專利名稱：健康節(jié)能飲水機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是以健康節(jié)能為目標，基于可編程邏輯器件(CPLD， Complex Programmable Logic Device)進行飲水機的重新構(gòu)建與控制邏輯的設(shè)計。本產(chǎn)品專為家庭和辦公室的使用者設(shè)計， 采用多種技術(shù)以最大限度滿足不同使用者的需求，具有實用價值。
背景技術(shù)：
目前，大多數(shù)家庭和辦公室用的飲水機主要存在兩個方面問題 一是不能調(diào)節(jié)水溫，沒 有保溫功能。使用者每次只能得到IO(TC的開水，想要得到可以飲用的溫水必須自己想辦法冷 卻，使用極不方便；二是存在"千滾水"的問題。為保證用戶隨時可以得到開水，通常的飲 水機將部分水反復(fù)燒開。煮沸過久或多次煮沸水中不揮發(fā)性物質(zhì)如鈣、鎂等重金屬成分和亞 硝酸鹽含量很高，久飲這種水會干擾人的胃腸功能，造成機體缺氧，出現(xiàn)頭暈、頭痛、心慌、 胸悶、惡心、嘔吐、腹痛、腹瀉等狀況。
經(jīng)抽樣調(diào)査發(fā)現(xiàn)大多數(shù)人飲水的水溫需求在30 8(TC之間。此外，經(jīng)過一定的市場調(diào)査 和資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，沖泡茶或咖啡之類飲用品的開水水溫以8(TC為最佳。綜合上述情況，本發(fā) 明設(shè)計的飲水機將水僅燒開一次，解"千滾水"帶來的健康問題；并增加了保溫功能，保溫 溫度范圍可設(shè)定為3(T8(rC，步進為5i:，解決不同人群對飲用水水溫的需求；同時具有強制 加熱模式來滿足用戶泡制茶類和咖啡的需求。
在健康以及節(jié)能成為時代主題的形勢下，本發(fā)明采用一系列技術(shù)措施，實現(xiàn)了飲水機諸多 方面的健康節(jié)能。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明設(shè)計的健康節(jié)能飲水機關(guān)注健康、節(jié)能這兩大主題，解決了 "千滾水" 以及用戶對飲用水水溫差異化需求的問題。
技術(shù)方案本發(fā)明設(shè)計的健康節(jié)能飲水機包括三個順序串聯(lián)連接的水箱和連接這三個水箱 的管道以及控制器；其中，第一水箱為進水端，用于裝沒有燒過的生水；第二水箱用于燒開水， 使用過程中直接將注入水箱的生水燒開，燒開后就斷開電源等待下次注水；第三水箱設(shè)有出水 口，有保溫功能，并具有多檔可調(diào)節(jié)水溫控制器，在水位不滿的時候就抽入已經(jīng)燒開的水，用 于滿足使用者對不同水溫的需求；從冷水區(qū)到開水區(qū)水的傳輸控制器件為微型潛水泵，從開水 區(qū)到溫水區(qū)水的傳輸控制器件為電磁閥；控制器自動控制整個飲水機的工作。
主控模塊選用可編程邏輯器件CPLD用于系統(tǒng)所有信號的收集、邏輯處理及控制信號的 形成、輸出，實現(xiàn)飲水機各個工作狀態(tài)切換；
來人檢測模塊利用光電開關(guān)采集是否有人經(jīng)過的信號傳輸給CPLD進行邏輯分析；
水位檢測模塊在每個水箱中限定的水位處插入金屬探針，利用水和大阻值電阻的分壓， 來判斷是否到指定水位；每個水箱都輸出兩個分別指示高、低水位的信號給CPLD;溫度檢測模塊使用直接輸出數(shù)字量的集成溫度傳感器芯片DS18B20，用CPLD與其通信得 到滿足需要精度的溫度；
繼電器控制模塊CPLD控制輸出高低電平，經(jīng)三極管放大，作為控制繼電器的控制信號， 控制溫水箱、熱水箱、潛水泵的220V交流工作電源，決定其是否工作；此外，在電磁閥直流 12V工作電源回路中也加入繼電器，CPLD提供的繼電器控制信號經(jīng)放大后控制電磁閥工作與否；
人機交互模塊接收來自于CPLD的控制信號，通過液晶屏和彩色LED直觀顯示系統(tǒng)當(dāng)前 工作狀態(tài)；通過面板上的若干按鍵反饋信號給CPLD設(shè)定系統(tǒng)工作狀態(tài)。
所述的控制器中
水位檢測模塊水位探針連接導(dǎo)線，經(jīng)過電阻分壓和比較器LM339，比較器輸出連接主控 模塊CPLD的IO口，給CPLD提供各水箱當(dāng)前水位信號，分別表示二個水箱的高、低水位信號；
