一種溫控器產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的解決方案

在當(dāng)今，即在全球一體化、信息化、化大的趨勢(shì)下，技術(shù)日新月異，人類知識(shí)總量5年就將翻一番，經(jīng)濟(jì)生活瞬息萬(wàn)變，每一個(gè)和每一個(gè)企業(yè)家，都應(yīng)當(dāng)學(xué)會(huì)用世界的眼光從高處和遠(yuǎn)處審視自己，衡量自身，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)自己的弱點(diǎn)和缺點(diǎn)，通過(guò)改革和開放，迅速加以克服，以求趕上和超越。否則，隨時(shí)都有被淘汰的可能。

有句古話：不謀全局者，不足謀一域；不謀萬(wàn)事者，不足謀一時(shí).在本世紀(jì)二三十年代，福特一世以大規(guī)模生產(chǎn)黑色轎車獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷數(shù)十載，但隨著變遷，消費(fèi)者的消費(fèi)需求也發(fā)生著變化，人們希望有更多的品種、更新的款式、更加節(jié)能省耗的轎車。而福特汽車公司的產(chǎn)品，不僅顏色單調(diào)、而且耗油量大、廢氣排放量大，完全不符合日益緊張的石油供應(yīng)市場(chǎng)和日趨嚴(yán)重的環(huán)境保護(hù)狀況。此時(shí)，通用汽車公司和其他幾家公司則緊扣市場(chǎng)脈搏，制定出正確的戰(zhàn)略規(guī)劃，生產(chǎn)節(jié)能省耗、小型輕便的汽車，在70年代的石油危機(jī)中，躍然居上，使福特汽車公司曾瀕臨破產(chǎn)。所以福特公司前總裁享利·福特深有體會(huì)地說(shuō)：不創(chuàng)新，就滅亡。

基于人們對(duì)小家電越來(lái)越廣泛的需求以及國(guó)內(nèi)外激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)[1~5],本文對(duì)小家電中的重要零部件溫控器進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并成功地用于電熱水壺中，滿足了市場(chǎng)對(duì)電熱水壺多樣化的需求。

1 電熱水壺及溫控器市場(chǎng)現(xiàn)狀

在全球電熱水壺市場(chǎng)中，普遍使用的重要零部件之一就是機(jī)械式溫控器。其原理大致如下：

水在加熱到沸騰時(shí)產(chǎn)生大量水蒸氣，通過(guò)蒸汽管道傳遞到機(jī)械式溫控器的金屬片上，金屬片熱脹冷縮，變形的金屬片推動(dòng)溫控器的機(jī)械結(jié)構(gòu)做功，于是斷開電路開關(guān)，這樣就完成了一次燒水過(guò)程。等一段時(shí)間之后，金屬片隨著溫度的降低又恢復(fù)原位，這樣又可以再次進(jìn)行加熱燒水。

全球大部分電熱水壺市場(chǎng)的溫控器主要來(lái)自于英國(guó)，設(shè)有層層專利壁壘，而且大部分利潤(rùn)由他們所得[6~7].這些品牌以STRIX、OTTER等為主要市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，一般國(guó)內(nèi)外比較有名品牌的電熱水壺大多使用STRIX、OTTER的溫控器。此類溫控器具有以下缺點(diǎn)：

（1）燒水時(shí)必須保持水壺壺蓋蓋上，只有在燒水過(guò)程中保持大量的水蒸氣不會(huì)散開到空氣中才可以利用水蒸氣的流動(dòng)性將大量的熱通過(guò)蒸汽管道傳遞到溫控器的金屬片上，否則會(huì)使水一直處于沸騰狀態(tài)而不會(huì)自動(dòng)斷電。這樣既浪費(fèi)電能，又影響水的質(zhì)量，縮短了水壺的壽命，給消費(fèi)者造成不好的影響。

（2）一壺水燒好后需繼續(xù)燒水時(shí)，溫控器需要一段時(shí)間才能使開關(guān)復(fù)位，會(huì)給消費(fèi)者造成水壺開關(guān)失去功能的錯(cuò)覺(jué)，也不符合水壺快速的特性。

（3）工作時(shí)對(duì)水位有一定的要求，一般最小水位在0.5L.

（4）很難有擴(kuò)展功能的機(jī)會(huì)，如溫度顯示、溫度控制、自動(dòng)使水冷卻等。

2 產(chǎn)品創(chuàng)新點(diǎn)

MCU（Micro Control Unit）中文名稱為微控制單元，又稱單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer）或者單片機(jī)，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)計(jì)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制。

為了擺脫對(duì)機(jī)械式溫控器的依賴，面對(duì)國(guó)外的技術(shù)壟斷和國(guó)內(nèi)、外市場(chǎng)的機(jī)遇，針對(duì)機(jī)械式溫控器的缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于：使用MCU控制技術(shù)，用熱敏電阻作為溫度傳感裝置，實(shí)現(xiàn)了安全、實(shí)用、方便的溫度控制，其功能如下：

（1）實(shí)時(shí)水溫顯示，顯示范圍：0℃~110℃。

（2）用戶可以通過(guò)按鍵自行設(shè)定溫度。

（3）溫控精度：溫度保持在設(shè)定溫度的±3℃。

（4）水溫到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)音樂(lè)提示。

（5）防干燒功能。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)后的溫控器原理框圖如圖1所示。控制電路以三星S3F9454MCU為核心。該芯片是一個(gè)低功耗、高性能的單片8位CMOS MCU,內(nèi)置10位精度的A/D模塊，片上4KB的Flash存儲(chǔ)器和208B的RAM,可對(duì)Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行重復(fù)編程，方便軟件的修改升級(jí)。

