CN106073509A - 智能反馈调温饮用水系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能反馈调温饮用水系统，以调频、调相双结合的温度控制系统，通过设置4个调温中断控制按键，当按下其中一个按键时便显示该档位的下限温度值20、40、60、80℃，如在5秒钟之内不用旋转编码器细调所需的温度值，则默认当前档位的下限温度值为目标温度值，如在5秒钟之内使用旋转编码器细调，则旋转编码器所调节的温度则为目标温度；当目标温度大于实际水温5℃时进行效率高的调相加热控制，当实际水温小于目标温度5℃时则进行PWM调频加热控制，从而实现无级调温的控制。其具有更加安全可靠、更加节能、操作更加便利的优点。

Description

智能反馈调温饮用水系统

技术领域

本发明属于日常用品技术领域，具体涉及一种适用于家庭、企事业单位、服务性行业、医院、疗养院等场所的直饮水供应的智能反馈调温饮用水系统。

背景技术

当前中国市场上存在的饮水机或者是净水器分为如下几种：沸腾胆烧水壶、净水桶式饮水机、即热式饮水机这几种。其中，沸腾胆烧水壶和净水桶式饮水机的水温加热时间长且蓄水量有限，倘若反复加热自来水，会使水产生亚硝酸盐，污染血液，造成血液输氧困难和缺氧，长期饮用这种水很容易在人体内形成肾结石，虽然这两种饮水机的价格便宜，但是存在机型体积庞大、加热时间长、耗电不环保、噪音和干烧等问题，基于健康和节能的角度，此两种饮水机已经不适合在现代的健康的生活中使用了。另外，现在的即热式饮水机虽然能在短时间内将自来水加热到沸腾状态，但是这种饮水机的加热技术只能将水瞬间加热到沸腾状态而不能达到任意温度的调节，但是现在的日常生活中，人们在进行泡茶、冲奶粉、冲营养粉等活动时需要使用各种不同温度的水温，直接沸腾到100℃的水并不能很好的满足人们的各种需求，而且市面上的即热式饮水机的加热技术对发热丝的损耗大，加热效率低，长期使用会使其内部的发热丝老化，对水质有一定的影响。

我们的智能反馈调温系统对电热饮水机将是一次创新性的革命。采用瞬时加热是电热饮水机的潮流，然而采用可控硅调压加热方式与PWM控制的IGBT管调频加热方式相结合是一种创新性的发明。主要是克服了传统的可控硅调压单一加热弊端。因为电热管是呈线性元件，虽然可控硅可以控制电压的高低(调相控温)，但持续加温对功率较大的热水器而言始终会造成温度过高，以致最终温度失控。然而只用电磁炉IGBT的PWM脉冲调节技术(调频控温)加热又会使即热型电热饮水机效率过低，没法把水加到预期的温度。我们的电热饮水机是以可控硅调压技术为基本加热方式，当目标温度大于实际温度5℃时，立刻启动可控硅调相加热；当目标温度小于实际温度5℃时，立刻启动IGBT调频加热。这样无论从加热效率还是温度精确调节、以及安全性方面都有好处。采用PWM调频控温作为可控硅持续加热的缓冲，又不至于停止加热使温度迅速下降，同时又克服可控硅持续加热时导致发热体温度过高烧融塑料外壳的不安全现象。

发明内容

本发明的目的是提出一种智能反馈调温饮用水系统，克服了现有技术的上述不足，其采取了可控硅调相和PWM调频双结合的加热技术，在加热效率没有降低的情况下，克服了国内外即热式大功率饮水机过热的缺陷，其具有更加安全可靠、更加节能、操作更加便利的优点。

为了达到上述设计目的，本发明采用的技术方案如下：

一种智能反馈调温饮用水系统，以调频、调相双结合的温度控制系统，调相加热是以可控硅调压电路组成，调频加热是以单片机PWM控制IGBT驱动电路组成，通过设置4个调温中断控制按键，当按下其中一个按键时便显示该档位的下限温度值20、40、60、80℃，如在5秒钟之内不用旋转编码器细调所需的温度值，则默认当前档位的下限温度值为目标温度值，如在5秒钟之内使用旋转编码器细调，则旋转编码器所调节的温度则为目标温度；当目标温度大于实际水温5℃时进行效率高的调相加热控制，当实际水温小于目标温度5℃时则进行PWM调频加热控制，从而实现无级调温的控制。