溫度檢測模塊數(shù)字型傳感器DS18B20采用1-Wire接口 ，此數(shù)據(jù)線連接主控模塊CPLD的 I/O 口 ，給CPLD芯片提供實時數(shù)字溫度數(shù)據(jù)；
來人檢測模塊光電傳感器輸出信號經(jīng)過比較器LM339判斷后輸出高低電平，接入主控模 塊CPLD芯片10 口 ，以判斷是否有人靠近；
繼電器控制模塊主控模塊CPLD根據(jù)輸入的水溫、水位、來人與否等信息及預(yù)設(shè)的控制 邏輯產(chǎn)生控制輸出信號，經(jīng)三極管放大后作為繼電器控制模塊各個繼電器的控制輸入信號，控 制溫水箱、熱水箱、潛水泵的220V交流工作電源和電磁閥12V直流工作電源，決定其是否工 作；
人機交互模塊形象顯示溫度的彩色LED指示燈直接與主控模塊CPLD的I/O 口相連，顯 示、閃爍、循環(huán)等動作由CPLD直接控制。液晶模塊的所有顯示信息均由CPLD芯片直接提供。 輸入按鍵的信號直接連接到CPLD外接的I/O端口 ，直接輸入信號給CPLD作為控制信號。
所述的控制器中主控模塊CPLD的控制邏輯為-
控制器主控模塊CPLD輸入信號有1)生水區(qū)、加熱區(qū)和保溫區(qū)水位高、低信號；2)保 溫水箱以及熱水箱的溫度檢測芯片DS18B20的溫度反饋信號；3)來人檢測模塊光電傳感器的 來人檢測信號；4)用戶交互面板上的Reset按鍵、Force按鍵、Smart按鍵、SetDown按鍵、 SetUp按鍵信號；
輸出信號有1)加熱水箱加熱信號；2)保溫水箱加熱信號；3)潛水泵控制信號；4)電 磁閥控制信號；5)液晶顯示模塊控制信號；6)流水燈控制信號；
控制器主控模塊CPLD的控制邏輯設(shè)計采用狀態(tài)機理論，實現(xiàn)了一個多輸入多輸出系統(tǒng)， 根據(jù)系統(tǒng)運行特性，系統(tǒng)運行狀態(tài)分成4種報錯狀態(tài)、待機狀態(tài)、智能保溫狀態(tài)、強制加熱 狀態(tài)；
報錯狀態(tài)出現(xiàn)在系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤的情況下，包括1)對于同一個水箱檢測到高水位信號而 沒有檢測到低水位信號；2)溫度檢測顯示長時間超過10(TC。
在報錯狀態(tài)下，流水燈全滅、潛水泵關(guān)閉、電磁閥關(guān)閉、保溫水箱加熱關(guān)閉、加熱水箱加 熱關(guān)閉、液晶屏狀態(tài)欄顯示error,系統(tǒng)從錯誤狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至智能保溫狀態(tài)只能通過用戶交流面 板上的Reset按鍵；
待機狀態(tài)出現(xiàn)在如下情況下，包括1)來人檢測信號超過一小時持續(xù)表示無人；2)三個 水箱水位檢測全為低；
在待機狀態(tài)下，流水燈全滅、潛水泵關(guān)閉、電磁閥關(guān)閉、保溫水箱加熱關(guān)閉、加熱水箱加熱關(guān)閉、液晶屏狀態(tài)欄顯示Hold,系統(tǒng)從待機狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至智能保溫狀態(tài)的條件為1)來人檢 測信號傳遞表示有人的信號；2)在生水區(qū)加水改變?nèi)齻€水箱均是低水位的情況；
強制加熱狀態(tài)出現(xiàn)在系統(tǒng)處于智能保溫狀態(tài)時候，用戶按下Force鍵之后；
在強制加熱狀態(tài)下，保溫水箱全力加熱、液晶屏狀態(tài)欄顯示Force,加熱水箱、潛水泵和 電磁閥均遵循智能狀態(tài)下的工作方式；
系統(tǒng)從待機狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至智能保溫狀態(tài)的條件為1)用戶按下面板上的Smart鍵；2)保溫 水箱的溫度檢測到達80'C;
除了待機狀態(tài)、報錯狀態(tài)、強制加熱狀態(tài)，系統(tǒng)均處于智能保溫狀態(tài)；
智能保溫狀態(tài)根據(jù)開水區(qū)水是否燒開分為兩種工作模式；
工作模式一開水區(qū)已燒開
加熱水箱不加熱
保溫水箱檢測溫度高于維持在用戶設(shè)定的溫度或者保溫區(qū)水位低時，保溫水箱不加熱，如 果保溫水箱檢測溫度低于用戶設(shè)定溫度且保溫區(qū)水位不是低時，保溫水箱加熱， 流水燈固定顯示，根據(jù)加熱區(qū)溫度，溫度越高盞數(shù)越多， 潛水泵關(guān)，
