一种多参数快速加热饮水器及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种多参数快速加热饮水器，其包括有通过管路依次连接的水箱、抽水泵和加热器，该饮水器还包括有控制器、第一开关单元和第二开关单元，水箱上设有第一温度传感器，加热器上设有第二温度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器分别连接控制器，控制器与交流电源之间连接有交流电压采集单元，控制器用于接收第一温度传感器和第二温度传感器提供的温度参数以及交流电压采集单元提供的电压参数，并利用PID算法计算两路开关控制量，再将两路开关控制量转换为两路PWM信号而分别传输至第一开关单元和第二开关单元，以控制第一开关单元和第二开关单元的通断间隔。本发明具有控制精度高、成本低廉等优势。
【专利说明】一种多参数快速加热饮水器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及饮水器，尤其涉及一种多参数快速加热饮水器及其控制方法。
【背景技术】
[0002]目前，以咖啡壶为代表的一类快速加热饮水器，需要将出水温度控制在99°C左右，从而避免因温度太高引起汽化，导致水滴飞溅、呕水、断流以及反复沸腾而引起噪音等，现有的快速加热饮水器电路原理框图如图9所示，水箱11、抽水泵12和加热器13通过管路依次连接，该饮水器还包括有控制器15、第一开关单元16和第二开关单元17，第一开关单元16与抽水泵12串接后连接于交流电源两端，第二开关单元17与加热器13串接后连接于交流电源两端，加热器13的侧壁设有第一温度传感器19，饮水器的出水口处设有第二温度传感器14，第一温度传感器19和第二温度传感器14采集的温度信号传输至控制器15，由控制器15控制加热器13加热以及抽水泵12抽水，由于两个传感器分别检测加热器13侧壁的温度以及饮水器出水口处的水温，所以此类控制方式属于反馈控制，受反馈信号的滞后影响，以及受抽水泵12、加热器13等器件误差的影响，导致控制器15对抽水泵12、加热器13的控制精度要求不高，误差较大，容易导致温度过冲而出现水滴飞溅、呕水、断流、反复沸腾等现象。另外，由于第二温度传感器14检测出水温度并且直接与水接触，而第一温度传感器19仅检测加热器13侧壁的温度，所以第二温度传感器14的结构较第一温度传感器19而言十分复杂，并且第二温度传感器14的价格高于第一温度传感器19数十倍，大大增加了产品成本。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种控制精度高、成本低廉的一种多参数快速加热饮水器及其控制方法。
[0004]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
[0005]一种多参数快速加热饮水器，其包括有通过管路依次连接的水箱、抽水泵和加热器，该饮水器还包括有控制器、第一开关单元和第二开关单元，第一开关单元与抽水泵串接后连接于交流电源两端，第二开关单元与加热器串接后连接于交流电源两端，水箱上设有第一温度传感器，加热器上设有第二温度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器分别连接控制器，所述控制器与交流电源之间连接有交流电压采集单元，控制器用于接收第一温度传感器和第二温度传感器提供的温度参数以及交流电压采集单元提供的电压参数，并利用PID算法计算两路开关控制量，再将两路开关控制量转换为两路PWM信号而分别传输至第一开关单元和第二开关单元，以控制第一开关单元和第二开关单元的通断间隔。
[0006]优选地，控制器连接有稳压单元，稳压单元包括有依次连接的第一整流管和稳压管，第一整流管的输出端与地之间连接有滤波电容和稳压管，第一整流管与稳压管的连接点用于为第一开关单元提供驱动电压，稳压管的输出端用于为控制器提供电源。
[0007]优选地，抽水泵是直流抽水泵，该抽水泵串联有第五整流管。[0008]优选地，第一开关单元包括有第一晶闸管和第一 NPN管，第一晶闸管与抽水泵相串联，第一 NPN管的集电极接入驱动电压，其基极接入控制器的PWM信号，其发射极用于输出驱动电压至第一晶闸管的门极。
[0009]优选地，第二开关单元包括有第二晶闸管和光耦，第二晶闸管与加热器相串联，光耦的控制侧连接控制器以接收通断控制信号，光耦的开关侧连接于第二晶闸管的门极与阳极之间。
[0010]优选地，还包括有第五NPN管，第五NPN管的基极通过限流电阻连接交流电源，该第五NPN管的发射极接地，其集电极通过上拉电阻接高电位，并且该集电极的电信号传输至控制器。
