CN103202663A - 一种饮水机节能控制方法及饮水机控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种饮水机节能控制方法及饮水机控制电路。第一温度传感器检测饮水机热胆内水的温度值，并将其发送到中央处理单元。中央处理单元对温度值进行运算得出加热控制执行模块输入端所需要的脉冲控制量，其驱动加热执行模块的输出端得到相应的加热功率。本发明的控制方法是，控制饮水机热胆内部的热水恒定在设定的温度T0，其加热的功率会自动根据T0的变化而变化。加热器的开启和停止之间存在一个极小的温度差，可以认为几乎没有温度差。加热器的输出功率由基于PID控制器的可变脉冲模糊控制加热算法来控制，输出模糊的脉冲控制量，很短的时间内几乎不消耗或消耗极少量的能量。本方案适用于所有的饮水机。

Description

一种饮水机节能控制方法及饮水机控制电路

技术领域

本发明涉及加热设备控制领域，尤其是涉及一种饮水机节能控制方法及饮水机控制电路。

背景技术

如今办公室或家庭使用的饮水机，均采用手动控制饮水机的加热开关和制冷开关。为了方便随时饮用，饮水机的加热开关和制冷开关通常都是一直闭合的，饮水机的加热器和制冷器都属于待机工作中，导致饮水机耗电量大，浪费很多能源。而且在下班后等没有人喝水的时间段，饮水机可能由于用户忘记关闭而一直处于加热制冷工作状态，浪费大量电能。

能源之星机构在2010年10月规定的冷热饮水机的24小时待机能耗是小于等于1.2KWh/day。随着全世界对节能减排的重视，其标准也将要提高，新的冷热饮水机的24小时待机能耗标准将是0.81KWh/day。

能源之星规定了待机能耗测试时，热水温度不能低于73.9摄氏度，冷水温度不能高于10摄氏度。而客人的需求是，热水的温度尽可能高，比如93摄氏度；冷水温度尽可能低，比如4摄氏度。热水的出水量和冷水的出水量要大。这使得能源消耗和客人需求之间产生了很大的矛盾。本发明的目的就是找到一种方法饮水机节能控制方法，使得冷热饮水机在待机时的能量消耗尽可能小，而当客人使用时尽可能满足其各项需求。

现有的饮水机在加热方面主要包括有热胆和无热胆两种，无热胆的饮水机虽然在较短时间内就可以将水加热到需要的温度，但是瞬间功率很大，对线路、设备的要求高，成本也高，并且加热时发热管会有大量的热量散失。有热胆的饮水机是通过安装在热胆底部的发热盘发出热量加热，而发热盘在工作时的温度比环境温度高许多，热量散失较大，不够节能。

中华人民共和国国家知识产权局于2007年6月20日公开了授权公告号为CN2913942Y的专利文献，名称是一种饮水机热胆，其包括筒状热胆体以及与所述热胆体内腔连通的进水管、出水管和排气管，所述热胆体的外壁上固接有安装支架，所述热胆体的内腔内还安装有电加热器和温控器，所述电加热器的电源接头伸出所述热胆体的内腔外，所述的热胆体外包裹有一层聚氨酯保温层。由于在热胆体外在增设了保温层，因此热胆内的热量不易散失，具有较好的保温效果，但是采用此热胆的饮水机在加热的时候仍然会有大量的热量从加热器上散失，造成能源浪费。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的饮水机的发热盘在加热时会有大量热量散失的技术问题，提供一种可以有效减少发热盘散失能量的饮水机节能控制方法及饮水机控制电路。

本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种饮水机节能控制方法，本方法是基于PID控制器的可变脉冲模糊控制加热算法，用于控制饮水机将热胆中的水加热到设定温度，中央处理单元按照加热控制算法驱动不同参数的PID控制器调节发热盘工作，定义设定温度和实际温度之间的差值为温度差，包括以下步骤：

