基于单片机的电熨斗安全控制器设计与制作.doc

06级机电一体化技术专业毕业设计制作说明书 顺德职业技术学院毕业设计题目 基于单片机的电熨斗安全控制器设计与制作 系 别 机电工程系 年级专业 机电一体化技术 学生姓名 汤飞虎 指导教师 胡建国 专业负责人 胡建国 答辩日期 2009年5月30日 第29页 共29页目 录目 录1摘 要3第1章 绪论41.1电熨斗的类型及结构特点41.1.1普通型电熨斗41.1.2调温型电熨斗51.1.3蒸汽喷雾型电熨斗51.2电熨斗的安全性71.3电熨斗的发展趋势8第2章 基于单片机的电熨斗安全控制器设计102.1设计的目的102.2设计的基本思路102.3关键技术122.3.1使用状态检测122.3.2单片机控制可控硅导通角132.4基于单片机的电熨斗安全控制器的设计142.4.1硬件设计142.4.2软件设计15第3章 基于单片机的电熨斗安全控制器制作与调试183.1电源制作183.2检测模块183.3控制模块183.4联机调试19总 结20附件1：电熨斗安全控制器的电器原理图21附件2：控制程序22参考文献28致 谢29摘 要电熨斗是利用电流热效应使底板发热熨烫各种织物的电器，其在改善人们生活质量的同时，也一直是让人们担心火灾的危险祸源。目前市场上销售的家用电熨斗主要是普通型电熨斗、采用双金属片控温的调温型电熨斗以及增加了喷汽雾化装置的喷雾型电熨斗，但是，依靠人控制通电时间的普通型电熨斗当人忘记断开电源开关时是十分危险的，采用双金属片控制恒温的电熨斗，当调温器失效或人不在使用时仍然保持较大功率输出，也存在火灾危险为了提高家用调温型和喷雾蒸汽型电熨斗的安全性，同时降低其能耗，本文提出并设计了一种基于触摸式开关、单片机和可控硅的电熨斗安全控制装置。本作品通过安装在电熨斗把手外侧的触摸式开关检测人手的状态，即当人手握住把手时触摸式开关输出高电平信号，认为处于使用状态；当人手离开把手时触摸式开关输出低电平信号，认为处于暂停状态。单片机根据触摸式开关输入的信号控制输出功率：检测到暂停，立刻半功率输出，在其后的一段时间内，单片机通过控制可控硅的导通角，使输出功率平滑下降；若在这段时间内，检测到恢复使用，则立刻恢复至满功率输出；若在这段时间内，检测不到恢复使用的信号，单片机将控制可控硅导通角保持为零，可控硅截止，即相当于电源关断，并使蜂鸣器发声提醒用户拔掉电源，直到重新开机才能恢复使用。 经验证，本作品使电熨斗安全性能大大提高，并且达到节能降耗的目的。关键词：电熨斗、安全、节能、单片机、触摸开关、可控硅第1章 绪论电熨斗是一种常用的生活电器，它是利用电能通过电热元件发热，将电熨斗的底板加热到一定的合适温度，在温度、压力、水分熨烫三要素的作用下，将衣服、布料等各种织物熨平，使之线条分明、定型挺括、美观舒适。1.1电熨斗的类型及结构特点电熨斗按功能和作用不同大体可以分为三大类：普通型电熨斗、调温型电熨斗、蒸汽喷雾型电熨斗，其结构和特点各自不同。1.1.1普通型电熨斗普通型电熨斗结构简单，如图1所示，主要由底板、电热元件、压板、罩壳、手柄等部分组成。普通型电熨斗没有温度控制装置，只能通过人控制电源通电时间使电熨斗底板的表面温度保持在350左右。一方面，由于温度难于控制，操作难度大，难以满足不同织物的熨烫要求；另一方面，普通型电熨斗容易因操作者疏忽使其长时间通电，致使底板表面温度过高，使可燃物体迅速炭化燃烧，如300W的电熨斗通电1小时后底板温度可高达700，远远超过燃点在200250的布料、木料等可燃物质。因此，普通型电熨斗已趋于淘汰。