一種多參數(shù)快速加熱飲水器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多參數(shù)快速加熱飲水器，其包括有通過管路依次連接的水箱、抽水泵和加熱器，該飲水器還包括有控制器、第一開關單元和第二開關單元，水箱上設有第一溫度傳感器，加熱器上設有第二溫度傳感器，第一溫度傳感器和第二溫度傳感器分別連接控制器，控制器與交流電源之間連接有交流電壓采集單元，控制器用于接收第一溫度傳感器和第二溫度傳感器提供的溫度參數(shù)以及交流電壓采集單元提供的電壓參數(shù)，并利用PID算法計算兩路開關控制量，再將兩路開關控制量轉換為兩路PWM信號而分別傳輸至第一開關單元和第二開關單元，以控制第一開關單元和第二開關單元的通斷間隔。本發(fā)明具有控制精度高、成本低廉等優(yōu)勢。
【專利說明】一種多參數(shù)快速加熱飲水器及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及飲水器，尤其涉及一種多參數(shù)快速加熱飲水器及其控制方法。
【背景技術】
[0002]目前，以咖啡壺為代表的一類快速加熱飲水器，需要將出水溫度控制在99°C左右，從而避免因溫度太高引起汽化，導致水滴飛濺、嘔水、斷流以及反復沸騰而引起噪音等，現(xiàn)有的快速加熱飲水器電路原理框圖如圖9所示，水箱11、抽水泵12和加熱器13通過管路依次連接，該飲水器還包括有控制器15、第一開關單元16和第二開關單元17，第一開關單元16與抽水泵12串接后連接于交流電源兩端，第二開關單元17與加熱器13串接后連接于交流電源兩端，加熱器13的側壁設有第一溫度傳感器19，飲水器的出水口處設有第二溫度傳感器14，第一溫度傳感器19和第二溫度傳感器14采集的溫度信號傳輸至控制器15，由控制器15控制加熱器13加熱以及抽水泵12抽水，由于兩個傳感器分別檢測加熱器13側壁的溫度以及飲水器出水口處的水溫，所以此類控制方式屬于反饋控制，受反饋信號的滯后影響，以及受抽水泵12、加熱器13等器件誤差的影響，導致控制器15對抽水泵12、加熱器13的控制精度要求不高，誤差較大，容易導致溫度過沖而出現(xiàn)水滴飛濺、嘔水、斷流、反復沸騰等現(xiàn)象。另外，由于第二溫度傳感器14檢測出水溫度并且直接與水接觸，而第一溫度傳感器19僅檢測加熱器13側壁的溫度，所以第二溫度傳感器14的結構較第一溫度傳感器19而言十分復雜，并且第二溫度傳感器14的價格高于第一溫度傳感器19數(shù)十倍，大大增加了產品成本。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術問題在于，針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種控制精度高、成本低廉的一種多參數(shù)快速加熱飲水器及其控制方法。
[0004]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案。
[0005]一種多參數(shù)快速加熱飲水器，其包括有通過管路依次連接的水箱、抽水泵和加熱器，該飲水器還包括有控制器、第一開關單元和第二開關單元，第一開關單元與抽水泵串接后連接于交流電源兩端，第二開關單元與加熱器串接后連接于交流電源兩端，水箱上設有第一溫度傳感器，加熱器上設有第二溫度傳感器，第一溫度傳感器和第二溫度傳感器分別連接控制器，所述控制器與交流電源之間連接有交流電壓采集單元，控制器用于接收第一溫度傳感器和第二溫度傳感器提供的溫度參數(shù)以及交流電壓采集單元提供的電壓參數(shù)，并利用PID算法計算兩路開關控制量，再將兩路開關控制量轉換為兩路PWM信號而分別傳輸至第一開關單元和第二開關單元，以控制第一開關單元和第二開關單元的通斷間隔。
[0006]優(yōu)選地，控制器連接有穩(wěn)壓單元，穩(wěn)壓單元包括有依次連接的第一整流管和穩(wěn)壓管，第一整流管的輸出端與地之間連接有濾波電容和穩(wěn)壓管，第一整流管與穩(wěn)壓管的連接點用于為第一開關單元提供驅動電壓，穩(wěn)壓管的輸出端用于為控制器提供電源。