步骤一、温度传感器采集水温值并发送给处理器；

步骤二、中央处理单元判断一个采样周期内水温的上升值是否大于温度差的1/X，X为预设温度系数；如果一个采样周期内水温的上升值大于温度差的1/X，则进入步骤五，否则进入步骤三；

步骤三、中央处理单元判断水温是否开始下降，如果是则进入步骤四，否则跳转到步骤一；

步骤四、中央处理单元判断温度差是否小于等于S1，S1为第一调整温差；如果温度差小于等于S1，则将PID参数设定为第三套参数，并跳转到步骤一；如果温度差大于S1，则发热盘进行全功率加热，并跳转到步骤一；

步骤五、如果当前水温处于温度差大于S1的温度下降阶段，发热盘全功率加热，则进入步骤六，否则进入步骤七；

步骤六、中央处理单元判断温度差是否小于等于S2，S2为第二调整温度差，如果温度差小于等于S2，则将PID参数设定为第四套参数值，并跳转到步骤一；如果温度差大于S2，则跳转到步骤一；

步骤七、中央处理单元判断温度差是否小于等于S1，如果温度差小于等于S1，则将PID参数设定为第一套参数，并跳转到步骤一；如果温度差大于S1，则将PID参数设定为第二套参数，并跳转到步骤一。

作为优选，第一调整温差值小于第二调整温差值。

作为优选，第一调整温差值为0.5摄氏度 ，第二调整温差值为1摄氏度 。

作为优选，第一套参数为：比例常数为15，积分常数为2，微分常数为185；第二套参数为：比例常数为40，积分常数为10，微分常数为255；第三套参数为：比例常数为10，积分常数为4，微分常数为200；第四套参数为：比例常数为35，积分常数为82，微分常数为250。

通过比例常数、积分常数和微分常数，采用常规的PID公式即可算出每个采样周期内发热盘需要工作的时间百分比。

作为优选，采样周期为200ms。

传统方式下，为了具有较高的加热效率，发热盘温度远高于水温。而在其它条件不变的情况下，物体的热量传递速度是和温差成正比的，这样从发热盘散失到空气或其他与发热盘接触的设备中的热量比较高；而本方案通过PID控制使发热盘只在必要的时候短时间开启，发热盘自身温度只是略高于水温，从发热盘散失的热量较小，能量利用率高。并且本方案随时打开热水开关得到的水温都保持一致，不会出现想用热水而饮水机正处于加热阶段需要等待的情况。

一种饮水机控制电路，包括中央处理单元、按键组、显示单元、第一温度传感器、交流电源和加热控制模块，所述按键组、显示单元和第一温度传感器分别与中央处理单元连接；所述加热控制模块包括过零检测模块、双向可控硅和双向可控硅控制模块；过零检测模块的输入端连接交流电源，输出端连接中央处理单元；所述双向可控硅控制模块包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和光电耦合器；光电耦合器的第一输入端通过电阻R3连接中央处理单元，第二输入端接地，第一输出端通过电阻R1连接交流电源的相线，第二输出端通过电阻R2连接交流电源的零线；双向可控硅的控制端连接光电耦合器的第二输出端，第一被控端连接交流电源的相线，第二被控端连接交流电源的零线。

第一温度传感器检测饮水机热胆内水的温度值，并将其发送到中央处理单元。中央处理单元对第一温度传感器检测到的温度值进行运算得出，加热控制执行模块输入端所需要的脉冲控制量，其驱动加热执行模块的输出端得到相应的加热功率。过零检测模块检测交流电源的零点，中央处理单元可通过改变每采样周期内双向可控硅导通的交流电半波个数和断开的交流电半波个数来达到调节加热器工作功率的目的。光电耦合器起电气隔离作用；电阻R1和电阻R3起限流作用；电阻R2防止双向可控硅误触发。

作为优选，饮水机控制电路还包括浪涌吸收电路，所述浪涌吸收电路包括电阻R4和电容C1，所述电容C1和电阻R4串联以后跨接在交流电源的相线和零线之间。浪涌吸收电路可防止浪涌电压损坏双向可控硅。