图1 普通型电熨斗的结构图1-底板 2-电热元件 3-压板 4-罩壳 5-手柄 6-接线柱1.1.2调温型电熨斗织物的质料不同，熨烫时所需的熨烫温度亦应不同。为了适应不同织物的熨烫温度需求，人们在普通型电熨斗的基础上增加了调温器及相应的温度调节旋钮，通过设定调温旋钮的位置预定所需的熨烫温度，这就是调温型电熨斗，如图2所示。图2 调温型电熨斗外观图调温型电熨斗的调温器一般装在底板的中心部位，控制温度在60250之间连续可调，常用的调温器结构均为双金属片结构，如图3所示。双金属片由两片热膨胀系数不同的金属铆接而成，上金属片热膨胀系数较大，下金属片的较小，常温时，双金属片基本平直，双金属片左边的银触点与弹性体的银触点紧密接触。工作时，接触在一起的银触点接通电源，电熨斗底板温度上升，双金属片受热，上金属片膨胀大，下金属片膨胀小，造成双金属片有向下弯曲的趋势，当底板温度上升至调温旋钮设定的温度时，双金属片与弹性体的银触点断开，切断电路；因为熨烫时底板散热，电熨斗温度逐渐下降，双金属片逐渐由弯变直，当温度下降到一定程度，双金属片又恢复至原来状态，银触点又重新接触；如此不断反复，将温度控制在设定温度附近。与普通型电熨斗相比，由于采用双金属片进行控温，调温型电熨斗具有调温方便、适用广泛、安全可靠的特点，是目前市场上的主流产品。1.1.3蒸汽喷雾型电熨斗蒸汽喷雾型电熨斗是在调温型电熨斗的基础上增加喷汽雾化装置而构成的，它具有调温喷汽雾化多种功能，其外观如图4所示。图3 调温型电熨斗调温器结构1-调节臂 2-校准螺钉 3-固定螺钉 4-调节螺钉 5-接地螺钉 6-定位垫片 7-接线柱8、9-云母垫 10-空心铆钉 11-瓷柱 12-双金属片 13、14-银触点 15-弹性件 16-支架蒸汽喷雾型电熨斗工作时，将调温旋钮旋至“蒸汽”档位置，接通电源后，电热元件发热，底板迅速升温至设定温度值，此时若不按喷汽或喷雾按钮，则与调温型电熨斗一样；按下喷汽按钮，贮水室内的水在压力下沿着滴水嘴低落在汽化室内，因底板温度很高，水滴即汽化成蒸汽并从底板下方的喷汽孔喷出，以润烫衣物；按下喷雾按钮，贮水室内的水在压力下经电熨斗前方的雾化嘴形成水雾喷出，以润湿衣物。可见，从调温的角度来看，调温型电熨斗与蒸汽喷雾型电熨斗是相同的。图4 蒸汽喷雾型电熨斗外观1.2电熨斗的安全性电熨斗在给人们生活带来方便的同时，也带来了一些安全隐患。如使用不当，电熨斗轻则达不到熨烫目的，重则烫坏衣物，甚至引起火灾。近年来，随着电熨斗用户增多，由电熨斗使用不当引发的安全事件也呈上升趋势。如图5所示为2008年全国火灾情况的统计情况。图5 2008年全国火灾情况统计由图可见，从引发火灾的直接原因看，电气引起火灾最多，共4万余起，占2008年全国火灾事故总数当中的30.1%，其中，电熨斗作为大功率电器，输出高温，并直接与织物接触是造成电气火灾的主要原因之一。目前，普通型电熨斗已基本被淘汰，市场上主流产品是一般的基于双金属片调温控温的调温型电熨斗和蒸汽喷雾型电熨斗，与普通型电熨斗一统天下时经常引发火宅相比，由调温型电熨斗和蒸汽喷雾型电熨斗引发的火宅已大幅减少。但是，基于双金属片调温控温的电熨斗也不能认为是绝对安全的，调温型电熨斗引发火灾的例子也时有发生，如2008年浙江省温岭市某小区因调温型电熨斗在竖放状态没有切断电源发生火灾。调温型电熨斗发生火灾可以从电熨斗本身和使用者两个方面产生。