CN104749972A - 一种基于arm技术的智能变功率开水控制器 - Google Patents

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孙瑜
李海强
滕诣迪
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Abstract

本发明涉及一种基于ARM的嵌入式智能变功率开水器控制系统，该系统的主控制板包括核心控制板和强电板，所述的核心控制板包括ARM7微处理器、LCD显示器、红外遥控、触摸按键、水位水温检测接口、复位按键、以太网接口、POWER、和JTAG接口，所述的强电板包括AC-DC整流模块、12V至5V稳压模块、6组继电器加热控制模块、2组出水电磁阀模块、1组排污电磁阀模块和1组补水电磁阀模块。本发明具有的优点在于：采用基于嵌入式ARM的方案来设计智能变功率控制系统，具有低功耗、可拓展性强、功能强大、人机友好、低成本的优点。

Description

一种基于ARM技术的智能变功率开水控制器
技术领域
本发明属于家用电器领域，具体涉及一种基于ARM技术的智能变功率开水器控制器。
背景技术
开水器，也叫开水机、电开水器，或者俗称“开水炉”，是为了满足较多人员饮用开水的需求而设计、开发的一种利用电能或者其它燃料燃烧转化为热能从而产生开水的饮水设备。从传统的燃煤气锅炉开始，又出现了燃气式开水器、太阳能开水器和电开水器，每一次开水器的变革都推动了人们的日常生活品质的提升。统计数据显示，开水器已成为彩电、冰箱、洗衣机、空调之后的第五大家用电器。同时，近几年我国内对开水器的需求保持着持续上升的态势。
开水器是为了适应各类人群饮水需求环境而设计产生的，在18世纪上半叶左右，从人类在掌握了优质钢管的生产和胀管技术之手出现了火管锅炉之后，伴随而来的燃煤气锅炉拉开了开水器漫长的一个由功能简单到复杂、控制方式由机械控制到电脑控制的发展过程。特别是近代电气以及电子技术的发展，以及信息时代的到来，开水器也逐渐走出传统的模式。随着嵌入式技术的不断发展，在开水器的智能化这条道路上，我们已经不仅仅满足于对温度和时间的控制，而是走向多功能一体化的方向，以达到安全、节能、舒适、方便的要求。我国的开水器行业起步较晚，但是发展迅速，整个热水器市场竞争激烈。而我国开水器产品与欧美国家相比，产品技术差距还比较明显。目前，我国开水器产品的电脑控制、电子控制还处于初级阶段，而欧美等发达国家其开水器产品已实现智能化和网络化，所以朝着这个方向发展具有重要的现实意义。近年来，随着微计算机技术的发展，传统的8/16位的单片机在嵌入式技术中的优势不再，伴随而来的ARM芯片的崛起，以其在硬件、软件方面所具有的无法比拟的优势迅速成为信息时代的宠儿，得到广泛应用。在这种大背景下，国外也出现了一些基于ARM的开水器控制系统，但是国内类似的设计方案却很少。如今嵌入式技术还在不断朝着低功耗、高可定制性、高稳定性和强实时性发展，它将拥有广阔的发展和运用前景，工业控制器也必然会向着嵌入式技术不断靠拢。
发明内容
本发明为了解决传统开水器控制系统功能简单，人机交互不便，无法调节加热功率的问题而提出了一种基于ARM的嵌入式智能变功率开水器控制系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于ARM的嵌入式智能变功率开水器控制系统，该系统的主控制板包括核心控制板和强电板，所述的核心控制板包括ARM7微处理器、LCD显示器、红外遥控、触摸按键、水位水温检测接口、复位按键、以太网接口、POWER、和JTAG接口，所述的强电板包括AC-DC整流模块、12V至5V稳压模块、6组继电器加热控制模块、2组出水电磁阀模块、1组排污电磁阀模块和1组补水电磁阀模块。
进一步地，所述的继电器加热控制模块连接达林顿管ULN2003A驱动继电器。
进一步地，所述的水位水温检测接口连接多液位检测电路和温度检测电路，所述的多液位检测电路用于检测水箱中的水位，包括上、中上、中、中下和低水位，所述的温度检测电路用于监控水温。
进一步地，所述的ARM7微处理器为LPC2148。
进一步地，该系统具有人机交互界面，能够实时显示开水器的工作状态、温度、时间，可通过触摸按键进行取水操作，可以取温水、冷水、开水。 
进一步地，所述的LCD显示器驱动芯片采用GM5120。
本发明具有的优点在于：采用基于嵌入式ARM的方案来设计智能变功率控制系统，具有低功耗、可拓展性强、功能强大、人机友好、低成本的优点，最终实现了如下的性能、效果和功能：1）能够快速烧水，在短时间内产生开水，开水不间断提供并在按下出水按键后能源源不断地流出；2）具有人机交互界面，包括按键和显示屏，能够实时显示开水器的工作状态、温度、时间，可通过触摸按键进行取水操作，三个按键代表可以取温水、冷水、开水。同时具有红外遥控管理的功能；3）具有实时性、可控性，能够实时的、迅速的检测出水位、水温的变化，并将检测到的变化信号反馈给控制芯片，继而调控加热管的动作；4）有防干烧功能，使开水器处于安全工作状态下；6）整个开水器控制系统要具有稳定性、准确性、可靠性，并具有一定的抗干扰能力。
附图说明
图1是嵌入式智能变功率开水器强电板结构图。
图2是嵌入式智能变功率开水器核心控制板结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明。
如图1和图2所示，本发明一种基于ARM的嵌入式智能变功率开水器控制系统，其采用ARM7系列的芯片LPC2148作为主控制芯片，并将整个控制器系统分为两块电路板，其中核心控制板主要处理人机界面、温度采样、水位检测、红外遥控等任务，强电板作为智能变功率开水器电源和驱动电路模块，接收核心控制板的信号，并对加热管、电磁阀等期间进行控制。
ARM构架处理器是高性能、低功耗、低成本的RISC嵌入式微处理器，适用于嵌入式控制、消费数码电子、DSP和移动式应用等多个领域，并占据领先地位。选用ARM处理器进行开发，技术积累性较强，设计重用度高，生命周期长，不容易被淘汰。
下面介绍智能变功率开水器控制系统中的主要设备和功能：
（1）微处理器ARM：ARM作为开水器控制系统的核心元件，负责对水位、水温信号的处理，产生对加热管的控制信号。因为涉及到多点水位检测、多点水温检测以及不同功率的调节，所以对处理器的数据处理能力有较高的要求，这也是选择ARM作为主控芯片的重要原因。本发明选择的ARM7微处理器为LPC2148。
（2）实时时钟：在针对特定的饮水环境时，特别是企业集团、机关单位等存在固定上下班时间的地方，需要系统能够提供准确的时间信息来同步外界环境的作息时间，从而实现对开水器的定时开关以及调节不同时段的加热功率。本发明采用的ARM微处理器其内部的RTC模块以及外部晶振能保证时间的准确性，同时配置了备用电池保证掉电后系统的时钟能够继续工作。
（3）LCD显示：在本设计中采用单色LCD显示屏作为开水器信息显示的输出设备，可以用来显示实时水温值、设定水温值、开水器工作状态、日期以及时间等参数信息。
（4）网络接口：为了实现对用水单位的所有开水器进行监测，本发明选择外接以太网卡控制器，通过LwIP协议栈实现局域网通信，将开水器的信息发送给上位机，并通过上位机界面动态显示出来。
（5）电加热管：本发明中采用三角形方式连接的两组220V交流电加热管，其中每组有三根加热棒，加热管的额定功率为9KW，但两组加热管的功率不同，一组为3KW，另一组为6KW。之所以采用三角形方式连接是为了追求大电流，从而达到迅速加热的目的。
（6）水位检测：水位传感器是将水箱中水位信号反馈给ARM处理器的器件，其数量、位置以及制材对整个系统的性能起着举足轻重的作用。在本设计中采用了电接点式水位传感器进行水位检测，即利用液体的导电性来测量液位，传感器的结构十分简单。我们在本设计中对5个水位点的进行检测，用来提高开水器准确性。
（7）水温检测：在本开水器系统中需要对加热层和出水口的温度进行检测，所以我们采用了PT100铂电阻温度传感器，将水温信号传给ARM处理器从而产生控制信号。
（8）触摸按键：按键是开水器的主要输入设备，完成出水动作的实现。本设计中没有采用传统的机械式按键，而选择电容式弹簧触摸按键，其具有美观、耐用、寿命长的特点。本设计中的三个触摸按键分别对应开水出口、温水出口、冷水出口。
（9）电磁阀系统：对于开水器的出水、进水动作，是通过对电磁阀的控制来实现。对电磁阀的控制方式有多种，本发明中ARM处理器发出控制信号经过继电器来实现电磁阀的开闭。
（10）险情、故障报警：本发明采用蜂鸣器报警的方式对开水器进行安全监测，从而实现防干烧报警和系统故障报警。
在以上通用的功能和性能要求上，针对于某特定集团企业的用水需求，智能变功率开水器又具有以下特性：
1）可根据不同时间段控制不同水位以及不同的加热功率，实现变功率调节，使开水器更加智能化；
2）水箱中水位分为：上、中上、中、中下、低（防干烧水位），在加热层和出水口有温度检测装置；
3）针对当地和集团企业的电力使用情况，能避免用水高峰时期造成的电力大幅增加以及对用户单位电力系统的影响；
4）开水器控制系统在工作周期内，处于无人环境下，可以正常运行，自行开闭系统。