作为优选，饮水机控制电路还包括第二温度传感器和制冷控制模块，所述第二温度传感器与中央处理单元连接，所述制冷控制模块包括电阻R5、三极管Q1、电容D1、直流电源、继电器KM和制冷器，所述三极管Q1的基极通过电阻R5连接中央处理单元，发射极接地；电容D1的正极连接三极管Q1的集电极，负极连接直流电源；继电器KM的第一控制端连接三极管Q1的集电极，第二被控端连接直流电源，第一被控端连接交流电源的相线，第二被控端连接制冷器的一端，制冷器的另一端连接交流电源的零线。

第二温度传感器检测饮水机冷胆内的水的温度值，并将其发送到中央处理单元。中央处理单元控制制冷器在需要的时候工作，为用户提供冷水。

本发明带来的实质性效果是，减少发热盘的热量散失，使饮水机的能量消耗达到或由于新的能源之星标准，并且相比较传统的饮水机可以减少35%以上的能量消耗。

附图说明

图1是本发明的一种饮水机控制方法流程图；

图2是本发明的一种加热控制算法流程图；

图3是本发明的一种饮水机控制电路图；

图中：1、中央处理单元，2、按键组，3、显示单元， 6、第一温度传感器，7、第二温度传感器，8、过零检测模块，9、双向可控硅，10、双向可控硅控制模块，11、交流电源，12、光电耦合器，13、浪涌吸收电路，14、直流电源，15、加热器，16、制冷器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种饮水机控制电路，如图3所示，包括中央处理单元1、按键组2、显示单元3、第一温度传感器6、第二温度传感器7、制冷控制模块、浪涌吸收电路13、交流电源11和加热控制模块。按键组2、显示单元3、第一温度传感器6和第二温度传感器7分别与中央处理单元1连接。加热控制模块包括过零检测模块8、双向可控硅9和双向可控硅控制模块10。过零检测模块8的输入端连接交流电源11，输出端连接中央处理单元1。双向可控硅控制模块10包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和光电耦合器12。光电耦合器12的第一输入端通过电阻R3连接中央处理单元1，第二输入端接地，第一输出端通过电阻R1连接交流电源11的相线，第二输出端通过电阻R2连接交流电源11的零线。双向可控硅9的控制端连接光电耦合器12的第二输出端，第一被控端连接交流电源11的相线，第二被控端连接交流电源11的零线。

浪涌吸收电路13包括电阻R4和电容C1，电容C1和电阻R4串联以后跨接在交流电源11的相线和零线之间。

制冷控制模块包括电阻R5、三极管Q1、电容D1、直流电源14、继电器KM和制冷器16。三极管Q1的基极通过电阻R5连接中央处理单元1，发射极接地；电容D1的正极连接三极管Q1的集电极，负极连接直流电源14；继电器KM的第一控制端连接三极管Q1的集电极，第二被控端连接直流电源14，第一被控端连接交流电源11的相线，第二被控端连接制冷器16的一端，制冷器16的另一端连接交流电源11的零线。

一种饮水机节能控制方法，用于控制饮水机将热胆中的水加热到设定温度，中央处理单元按照加热控制算法驱动不同参数的PID控制器调节发热盘工作，令设定温度和实际温度之间的差值为温度差，如图1和图2所示，包括以下步骤：

步骤一、温度传感器采集水温值并发送给处理器；

步骤二、中央处理单元判断一个采样周期内水温的上升值是否大于温度差的1/X，X为预设温度系数，本实施例中X为15；如果一个采样周期内水温的上升值大于温度差的1/X，则进入步骤五，否则进入步骤三；

步骤三、中央处理单元判断水温是否开始下降，如果是则进入步骤四，否则跳转到步骤一；

步骤四、中央处理单元判断温度差是否小于等于S1，S1为第一调整温差；如果温度差小于等于S1，则将PID参数设定为第三套参数，并跳转到步骤一；如果温度差大于S1，则发热盘进行全功率加热，并跳转到步骤一；