在电熨斗本身方面，调温型电熨斗采用双金属片作为调温器，在以下情况下双金属片可能失去调温功能：1）在电熨斗工作完毕后，没有将调温旋钮调至温度零点位置，双金属片长时间受压后失去弹性；2）长时间大功率输出，弹性体与双金属片的触点容易热熔在一起；3）双金属片制造过程中，因下料方向或边缘冲剪后有毛边，使其重复性、热敏感性降低。调温型电熨斗当失去调温控温功能后，其火灾危险性与普通型电熨斗无异。在使用者方面，使用者由于疏忽，没有按照操作说明进行操作，主要有：电熨斗放置错误，长时间平放或竖放；忘记切断电源。虽然调温型电熨斗是在60250之间调控温度，但是，当调温器失效，同时使用者放置错误或忘记切断电源时，由于热的累积效应，调温型电熨斗发生火灾的危险大大提高。1.3电熨斗的发展趋势目前，针对基于双金属片调温控温的调温型电熨斗的安全问题，主要采用以下两种方法进行改进：一是采用温度传感器、姿态传感器以及模糊控制算法开发智能型电熨斗控制器，但这种方法温度控制技术复杂、成本高，难以用于家用斗，主要用于工业用电熨斗或较高档的电熨斗产品；另一种方法是根据电熨斗的使用状态（使用中、暂停使用）或姿态（如平放、竖放），使该状态或姿态持续持续一段时间后就关机，这种方法由于不涉及具体的温度控制，而是利用状态/姿态传感器和定时器控制电源的关断来保证安全，具有成本低、使用较安全的优点，从而被广泛应用。如图6所示，是一种具有安全控制器的有线电熨斗，该安全控制器装设在电源与电熨斗的导线间，其内部电路如图7所示，由动作传感器检测使用状态，当检测到导线一段时间没有晃动动作时，认为使用者离开，则自动切断电源；当检测到导线在晃动时，认为使用者在使用，则接通电源，从而保证电熨斗能自动断电。图6 某带安全控制器的调温型电熨斗图7 安全控制器内部电路结构但是，第二种改进方法仍存在以下问题：1）在使用状态或姿态检测方面，常见的姿态传感器有水银开关、金属球滚动接触开关等，前者使电熨斗在制造、使用和回收等生命环节中存在环保压力，而后者容易产生误动作。2）采用定时器控制电源关断时，一般只有三种功率输出方式：正常使用时，满功率输出；暂停使用一段时间内（如设为Td），半功率输出；Td时间后，零功率输出。这里，Td的长短很重要，Td过长，安全性不好，且能耗损失大；Td过短，重新加热到设置的熨烫温度时间长，使用不方便，且由于热惯性，能耗亦不会低。针对上述发展趋势和存在的问题，本文设计并制作了一种全新的基于单片机的调温型电熨斗安全控制器。第2章 基于单片机的电熨斗安全控制器设计2.1设计的目的电熨斗是利用电流热效应使底板发热熨烫各种织物的电器，其在改善人们生活质量的同时，也一直是让人们担心火灾的危险祸源。依靠人控制通电时间的电熨斗当人忘记断开电源开关时是十分危险的，采用双金属片控制恒温的电熨斗，当或调温器失效或人不在使用时仍然保持较大功率输出，也存在火灾危险目前常用的调温型与蒸汽喷雾型电熨斗都是采用双金属片控制温度，高档产品有采用水银开关或金属球滚动接触开关检测电熨斗的使用状态或姿态，采用定时器控制电源的关断，存在安全性不高、能耗大等缺点。为了提高家用调温型和喷雾蒸汽型电熨斗的安全性，降低其能耗，本文提出并设计了一种基于触摸式开关、单片机和可控硅的电熨斗安全控制装置。2.2设计的基本思路2.2.1现有电熨斗安全控制器基本思路如图8所示，为某型电熨斗安全控制器控制思路示意图，正常使用时，电熨斗全功率输出；当检测到不在使用时，立刻半功率输出；在Td时间内，若无恢复使用，则零功率输出，即切断电源；在Td时间内，若恢复使用，则立刻全功率输出。图8 传统电熨斗安全控制器思路示意图该电熨斗通过控制电熨斗输出功率来提高安全性，同时具有节能的效果。