電水壺自動(dòng)斷電控制器的研究與設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)電水壺的自動(dòng)斷電控制，通過(guò)介紹一種新型的電水壺自動(dòng)斷電控制器，該產(chǎn)品能有效地在水燒沸后將電水壺從電源上自動(dòng)斷開(kāi)，并進(jìn)行聲光報(bào)警提醒。產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、安全可靠，且使用極為方便，投入量產(chǎn)后，必將引起電水壺產(chǎn)業(yè)的又一次革新。
關(guān)鍵詞：電水壺；自動(dòng)斷電；聲光報(bào)警；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；革新

    市場(chǎng)上的電水壺基本可分為兩大類型：非自動(dòng)式普通型和自動(dòng)控溫型電水壺。前一種電水壺當(dāng)水燒沸后，需要手動(dòng)將電水壺從電源上斷開(kāi)，使用極不方便，當(dāng)人外出遺忘斷電后，不但會(huì)導(dǎo)致電能的浪費(fèi)和燒壞電水壺，甚至可能會(huì)存在安全隱患；后一種電水壺的溫控裝置與電水壺都是一體化的，維修不易，且價(jià)格比較貴，絕大部分家庭或單位在出現(xiàn)這種情況后都是將電水壺作報(bào)廢處理，這樣做比較浪費(fèi)資源。

1 產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)
    根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4706.4《家用和類似用途電器的安全電水壺的特殊要求》中的有關(guān)規(guī)定，該產(chǎn)品(專利號(hào)：201210098217)在非自動(dòng)式普通型電水壺的基礎(chǔ)上，克服以往產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷，設(shè)計(jì)了一種新型的電水壺自動(dòng)斷電控制器，該產(chǎn)品在電水壺內(nèi)水燒沸后能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切斷電源，且進(jìn)行聲光報(bào)警提醒，電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、安全可靠；且該控制器為外接裝置，維修、更換方便，而且價(jià)格相對(duì)比較便宜。

2 產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)
    電水壺自動(dòng)斷電控制器包括控制器供電電路、傳感信號(hào)發(fā)生電路、放大電路、自動(dòng)斷電且保持電路和光電隔離電路及輸出控制電路。
控制器電路中還兼設(shè)有聲光報(bào)警電路：
    1)指示燈包括水未燒沸綠色指示燈和水已燒沸紅色指示燈；
    2)當(dāng)水燒沸后，蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲音進(jìn)行報(bào)警；
    3)利用紅、綠指示燈的顯示變化及聲音報(bào)警的雙從提示，提醒用戶水是否燒開(kāi)。
2．1 控制器供電電路
    控制器供電電路是由變壓器、4個(gè)整流二極管組成的橋式整流電路、濾波電路和三端穩(wěn)壓器組成，自動(dòng)斷路控制器中的所需的直流電源都是從此供電電路輸出后獲取。控制器供電電路如圖1所示。

2．2 傳感信號(hào)發(fā)生電路
    本設(shè)計(jì)中的傳感器用的是濕敏電阻傳感器，工作時(shí)需1．5V AC的正弦波信號(hào)，因此如何獲取1．5 V AC的正弦波信號(hào)也是本控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
    方案一：使用220 V市電經(jīng)變壓器變壓后獲取此正弦波，但200 V市電由于相對(duì)1．5 V AC太大，且市對(duì)相對(duì)而言不是太穩(wěn)定，這樣就會(huì)造成獲取正弦波信號(hào)不穩(wěn)定，給電路的穩(wěn)定性造成極大的影響。
    方案二：可由NE555等組成的自激多諧振蕩電路產(chǎn)生，通過(guò)電容C2的充、放電，從而在NE555輸出端得到正弦波信號(hào)。
本設(shè)計(jì)選用方案二，如圖2所示。

    將NE555的2腳與6腳直接相連，組成的自激多諧振蕩電路將產(chǎn)生對(duì)稱方波，經(jīng)過(guò)電容C2，此電平信號(hào)經(jīng)過(guò)接線端口J1一端加至濕敏傳感器探頭上；濕度傳感器探頭將感測(cè)出的信號(hào)經(jīng)過(guò)接線端口J1的另一端返傳送至后續(xù)放大電路。
    濕度傳感器接在NE555自激多諧振蕩電路與放大電路之間(即接線端口J1上)，用于檢測(cè)電水壺產(chǎn)生的水蒸氣濕度信號(hào)。
2．3 放大電路
    放大電路主要由LM324構(gòu)成，如圖3所示。