[0011 ] 优选地，交流电压采集单元包括有连接于交流电源两端并且依次串联的第四整流管和两个分压电阻，两个分压电阻连接点的电信号传输至控制器。
[0012]优选地，还包括有按键、第三NPN管、第四NPN管、红LED及绿LED，按键的一端接地，其另一端连接于控制器，第三NPN管和第四NPN管的基极分别连接于控制器，第三NPN管和第四NPN管的集电极分别通过限流电阻接高电位，第三NPN管和第四NPN管的发射极分别串联红LED和绿LED，并且由红LED和绿LED的阴极接地。
[0013]上述多参数快速加热饮水器的控制方法包括如下步骤:步骤SI，系统初始化；步骤S2，获取当前时间；步骤S3，获取第一温度传感器和第二温度传感器提供的温度参数以及交流电压采集单元提供的电压参数；步骤S4，根据温度参数和电压参数，利用PID算法计算两路开关控制量；步骤S5，是否达到预设采样周期，若是，则执行步骤S6，若否则返回至步骤S2 ;步骤S6，将两路开关控制量转换为两路PWM信号而分别传输至第一开关单元和第二开关单元，以驱动抽水泵运转以及加热器加热。
[0014]优选地，步骤S4中，计算开关控制量之后，执行设置空载加热步骤，并判断是否有按键输入，若无按键输入，则保持空载加热，若有按键输入，则调用flash函数，获取闪存数据并执行步骤S5。
[0015]本发明公开的多参数快速加热饮水器，其相比现有技术而言的有益效果在于:
[0016]1、控制器通过能提高系统稳定性的PID算法，对抽水泵、加热器进行精确控制，有效解决了温度过冲以及抽水泵、加热器等器件误差对饮水器控制精度的影响；2、无需在出水口处设置与水直接接触的水温传感器，从而大大降低了产品的成本；3、进一步避免了水滴飞溅、呕水、断流以及反复沸腾而引起噪音等不良现象。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明多参数快速加热饮水器的电路原理框图。
[0018]图2为稳压单元和开关单元的电路原理图。
[0019]图3为控制器的电路原理图。
[0020]图4为传感器连接于控制器的电路原理图。
[0021]图5为交流电压转直流脉冲电路原理图。
[0022]图6为交流电压采集单元电路原理图。
[0023]图7为按键和显示部分的电路原理图。
[0024]图8为本发明多参数快速加热饮水器的控制方法的流程图。[0025]图9为现有的快速加热饮水器电路原理框图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
[0027]—种多参数快速加热饮水器，如图1至图4所示，其包括有通过管路依次连接的水箱1、抽水泵2和加热器3，该饮水器还包括有控制器5、第一开关单元6和第二开关单元7，请参见图3，控制器5包括有单片机U3及其外围电路，第一开关单元6与抽水泵2串接后连接于交流电源两端，第二开关单元7与加热器3串接后连接于交流电源两端，水箱I外侧壁设有第一温度传感器8，加热器9上设有第二温度传感器9，第一温度传感器8和第二温度传感器9分别连接控制器5。请参见图4，第一温度传感器8与电阻R7串联后连接于高电位VDD_MCU与地之间，并且二者的连接点连接于单片机U3的模拟量端口 ADl，类似地，第二温度传感器9与电阻R6串联后连接于高电位VDD_MCU与地之间，并且二者的连接点连接于单片机U3的模拟量端口 AD0，控制器5与交流电源之间连接有交流电压采集单元11，控制器5用于接收第一温度传感器8提供的温度参数Th、第二温度传感器9提供的温度参数Ta以及交流电压采集单元11提供的电压参数U，并利用PID算法计算两路开关控制量Dh、Dp,再将两路开关控制量Dh、Dp转换为两路PWM信号而分别传输至第一开关单元6和第二开关单元7，以控制第一开关单元6和第二开关单元7的通断间隔，该PID算法是比例积分微分控制算法。
[0028]该多参数快速加热饮水器利用设于水箱I上的第一温度传感器8以及设于加热器9之上的第二温度传感器9进行温度检测，其中，控制器5根据温度参数Th进行的数据处理及信号输出构成前馈控制，控制器5根据温度参数Ta进行的数据处理及信号输出构成反馈控制，同时根据交流电压采集单元11提供的电压参数U判断饮水器的上电状态以及供电电压，再结合温度参数Th、温度参数Ta和电压参数U，利用能提高系统稳定性的PID算法，精确控制抽水泵2的出水量和加热器3的加热功率，避免了温度过冲以及抽水泵2、加热器3等器件误差对饮水器控制精度的影响，并且有效避免水滴飞溅、呕水、断流以及反复沸腾而引起噪音等不良现象，同时，无需在出水口处设置与水直接接触的水温传感器，从而大大降低了产品的成本。