在保溫水箱不滿的情況下，打開電磁閥將加熱水箱燒開的水加入溫水區(qū)，直到溫水區(qū)水位 滿或者開水區(qū)水位低，
在生水區(qū)水位低時，系統(tǒng)提示加水，液晶屏上的提示欄顯示"Add",
持續(xù)保持此狀態(tài)24小時，系統(tǒng)提示換水，液晶屏上的提示欄顯示"Change", 如果開水區(qū)水位低，則刷新燒開信號； 工作模式二開水區(qū)未燒開
加熱水箱水位不為低的時候持續(xù)加熱，如果加熱水箱溫度檢測95'C以上持續(xù)30秒，提供 燒開信號，
保溫水箱檢測溫度高于維持在用戶設(shè)定的溫度或者保溫區(qū)水位低時，保溫水箱不加熱；如 果保溫水箱檢測溫度低于用戶設(shè)定溫度且保溫區(qū)水位不是低時，保溫水箱加熱；
流水燈滾動閃爍讓用戶直觀感覺加熱水箱在工作，根據(jù)加熱區(qū)溫度，溫度越高盞數(shù)越多， 電磁閥關(guān)，
在加熱水箱不滿的情況下，打開潛水泵將生水區(qū)的水抽入加熱水箱，直至加熱水箱滿或者 冷水區(qū)水位低，
在生水區(qū)水位低時，系統(tǒng)提示加水，液晶屏上的提示欄顯示"Add"。 有益效果
1. 實現(xiàn)滿足不同使用者的需求，可以隨意調(diào)節(jié)保溫溫度。
目前，大多數(shù)人對水溫的要求在18 45'C之間，而大多數(shù)家庭和辦公室用的飲水機不可以 由用戶設(shè)定保溫溫度，只能得到IO(TC的開水，使用極不方便。為此我們的設(shè)計中保溫溫度范 圍可設(shè)定為3(T8(TC，步進為5。C，滿足多樣化的保溫要求。因為8(TC的水溫最適合泡茶或者 咖啡，在此溫度下不會影響其中的營養(yǎng)成分。因此用戶需要的最高設(shè)定水溫為8(TC。
2. 實現(xiàn)強制加熱，使人們在智能模式下也可以得到泡茶溫度的水。
普通飲水機在用戶需要泡茶時只能將水重復(fù)燒開，據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示8(TC的水溫最適合泡茶 或者咖啡，而在此溫度下不會影響其中的營養(yǎng)成分。所以重復(fù)燒開是完全沒有必要的。我們特別設(shè)定了強制加熱按鍵，使用戶可以得到泡茶溫度的水。
3. 實現(xiàn)健康飲水，僅燒開一次，避免千滾水。
因煮沸過久或多次煮沸水中不揮發(fā)性物質(zhì)如鈣、鎂等重金屬成分和亞硝酸鹽含量很高。久 飲這種水，會干擾人的胃腸功能，造成機體缺氧，出現(xiàn)頭暈、頭痛、心慌、胸悶、惡心、嘔吐、 腹痛、腹瀉等狀況。我們的設(shè)計中的燒開區(qū)域與保溫區(qū)域完全隔離徹底杜絕了出現(xiàn)千滾水的可 能性。
4. 長時間燒開的水飲用完，提示換水。
據(jù)科學(xué)調(diào)查顯示，長時間燒開久置達24小時的水會對健康造成影響。本發(fā)明設(shè)計的飲水 機在水燒開24小時會自動提示用戶更換水，促使用戶養(yǎng)成健康飲水的習(xí)慣。
5. 節(jié)能，來人檢測的應(yīng)用。
使用者長期不在飲水機附近的時候，飲水機會自動轉(zhuǎn)入待機狀態(tài)，節(jié)約能源使用。


圖1是飲水機設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是飲水機硬件結(jié)構(gòu)框圖。
圖3是飲水機控制器功能模塊劃分示意圖。
圖4是飲水機控制面板示意圖。
圖5是冷水區(qū)到開水區(qū)水泵的工作流程圖。
圖6是開水區(qū)到溫水區(qū)水閥的工作流程圖。
圖7是溫水區(qū)加熱水箱的工作流程圖。
圖8是總外部電路示意圖。
具體實施例方式
整個飲水機包括三個容積為1.2L的水箱和連接這三個水箱的管道構(gòu)成。采用這種三水箱 結(jié)構(gòu)的目的是要滿足使用者對水溫的要求，保持生水與開水分開。其中，第一個水箱用于裝沒 有燒過的生水；第二個水箱用于燒開水，使用過程中直接將注入水箱的生水燒開到IO(TC,燒 開后就斷開電源等待下次注水；第三個水箱有保溫功能，并具有多檔可調(diào)節(jié)水溫控制器，在水 位不滿的時候抽入已經(jīng)燒開的水，用于滿足使用者對不同水溫的需求。從冷水區(qū)到開水區(qū)水的 傳輸控制器件為微型潛水泵，從開水區(qū)到溫水區(qū)水的傳輸控制器件為電磁閥。設(shè)備結(jié)構(gòu)圖見附 圖1。
