第31卷第4期2021年4月
长春大学学报
JOURNAL OF CHANGCHUN UNIVERSITY
Vol.31No.4
郑慧珍
(漳州职业技术学院电子工程学院，福建漳州363000)
摘要：智能家电时代，所有的电器正在向全自动化方向升级。传统电热水壶存在需要人工干预、功率控制不当容易导致飞溅等缺点。针对此问题，设计了一款集自动加水、功率控制和温度控制的全自动电热水壶。以单片机为核心，采用多任务编程方式控制各个部件，能快速响应突发事件。试验结果表明，该设计能够长时间稳定运行，满足用户饮水需求。 关键词：单片机；可控硅；电热水壶
中图分类号：TP23文献标志码：A文章编号：1009-3907(2021)04-0022-05
随着人们生活节奏的加快，全智能化的家电占据了家电市场的绝大多数份额，是我国乃至世界重要的经济增长点之一。传统的电热水壶，采用双金属片作为感温器件。水加热接近或者达到沸点时，双金属片受热变形，断开开关，达到控温的效果。这种电热水壶温度控制点不确定，有可能在还未充分煮沸的情况下停止加热。干烧保护反应速度慢、无法及时断开电源，无人看守时存在火灾的隐患。加热功率不可控，导致煮沸时飞溅时有发生，增加了烫伤的风险。内部无智能化设计，加水、烧水等所有环节，均需要手动控制丁］针对上述问题，设计了一种以STM8单片机为核心的电热水壶装置。采用可控硅控制加热开启关闭，调节加热功率，实现防飞溅、保温等功能。采用微型隔膜泵和步进电机，控制水龙头自动对准加水孔并加水。引入了多个PID控制环路，安全可靠地控制隔膜泵、步进电机和晶闸管等部件。 1基本原理
采用STM单片机作为控制核心，对显示、加
热、加水、检测等单元进行控制。该芯片具有丰富
的I0口。各I0口复用了各种强大的功能，例如
UART串口、I2C接口、SPI接口、AD转换端口和
PWM输出。由于其价格低廉，且技术成熟，工作
如图1所示。交流市电输入，通入AC-DC开关电
源模块，将其降压为12V的直流电源。再通过DC
-DC电路，转换为纹波更小的5V电源，为单片机
等芯片供电。
人机交互接口采用触摸按键和定制特殊笔段的图1电路结构示意图
数码管。触摸面板对地等效为一个电容，与触摸按键驱动芯片内部电路组成振荡电路。当手指放在触
摸面板上时，对地电容值发生微弱的变化，改变了振荡频率。频率变化量超过一定值，则判定为按键动作。显示面板主要用于显示实时温度值，选用定制的LED屏。由于LED显示具有自发光的特性，不需要借助外部光线，特别适用于台式家电。单片机读取触摸按键电路的用户指令。当需要加热时，开启加热电路，然后实时检测测温电路，适时改变加热功率，达到闭环控制的效果。加水功能同样采用闭环控制的原理，当
收稿日期：2020-06-27
基金项目：福建省中青年教师教育科研基金资助项目(JAT191404).
作者简介：郑慧珍(1984-)，女，福建漳州人，讲师，硕士，主要从事电子设计、单片机、自动化方面研究
第4期郑慧珍：基于单片机的全自动电热水壶的设计23
污水池玻璃钢盖板
水位过低或者按键指令要求加水时，单片机控制步进电机和水泵有序运行，达到自动加水的效果。当水位达到上限时，关闭水泵并复位水龙头位置丿2-3]
2电路设计
2.1电源电路设计
电源电路是单片机稳定运行的基础，全天候为单片机供电，在兼顾成本的同时，需要选用长期稳定的AC-DC方案。全自动电热水壶，选用合泰半导体公司出品的HT7A6322芯片作为开关电源的主芯片。该芯片是一种高度集成的小功率初级转换芯片，内置电流模式PWM控制器及高压功率晶体管。AC-DC转换电路如图2所示。市电从火线L和零线N端子输入，经过保险丝后，送入U1整流桥和电容C14，生成变化比较平缓的直流送入T1的PIN7。U2的SW引脚以60kHz的频率开关，使T1的初级线圈7~8产生交流。T1的次级线圈5~6产生感应电流，利用D4进行半桥整流，C15去耦，通入U2的PIN4，为U2提供电源供应。T1的1~3线圈在初级线圈的激励下，产生频率为60kHz的交流信号，经过二极管D1作半桥整流后输出直流VCC。R13和R14组成分压电路，分压得到的电压通入U5的REF引脚。VCC过高，导致REF引脚电位高于2.5V时，U5导通，U4的发光二极管发光。经过光电耦合后，反馈至U2的FB 引脚，将该引脚电位拉高。当FB引脚电压值高于0.23V时，SW引脚输出被关闭，从而降低VCC节点电压。反之，当VCC直流电压过低时，FB引脚电压低于0.23V，则恢复SW引脚输出。通过闭环控制，将VCC电压稳定在一定值。合理选择R13、R14的比例，即可得到+12V的电源。另外，R5和C13，用于防止开关电源的高频干扰从电源线外泄，干扰其他的用电设备。VCC电源，经过AM1117之类的LDO稳压后，得到+5V电压，为单片机等芯片供电。