[0029]结合图1和2，控制器5连接有稳压单元10，稳压单元10包括有依次连接的第一整流管Dl和稳压器Ul，第一整流管Dl的输出端与地之间连接有滤波电容C5和稳压二极管D3，第一整流管Dl与稳压二极管D3的连接点用于为第一开关单元6提供驱动电压VINjI压器Ul的输出端用于为控制器5提供电源，该稳压器Ul可以是7805稳压管，其输出端为高电位VDD_MCU，其中，驱动电压VIN大于高电位VDD_MCU，以便于提供不同值的电压。
[0030]结合图1和2，抽水泵2是直流抽水泵，该抽水泵2串联有第五整流管D5，第一开关单元6包括有第一晶闸管TRl和第一 NPN管Ql，第一晶闸管TRl与抽水泵2相串联，第一NPN管Ql的集电极接入驱动电压，具体地，该集电极可连接高电位VDD_MCU，其基极接入控制器5的PWM信号，其发射极用于输出驱动电压至第一晶闸管TRl的门极，该第一 NPN管Ql在PWM信号的驱动下，将高电位VDD_MCU电压传输至第一晶闸管TR1，控制第一晶闸管TRl的通断,进而调整电动机2的上电时长。
[0031]第二开关单元7的电路结构与第一开关单元6有所不同，该第二开关单元7包括有第二晶闸管TR2和光耦U2，第二晶闸管TR2与加热器3相串联，光耦U2的控制侧连接控制器5以接收通断控制信号，光耦U2的开关侧连接于第二晶闸管TR2的门极与阳极之间，进一步地，该光耦U2控制侧的发光管阳极通过电阻R15接高电位VDD_MCU，其阴极接收控制器5的PWM信号，以控制第二晶闸管TR2的通断，进而调整电热器3的上电时长。
[0032]上述第一开关单元6与第二开关单元7均采用成本低廉的常用元器件，在保证准确产生开关动作的基础之上，还使得饮水器具有较低廉的产品成本。
[0033]结合图1和图5所示，该多参数快速加热饮水器还包括有交流电压转直流脉冲电路，该电路包括有第五NPN管Q5，第五NPN管Q5的基极通过限流电阻R23连接交流电源，该第五NPN管Q5的发射极接地，其集电极通过上拉电阻R20接高电位VDD_MCU，并且该集电极的电信号传输至控制器5，该电路用于采集交流电源的电压变化周期，通过第五NPN管Q5将交流电压的波形变化转换为直流电压跳变信号并且传输至控制器5，使得输出信号的跳变与对应的交流电压的变化同步，从而进一步提高控制精度和系统稳定性。
[0034]结合图1和图6，交流电压采集单元11包括有连接于交流电源两端并且依次串联的第四整流管D4和两个分压电阻R16、R5，两个分压电阻R16、R5连接点的电信号传输至控制器5，使得交流电源的电压经过整流之后传输至控制器5。
[0035]结合图1和图7，为了便于操控与显示，还包括有按键SW1、第三NPN管Q3、第四NPN管Q4、红LED及绿LED，按键SWl的一端接地，其另一端连接于控制器5，第三NPN管Q3和第四NPN管Q4的基极分别连接于控制器5，第三NPN管Q3和第四NPN管Q4的集电极分别通过限流电阻接高电位，第三NPN管Q3和第四NPN管Q4的发射极分别串联红LED和绿LED，并且由红LED和绿LED的阴极接地。
[0036]为了更好地将上述结构的快速加热饮水器与实际应用相结合，本发明还公开一种多参数快速加热饮水器的控制方法，结合图1和图8所示，该方法包括如下步骤:
[0037]步骤SI，系统初始化，包括上升沿中断初始化、FlexiTimer2设置初始化和PWM周期初始化，该FlexiTimerf是定时器函数；
[0038]步骤S2，获取当前时间t ；
[0039]步骤S3，获取第一温度传感器8和第二温度传感器9提供的温度参数Th、Ta以及交流电压采集单元11提供的电压参数U ；
[0040]步骤S4，根据温度参数Th、Ta和电压参数U，利用PID算法计算两路开关控制量Dh、Dp,之后，优选执行设置空载加热步骤，并判断是否有按键输入，若无按键输入，则保持空载加热，若有按键输入，则调用flash函数，该flash函数用于执行事件调度，获取闪存数据并执行步骤S5，该flash函数的具体解释为:标记控制动作(开启水泵、第一阶段PID控制、第二阶段PID控制、停止加热、停止供水)的执行时刻；
[0041]步骤S5，是否达到预设采样周期，若是，则执行步骤S6，若否则返回至步骤S2 ；
[0042]步骤S6，将两路开关控制量Dh、Dp转换为两路PWM信号而分别传输至第一开关单元6和第二开关单元7，以驱动抽水泵2运转以及加热器3加热。