[0007]優(yōu)選地，抽水泵是直流抽水泵，該抽水泵串聯(lián)有第五整流管。[0008]優(yōu)選地，第一開關單元包括有第一晶閘管和第一 NPN管，第一晶閘管與抽水泵相串聯(lián)，第一 NPN管的集電極接入驅動電壓，其基極接入控制器的PWM信號，其發(fā)射極用于輸出驅動電壓至第一晶閘管的門極。
[0009]優(yōu)選地，第二開關單元包括有第二晶閘管和光耦，第二晶閘管與加熱器相串聯(lián)，光耦的控制側連接控制器以接收通斷控制信號，光耦的開關側連接于第二晶閘管的門極與陽極之間。
[0010]優(yōu)選地，還包括有第五NPN管，第五NPN管的基極通過限流電阻連接交流電源，該第五NPN管的發(fā)射極接地，其集電極通過上拉電阻接高電位，并且該集電極的電信號傳輸至控制器。
[0011 ] 優(yōu)選地，交流電壓采集單元包括有連接于交流電源兩端并且依次串聯(lián)的第四整流管和兩個分壓電阻，兩個分壓電阻連接點的電信號傳輸至控制器。
[0012]優(yōu)選地，還包括有按鍵、第三NPN管、第四NPN管、紅LED及綠LED，按鍵的一端接地，其另一端連接于控制器，第三NPN管和第四NPN管的基極分別連接于控制器，第三NPN管和第四NPN管的集電極分別通過限流電阻接高電位，第三NPN管和第四NPN管的發(fā)射極分別串聯(lián)紅LED和綠LED，并且由紅LED和綠LED的陰極接地。
[0013]上述多參數(shù)快速加熱飲水器的控制方法包括如下步驟:步驟SI，系統(tǒng)初始化；步驟S2，獲取當前時間；步驟S3，獲取第一溫度傳感器和第二溫度傳感器提供的溫度參數(shù)以及交流電壓采集單元提供的電壓參數(shù)；步驟S4，根據(jù)溫度參數(shù)和電壓參數(shù)，利用PID算法計算兩路開關控制量；步驟S5，是否達到預設采樣周期，若是，則執(zhí)行步驟S6，若否則返回至步驟S2 ;步驟S6，將兩路開關控制量轉換為兩路PWM信號而分別傳輸至第一開關單元和第二開關單元，以驅動抽水泵運轉以及加熱器加熱。
[0014]優(yōu)選地，步驟S4中，計算開關控制量之后，執(zhí)行設置空載加熱步驟，并判斷是否有按鍵輸入，若無按鍵輸入，則保持空載加熱，若有按鍵輸入，則調用flash函數(shù)，獲取閃存數(shù)據(jù)并執(zhí)行步驟S5。
[0015]本發(fā)明公開的多參數(shù)快速加熱飲水器，其相比現(xiàn)有技術而言的有益效果在于:
[0016]1、控制器通過能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的PID算法，對抽水泵、加熱器進行精確控制，有效解決了溫度過沖以及抽水泵、加熱器等器件誤差對飲水器控制精度的影響；2、無需在出水口處設置與水直接接觸的水溫傳感器，從而大大降低了產品的成本；3、進一步避免了水滴飛濺、嘔水、斷流以及反復沸騰而引起噪音等不良現(xiàn)象。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明多參數(shù)快速加熱飲水器的電路原理框圖。
[0018]圖2為穩(wěn)壓單元和開關單元的電路原理圖。
[0019]圖3為控制器的電路原理圖。
[0020]圖4為傳感器連接于控制器的電路原理圖。
[0021]圖5為交流電壓轉直流脈沖電路原理圖。
[0022]圖6為交流電壓采集單元電路原理圖。
[0023]圖7為按鍵和顯示部分的電路原理圖。
[0024]圖8為本發(fā)明多參數(shù)快速加熱飲水器的控制方法的流程圖。[0025]圖9為現(xiàn)有的快速加熱飲水器電路原理框圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作更加詳細的描述。