优选地，主要包括MCU、数码显示模块、液晶显示模块、键扫描模块、旋转编码器模块、PWM输出模块、加热模块、温度检测模块、IGBT调频模块、可控硅调相模块、输出控制模块、过零检测模块和流量检测模块；所述键扫描模块主要由4个按钮和阻容抗抖电路组成，主要用来选择20℃、40℃、60℃、80℃这几个温度档位，键扫描模块的处理子程序负责逐个扫描功率档位键是否被按下，若有键按下，则作出相应处理；所述旋转编码器模块主要用来对目标温度进行细调；所述PWM输出模块是由单片机内部的PCA寄存器输出的PWM再经过一系列的PWM整形电路组成，输出的PWM波形可以控制IGNT调频电路工作，产生间歇性加热的效果；所述可控硅调相模块由光耦和可控硅组成，双向可控硅可用来控制发热丝的加热功率，单片机通过光耦给可控硅触发信号，控制可控硅的导通角，从而控制发热丝的有效加热效率，电路中加入了继电器来控制加热电源。

优选地，当按下其中一个温度档位的按钮时，系统立刻启动可控硅调相加热电路，三位数码管上显示当前按钮的最低下限。

优选地，所述智能反馈调温饮用水系统的实现过程为：

步骤一、启动MCU，系统初始化；

步骤二、进行键扫描，停留时间是否小于5秒，如是，则将信号传递到旋转编码器模块，旋转编码器模块动作，并将信号传递到MCU；如不是，则进行温度检测；

步骤三、检测到的温度与目标温度的温度差是否大于5℃，如是，则将信号传递到可控硅调相模块，并通过可控硅调相模块处理后传递到加热模块，进行加热，并继续进行温度检测；如不是，则将信号传递到IGBT调频模块，IGBT调频模块处理后继续进行温度检测。

优选地，所述智能反馈调温饮用水系统的具体使用过程为：

步骤一：按下其中一个按键时便显示该档位的下限温度值(20℃、40℃、60℃、80℃)如在5秒钟之内不用旋转编码器细调所需的温度值，则默认当前档位的下限温度值为目标温度值，如在5秒钟之内使用旋转编码器细调，则旋转编码器所调节的温度则为目标温度；

步骤二：当流量计一旦有数值时，单片机有输出信号通过输出控制模块控制可控硅导通角使电压幅度以180V标准加热控制，当目标温度大于实际水温5℃时进行220V效率更高的调相加热控制，当实际水温小于目标温度5℃时则进行PWM调频加热控制，而且旋转编码器以“1”为单位对每档温度进行细调，这样就可以实现无级调温的控制。

优选地，所述智能反馈调温饮用水系统还包括中断服务程序模块，当按下温度选择按键时则进入中断服务函数，一边进行温度检测一边进行按键扫描；然后MCU开始判断按下的是哪一个温度档位的按键，在确定了温度范围后先判断是否通过旋转编码器对目标温度进行细调，若无则默认该档位的下限温度值20℃或40℃或60℃或80℃；若有则执行所需目标温度。

优选地，中断服务程序模块的具体步骤为：

步骤一、中断相应；

步骤二、关中断，单片机的中断系统暂时关闭，并且保护现有的数据，然后打开单片机的中断系统并执行中断请求任务；

步骤三、检测温度是否在20～40℃之间，如不是，则将信号传递到温度检测模块继续检测；如是，则将信号传递到旋转编码器模块，暂时关闭中断单片机系统，恢复之前单片机保存的数据，然后打开中断系统，开始执行新的操作指令，返回；

步骤四、检测温度是否在40～60℃之间，如是，则将信号传递到旋转编码器模块，关中断，恢复现场，开中断，返回；如不是，则将信号传递到温度检测模块继续检测；

步骤五、检测温度是否在60～80℃之间，如是，则将信号传递到旋转编码器模块，关中断，恢复现场，开中断，返回；如不是，则将信号传递到温度检测模块继续检测；

步骤六、检测温度是否在80～100℃之间，如是，则将信号传递到旋转编码器模块，关中断，恢复现场，开中断，返回；如不是，则将信号传递到温度检测模块继续检测。

本发明所述的智能反馈调温饮用水系统的有益效果是：采取了可控硅调相和PWM调频双结合的加热技术，在加热效率没有降低的情况下，克服了国内外即热式大功率饮水机过热的缺陷，其具有更加安全可靠、更加节能、操作更加便利的优点。