[0043]本发明公开的多参数快速加热饮水器及其控制方法中，控制器5接收温度参数Th、温度参数Ta和电压参数U,结合前馈控制与反馈控制，通过能提高系统稳定性的PID算法，对抽水泵2、加热器3进行精确控制，有效解决了温度过冲以及抽水泵、加热器等器件误差对饮水器控制精度的影响，适于在本领域内推广应用。同时，有效避免水滴飞溅、呕水、断流以及反复沸腾而引起噪音等不良现象，此外，无需在出水口处设置与水直接接触的水温传感器，从而大大降低了产品的成本。
[0044]以上只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。
【权利要求】
1.一种多参数快速加热饮水器，包括有通过管路依次连接的水箱、抽水泵和加热器，该饮水器还包括有控制器、第一开关单元和第二开关单元，所述第一开关单元与抽水泵串接后连接于交流电源两端，所述第二开关单元与加热器串接后连接于交流电源两端，其特征在于:所述水箱外侧壁设有第一温度传感器，所述加热器上设有第二温度传感器，所述第一温度传感器和第二温度传感器分别连接控制器，所述控制器与交流电源之间连接有交流电压采集单元，所述控制器用于接收第一温度传感器和第二温度传感器提供的温度参数以及交流电压采集单元提供的电压参数，并利用PID算法计算两路开关控制量，再将两路开关控制量转换为两路PWM信号而分别传输至第一开关单元和第二开关单元，以控制第一开关单元和第二开关单元的通断间隔。
2.如权利要求1所述的多参数快速加热饮水器，其特征在于，所述控制器连接有稳压单元，所述稳压单元包括有依次连接的第一整流管和稳压器，第一整流管的输出端与地之间连接有滤波电容和稳压二极管，第一整流管与稳压二极管的连接点用于为第一开关单元提供驱动电压，稳压器的输出端用于为控制器提供电源。
3.如权利要求2所述的多参数快速加热饮水器，其特征在于，所述抽水泵是直流抽水泵，该抽水泵串联有第五整流管。
4.如权利要求2所述的多参数快速加热饮水器，其特征在于，所述第一开关单元包括有第一晶闸管和第一NPN管，所述第一晶闸管与抽水泵相串联，所述第一 NPN管的集电极接入驱动电压，其基极接入控制器的PWM信号，其发射极用于输出驱动电压至第一晶闸管的门极。
5.如权利要求1所述的多参数快速加热饮水器，其特征在于，所述第二开关单元包括有第二晶闸管和光耦，所述第二晶闸管与加热器相串联，所述光耦的控制侧连接控制器以接收通断控制信号，所述光耦的开关侧连接于第二晶闸管的门极与阳极之间。
6.如权利要求1所述的多参数快速加热饮水器，其特征在于，还包括有第五NPN管，所述第五NPN管的基极通过限流电阻连接交流电源，该第五NPN管的发射极接地，其集电极通过上拉电阻接高电位，并且该集电极的电信号传输至控制器。
7.如权利要求1所述的多参数快速加热饮水器，其特征在于，所述交流电压采集单元包括有连接于交流电源两端并且依次串联的第四整流管和两个分压电阻，两个分压电阻连接点的电信号传输至控制器。
8.如权利要求1所述的多参数快速加热饮水器，其特征在于，还包括有按键、第三NPN管、第四NPN管、红LED及绿LED，所述按键的一端接地，其另一端连接于控制器，所述第三NPN管和第四NPN管的基极分别连接于控制器，所述第三NPN管和第四NPN管的集电极分别通过限流电阻接高电位，所述第三NPN管和第四NPN管的发射极分别串联红LED和绿LED，并且由红LED和绿LED的阴极接地。
9.一种如权利要求1至8任一所述的多参数快速加热饮水器的控制方法，其特征在于包括如下步骤: 步骤SI，系统初始化； 步骤S2，获取当前时间； 步骤S3，获取第一温度传感器和 第二温度传感器提供的温度参数以及交流电压采集单元提供的电压参数；步骤S4，根据温度参数和电压参数，利用PID算法计算两路开关控制量； 步骤S5，是否达到预设采样周期，若是，则执行步骤S6，若否则返回至步骤S2 ； 步骤S6，将两路开关控制量转换为两路PWM信号而分别传输至第一开关单元和第二开关单元，以驱动抽水泵运转以及加热器加热。
10.如权利要求9所述的多参数快速加热饮水器的控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，计算开关控制量之后，执行设置空载加热步骤，并判断是否有按键输入，若无按键输入，则保持空载加热，若有按 键输入，则调用flash函数，获取闪存数据并执行步骤S5。
【文档编号】A47J31/44GK103892711SQ201410131625
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】谭和华, 李光煌, 蔡爱明, 李刘海, 黎欣 申请人:深圳市赛亿科技开发有限公司