1高清录播系统
图2AC-DC转换电路
导光剂2.2加热和测温电路设计
烧水壶和消毒容器需要加热管加热以及温度测量。分别在容器底部安装50Q的发热管和热敏电阻，电路连接方式如图3所示。采用3063光电耦合器U6和双向晶闸管Q1，控制加热管的开启关闭。双向晶闸
管Q1选用BT138，主电极最大电流12A，满足50Q加热管的功率需求。控制极最大电流10mA，直接用单片机IO口控制存在诸多缺点。一方面，控制电流较大，加大单片机过度发热的风险；另一方面，恶劣环境下，交流市电会通过控制极流入单片机内部，烧毁单片机。因此，选用3063光电耦合器，起到强弱电隔离的效果。当PA1为高电平时，光耦双向导通，火线L电流通过R3，光耦, R2和R17留回零线N。双向晶闸管Q1控制极与主电极存在压差，从而进入导通状态。反之，当PA1为低电平时，Q1控制极与主电极无压差，交流市电经过零点后，Q1保持截止状态，停止加热。因此，给PA1加入频率远低于50Hz的PWM信号，控制正脉冲宽度即可调整加热功率。R16和C6支路与Q1并联，起到保护Q1的作用。保险起见，晶闸管需要涂上导热硅脂，用螺丝与散热片固定，提高散热速度丿4-5]
24长春大学学报第31卷
R2
折角塞门
图3加热和测温电路
热敏电阻R4安装于消毒容器或者烧水壶的底部，涂上导热硅脂促进底部金属和热敏电阻热交换。当 水温升高时，热敏电阻值降低，R4和R19的分压比例发生变化，AD 转换AdTemp 节点电压，即可换算为 温度值。C7和C8分别与电阻并联，一定程度上消除电压值抖动，提高温度检测稳定性。
2.3水泵和水龙头转动电路设计
水龙头抽水功能采用EDLP600隔膜泵来实现。EDLP600是气液两用的微型隔膜泵，根据容积式泵的 原理设计而成。直流电机转动时，电机轴上的偏心轮，驱动橡胶循环往复运动，在腔体里形成吸、排动 作，通过单向阀的闭合、打开动作达到吸入排出气体或液体的效果。该隔膜泵额定电压为12 V，额定电 流为0. 3 A，无法直接用单片机驱动。如图4所示，采用Q2和Q3三极管驱动。当PA2为高电平时，Q2 形成共集电路输出高电平，拉升Q3基极电压。Q3采用共射接法，基极电位升高时导通，带动隔膜泵工 作。采用35BYJ46步进电机驱动水龙头转动，由ULN2003A 芯片驱动电机。⑹PD0至PD3连接单片机IO 口，利用定时器中断每隔一定时间操作4个IO 口的电平值，使电机工作在四相八拍的状态即可带动水龙 头转动。
+12V
PD0
1U9OUT1PD1
2IN2OUT2PD2
3IN3OUT3PD34IN4OUT41
IN5OUT5IN6OUT6IN7OUT7厂GND COM
ULN2003A
+12V
图4水龙头抽水和转动电路
水龙头转动需要检测3个定位点，包括水龙头复位位置、热水壶加水位置和消毒容器加水位置。将滑 动金属片连接地线，其中一端与水龙头固定，水龙头转动时另一端随之旋转一定角度。在旋转路径上设置 触点。到位时，触点与金属片接通，等同于开关接通，单片机设置三个开关检测电路即可检测水龙头的三 个位置。水位检测功能与之相似，饮用水淹没特定触点时，电路接通，设置两个开关检测电路即可实现水 位上限和下限的检测功能。⑺
2.4显示和触摸检测电路
显示电路和触摸按键检测电路如图5所示。采用特殊符号的数码管作为显示屏，用于显示热水壶和消 毒容器的实时温度值。TM1652是数码管驱动芯片，通过SDA 引脚连接单片机UART 串口，实现单向通 信。触摸按键检测电路采用合泰半导体的BS82B08A 芯片，该芯片最多可以同时检测8个触摸按键，通过 I2C 接口输出按键状态。&
9]
第4期郑慧珍：基于单片机的全自动电热水壶的设计25
图5显示和触摸检测电路
SDA
VDD
GND 箇
箔求令糸糸D U O O O O O O 0 0 0 O Osssssss
3软件设计
传统的单片机编程方法是顺序执行法。单片机上电后，经过短暂的初始化环节，进入死循环。在死循 环中，完成一个任务再执行下一个任务。由于全自动电热水壶水龙头转动、加热等环节需要较长的时间, 如果采用顺序执行法，无法及时响应突发事件和按键命令。在CPU 中安装操作系统，根据整机功能划分 多个任务，采用任务调度机制，执行各项任务，可以解决突发事件和按键命令响应不及时的问