(1)智能反馈调温系统使饮用水更加安全可靠：国内外生产的饮用水机大多数都是采用反复加热的模式，而反复加热的饮用水经医学专家的研究发现，会产生很多的致癌物质，若长期饮用会严重影响人们的身体健康。而我们的饮水机是采用即热式的饮用水系统，不存在对饮用水长期加热的情况，所以更加安全可靠。

(2)智能反馈调温系统比传统的饮水机更加节能：普通的电热饮水机为了保持温度而采用保温加热，往往温度维持在100℃左右，而使用的目标温度如果小于100℃，会造成能源的浪费。而我们的饮用水系统，对目标温度进行分段设置加热，由于采取即热式加热，所以更加节约电能。

(3)智能反馈调温系统操作更加便利：普通的电热饮水机只能加热到100℃一种温度，而我们的智能反馈调温系统设置了4档区间的温度，分别是20～40℃、40～60℃、60～80℃、80～100℃，并且在上述区间可使用旋转编码器以1为单位对每档温度进行细调(注：当饮水机外接水龙头时，可采用美国碳60的净水滤芯过滤后接入；当饮水机外接桶装水时，则可不用净水滤芯)。因为各种温度的饮用水对我们日常生活的饮品(例如：冲剂、奶粉、咖啡、茶)有不同的需求，所以我们的智能反馈调温系统操作更加便利。

(4)由于智能反馈调温系统采取了可控硅调相和PWM调频双结合的加热技术，在加热效率没有降低的情况下，克服了国内外即热式大功率饮水机过热的缺陷。

具体为：

(1)我们设置4个轻触按钮，分别为冲剂键(20-40℃)，奶粉(40-60℃)，咖啡(40-60℃)，茶类(80-100℃)，用数码显示出当前的水温，利用旋转编码器对温度进行细调的新技术来实现无级调温。

(2)3个功率档位按钮每按下一次按钮就代表不同的温度档位，再可根据实际是否选用旋转编码器将温度进行细调，待确定了目标温度后，MCU会通过目标温度与实际温度之间的差距判断启用的加热方式。

(3)我们的智能反馈调温电热饮水器通过PWM技术恒温调节后，温度更加可控，有别于市场上常见的即热式电热饮水机，并且由于采取了智能反馈设计，使起始的加热效率大大增加。清纯的水是人民身体健康的保证，我们相信在全球倡导的低碳绿色环保的条件下，我们产品有更好的市场发展景。

创新优势：

●由于是即开即热，热水跟冷水是隔开的，出水瞬间加热的功能导致不会产生冷水跟热水交替混合的现象，更不会有死水产生。

●水流动性加热，没有内胆更不易产生水垢。

●由于热水即按即出，所以想喝热水也无需保温，这样就节省了更多的电源，而且待机功率也是零。

●温度可任意调节，需求任意水温时，只需随手调节，操作简单、方便；可以满足不同人群对水温的需求。

●体积小、不需要太多空间，甚至可以直接接入水龙头。

●智能反馈调温电热饮水系统其智能化和全国首创的加热技术可以给用户带来极大的便利，可以满足不同人群对水温的需求，且可以为用户节约50％以上的电能，每年可为社会节约大量能源。

智能反馈调温饮用水系统具有如下特点：

●即用即热，任意调温，无需等待，营养不流失。

●待机无功耗，节能省电；(节省50％以上)。

●新鲜喝水、健康喝水，拒绝死水、千滚水，二次加热对人体产生的影响。

●安全、环保、快捷，方便是无级调温电热净水机最大的特点。

●水温可任意调节，使用方便、快捷、适合不同人群对水温的需求。

●在目标温度高于实际水温5℃范围内使用PWM调频加热技术更好稳定水温，避免干烧发热过度现象。

●由于是水流动性加热，所以不易结水垢，寿命较长。

前景预测和经济效益：在当今“快节奏”的年代，人们企求的是方便快捷。人们在进行泡茶、冲奶粉、冲营养粉等活动时需要使用各种不同温度的水温，直接沸腾到100℃的水并不能很好的满足人们的各种需求。而智能反馈调温饮水机却能满足人们的需求，可以任意调节到所需要的水温，即开即热，操作简单、方便快捷；而且应用范围非常广泛，例如家庭，办公室，公司，医院，工厂，福利机构等；特别是一些人群密集，人流量多的场所，所需求的水量、水温也不同。智能反馈调温饮水机可以供多人连续不停使用，而传统饮水机接完一杯热水就需要等待5分钟下一个人才能喝到水，非常的浪费时间，浪费电源。在这个提倡健康环保的年代，智能反馈调温饮水机追寻时代的脚步，响应人们对健康的号召，倡导绿色环保饮水新概念。保持水的新鲜度，让生命之源回归自然。可以说智能反馈调温饮水机是顺应这个时代的产物，一旦这个产物投入市场，便会迅速推广，未来将会取代传统饮水机！。