本發(fā)明設(shè)計的健康節(jié)能飲水機檢測與控制系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計，模塊劃分見附圖3。 主控模塊，為高性能的可編程邏輯器件CPLD，用于系統(tǒng)所有信號的收集、邏輯處理及控制
信號的形成、輸出，實現(xiàn)飲水機各個工作狀態(tài)的功能切換，
來人檢測模塊，利用光電開關(guān)采集是否有人經(jīng)過的信號傳輸給CPLD進行邏輯分析。 水位檢測模塊，每個水箱都具有檢測高低水位的兩個信號傳輸給CPLD。水位信號的采集采
用的方法是在水箱中限定的水位處插入金屬探針，利用水和大阻值電阻的分壓，來判斷是否
到指定水位。
溫度檢測模塊，使用直接輸出數(shù)字量的集成溫度傳感器芯片DS18B20，此芯片的成本并不 高，并且精度高，僅需要占用一個I/0端口，用CPLD與其通信可以得到滿足需要精度的溫度。主控模塊CPLD控制流水燈以及液晶屏實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)顯示。 一排8個LED燈顯示加熱區(qū)的 大概溫度和加熱狀態(tài)。加熱時燈閃爍，不加熱時燈穩(wěn)定發(fā)光，給用戶一個直觀的印象。液晶屏 顯示當(dāng)前保溫區(qū)的溫度以及用戶設(shè)定的溫度，并顯示當(dāng)前的系統(tǒng)的狀態(tài)(待機、錯誤以及正常) 以及需要用戶采取的措施(加水、換水以及正常)。
面板上還設(shè)有Reset鍵、Force按鍵、Smart按鍵、SetDown按鍵、SetUp按鍵，實現(xiàn)人工 對飲水機工作狀態(tài)的設(shè)定和干預(yù)。其中Reset鍵清零系統(tǒng)的狀態(tài)、Force鍵強制加熱、Smart 鍵切換回智能狀態(tài)、SetUp鍵提高設(shè)定溫度、SetDown鍵降低設(shè)定溫度，步進均為5'C。.
系統(tǒng)分為正常工作、故障、待機等3個狀態(tài)。正常工作時，系統(tǒng)一切正常，并會按狀態(tài)執(zhí) 行操作、顯示提示；待機狀態(tài)下，只有當(dāng)來人信號和水位信號判別正常的時候，系統(tǒng)會回到正 常工作的狀態(tài)；故障狀態(tài)下，只有reset可以讓系統(tǒng)冋到正常工作狀態(tài)。
系統(tǒng)的工作邏輯如下
(1) 開水區(qū)將自來水一次燒開，然后不加熱。
(2) 保溫模式下，溫水區(qū)將來自開水區(qū)的水維持在用戶設(shè)定的溫度。
(3) 在強制加熱模式下，溫水區(qū)將來自開水區(qū)的水快速加熱到80'C。
(4) 在開水區(qū)空的情況下，生水區(qū)中的水加入開水區(qū)，直到冷水區(qū)水位低或者開水區(qū)滿。
(5) 在溫水區(qū)不滿的情況下，將開水區(qū)燒開的水加入溫水區(qū)，直到溫水區(qū)水位滿或者開 水區(qū)水位低。
(6) 在長時間沒有人進入的時候，會進入待機狀態(tài)。
(7) 水位檢測異常，進入待機報錯狀態(tài)。
(8) 在生水區(qū)不滿的情況下提示加水。
(9) 燒的開水長時間沒有飲用完，提示建議換水。
(一)健康節(jié)能飲水機硬件結(jié)構(gòu)
該健康節(jié)能飲水機由主控模塊l、繼電器模塊2、水溫檢測模塊3、來人檢測模塊4、水位 檢測模塊5、加熱模塊6、保溫模塊7、液晶顯示模塊8組成。其中，主控模塊l可接收水溫檢 測模塊3、來人檢測模塊4和水位檢測模塊5的信號作為進行下一步操作的依據(jù)。主控模塊直 接控制繼電器模塊2和液晶顯示模塊8，繼電器模塊決定加熱模塊6、保溫模塊7的工作與否， 來實現(xiàn)加熱、保溫還是待機等多種操作；液晶顯示模塊8控制液晶屏，顯示設(shè)定保溫溫度、保 溫水箱內(nèi)的即時溫度、飲水機即時的工作狀態(tài)以及提示語。具體硬件的聯(lián)系框圖如圖3。
1. 主控模塊
主控模塊選用Altera公司的可編程邏輯器件EPM1270T144C5N，用于系統(tǒng)所有信號的收集、 處理及控制信號的形成、輸出，實現(xiàn)飲水機各個邏輯狀態(tài)的功能切換，并且要有一定的處理速 度，與其它模塊連接接口簡便等。