Claims (7)

1.一种基于ARM的嵌入式智能变功率开水器控制系统，其特征在于：该系统的主控制板包括核心控制板和强电板，所述的核心控制板包括ARM7微处理器、LCD显示器、红外遥控、触摸按键、水位水温检测接口、复位按键、以太网接口、POWER、和JTAG接口，所述的强电板包括AC-DC整流模块、12V至5V稳压模块、6组继电器加热控制模块、2组出水电磁阀模块、1组排污电磁阀模块和1组补水电磁阀模块。
2.根据权利要求1所述的基于ARM的嵌入式智能变功率开水器控制系统，其特征在于：所述的继电器加热控制模块连接达林顿管ULN2003A驱动继电器。
3.根据权利要求1所述的基于ARM的嵌入式智能变功率开水器控制系统，其特征在于：所述的水位水温检测接口连接多液位检测电路和温度检测电路，所述的多液位检测电路用于检测水箱中的水位，包括上、中上、中、中下和低水位，所述的温度检测电路用于监控水温。
4.根据权利要求1所述的基于ARM的嵌入式智能变功率开水器控制系统，其特征在于：所述的ARM7微处理器为LPC2148。
5.根据权利要求1所述的基于ARM的嵌入式智能变功率开水器控制系统，其特征在于：该系统具有人机交互界面，能够实时显示开水器的工作状态、温度、时间，可通过触摸按键进行取水操作，可以取温水、冷水、开水。
6. 根据权利要求1所述的基于ARM的嵌入式智能变功率开水器控制系统，其特征在于：所述的LCD显示器驱动芯片采用GM5120。
7.根据权利要求1所述的基于ARM的嵌入式智能变功率开水器控制系统，其特征在于：所述的继电器加热控制模块采用三角形方式连接两组220V交流电加热管。
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