附图说明

图1是本发明所述的智能反馈调温饮用水系统的结构框图；

图2是本发明所述的智能反馈调温饮用水系统的具体实现过程框图；

图3是本发明所述的智能反馈调温饮用水系统的过程图；

图4是本发明所述的智能反馈调温饮用水系统的中断服务程序框图；

图5是本发明所述的智能反馈调温饮用水系统的电路原理图；

图6是现有调温饮用水系统的加温波形图；

图7是本发明所述的智能反馈调温饮用水系统的加温波形图；

图8是本发明所述的智能反馈调温饮用水系统的IGBT管驱动单元的电路图。

具体实施方式

下面对本发明的最佳实施方案作进一步的详细的描述。

如图1-8所示，所述的智能反馈调温饮用水系统，以调频、调相双结合的温度控制系统，调相加热是以可控硅调压电路组成，调频加热是以单片机PWM控制IGBT驱动电路组成。通过设置4个调温中断控制按键，当按下其中一个按键时便显示该档位的下限温度值(20、40、60、80℃)，如在5秒钟之内不用旋转编码器细调所需的温度值，则默认当前档位的下限温度值为目标温度值，如在5秒钟之内使用旋转编码器细调，则旋转编码器所调节的温度则为目标温度。当目标温度大于实际水温5℃时进行效率高的调相加热控制，当实际水温小于目标温度5℃时则进行PWM调频加热控制，从而实现无级调温的控制。

控制器采用成本低廉且工作可靠的新一代增强型51单片机，自带晶振，片内集成ADC、PWM、IIC、SPI,有工作速度快功耗低的特点。51系列单片机电源电路采用普通的市电降压整流，然后经集成稳压器(7805)稳压输出+5V电压。

按键控制电路、旋转编码器控制电路组成加热控制电路。

加热驱动由IGBT驱动电路和可控硅驱动电路组成。

所述液晶显示电路采用三位共阴数码管和液晶，由74HC573驱动数码管。

如图1-3所示，所述智能反馈调温饮用水系统，主要包括MCU、数码显示模块、液晶显示模块、键扫描模块、旋转编码器模块、PWM输出模块、加热模块、温度检测模块、IGBT调频模块、可控硅调相模块、输出控制模块、过零检测模块和流量检测模块，系统设置4个调温中断控制按键，当按下其中一个按键时便显示该档位的下限温度值(20℃、40℃、60℃、80℃)，如在5秒钟之内不用旋转编码器细调所需的温度值，则默认当前档位的下限温度值为目标温度值，如在5秒钟之内使用旋转编码器细调，则旋转编码器所调节的温度则为目标温度。

所述MCU为智能反馈调温饮用水系统的微控制单元。

所述数码管显示模块主要由74HC573锁存器和3位数码管组成，主要用来显示目标温度值。

所述液晶显示模块主要用来显示当前的实际温度的当前的水流量。

所述键扫描模块主要由4个按钮和阻容抗抖电路组成，主要用来选择20℃、40℃、60℃、80℃这几个温度档位，键扫描模块的处理子程序负责逐个扫描功率档位键是否被按下，若有键按下，则作出相应处理——当按下其中一个温度档位的按钮时，系统立刻启动可控硅调相加热电路，三位数码管上显示当前按钮的最低下限。具体根据用户设定的加热档位和系统当前的状态，决定是否加热和控制加热的功率。

所述旋转编码器模块主要用来对目标温度进行细调。在单片机编程时，左转和右转的判别是难点,用示波器观察这种开关左转和右转时两个输出脚的信号有个相位差，如果输出1为高电平时，输出2出现一个高电平,这时开关就是向顺时针旋转；当输出1为高电平,输出2出现一个低电平,这时就一定是逆时针方向旋转。所以，在单片机编程时只需要判断当输出1为高电平时,输出2当时的状态就可以判断出是左旋转或是右旋转了。