步骤五、如果当前水温处于温度差大于S1的温度下降阶段，发热盘全功率加热，则进入步骤六，否则进入步骤七；

步骤六、中央处理单元判断温度差是否小于等于S2，S2为第二调整温度差，如果温度差小于等于S2，则将PID参数设定为第四套参数值，并跳转到步骤一；如果温度差大于S2，则跳转到步骤一；

步骤七、中央处理单元判断温度差是否小于等于S1，如果温度差小于等于S1，则将PID参数设定为第一套参数，并跳转到步骤一；如果温度差大于S1，则将PID参数设定为第二套参数，并跳转到步骤一。

第一调整温差值为0.5摄氏度 ，第二调整温差值为1摄氏度 。

第一套参数为：比例常数为15，积分常数为2，微分常数为185；第二套参数为：比例常数为40，积分常数为10，微分常数为255；第三套参数为：比例常数为10，积分常数为4，微分常数为200；第四套参数为：比例常数为35，积分常数为82，微分常数为250。

通过比例常数、积分常数和微分常数，采用常规的PID公式即可算出每个采样周期内发热盘需要工作的时间百分比。

采样周期为200ms。

第一温度传感器设置在饮水机热胆内，第二温度传感器设置在饮水机冷胆内。在本技术方案中，当用户需要饮水机内有冷水和热水时，节能控制算法会根据饮水机内部热水的温度，为其设定相匹配的加热功率，使其加热效率最高化。第一温度传感器检测饮水机热胆内水的温度值，并将其发送到中央处理单元；第二温度传感器检测饮水机冷胆内的水的温度值，并将其发送到中央处理单元。中央处理单元对第一温度传感器检测到的温度值进行运算得出加热控制执行模块输入端所需要的脉冲控制量，其驱动加热执行模块的输出端得到相应的加热功率。

特别是饮水机热胆处于高温度时，本发明控制方法的效果是，使加热器类似于一个保温瓶的效果，能保证内部的水温恒定在一定的温度范围内。通过这个保温瓶效应，加热的能耗可以大幅度的减少，这就是本控制方法的有益之处。

传统的控制方法是，控制饮水机热胆内部的热水达到设定的温度T2就停止加热，然后，其温度下降到T1时就开始全功率加热。T2和T1之间是存在一个比较大的温度差。本发明的控制方法是，控制饮水机热胆内部的热水恒定在设定的温度T0，其加热的功率会自动根据T0的变化而变化。加热器的开启和停止之间存在一个极小的温度差，可以认为几乎没有温度差。本发明的控制方法控制下的加热器的输出功率由基于PID控制器的可变脉冲模糊控制加热算法来控制，输出模糊的脉冲控制量，很短的时间内几乎不消耗或消耗极少量的能量。我们称其为保温瓶效应，通过这样有益的控制，加热器的能量消耗就会相对于传统方发变得小多了。

用户还可通过设置饮水机的加热工作时间段和制冷工作时间段。当中央处理单元的内部时钟计时达到设定的加热工作时间段时，中央处理单元启动加热器工作，使热胆内的水温保持在要求温度值；当中央处理单元的内部时钟计时没有达到加热工作时间段时，中央处理单元控制加热器不工作。当中央处理单元的内部时钟计时达到设定的制冷工作时间段时，中央处理单元启动制冷器工作，使冷胆内的水温保持在要求温度值；当中央处理单元的内部时钟计时没有达到制冷工作时间段时，中央处理单元控制制冷器不工作。中央处理单元根据用户设定的加热工作时间和制冷工作时间控制加热器和制冷器工作，节约电能。

过零检测模块检测交流电源的零点，中央处理单元可通过改变每200毫秒内双向可控硅导通的交流电半波个数和断开的交流电半波个数来达到调节加热器工作功率的目的。

光电耦合双向可控硅驱动器起电气隔离作用；电阻R1和电阻R3起限流作用；电阻R2防止双向可控硅误触发。

浪涌吸收电路可防止浪涌电压损坏双向可控硅。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了PID、发热盘、双向可控硅等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.一种饮水机节能控制方法，用于控制饮水机将热胆中的水加热到设定温度，中央处理单元按照加热控制算法驱动不同参数的PID控制器调节发热盘工作，令设定温度和实际温度之间的差值为温度差，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、温度传感器采集水温值并发送给处理器；