2. 繼電器控制模塊
繼電器控制模塊使用服3FF-DC12V-SH(T73)型繼電器。選擇繼電器考慮的首要標準是觸點 電流值。因為外圍電路中有220V交流電源，繼電器必須能夠承受足夠大的電流，否則容易燒 毀器件。服3FF-DC12V-SH(T73)型繼電器的觸點電流為IOA，最大切換電流為15A，可滿足應(yīng)用 的需要。
考慮到要利用CPLD提供的'0'， 'l'信號控制繼電器的通斷，而CPLD輸出'l'信號為
93.3V,輸出電流為幾mA量級。經(jīng)實驗測量，服3FF-DC12V-SH(T73)繼電器的線圈內(nèi)驅(qū)動電流為 20mA左右。顯然，CPLD輸出的電流不足以驅(qū)動繼電器的通斷，所以選用三極管2N3904作為放 大器件，其集電極最大電流Ic(max)可達200mA，足夠驅(qū)動繼電器。
考慮輸出直流電中可能會有交流成分干擾，在三極管的基極b和射極e之間加一個電容(選 用O. luF的電容)。此外，如果輸出不能保證三極管be級間的0.7V的正常靜態(tài)工作壓降，三 極管將不具有放大作用，繼而繼電器也無法正常工作，所以在CPLD輸出端和三極管的基極之 間加了一個二極管，保證三極管能夠處在放大區(qū)。
CPLD輸出管腳與二極管間加上阻值為1KQ的電阻，將CPLD上輸出的電壓信號轉(zhuǎn)為電流信 號，便于下一步對此電流進行放大以驅(qū)動繼電器。
通斷型繼電器利用電磁感應(yīng)效應(yīng)進行工作，如果斷開后，線圈中可能出現(xiàn)很高的反向電動 勢，會對器件造成傷害，所以在繼電器的線圈兩端按感應(yīng)電動勢的電位高低方向加了一個正向 二極管IN4148 (最大反向電壓100 V、正向電壓1V)，以便線圈中方向電動勢的釋放。
3. 水溫檢測模塊
水溫檢測模塊選用DS18B20芯片，其體積小，采用l線制總線結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟靈活。檢測溫度 的范圍在-55 、25'C之間，精度為2-5'C。
在外接電路中只需給DS18B20的VDD端和GND端分別接上5V電源和接地即可，在數(shù)據(jù)輸 出端給其加上拉電阻(4.7KQ)再接至5V電源，可保證輸出的數(shù)據(jù)能夠正常地串行傳送。具 體的數(shù)據(jù)傳輸由CPLD直接跟DS18B20之間交互按通訊協(xié)議規(guī)定進行。
4. 來人檢測模塊
來人檢測模塊利用接近開關(guān)的特性有人經(jīng)過時接近開關(guān)數(shù)據(jù)線出高電平。將光電接近開 關(guān)的輸出信號作為LM339的一個輸入，基準比較電壓使用5V。有人時LM339判斷后輸出5V, 沒有人經(jīng)過時，LM339輸出0V。借助LM339的比較結(jié)果形成的標準高低電平5V, 0V作為邏輯 信號"1"， "0"接入CPLD以供判斷是否有人之用。
5. 水位檢測模塊
水位檢測模塊利用金屬絲作為水位檢測探針。如果未達到水位，則兩個探針間的電阻接近 無窮大，當(dāng)水位探針被水浸沒后，水導(dǎo)電使整個電路導(dǎo)通。采用12V源，且利用水和選擇的 分壓電阻之間的分壓，將分到的電壓值輸入到LM339 (比較器)的負輸入端，將LM339的輸出 接到CPLD上，以達到檢測水位的目的。
由于純水為不良導(dǎo)體，阻值比較大，分壓電阻的阻值也相應(yīng)要求比較大。 此外，LM339內(nèi)部使用0C門的輸出方式，所以在4個輸出端口輸出信號時，都要先接一個 4.7KQ的上拉電阻，然后再接到5V電源處，防止電流倒灌進入芯片，對芯片造成損害。
6. 加熱模塊6、保溫模塊7
加熱模塊和保溫模塊使用普通的電熱水箱用以加溫和保溫。
7. 液晶顯示模塊8
液晶顯示模塊選用2X16的字符型液晶顯示屏。CPLD根據(jù)所有輸入信號進行分析，然后控 制液晶屏。液晶屏可顯示設(shè)定保溫溫度、保溫水箱內(nèi)的即時溫度、飲水機即時的工作狀態(tài)以及 提示語。
(二)飲水機控制的可靠性分析l.水溫檢測誤差的問題
水溫檢測芯片DS18B20在安置的時候出于衛(wèi)生等方面考慮只放置在水箱的外壁上，外壁測 得的水溫必定會與實際有一定的誤差。因此，DS18B20采集得到的溫度不能直接應(yīng)用，需要進 行誤差擬合處理。
為了得到準確的溫度，將DS18B20檢測到的溫度與直接檢測得到的溫度進行比較，得到下 表(DS18B20檢測的為Scan,真實溫度為Real,單位為。C)