所述PWM输出模块是由单片机内部的PCA寄存器输出的PWM再经过一系列的PWM整形电路组成，输出的PWM波形可以控制IGNT调频电路工作，产生间歇性加热的效果，这样就可以有效弥补了因只有可控硅调相加热造成的过热现象。而PWM整形电路可以把单片机输出的不同占空比的方波脉冲转化成相应的直流电压，以此电压数据直接作为IGBT管驱动电路的基准电压。

所述加热模块是由发热丝组成，用来对饮用水进行加热。

所述温度检测模块主要由多谐振荡器组成，用来测量实际的水温。

所述IGBT调频模块由MCU输出的PWM信号送进比较器LM339的前级，再进过一系列电压比较后，输出信号驱动IGBT管。IGBT管的导通时间直接影响饮水机的输出功率，所以要改变饮水机的输出功率，只要通过改变IGBT调频电路中的LM339比较器中的基准电压即可。

所述可控硅调相模块由光耦和可控硅组成。双向可控硅可用来控制发热丝的加热功率，单片机通过光耦给可控硅触发信号，控制可控硅的导通角，从而控制发热丝的有效加热效率，电路中加入了继电器来控制加热电源。其中串联在继电器线圈回路的保险丝为105℃的热保险丝，当温度超过105℃时热保险丝会熔断，防止加热管干烧。

所述过零检测模块由74LS04和三极管组成，用来检测220V市电是否过零点。

所述流量检测模块主要由流量计用来检测当前的水流量。

所述智能反馈调温饮用水系统的实现过程为：

步骤一、启动MCU，系统初始化；

步骤二、进行键扫描，停留时间是否小于5秒，如是，则将信号传递到旋转编码器模块，旋转编码器模块动作，并将信号传递到MCU；如不是，则进行温度检测；

步骤三、检测到的温度与目标温度的温度差是否大于5℃，如是，则将信号传递到可控硅调相模块，并通过可控硅调相模块处理后传递到加热模块，进行加热，并继续进行温度检测；如不是，则将信号传递到IGBT调频模块，IGBT调频模块处理后继续进行温度检测。

所述智能反馈调温饮用水系统的具体使用过程为：

步骤一：按下其中一个按键时便显示该档位的下限温度值(20℃、40℃、60℃、80℃)如在5秒钟之内不用旋转编码器细调所需的温度值，则默认当前档位的下限温度值为目标温度值，如在5秒钟之内使用旋转编码器细调，则旋转编码器所调节的温度则为目标温度。

步骤二：当流量计一旦有数值时，单片机有输出信号通过输出控制模块控制可控硅导通角使电压幅度以180V标准加热控制，当目标温度大于实际水温5℃时进行220V效率更高的调相加热控制，当实际水温小于目标温度5℃时则进行PWM调频加热控制，而且旋转编码器以“1”为单位对每档温度进行细调，这样就可以实现无级调温的控制。

如图4所示，所述智能反馈调温饮用水系统还包括中断服务程序模块，当按下温度选择按键时则进入中断服务函数，一边进行温度检测一边进行按键扫描。然后MCU开始判断按下的是哪一个温度档位的按键。在确定了温度范围后先判断是否通过旋转编码器对目标温度进行细调，若无则默认该档位的下限温度值(20℃或40℃或60℃或80℃)；若有则执行所需目标温度。中断服务程序中的温度检测模块的作用是：当目标温度低于实际水温时则控制单片机停止加热。其具体步骤为：

步骤一、中断相应；

步骤二、关中断，单片机的中断系统暂时关闭，并且保护现有的数据，然后打开单片机的中断系统并执行中断请求任务。

步骤三、检测温度是否在20～40℃之间，如不是，则将信号传递到温度检测模块继续检测；如是，则将信号传递到旋转编码器模块，暂时关闭中断单片机系统，恢复之前单片机保存的数据，然后打开中断系统，开始执行新的操作指令，返回。