[0027]—種多參數(shù)快速加熱飲水器，如圖1至圖4所示，其包括有通過管路依次連接的水箱1、抽水泵2和加熱器3，該飲水器還包括有控制器5、第一開關單元6和第二開關單元7，請參見圖3，控制器5包括有單片機U3及其外圍電路，第一開關單元6與抽水泵2串接后連接于交流電源兩端，第二開關單元7與加熱器3串接后連接于交流電源兩端，水箱I外側壁設有第一溫度傳感器8，加熱器9上設有第二溫度傳感器9，第一溫度傳感器8和第二溫度傳感器9分別連接控制器5。請參見圖4，第一溫度傳感器8與電阻R7串聯(lián)后連接于高電位VDD_MCU與地之間，并且二者的連接點連接于單片機U3的模擬量端口 ADl，類似地，第二溫度傳感器9與電阻R6串聯(lián)后連接于高電位VDD_MCU與地之間，并且二者的連接點連接于單片機U3的模擬量端口 AD0，控制器5與交流電源之間連接有交流電壓采集單元11，控制器5用于接收第一溫度傳感器8提供的溫度參數(shù)Th、第二溫度傳感器9提供的溫度參數(shù)Ta以及交流電壓采集單元11提供的電壓參數(shù)U，并利用PID算法計算兩路開關控制量Dh、Dp,再將兩路開關控制量Dh、Dp轉換為兩路PWM信號而分別傳輸至第一開關單元6和第二開關單元7，以控制第一開關單元6和第二開關單元7的通斷間隔，該PID算法是比例積分微分控制算法。
[0028]該多參數(shù)快速加熱飲水器利用設于水箱I上的第一溫度傳感器8以及設于加熱器9之上的第二溫度傳感器9進行溫度檢測，其中，控制器5根據(jù)溫度參數(shù)Th進行的數(shù)據(jù)處理及信號輸出構成前饋控制，控制器5根據(jù)溫度參數(shù)Ta進行的數(shù)據(jù)處理及信號輸出構成反饋控制，同時根據(jù)交流電壓采集單元11提供的電壓參數(shù)U判斷飲水器的上電狀態(tài)以及供電電壓，再結合溫度參數(shù)Th、溫度參數(shù)Ta和電壓參數(shù)U，利用能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的PID算法，精確控制抽水泵2的出水量和加熱器3的加熱功率，避免了溫度過沖以及抽水泵2、加熱器3等器件誤差對飲水器控制精度的影響，并且有效避免水滴飛濺、嘔水、斷流以及反復沸騰而引起噪音等不良現(xiàn)象，同時，無需在出水口處設置與水直接接觸的水溫傳感器，從而大大降低了產品的成本。
[0029]結合圖1和2，控制器5連接有穩(wěn)壓單元10，穩(wěn)壓單元10包括有依次連接的第一整流管Dl和穩(wěn)壓器Ul，第一整流管Dl的輸出端與地之間連接有濾波電容C5和穩(wěn)壓二極管D3，第一整流管Dl與穩(wěn)壓二極管D3的連接點用于為第一開關單元6提供驅動電壓VINjI壓器Ul的輸出端用于為控制器5提供電源，該穩(wěn)壓器Ul可以是7805穩(wěn)壓管，其輸出端為高電位VDD_MCU，其中，驅動電壓VIN大于高電位VDD_MCU，以便于提供不同值的電壓。
[0030]結合圖1和2，抽水泵2是直流抽水泵，該抽水泵2串聯(lián)有第五整流管D5，第一開關單元6包括有第一晶閘管TRl和第一 NPN管Ql，第一晶閘管TRl與抽水泵2相串聯(lián)，第一NPN管Ql的集電極接入驅動電壓，具體地，該集電極可連接高電位VDD_MCU，其基極接入控制器5的PWM信號，其發(fā)射極用于輸出驅動電壓至第一晶閘管TRl的門極，該第一 NPN管Ql在PWM信號的驅動下，將高電位VDD_MCU電壓傳輸至第一晶閘管TR1，控制第一晶閘管TRl的通斷,進而調整電動機2的上電時長。
[0031]第二開關單元7的電路結構與第一開關單元6有所不同，該第二開關單元7包括有第二晶閘管TR2和光耦U2，第二晶閘管TR2與加熱器3相串聯(lián)，光耦U2的控制側連接控制器5以接收通斷控制信號，光耦U2的開關側連接于第二晶閘管TR2的門極與陽極之間，進一步地，該光耦U2控制側的發(fā)光管陽極通過電阻R15接高電位VDD_MCU，其陰極接收控制器5的PWM信號，以控制第二晶閘管TR2的通斷，進而調整電熱器3的上電時長。
[0032]上述第一開關單元6與第二開關單元7均采用成本低廉的常用元器件，在保證準確產生開關動作的基礎之上，還使得飲水器具有較低廉的產品成本。