Real2122232425262728293031323334353637
Scan2021212222232324252627282929303132
Real3839404142434445464748495051525354
Scein3334343536373738394041424344444546
Real5556575859606162636465666768697071
Scan4647484950515253535455565758595960
Real7273747576777879808182838485868788
Scan6162636465656667686869707071727374
Real8990919293949596979899
7576767778798081828384
由上表測試數(shù)據(jù)，可得實際溫度和檢測溫度誤差曲線，分析誤差曲線可得隨著水溫上升， 實際水溫和檢測水溫絕對誤差逐漸變大。需將檢測水溫做函數(shù)處理，讓其擬合實際水溫。對于 一個只需要整數(shù)級處理的溫度量其需要譯碼的數(shù)目極為有限，故采用直接譯碼電路實現(xiàn)，既簡 潔易懂，又節(jié)約邏輯單元。
2. 水閥的噪聲問題
電磁閥通斷改變時會有比較大的噪音，而電磁閥的通斷控制與水位檢測直接相關(guān)。釆用的 水位檢測方案會在水面剛剛到達高水位線的時候由于水的表面張力以及水面波動會讓高水位 線出現(xiàn)波動，從而導(dǎo)致電磁閥不停開斷。所以，考慮在電磁閥打開的狀態(tài)下，開始計時至30 秒再檢測水位狀態(tài)，這樣水位已經(jīng)穩(wěn)定，避免了電磁闊的抖動。
但是，這樣可能造成保溫水箱在高水位的時候沒有及時關(guān)閉導(dǎo)致水溢出。通過多次觀察流 經(jīng)閥門的水流速度，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)降低保溫水箱的高水位線，基本可以確保水不會溢出。
3. 關(guān)于待機狀態(tài)的回跳問題
待機狀態(tài)的情況下，如果有人進入或者加水后打破hold狀態(tài)應(yīng)該回到之前的狀態(tài)。為解 決這個問題，首先考慮A:保存前一狀態(tài)，在hold狀態(tài)解除的情況下跳轉(zhuǎn)到那一個狀態(tài)。但是， 發(fā)現(xiàn)這樣的一種保存并沒有太大意義，因為在絕大多數(shù)狀態(tài)下不需要保存前一狀態(tài)，更重要的 是很有可能在待機時情況發(fā)生了改變，例如水位的變化，溫度的變化，所以單純回到前一狀態(tài)
并不是理想的辦法。改為考慮方案B:設(shè)計一個通用狀態(tài)，這個狀態(tài)是專門用來判別現(xiàn)在系統(tǒng)
11應(yīng)該進入什么狀態(tài)的。這樣在每次狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的時候，其他狀態(tài)都跳轉(zhuǎn)到通用狀態(tài)，再由通用狀 態(tài)轉(zhuǎn)跳到下一個狀態(tài)。這樣的設(shè)計建立在這樣一個對于狀態(tài)跳轉(zhuǎn)速度要求不高的系統(tǒng)的情況 下，同時這樣的設(shè)計還解決了待機狀態(tài)的轉(zhuǎn)跳問題，更好的是在系統(tǒng)狀態(tài)有小差錯的情況下， 仍然可以很快地跳轉(zhuǎn)到通用狀態(tài)，從而選擇到正確的狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種健康節(jié)能飲水機，其特征在于該飲水機包括三個順序串聯(lián)連接的水箱和連接這三個水箱的管道以及控制器；其中，第一水箱(1)為進水端，用于裝沒有燒過的生水；第二水箱(2)用于燒開水，使用過程中直接將注入水箱的生水燒開，燒開后就斷開電源等待下次注水；第三水箱(3)設(shè)有出水口，有保溫功能，并具有多檔可調(diào)節(jié)水溫控制器，在水位不滿的時候就抽入已經(jīng)燒開的水，用于滿足使用者對不同水溫的需求；從冷水區(qū)到開水區(qū)水的傳輸控制器件為微型潛水泵，從開水區(qū)到溫水區(qū)水的傳輸控制器件為電磁閥；控制器自動控制整個飲水機的工作。