步骤二、中央处理单元判断一个采样周期内水温的上升值是否大于温度差的1/X，X为预设温度系数；如果一个采样周期内水温的上升值大于温度差的1/X，则进入步骤五，否则进入步骤三；

步骤三、中央处理单元判断水温是否开始下降，如果是则进入步骤四，否则跳转到步骤一；

步骤四、中央处理单元判断温度差是否小于等于S1，S1为第一调整温差；如果温度差小于等于S1，则将PID参数设定为第三套参数，并跳转到步骤一；如果温度差大于S1，则发热盘进行全功率加热，并跳转到步骤一；

步骤五、如果当前水温处于温度差大于S1的温度下降阶段，发热盘全功率加热，则进入步骤六，否则进入步骤七；

步骤六、中央处理单元判断温度差是否小于等于S2，S2为第二调整温度差，如果温度差小于等于S2，则将PID参数设定为第四套参数值，并跳转到步骤一；如果温度差大于S2，则跳转到步骤一；

步骤七、中央处理单元判断温度差是否小于等于S1，如果温度差小于等于S1，则将PID参数设定为第一套参数，并跳转到步骤一；如果温度差大于S1，则将PID参数设定为第二套参数，并跳转到步骤一。

2.根据权利要求1所述的一种饮水机节能控制方法，其特征在于，第一调整温差值小于第二调整温差值。

3.根据权利要求1或2所述的一种饮水机节能控制方法，其特征在于，第一调整温差值为0.5摄氏度，第二调整温差值为1摄氏度 。

4.根据权利要求1或2所述的一种饮水机节能控制方法，其特征在于，第一套参数为：比例常数为15，积分常数为2，微分常数为185；第二套参数为：比例常数为40，积分常数为10，微分常数为255；第三套参数为：比例常数为10，积分常数为4，微分常数为200；第四套参数为：比例常数为35，积分常数为82，微分常数为250。

5.根据权利要求3所述的一种饮水机节能控制方法，其特征在于，采样周期为200ms。

6.一种饮水机控制电路，其特征在于，包括中央处理单元、按键组、显示单元、第一温度传感器、交流电源和加热控制模块，所述按键组、显示单元和第一温度传感器分别与中央处理单元连接；所述加热控制模块包括过零检测模块、双向可控硅和双向可控硅控制模块；过零检测模块的输入端连接交流电源，输出端连接中央处理单元；所述双向可控硅控制模块包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和光电耦合器；光电耦合器的第一输入端通过电阻R3连接中央处理单元，第二输入端接地，第一输出端通过电阻R1连接交流电源的相线，第二输出端通过电阻R2连接交流电源的零线；双向可控硅的控制端连接光电耦合器的第二输出端，第一被控端连接交流电源的相线，第二被控端连接交流电源的零线。

7.根据权利要求6所述的一种饮水机控制电路，其特征在于，还包括浪涌吸收电路，所述浪涌吸收电路包括电阻R4和电容C1，所述电容C1和电阻R4串联以后跨接在交流电源的相线和零线之间。

8.根据权利要求6或7所述的一种饮水机控制电路，其特征在于，还包括第二温度传感器和制冷控制模块，所述第二温度传感器与中央处理单元连接，所述制冷控制模块包括电阻R5、三极管Q1、电容D1、直流电源、继电器KM和制冷器，所述三极管Q1的基极通过电阻R5连接中央处理单元，发射极接地；电容D1的正极连接三极管Q1的集电极，负极连接直流电源；继电器KM的第一控制端连接三极管Q1的集电极，第二被控端连接直流电源，第一被控端连接交流电源的相线，第二被控端连接制冷器的一端，制冷器的另一端连接交流电源的零线。

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