[0033]結合圖1和圖5所示，該多參數(shù)快速加熱飲水器還包括有交流電壓轉直流脈沖電路，該電路包括有第五NPN管Q5，第五NPN管Q5的基極通過限流電阻R23連接交流電源，該第五NPN管Q5的發(fā)射極接地，其集電極通過上拉電阻R20接高電位VDD_MCU，并且該集電極的電信號傳輸至控制器5，該電路用于采集交流電源的電壓變化周期，通過第五NPN管Q5將交流電壓的波形變化轉換為直流電壓跳變信號并且傳輸至控制器5，使得輸出信號的跳變與對應的交流電壓的變化同步，從而進一步提高控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。
[0034]結合圖1和圖6，交流電壓采集單元11包括有連接于交流電源兩端并且依次串聯(lián)的第四整流管D4和兩個分壓電阻R16、R5，兩個分壓電阻R16、R5連接點的電信號傳輸至控制器5，使得交流電源的電壓經過整流之后傳輸至控制器5。
[0035]結合圖1和圖7，為了便于操控與顯示，還包括有按鍵SW1、第三NPN管Q3、第四NPN管Q4、紅LED及綠LED，按鍵SWl的一端接地，其另一端連接于控制器5，第三NPN管Q3和第四NPN管Q4的基極分別連接于控制器5，第三NPN管Q3和第四NPN管Q4的集電極分別通過限流電阻接高電位，第三NPN管Q3和第四NPN管Q4的發(fā)射極分別串聯(lián)紅LED和綠LED，并且由紅LED和綠LED的陰極接地。
[0036]為了更好地將上述結構的快速加熱飲水器與實際應用相結合，本發(fā)明還公開一種多參數(shù)快速加熱飲水器的控制方法，結合圖1和圖8所示，該方法包括如下步驟:
[0037]步驟SI，系統(tǒng)初始化，包括上升沿中斷初始化、FlexiTimer2設置初始化和PWM周期初始化，該FlexiTimerf是定時器函數(shù)；
[0038]步驟S2，獲取當前時間t ；
[0039]步驟S3，獲取第一溫度傳感器8和第二溫度傳感器9提供的溫度參數(shù)Th、Ta以及交流電壓采集單元11提供的電壓參數(shù)U ；
[0040]步驟S4，根據(jù)溫度參數(shù)Th、Ta和電壓參數(shù)U，利用PID算法計算兩路開關控制量Dh、Dp,之后，優(yōu)選執(zhí)行設置空載加熱步驟，并判斷是否有按鍵輸入，若無按鍵輸入，則保持空載加熱，若有按鍵輸入，則調用flash函數(shù)，該flash函數(shù)用于執(zhí)行事件調度，獲取閃存數(shù)據(jù)并執(zhí)行步驟S5，該flash函數(shù)的具體解釋為:標記控制動作(開啟水泵、第一階段PID控制、第二階段PID控制、停止加熱、停止供水)的執(zhí)行時刻；
[0041]步驟S5，是否達到預設采樣周期，若是，則執(zhí)行步驟S6，若否則返回至步驟S2 ；
[0042]步驟S6，將兩路開關控制量Dh、Dp轉換為兩路PWM信號而分別傳輸至第一開關單元6和第二開關單元7，以驅動抽水泵2運轉以及加熱器3加熱。
[0043]本發(fā)明公開的多參數(shù)快速加熱飲水器及其控制方法中，控制器5接收溫度參數(shù)Th、溫度參數(shù)Ta和電壓參數(shù)U,結合前饋控制與反饋控制，通過能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的PID算法，對抽水泵2、加熱器3進行精確控制，有效解決了溫度過沖以及抽水泵、加熱器等器件誤差對飲水器控制精度的影響，適于在本領域內推廣應用。同時，有效避免水滴飛濺、嘔水、斷流以及反復沸騰而引起噪音等不良現(xiàn)象，此外，無需在出水口處設置與水直接接觸的水溫傳感器，從而大大降低了產品的成本。
[0044]以上只是本發(fā)明較佳的實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的技術范圍內所做的修改、等同替換或者改進等，均應包含在本發(fā)明所保護的范圍內。
【權利要求】