但是仍存在不足：1）在Td时间内，电熨斗一直都是以半功率输出，电熨斗底板温度没有缓慢降低，仍然存在火灾危险；2）在Td时间内，半功率输出虽比全功率输出节省了待机能耗，但随着Td时间的变长，节省能耗越不明显。 2.2.2基于单片机的电熨斗安全控制器基本思路在现有电熨斗安全控制器的基础上，本文提出了一种基于单片的电熨斗安全控制器，其基本思路如图9所示。通过安装在电熨斗把手处的触摸式开关检测人手的状态，即当人手握住把手时触摸式开关输出信号，认为处于使用状态；当人手离开把手时触摸式开关没有信号输出，认为处于暂停状态。图9 基于单片机的电熨斗安全控制器思路示意图单片机根据触摸式开关输入的信号控制输出功率：检测到暂停，立刻半功率输出，在其后的Td时间内，单片机通过控制可控硅的导通角，使输出功率平滑下降；若在Td时间内，检测到恢复使用，则立刻恢复至满功率输出；若Td时间内，检测不到恢复使用的信号，单片机将控制可控硅导通角保持为零，可控硅截止，即相当于电源关断（此为电子关断），并使蜂鸣器发声提醒用户拔掉电源（此为物理关断），直到重新开机才能恢复使用。与上述某型电熨斗安全控制器相比，本控制器，1）在检测到暂停使用后，功率立即减半，但在随后的Td时间内，功率保持平滑衰减，直至为零，因而在保证当恢复使用时能方便地快速升温至设定温度的同时，重要的是当没有恢复使用时，功率亦在逐步衰减，使底板的温度逐步降低，减小了底板余热引发火灾的可能性；2）在“暂停使用”至“恢复使用”的时间段内，本控制器更节能，如图9中红色部分为多节省的能耗。因而，本控制器具有安全性更高、节能性更好的优点。2.3关键技术2.3.1使用状态检测 一般的电熨斗安全控制器上多采用水银开关或金属球滚动接触开关检测电熨斗的使用状态，但水银开关存在环保压力，而金属球滚动接触开关存在易发生误动作等不足。本作品采用的是一种自行设计的触摸式开关，如图10所示，由于设计精妙，相比水银开关、金属球滚动接触开关，此触摸开关具有性能可靠，环保安全，成本低廉的特点。图10 触摸开关原理图 该触摸开关的触点被引至电熨斗把手外侧，当人接触到触摸式开关时，人体接收来自空气中的各种杂波信号，该信号经过两级的三极管放大电路放大，通过一个电容进行滤波，最后将信号作为电熨斗使用状态的信号输入给单片机。2.3.2单片机控制可控硅导通角2.3.2.1交流电过零检测单片机要控制可控硅的导通角，必须先进行交流电过零检测，如图 11所示为交流电过零检测电路图。图中，D1D4组成整流电路，为电阻R1和光耦PC817提供脉动直流波形，当交流电的波形从最高点向零点交越，到达零点的时候，光耦将关闭，同时三极管Q1不能导通，输送给单片机RA2端口的电位为零，由此单片机完成一次过零检测，为单片机下一步控制可控硅砍波提供起点。图11 交流电过零检测电路 2.3.2.2单片机控制可控硅导通角如图 12所示，可控硅作为可控开关器件串联在电熨斗底板内的电热元件电路上，电阻R7为单片机控制可控硅提供上拉电流。由可控硅工作原理可知，当单片机触发可控硅控制极G极一次，双向可控硅第一阳极A1和第二阳极A2将导通，并维持导通直至加在A1和A2两端电压变为零。市电工频为50Hz，则一个周期为20ms，正（负）半周为10ms，利用单片机从交流电波形零点位置开始计时，5ms后单片机RB3端口输出高电平触发可控硅G极，可控硅在交流电的正（负）半周到达零点前保持导通。此时，可控硅通为熨斗提供的电功率为可控硅完全导通时的一半。依此类推，单片机通过控制可控硅导通角的大小来达到逐步衰减电熨斗功率的目的。