题。但是由 于成本问题，家电产品使用的单片机内部资源有限，引入操作系统将占用大量的内部资源，反而无法完成 整机控制的任务。借鉴操作系统的原理，编写一个简易的任务调度和轮询的机制，既节约芯片资源，又能 快速响应各个事件根据功能特点，将其划分
为3个任务：（1）热水壶加热任务；（2）消毒容 器加热任务；（3）水龙头转动任务。各个任务之
间用信号量进行消息发送。当任务一或任务二检
测到水位过低时，发送信息通知任务三加水。任
务三一边驱动步进电机旋转，一边检测是否到达 加水点。到达加水点后，步进电机停止，隔膜泵
接通开始抽水。抽水过程中检测水位是否达到上 限位，达到上限位立刻关闭隔膜泵，水龙头回到 复位位置。若水位未达到上限值且时间超过阈值,
则停止抽水，屏幕显示加水异常错误代码。详细
的转换切换如图6所示。
任务一和任务二都是检测温度和外部命令、
控制加热管加热，状态转换过程非常相似，任务 二状态转换如图7所示，任务一不再赘述。开机ImSS 任务三状态转换图
图6到达消毒容器加水位置逆时针旋转戈热水壶到达热水壶
加水完成
消毒容器I 冰命令逆时针旋转寻
水塔控制器复位位置
顺时针旋转器加水位置消毒容器加水位置
加水超时寻消毒容电能计量装置
26长 春 大 学 学 报第 31 卷时关闭加热管，当接收到消毒命令时，先进行
全功率加热。温度超过95 C 时，降低加热功率
防止飞溅。加热过程中，水位低于下限时，停
止加热，等待任务三加水完毕后继续加热。加
热到100 C 后，关闭加热管。
4整机测试
对整机各项功能进行了测试。温度低于
95 C 时，测得加热功率约为950 W ；温度高于
95 C 时，测得加热功率约为500 W 。温度高于
99. 0C 时，延时20 s 后，停止加热。水位低于下限时停止加热，并启动水龙头加水。水龙头能按照逻辑要求 闲时停在复位位置。需要加水时，能转动到热水壶或者消毒容器位置加水。水龙头转动定位精确，未发现水 流飞溅现象。水泵抽不到水时，水泵启动超过一分钟仍未检测到水位达到上限，整机能及时抽水和加热，报 警停机。综上所述，全自动电热水壶各项功能均达到了要求。
参考文献：
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责任编辑：程艳艳
Design of Automatic Electric Kettle Based on MCU
ZHENG Huizhen
(College of Electronic Engineering , Zhangzhou Institute of Technology , Zhangzhou 363000, China) Abstract : In the era of smart household appliances ， all electrical apparatus are upgrading to full automation. The traditional electric kettle has some shortcomings ， such as manual intervention ， splashing caused by improper power control and so on. To solve this problem ， a fully automatic electric kettle with the functions of automatic water adding ， power control and temperature control is designed ， which takes single-chip microcomputer as the core and uses multi-task programming to control all components ， so as to respond to emergencies quickly. The verification test shows that the design can run stably for a long time and meet the users" demand of drinking water .Keywords : MCU ； thyristor ； electric
kettle
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