步骤四、检测温度是否在40～60℃之间，如是，则将信号传递到旋转编码器模块，关中断，恢复现场，开中断，返回；如不是，则将信号传递到温度检测模块继续检测。

步骤五、检测温度是否在60～80℃之间，如是，则将信号传递到旋转编码器模块，关中断，恢复现场，开中断，返回；如不是，则将信号传递到温度检测模块继续检测。

步骤六、检测温度是否在80～100℃之间，如是，则将信号传递到旋转编码器模块，关中断，恢复现场，开中断，返回；如不是，则将信号传递到温度检测模块继续检测。

智能反馈调温饮用水系统能够达到以下效果：

(1)采用可控硅调相和PWM调频双结合的新型控制方式，从加热效率来看，可控硅调相有一定的优势，在恒温的控制方面，PWM调频控制会克服可控硅调相因没有间歇关断而造成过热的现象，使目标温度无法达到预设值。

(2)利用旋转编码器微调脉冲间隔和脉冲宽度，数码管显示目标温度变化，温度可逐一细调，液晶显示实际水温。4个控制功率档位(分别对应着20℃、40℃、60℃、80℃)。

(3)以5℃作为智能分支选择，当目标温度大于实际水温5℃时进行效率高的调相加热控制，当实际水温小于目标温度5℃时则进行PWM调频加热控制。

关键技术；

(1)关于智能反馈系统设计：

我们利用旋转编码器对温度进行细调的新技术来实现无级调温，采用智能化的反馈设计来进行加热。当目标温度小于实际水温5℃时，单片机指向PWM调频加热控制程序，并通过反馈电路及流量计启动IGBT输出模块的PWM脉冲调频电路将水温加热到预设值；当目标温度高于实际水温5℃时，单片机立刻指向可控硅调相加热控制程序，并通过反馈电路及流量计再次启动可控硅调压电路，使水温达到预设值。

关于PWM脉冲宽度调节技术：

PWM的意思是脉宽调节，是通过改变两对开关管的驱动信号之间的相位差，从而改变输出电压值以达到调节功率的目的。即在控制电路中使原来相同的两个桥臂开关的驱动信号之间错开一个相位角，使得输出的正负交替电压之间插入一个零电压值，这样只要改变相位角就可以改变输出电压的有效值，最终达到调节输出功率的目的，这种控制方法的优点是电源始终工作在谐振状态，功率因数高。

脉宽调节也就是调节方波高电平和低电平的时间比,一个20％占空比波形,会有20％的高电平时间和80％的低电平时间，而一个60％占空比的波形则具有60％的高电平时间和40％的低电平时间,占空比越大,高电平时间越长,则输出的脉冲幅度越高,即电压越高.如果占空比为0％,那么高电平时间为0,则没有电压输出.如果占空比为100％,那么输出全部电压.所以通过调节占空比,可以实现调节输出电压的目的,而且输出电压可以无级连续调节，因此，我们采用PWM调频来控制IGBT的导通时间，改变控制电压高低，以此实现无级调温。

所述IGBT的驱动电路：

IGBT对驱动电路的要求

①门极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分的大，使IGBT能快速开通和关断，缩短开关时间，减小开关损耗。

②IGBT导通后，门极驱动电路提供给IGBT的驱动电压和电流要有足够的幅度，该幅度应能维持IGBT的功率输出总处于饱和状态。当IGBT瞬时过载时，门极驱动电路提供的驱动功率要足以保证IGBT不退出饱和区，以免损坏IGBT。

③门极驱动电路提供给IGBT的正向驱动电压+圪F增加时，对减小通态电压和开通损耗有利，但是+Vge不能随意增加。因为+Vge增加后对IGBT的短路能力有不利的影响，使允许短路时间缩短。所以+Vge应该选择需要的最小值，一般+Vge的最佳值为+15伏。

④功率IGBT在关断的过程中，门射极间施加反压有利于IGBT的快速关断，但施加的反向电压-Vge受IGBT发射极之间最大的反向耐压的限制，过大的反向电压会造成IGBT门射极的反向击穿，所以-Vge也应取合适的值(此值一般取5V)。

⑤虽然IGBT的快速开通和关断，有利于缩短开关时间和减小开关损耗，但在过流和短路时，过快的关断反而是危险的。因为过快的关断会由于di/dt过高，在主电路电感中引起很高的反电动势使IGBT集电极产生尖峰电压，这种尖峰电压足以损坏IGBT。因此在过流和短路保护时，应采取措施对IGBT进行低速切断，俗称“慢关断”。