溫控器原理：將熱敏電阻放在電熱水壺某一位置，通過(guò)熱敏電阻進(jìn)行溫度采樣，并將此處的溫度相關(guān)信息傳送給MCU處理；根據(jù)此處溫度與壺內(nèi)水的溫度的規(guī)律關(guān)系，MCU將計(jì)算出的水溫與用戶設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，如果水的溫度大于或等于設(shè)定的溫度，則MCU控制斷開加熱電路，使電路停止加熱發(fā)熱盤。同樣，如果熱敏電阻讀取到的發(fā)熱盤溫度大于110℃（即發(fā)生干燒時(shí)），對(duì)發(fā)熱盤的加熱電路也將立即斷開。

3 總體布局方案設(shè)計(jì)

3.1 方案一：測(cè)量蒸汽溫度實(shí)現(xiàn)溫度控制

溫度傳感器通過(guò)蒸汽口將測(cè)得的蒸汽溫度傳給S3F9454MCU, MCU通過(guò)對(duì)溫度傳感器傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分析，決定是否對(duì)發(fā)熱負(fù)載供電，并將工作狀態(tài)輸出。當(dāng)傳感器測(cè)得的溫度信號(hào)大于或等于設(shè)定溫度時(shí)，則停止加熱，電路復(fù)位。該方案是通過(guò)感應(yīng)蒸汽溫度實(shí)現(xiàn)水溫控制的。由于對(duì)蒸汽溫度的測(cè)量相對(duì)容易，因此用時(shí)較少。此方案適合于只要求燒開水的用戶。其實(shí)現(xiàn)溫度控制的主板、控制面板示意圖如圖2所示。

3.2 方案二： 測(cè)量壺身溫度實(shí)現(xiàn)溫度控制

將熱敏電阻溫度傳感器放在壺身側(cè)面處（為了避免修改壺身結(jié)構(gòu)，最好放在手柄與壺身交接的地方），MCU根據(jù)壺身溫度與水溫之間的規(guī)律關(guān)系編程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制溫度。但是熱敏電阻的放置結(jié)構(gòu)有一定的要求，壺身上與熱敏電阻接觸的地方需要比其他地方的壁厚薄一些，且該地方需要密封，以防止受到空氣溫度的影響；壺身上熱敏電阻與水之間需要有一個(gè)介質(zhì)，以防止壺水被污染。該方案可以任意控制水溫，因此適合于有多種水溫要求的用戶。

3.3 方案三： 測(cè)量發(fā)熱盤底部的溫度實(shí)現(xiàn)溫度控制

壺身底部發(fā)熱盤上使用發(fā)熱絲，發(fā)熱絲接電源線的地方因?yàn)榘l(fā)熱較少稱為冷端，其他部分因?yàn)榘l(fā)熱較多稱為熱端。將熱敏電阻置于壺身底部發(fā)熱盤靠冷端處，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出水溫與發(fā)熱盤溫度之間的關(guān)系，MCU根據(jù)此關(guān)系進(jìn)行編程處理，這樣熱敏電阻測(cè)得的發(fā)熱盤的溫度就可以轉(zhuǎn)換成水的溫度并顯示在顯示屏上，同時(shí)可以檢測(cè)發(fā)熱盤的溫度以防止干燒。該方案對(duì)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較低，更方便實(shí)現(xiàn)防干燒功能。

上述三種方案可滿足不同用戶的個(gè)性化要求，以滿足電熱水壺系列化設(shè)計(jì)需要。下面以方案三為例，進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 熱敏電阻放置位置的確定

保證測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟是找一個(gè)最佳位置放置熱敏電阻，分別對(duì)1000W、800W功率，1.7L、1.0L水位選用各個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試的內(nèi)容及結(jié)果如表1和圖3所示。

由表1和圖3可以看出，將熱敏電阻放置在發(fā)熱盤靠冷端處，與實(shí)際水溫最為接近。

熱敏電阻放置位置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

4.2 熱敏電阻與水溫及發(fā)熱盤溫度的關(guān)系

溫控器通過(guò)熱敏電阻測(cè)量溫度時(shí)，MCU根據(jù)水溫、熱敏電阻測(cè)定溫度、發(fā)熱盤上熱敏電阻安裝處溫度三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系編程，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以控制加熱電路。

實(shí)測(cè)方法：在220V±10%電壓情況下，采用不同的水量（1.0L、1.2L、1.5L、1.7L），將熱敏電阻放在發(fā)熱盤底部，熱電偶采用分別放在熱敏電阻安裝處、塑膠管里的熱敏電阻安裝處以及壺水里面，從水溫40℃開始計(jì)時(shí)，用溫度巡檢儀每10秒打印一次數(shù)據(jù)，到水溫90℃結(jié)束加熱，然后繼續(xù)打印，直到水溫開始下降為止。

通過(guò)實(shí)測(cè)，得到放置在水壺底部發(fā)熱盤上的熱敏電阻與水溫及發(fā)熱盤溫度的關(guān)系：選取242V電壓、1.0L水量時(shí)實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示；選取242V電壓、1.2L、220V電壓、1.5L、198V電壓、1.2L、1.7L實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6所示。