图12 交流电过零检测电路2.4基于单片机的电熨斗安全控制器的设计2.4.1硬件设计2.4.1.1单片机的选型当前单片机种类繁多，功能价格不一。选择合适的单片机，是提升产品性价比的及综合竟争力的重要途径。其中，应用广泛的PIC单片机（Peripheral Interface Controller）具有以下优点：1）PIC单片机具有极高的可靠性，抗干扰能力强，抗静电能力强；2）PIC单片机为单周期指令单片机，运行速度快，控制功能更强；3）PIC单片机可采用CCS PICC实现C语言编程，编程方便；4）PIC单片机具有极高的性价比，与同类单片机相比更具价格优势。鉴于其可靠的性能和较高的性价比，本控制器拟采用Microchip PIC的PIC16F628A型单片机。2.4.1.2电路设计本电熨斗安全控制器的电器原理图如附件1所示，其由以下单元组成：1）电源单元AC 220V经过变压器降压后，输出AC 15V，D5D8组成桥式整流电路，对AC 15V整流，经电容C2滤波，再由LM7805稳压输出DC5V。其中，C3为欠压补偿电容。2）检测单元单片机通过触摸式开关收集电熨斗使用状态的信息。触摸开关是将人体接收到的空气中的一些杂波信号放大若干倍数后，由C1硬件滤波和单片机软件滤波为单片机的控制提供一个可靠依据。 3）控制单元单片机通过检测单元收集电熨斗使用状态的信息，如进入暂停状态，单片机将开始采集过零检测电路的信息。过零检测电路由D1D4组成整流滤波电路，为电阻R1和光耦PC817提供脉动直流波形，当交流电的波形从最高点向零点交越，到达零点的时候，光耦将关闭，同时Q1不能导通。单片机RA2端口电位为零。由此单片机完成一次过零检测。为单片机下一步控制可控硅砍波提供起点。单片机收集到过零检测电路信息后，通过R7提供的上拉电流控制可控硅导通角，以实现对电熨斗功率的控制。2.4.2软件设计2.4.2.1单片机控制程序流程单片机控制程序流程如图13所示，单片机初始化后，不停地检测电熨斗的使用状态，根据触摸式开关反馈的信号，决定功率输出的方式。在半功率输出阶段，也不停检测使用状态，若恢复使用则立刻全功率输出；否则，在规定的时间内（如30分钟）将输出功率逐步衰减至零，此时，电熨斗相当于被切断了电源，单片需要重新上电复位才能接通电源。2.4.2.2软件设计本电熨斗安全控制器的控制程序如附件2所示，其由以下单元组成：图13 控制程序流程图1）程序初始化单元单片机开机后，首先进入初始化设置，并控制电熨斗全功率运行，使电熨斗预热到调节器设定的熨烫温度，并驱动蜂鸣器发声和LED指示灯闪亮，以提醒用户。2）电熨斗正常使用单元正常使用状态下，程序控制电熨斗全功率运行，电熨斗处于正常熨烫状态，并驱使绿色LED指示灯亮。3）电熨斗暂停状态单元当电熨斗进入暂停状态，程序通过单片机I/O口RA2，采集来的交流电相位信息，并根据单片机定时器提供数据，控制单片机I/O口RB3输出的占空比，以控制可控硅的导通角（即控制电熨斗功率），并驱使红色LED指示灯亮提醒用户。4）定时器单元根据“温度-时间特性”为程序控制单片机I/O口RB3输出的占空比提供数据，实现可控硅导通角衰减，并在计时到Td时间后，定时器中断不再退出，一直保持单片机I/O口RB3上输出为低电平，可控硅导通角为0，即电熨斗电源关断。第3章 基于单片机的电熨斗安全控制器制作与调试3.1电源制作（1）所需元器件输入AC 220V输出AC 15V变压器1个、LM7805三端稳压器1个、IN4007整流管4个、1000uF50V电容1个、100uF16V电容1个、电源线1根、7*9cm玻纤万用板1块。