摘要：為了實現(xiàn)電水壺的自動斷電控制，通過介紹一種新型的電水壺自動斷電控制器，該產(chǎn)品能有效地在水燒沸后將電水壺從電源上自動斷開，并進行聲光報警提醒。產(chǎn)品設(shè)計結(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；自動斷電；聲光報警；產(chǎn)品設(shè)計；革新
市場上的電水壺基本可分為兩大類型：非自動式普通型和自動控溫型電水壺。前一種電水壺當水燒沸后，需要手動將電水壺從電源上斷開，使用極不方便，當人外出遺忘斷電后，不但會導致電能的浪費和燒壞電水壺，甚至可能會存在安全隱患；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廢處理，這樣做比較浪費資源。
1 產(chǎn)品優(yōu)點
根據(jù)國家標準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：201210098217)在非自動式普通型電水壺的基礎(chǔ)上，克服以往產(chǎn)品的設(shè)計缺陷，設(shè)計了一種新型的電水壺自動斷電控制器，該產(chǎn)品在電水壺內(nèi)水燒沸后能實現(xiàn)自動切斷電源，且進行聲光報警提醒，電路設(shè)計結(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，而且價格相對比較便宜。
2 產(chǎn)品電路設(shè)計
電水壺自動斷電控制器包括控制器供電電路、傳感信號發(fā)生電路、放大電路、自動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)當水燒沸后，蜂鳴器會發(fā)出聲音進行報警；
3)利用紅、綠指示燈的顯示變化及聲音報警的雙從提示，提醒用戶水是否燒開。
2．1 控制器供電電路
控制器供電電路是由變壓器、4個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?？刂破鞴╇婋娐啡鐖D1所示。
2．2 傳感信號發(fā)生電路
本設(shè)計中的傳感器用的是濕敏電阻傳感器，工作時需1．5V AC的正弦波信號，因此如何獲取1．5 V AC的正弦波信號也是本控制器設(shè)計的關(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1．5 V AC太大，且市對相對而言不是太穩(wěn)定，這樣就會造成獲取正弦波信號不穩(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，通過電容C2的充、放電，從而在NE555輸出端得到正弦波信號。
本設(shè)計選用方案二，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)生對稱方波，經(jīng)過電容C2，此電平信號經(jīng)過接線端口J1一端加至濕敏傳感器探頭上；濕度傳感器探頭將感測出的信號經(jīng)過接線端口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)，用于檢測電水壺產(chǎn)生的水蒸氣濕度信號。
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組成的對數(shù)變換電路，其輸出電位隨相對濕度的增加而增加。
2)輸出信號再經(jīng)過R3和C3濾去干擾短脈沖后，加至LM324的同相輸入端，當相對濕度變化時，LM324輸出端的電位將隨之改變，當傳感器感知到相對濕度變大時，放大電路的輸出將變成高電平；反之為低電平。
3)通過調(diào)節(jié)電位器RP，可以設(shè)定相對濕度的參考值，此設(shè)定值比較關(guān)鍵。
通過這樣的設(shè)計就可以實時檢測到電水壺中的水是否燒沸。
2．4 自動斷電且保持電路
自動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)電路的作用是對前級輸入信號進行脈沖寬度整形，保證每次觸摸動作都可靠。
2)雙穩(wěn)態(tài)電路用來驅(qū)動晶體管Q1的開通或關(guān)閉，進而控制繼電器的通斷。
3)將CD4013的輸入信號從濕度傳感器器探頭感測到的信號相隔離，主要是通過控制繼電器K1的通斷來實現(xiàn)。在繼電器K1得到高電平信號后，常閉觸點斷開、常開觸點閉合，就可將CD4013雙穩(wěn)態(tài)電路輸出的高電平信號從放大電路后斷開，即使放大電路輸出的信號發(fā)生變化，也不會影響到雙穩(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，信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響。可將自動斷電控制器中的直流供電電源與后面的200 V市電上分開，這樣可以起到保護電水壺自動斷電控制器的作用。
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。開始燒水時，輸出控制繼電器K2失電觸點處于閉合，電水壺的電熱管RL得電，電水壺開始加熱；當水燒沸時，輸出控制繼電器K2線圈得電，線圈得電，觸點由常閉變成常開狀態(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。
當水開始燒時，由于傳感器檢測到濕度的信號不足以使電路發(fā)生變化，此時為綠色指示燈亮，代表此刻自動斷電控制器電源已接通，同時表示電水壺正在燒水；當綠色指示燈熄滅、紅色指示燈亮時，提醒用戶水燒沸了，同時蜂鳴器發(fā)聲提醒。如果沒有人來斷開電源，本控制器會一直發(fā)出聲光提醒。
2．7 電路功能及工作過程
從整個過程可以實現(xiàn)本控制器設(shè)計的功能，如圖7所示。
在水燒沸時，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，常閉觸點斷開，電水壺從市電220 V電源上失電而斷開；同時繼電器K1將CD4013雙穩(wěn)態(tài)電路輸出的高電平信號從放大電路后斷開，所以CD4013雙穩(wěn)態(tài)電路不會再得到高電平信號而發(fā)生觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，即可實現(xiàn)電水壺自動斷電控制的功能。
3 結(jié)論
CD4013自動斷電保持電路是整個控制器的核心，完成信號的輸入和輸出保持。另外還有兩個重要的電路是濕度檢測和光電隔離電路。
1)濕度檢測電路完成濕度信號的采樣和信號輸出，并通過CD4013自動斷電保持電路的處理達到控制電水壺自動斷電的作用，且不再受傳感器檢測信號的影響。
2)光電隔離電路將自動斷電控制器中所需要的直流電從220 V交流電上隔離開來，從而達到保證控制電路的安全。
該產(chǎn)品在當水燒沸后能實現(xiàn)自動斷電，并進行聲光報警提醒，設(shè)計結(jié)構(gòu)合理、安全可靠。
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