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的健康節(jié)能飲水機，其特征在于所述的控制器包括 主控模塊選用可編程邏輯器件CPLD用于系統(tǒng)所有信號的收集、邏輯處理及控制信號的形成、輸出，實現(xiàn)飲水機各個工作狀態(tài)切換；來人檢測模塊利用光電開關(guān)采集是否有人經(jīng)過的信號傳輸給CPLD進行邏輯分析； 水位檢測模塊:在每個水箱中限定的水位處插入金屬探針，利用水和大阻值電阻的分壓，來判斷是否到指定水位；每個水箱都輸出兩個分別指示高、低水位的信號給CPLD;水溫檢測模塊使用直接輸出數(shù)字量的集成溫度傳感器芯片，用CPLD與其通信得到滿足需要精度的溫度；繼電器控制模塊CPLD控制輸出高低電平，經(jīng)三極管放大，作為控制繼電器的控制信 號，控制溫水箱、熱水箱、潛水泵的220V交流工作電源，決定其是否工作；此外，在電磁 閥直流12V工作電源回路中也加入繼電器，CPLD提供的繼電器控制信號經(jīng)放大后控制電磁 閥工作與否；人機交互模塊接收來自于CPLD的控制信號，通過液晶屏和彩色LED直觀顯示系統(tǒng)當(dāng) 前工作狀態(tài)；通過面板上的若干按鍵反饋信號給CPLD設(shè)定系統(tǒng)工作狀態(tài)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的健康節(jié)能飲水機，其特征在于所述的控制器中 水位檢測模塊水位探針連接導(dǎo)線，經(jīng)過電阻分壓和比較器LM339，比較器輸出連接主控模塊CPLD的IO口，給CPLD提供各水箱當(dāng)前水位信號，分別表示三個水箱的高、低水位 信號；水溫檢測模塊數(shù)字型溫度傳感器DS18B20采用1-Wire接口，此數(shù)據(jù)線連接主控模塊 CPLD的I/O 口 ，給CPLD芯片提供實時數(shù)字溫度數(shù)據(jù)；來人檢測模塊光電傳感器輸出信號經(jīng)過比較器LM339判斷后輸出高低電平，接入主控 模塊CPLD芯片10 口 ，以判斷是否有人靠近；繼電器控制模塊主控模塊CPLD根據(jù)輸入的水溫、水位、來人與否等信息及預(yù)設(shè)的控 制邏輯產(chǎn)生控制輸出信號，經(jīng)三極管放大后作為繼電器控制模塊各個繼電器的控制輸入信 號，控制溫水箱、熱水箱、潛水泵的220V交流工作電源和電磁閥12V直流工作電源，決定 其是否工作；人機交互模塊形象顯示溫度的彩色LED指示燈直接與主控模塊CPLD的I/O 口相連， 顯示、閃爍、循環(huán)等動作由CPLD直接控制液晶模塊的所有顯示信息均由CPLD芯片直接提 供，輸入按鍵的信號直接連接到CPLD外接的I/O端口 ，直接輸入信號給CPLD作為控制信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的健康節(jié)能飲水機，其特征在于所述的控制器中主控 模塊CPLD的控制邏輯為控制器主控模塊CPLD輸入信號有1)生水區(qū)、加熱區(qū)和保溫區(qū)水位高、低信號；2) 保溫水箱以及熱水箱的溫度檢測芯片DS18B20的溫度反饋信號；3)來人檢測模塊光電傳感 器的來人檢測信號；4)用戶交互面板上的Reset按鍵、Force按鍵、Smart按鍵、SetDown 按鍵、SetUp按鍵信號；輸出信號有1)加熱水箱加熱信號；2)保溫水箱加熱信號；3)潛水泵控制信號；4) 電磁閥控制信號；5)液晶顯示模塊控制信號；6)流水燈控制信號；控制器主控模塊CPLD的控制邏輯設(shè)計采用狀態(tài)機理論，實現(xiàn)了一個多輸入多輸出系統(tǒng)， 根據(jù)系統(tǒng)運行特性，系統(tǒng)運行狀態(tài)分成4種報錯狀態(tài)、待機狀態(tài)、智能保溫狀態(tài)、強制加 熱狀態(tài)；報錯狀態(tài)出現(xiàn)在系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤的情況下，包括1)對于同一個水箱檢測到高水位信號 而沒有檢測到低水位信號；2)溫度檢測顯示長時間超過100'C;在報錯狀態(tài)下，流水燈全滅、潛水泵關(guān)閉、電磁閥關(guān)閉、保溫水箱加熱關(guān)閉、加熱水箱加熱關(guān)閉、液晶屏狀態(tài)欄顯示error,系統(tǒng)從錯誤狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至智能保溫狀態(tài)只能通過用戶交 