1.一種多參數(shù)快速加熱飲水器，包括有通過管路依次連接的水箱、抽水泵和加熱器，該飲水器還包括有控制器、第一開關單元和第二開關單元，所述第一開關單元與抽水泵串接后連接于交流電源兩端，所述第二開關單元與加熱器串接后連接于交流電源兩端，其特征在于:所述水箱外側壁設有第一溫度傳感器，所述加熱器上設有第二溫度傳感器，所述第一溫度傳感器和第二溫度傳感器分別連接控制器，所述控制器與交流電源之間連接有交流電壓采集單元，所述控制器用于接收第一溫度傳感器和第二溫度傳感器提供的溫度參數(shù)以及交流電壓采集單元提供的電壓參數(shù)，并利用PID算法計算兩路開關控制量，再將兩路開關控制量轉換為兩路PWM信號而分別傳輸至第一開關單元和第二開關單元，以控制第一開關單元和第二開關單元的通斷間隔。
2.如權利要求1所述的多參數(shù)快速加熱飲水器，其特征在于，所述控制器連接有穩(wěn)壓單元，所述穩(wěn)壓單元包括有依次連接的第一整流管和穩(wěn)壓器，第一整流管的輸出端與地之間連接有濾波電容和穩(wěn)壓二極管，第一整流管與穩(wěn)壓二極管的連接點用于為第一開關單元提供驅動電壓，穩(wěn)壓器的輸出端用于為控制器提供電源。
3.如權利要求2所述的多參數(shù)快速加熱飲水器，其特征在于，所述抽水泵是直流抽水泵，該抽水泵串聯(lián)有第五整流管。
4.如權利要求2所述的多參數(shù)快速加熱飲水器，其特征在于，所述第一開關單元包括有第一晶閘管和第一NPN管，所述第一晶閘管與抽水泵相串聯(lián)，所述第一 NPN管的集電極接入驅動電壓，其基極接入控制器的PWM信號，其發(fā)射極用于輸出驅動電壓至第一晶閘管的門極。
5.如權利要求1所述的多參數(shù)快速加熱飲水器，其特征在于，所述第二開關單元包括有第二晶閘管和光耦，所述第二晶閘管與加熱器相串聯(lián)，所述光耦的控制側連接控制器以接收通斷控制信號，所述光耦的開關側連接于第二晶閘管的門極與陽極之間。
6.如權利要求1所述的多參數(shù)快速加熱飲水器，其特征在于，還包括有第五NPN管，所述第五NPN管的基極通過限流電阻連接交流電源，該第五NPN管的發(fā)射極接地，其集電極通過上拉電阻接高電位，并且該集電極的電信號傳輸至控制器。
7.如權利要求1所述的多參數(shù)快速加熱飲水器，其特征在于，所述交流電壓采集單元包括有連接于交流電源兩端并且依次串聯(lián)的第四整流管和兩個分壓電阻，兩個分壓電阻連接點的電信號傳輸至控制器。
8.如權利要求1所述的多參數(shù)快速加熱飲水器，其特征在于，還包括有按鍵、第三NPN管、第四NPN管、紅LED及綠LED，所述按鍵的一端接地，其另一端連接于控制器，所述第三NPN管和第四NPN管的基極分別連接于控制器，所述第三NPN管和第四NPN管的集電極分別通過限流電阻接高電位，所述第三NPN管和第四NPN管的發(fā)射極分別串聯(lián)紅LED和綠LED，并且由紅LED和綠LED的陰極接地。
9.一種如權利要求1至8任一所述的多參數(shù)快速加熱飲水器的控制方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟SI，系統(tǒng)初始化； 步驟S2，獲取當前時間； 步驟S3，獲取第一溫度傳感器和 第二溫度傳感器提供的溫度參數(shù)以及交流電壓采集單元提供的電壓參數(shù)；步驟S4，根據(jù)溫度參數(shù)和電壓參數(shù)，利用PID算法計算兩路開關控制量； 步驟S5，是否達到預設采樣周期，若是，則執(zhí)行步驟S6，若否則返回至步驟S2 ； 步驟S6，將兩路開關控制量轉換為兩路PWM信號而分別傳輸至第一開關單元和第二開關單元，以驅動抽水泵運轉以及加熱器加熱。
10.如權利要求9所述的多參數(shù)快速加熱飲水器的控制方法，其特征在于，所述步驟S4中，計算開關控制量之后，執(zhí)行設置空載加熱步驟，并判斷是否有按鍵輸入，若無按鍵輸入，則保持空載加熱，若有按 鍵輸入，則調用flash函數(shù)，獲取閃存數(shù)據(jù)并執(zhí)行步驟S5。
【文檔編號】A47J31/44GK103892711SQ201410131625
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月2日 優(yōu)先權日:2014年4月2日
【發(fā)明者】譚和華, 李光煌, 蔡愛明, 李劉海, 黎欣 申請人:深圳市賽億科技開發(fā)有限公司