢复使用”时间段内,该控制器更节能,图2中扇形区域即为该时间段内节省的能耗。

图 2 触摸开关原理图

2.2使用状态检测

图2所示为自行设计的触摸式开关,其输入触点被引至电熨斗把手外侧,当人接触到触摸式开关触点时,触点通过人体接收空气中的杂波信号,该信号经过两级三极管放大,通过电容滤波后,最后作为电熨斗使用状态信号输入给单片机。与水银开关、金属球滚动接触开关相比,此触摸开关具有性能可靠,环保安全,成本低廉的特点。

2.3交流电过零检测

暂停使用状态下,单片机要控制可控硅的导通角,必须先进行交流电过零检测,如图3所示为交流电过零检测电路图。图中,由D1~D4组成的整流电路为光耦PC817提供脉动直流波形,当波形从最高点向零点交越时,光耦将关闭,三极管Q1不能导通,输送给单片机RA2端口的电位为零,由此单片机完成一次过零检测,为单片机下一步控制可控硅砍波提供起点。

图 3 交流电过零检测原理图

2.4单片机控制可控硅导通角

图4中,双向可控硅作为可控开关器件串联在电熨斗底板内的电热元件电路上,电阻R11为单片机控制可控硅G极提供上拉电流。当单片机触发G极一次,可控硅将导通,并维持导通直至加在两极端电压变为零。工频交流电半个周期为10ms,若单片机在交流电零点位置开始计时,5ms后单片机RB3端口输出高电平触发可控硅G极,则可控硅在交流电的正或负半周期到达零点前保持导通,此时,可控硅通控制电熨斗半功率输出。电熨斗功率衰减输出实质是将暂停时间ts均分为若干段(如50段),每段时间内通过控制可控硅导通角来改变电热元件平均电压,随着暂停时间的延长,导通角和平均电压逐段减小,电熨斗输出功率也逐步衰减,若ts时间到仍未恢复使用则发出声音报警信号。

图 4 单片机控制可控硅原理图

2.5单片机控制程序流程

单片机初始化后,不断检测电熨斗的使用状态,根据触摸开关反馈的信号,决定功率输出的方式。在半功率输出后,仍不断检测使用状态,若恢复使用则立刻全功率输出;否则,在规定的时间内将输出功率逐步衰减,ts时间到后,可控硅截止,实现电子关断,为提高安全性,并通过蜂鸣器提醒用户拔掉电源,实现物理关断。

总结

安全控制器以单片机为控制核心,采用触摸开关检测电熨斗使用状态,通过单片机控制导通角以实现暂停使用阶段电熨斗输出功率的逐步衰减。实验表明,该电熨斗安全控制器具有安全可靠、节能降耗、使用方便、成本低廉的特点,市场推广前景良好。

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