流面板上的Reset按鍵；待機狀態(tài)出現(xiàn)在如下情況下，包括1)來人檢測信號超過一小時持續(xù)表示無人；2)三 個水箱水位檢測全為低；在待機狀態(tài)下，流水燈全滅、潛水泵關(guān)閉、電磁閥關(guān)閉、保溫水箱加熱關(guān)閉、加熱水箱 加熱關(guān)閉、液晶屏狀態(tài)欄顯示Hold，系統(tǒng)從待機狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至智能保溫狀態(tài)的條件為1)來 人檢測信號傳遞表示有人的信號；2)在生水區(qū)加水改變?nèi)齻€水箱均是低水位的情況；強制加熱狀態(tài)出現(xiàn)在系統(tǒng)處于智能保溫狀態(tài)時候，用戶按下Force鍵之后；在強制加熱狀態(tài)下，保溫水箱全力加熱、液晶屏狀態(tài)欄顯示Force，加熱水箱、潛水泵 和電磁闊均遵循智能狀態(tài)下的工作方式；系統(tǒng)從待機狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至智能保溫狀態(tài)的條件為1)用戶按下面板上的Smart鍵；2)保 溫水箱的溫度檢測到達8(TC;除了待機狀態(tài)、報錯狀態(tài)、強制加熱狀態(tài)，系統(tǒng)均處于智能保溫狀態(tài)；智能保溫狀態(tài)根據(jù)開水區(qū)水是否燒開分為兩種工作模式；工作模式一開水區(qū)己燒開加熱水箱不加熱保溫水箱檢測溫度高于維持在用戶設(shè)定的溫度或者保溫區(qū)水位低時，保溫水箱不加熱， 如果保溫水箱檢測溫度低于用戶設(shè)定溫度且保溫區(qū)水位不是低時，保溫水箱加熱， 流水燈固定顯示，根據(jù)加熱區(qū)溫度，溫度越高盞數(shù)越多， 潛水泵關(guān)，在保溫水箱不滿的情況下，打開電磁閥將加熱水箱燒開的水加入溫水區(qū)，直到溫水區(qū)水 位滿或者開水區(qū)水位低，在生水區(qū)水位低時，系統(tǒng)提示加水，液晶屏上的提示欄顯示"Add", 持續(xù)保持此狀態(tài)24小時，系統(tǒng)提示換水，液晶屏上的提示欄顯示"Change", 如果開水區(qū)水位低，則刷新燒開信號；工作模式二開水區(qū)未燒開加熱水箱水位不為低的時候持續(xù)加熱，如果加熱水箱溫度檢測95'C以上持續(xù)30秒，提 供燒開信號，保溫水箱檢測溫度高于維持在用戶設(shè)定的溫度或者保溫區(qū)水位低時，保溫水箱不加熱； 如果保溫水箱檢測溫度低于用戶設(shè)定溫度且保溫區(qū)水位不是低時，保溫水箱加熱；流水燈滾動閃爍讓用戶直觀感覺加熱水箱在工作，根據(jù)加熱區(qū)溫度,溫度越高盞數(shù)越多， 電磁閥關(guān)，在加熱水箱不滿的情況下，打開潛水泵將生水區(qū)的水抽入加熱水箱，直至加熱水箱滿或 者冷水區(qū)水位低，在生水區(qū)水位低時，系統(tǒng)提示加水，液晶屏上的提示欄顯示"Add"。
全文摘要
健康節(jié)能飲水機是以健康節(jié)能為目標，基于可編程邏輯器件進行飲水機的重新構(gòu)建與控制邏輯的設(shè)計，為家庭和辦公室的使用者設(shè)計，采用多種技術(shù)以最大限度滿足不同使用者的需求，該飲水機包括三個順序串聯(lián)連接的水箱和連接這三個水箱的管道以及控制器；其中，第一水箱(1)為進水端，用于裝沒有燒過的生水；第二水箱(2)用于燒開水，使用過程中直接將注入水箱的生水燒開，燒開后就斷開電源等待下次注水；第三水箱(3)設(shè)有出水口，有保溫功能，并具有多檔可調(diào)節(jié)水溫控制器，在水位不滿的時候就抽入已經(jīng)燒開的水，用于滿足使用者對不同水溫的需求；從冷水區(qū)到開水區(qū)水的傳輸控制器件為微型潛水泵，從開水區(qū)到溫水區(qū)水的傳輸控制器件為電磁閥；控制器自動控制整個飲水機的工作。
文檔編號A47J31/00GK101579192SQ20091002660
公開日2009年11月18日 申請日期2009年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月5日
發(fā)明者吳在軍, 志 張, 王霄洲, 胡仁杰, 胡秦然 申請人:東南大學(xué)