（2）制作工艺采用手工焊接工艺。（3）参数要求：输入：AC 190VAC 250V ；输出：5V，500mA。3.2检测模块（1）所需元器件9014三极管1个、8550三极管1个、1M电阻1个、1K电阻1个、50K电阻1个、10uF电容1个、7*9cm玻纤万用板1块。（2）制作工艺采用手工焊接工艺。（3）模块功能有人触摸时，Q3集电极上电压为+5V；无人触摸时，Q3集电极上电压为0V。3.3控制模块（1）所需元件PIC 16F628A单片机1个、18脚IC座1个、IN4007整流管4个、PC817光耦1个、100K/2W电阻1个、红色发光二极管1个、绿色发光二极管1个、5V无源蜂鸣器1个、20A双向可控硅1个、4.7K电阻1个、1K电阻2个、1.5K电阻2个、500R电阻1个、100R电阻2个、印制PCB板1块。（2）制作工艺印刷电路。 （3）模块功能过零检测电路检测交流电相位交越，单片机控制可控硅导通角，指示灯和蜂鸣器指示使用状态。3.4联机调试如图14为JMD编程器，在计算机上编写好程序后，通过JMD编程器将程序烧写进PIC 单片机。图14 JMD编程器调试结果：开机后，蜂鸣器响，红绿指示灯闪亮三次；初始化完毕，绿色指示灯亮，红色指示灯灭，单片机控制电熨斗预热；5s后，单片机开始采集电熨斗使用状态信息，正在使用则绿色指示灯亮，否则红色指示灯亮；Td时间后，蜂鸣器发声，红、绿指示灯关闭，电熨斗关闭。实验达到控制要求，调试成功。总 结针对目前电熨斗所存在的安全隐患和传统的电熨斗安全控制器存在的不足，本文从安全和节能降耗的角度出发提出、设计并制作了一种基于单片机的电熨斗安全控制器。设计过程总结如下：1）确定设计的目的，明确要解决的问题；2）确定设计的方案，如明确控制的功能，元件的选型，实现的方法；3）设计电气原理图；4）按照原理图制作实物；5）编写单片机程序；6）调试合适的硬件参数和单片机软件；7）绘制PCB板，制板；8）组装成成品。9）联机调试与测试，记录数据。本作品创新点有：1）采用触摸式开关检测电熨斗使用状态，通过硬件滤波和软件滤波共同作用，安全可靠，制造成本低；2）采用单片机控制可控硅导通角来控制电熨斗的输出功率，安全性和节能性良好。附件1：电熨斗安全控制器的电器原理图附件2：控制程序#include#use delay(clock=4000000)#define RLED pin_a0#define GLED pin_a1#define bx pin_a4#define td pin_a3#define laba pin_a7#define hw pin_b7#define T1L 0x0e#define T1H 0x0fint x;char a,b;int16 y;void main()char i,c,n,h;output_bit(td,1);for(i=0;i3;i+)output_bit(RLED,0);output_bit(GLED,0);output_bit(laba,1);delay_ms(500)output_bit(RLED,1);output_bit(GLED,1);output_bit(laba,0);delay_ms(500);output_bit(GLED,0);output_bit(laba,1);delay_ms(5000);dis:disable_interrupts(global);disable_interrupts(INT_TIMER1);setup_TIMER_1(0x00);