    1)由LM324和D2、D3組成的對(duì)數(shù)變換電路，其輸出電位隨相對(duì)濕度的增加而增加。
    2)輸出信號(hào)再經(jīng)過(guò)R3和C3濾去干擾短脈沖后，加至LM324的同相輸入端，當(dāng)相對(duì)濕度變化時(shí)，LM324輸出端的電位將隨之改變，當(dāng)傳感器感知到相對(duì)濕度變大時(shí)，放大電路的輸出將變成高電平；反之為低電平。
    3)通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RP，可以設(shè)定相對(duì)濕度的參考值，此設(shè)定值比較關(guān)鍵。
通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)就可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到電水壺中的水是否燒沸。
2．4 自動(dòng)斷電且保持電路
    自動(dòng)斷電且保持電路由繼電器K1、晶體管Q1、CD4013及電阻R8、R9、電容C5、C6組成的單穩(wěn)態(tài)電路和雙穩(wěn)態(tài)電路組成，如圖4所示。

    1)單穩(wěn)態(tài)電路的作用是對(duì)前級(jí)輸入信號(hào)進(jìn)行脈沖寬度整形，保證每次觸摸動(dòng)作都可靠。
    2)雙穩(wěn)態(tài)電路用來(lái)驅(qū)動(dòng)晶體管Q1的開(kāi)通或關(guān)閉，進(jìn)而控制繼電器的通斷。
    3)將CD4013的輸入信號(hào)從濕度傳感器器探頭感測(cè)到的信號(hào)相隔離，主要是通過(guò)控制繼電器K1的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。在繼電器K1得到高電平信號(hào)后，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)、常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，就可將CD4013雙穩(wěn)態(tài)電路輸出的高電平信號(hào)從放大電路后斷開(kāi)，即使放大電路輸出的信號(hào)發(fā)生變化，也不會(huì)影響到雙穩(wěn)態(tài)電路的輸出，這樣就可使CD4013雙穩(wěn)態(tài)電路輸出的高電平信號(hào)保持不變。
2．5 光電隔離電路及輸出控制電路
    1)光電隔離電路
    光電隔離電路包括光耦、電阻R11、整流二極管D8、繼電器和晶體管Q2，如圖5所示。

    利用光耦的特性，信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響?？蓪⒆詣?dòng)斷電控制器中的直流供電電源與后面的200 V市電上分開(kāi)，這樣可以起到保護(hù)電水壺自動(dòng)斷電控制器的作用。
    2)輸出控制電路
    輸出控制電路包括輸出控制繼電器K2、電水壺的電熱管RL和電源線。開(kāi)始燒水時(shí)，輸出控制繼電器K2失電觸點(diǎn)處于閉合，電水壺的電熱管RL得電，電水壺開(kāi)始加熱；當(dāng)水燒沸時(shí)，輸出控制繼電器K2線圈得電，線圈得電，觸點(diǎn)由常閉變成常開(kāi)狀態(tài)，電水壺的電熱管RL失電，電水壺停止加熱。
2．6 顯示面板
    顯示面板上有紅、綠指示燈和蜂鳴器，如圖6所示。

    當(dāng)水開(kāi)始燒時(shí)，由于傳感器檢測(cè)到濕度的信號(hào)不足以使電路發(fā)生變化，此時(shí)為綠色指示燈亮，代表此刻自動(dòng)斷電控制器電源已接通，同時(shí)表示電水壺正在燒水；當(dāng)綠色指示燈熄滅、紅色指示燈亮?xí)r，提醒用戶水燒沸了，同時(shí)蜂鳴器發(fā)聲提醒。如果沒(méi)有人來(lái)斷開(kāi)電源，本控制器會(huì)一直發(fā)出聲光提醒。
2．7 電路功能及工作過(guò)程
    從整個(gè)過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)本控制器設(shè)計(jì)的功能，如圖7所示。

    在水燒沸時(shí)，隨著濕敏傳感器阻值變小，LM324輸出電位變高，CD4013電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)，繼電器K2線圈得電，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，電水壺從市電220 V電源上失電而斷開(kāi)；同時(shí)繼電器K1將CD4013雙穩(wěn)態(tài)電路輸出的高電平信號(hào)從放大電路后斷開(kāi)，所以CD4013雙穩(wěn)態(tài)電路不會(huì)再得到高電平信號(hào)而發(fā)生觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)電水壺自動(dòng)斷電控制的功能。

3 結(jié)論
    CD4013自動(dòng)斷電保持電路是整個(gè)控制器的核心，完成信號(hào)的輸入和輸出保持。另外還有兩個(gè)重要的電路是濕度檢測(cè)和光電隔離電路。
    1)濕度檢測(cè)電路完成濕度信號(hào)的采樣和信號(hào)輸出，并通過(guò)CD4013自動(dòng)斷電保持電路的處理達(dá)到控制電水壺自動(dòng)斷電的作用，且不再受傳感器檢測(cè)信號(hào)的影響。
    2)光電隔離電路將自動(dòng)斷電控制器中所需要的直流電從220 V交流電上隔離開(kāi)來(lái)，從而達(dá)到保證控制電路的安全。
    該產(chǎn)品在當(dāng)水燒沸后能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電，并進(jìn)行聲光報(bào)警提醒，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、安全可靠。