⑥IGBT在电力电子设备中多应用于高压场合，所以驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离

⑦驱动电路应简单、实用、抗干扰能力强，最好为模块化，而且自身带有对被驱动IGBT的保护功能。

⑧驱动电路应具有通用性，避免状态设置或调节，以简化调试步骤，提高可靠性。

根据以上对IGBT门极驱动电路的要求，可以设计出各种形式的驱动电路。目前最常用的有用快速光耦隔离的驱动电路和用脉冲变压器隔离的驱动电路以及采用专用IGBT驱动电路模块，如富士电机公司的EXB系列、东芝公司的TK系列、三菱公司的M579系列、美国摩托罗拉公司的MPD系列、国际整流器公司的IR2110、法国汤姆森公司的UAA4002系列等。这些驱动电路各有其优缺点，应用时可根据实际情况选用一种。

双向可控硅是比较理想的交流开关器件，而IGBT是极佳的高速高压半导体功率器件，我们设计的电路是将双向可控硅和IGBT管结合起来用。我们利用双向可控硅极优的调压性能，再利用IGBT管兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的特性，并配合单片机应用技术的使用，可以先将水温通过双向可控硅加热到一定的温度后，再通过IGBT管进行对水温的调节，这种方式可以很好地通过调频来进行对温度的调节，实现真正的无级调温，大大提高了电热饮水机加热水温的效率。

本项目产品的核心采用STC公司的STC15W4K32S4系列低功耗高速单片机，其主要性能如下：

●大容量2048字节片内RAM数据存储器；

●高速：1个时钟/机器周期，增强型8051内核(STC Y5)，速度比传统8051快7～12倍，速度也比STC早期的1T系列单片机(如STC12/11/10系列)的速度快20％；

●宽电压：2.5～5.5V；

●低功耗设计：低速模式，空闲模式，掉电模式(可由外部中断或内部掉电唤醒定时器唤醒)

●不需外部晶振的单片机，ISP编程是内部时钟从5MHz～30MHz可设(相当于普通8051：60～360MHz)内部高精度R/C时钟(±0.3％)，±1％温飘(-40℃～+85℃)，常温下温飘0.5％，可彻底省掉外部昂贵的晶体时钟，内部时钟从5MHz～35MHz可选

●内部高可靠复位，ISP编程时8级复位门槛电压可选，彻底省掉外部复位电路

●支持掉电唤醒的资源有：INT0/INT1(上升沿/下降沿中断均可)，-INT2/-INT3/-INT4(下降沿中断)；CCP0/CCP1/CCP2/RxD/RxD2/T0/T1/T2/T3/T4管脚；内部掉电唤醒专用定时器

●工作频率：5～35MHz，相当于普通8051：60～420MHz

整体技术参数：

●额定功率(W)：8000

●温度设定范围：20--100℃

●铜芯电源线截面积：4㎜²

●电表要求(A)：≥32A

●额定电压(V)：220V

●启动流量(MPa)：0.9

●防水等级：IP×4

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，便于该技术领域的技术人员能理解和应用本发明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干简单推演或替换，而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种智能反馈调温饮用水系统，其特征在于：以调频、调相双结合的温度控制系统，调相加热是以可控硅调压电路组成，调频加热是以单片机PWM控制IGBT驱动电路组成，通过设置4个调温中断控制按键，当按下其中一个按键时便显示该档位的下限温度值20、40、60、80℃，如在5秒钟之内不用旋转编码器细调所需的温度值，则默认当前档位的下限温度值为目标温度值，如在5秒钟之内使用旋转编码器细调，则旋转编码器所调节的温度则为目标温度；当目标温度大于实际水温5℃时进行效率高的调相加热控制，当实际水温小于目标温度5℃时则进行PWM调频加热控制，从而实现无级调温的控制。

2.根据权利要求1所述的智能反馈调温饮用水系统，其特征在于：主要包括MCU、数码显示模块、液晶显示模块、键扫描模块、旋转编码器模块、PWM输出模块、加热模块、温度检测模块、IGBT调频模块、可控硅调相模块、输出控制模块、过零检测模块和流量检测模块；所述键扫描模块主要由4个按钮和阻容抗抖电路组成，主要用来选择20℃、40℃、60℃、80℃这几个温度档位，键扫描模块的处理子程序负责逐个扫描功率档位键是否被按下，若有键按下，则作出相应处理；所述旋转编码器模块主要用来对目标温度进行细调；所述PWM输出模块是由单片机内部的PCA寄存器输出的PWM再经过一系列的PWM整形电路组成，输出的PWM波形可以控制IGNT调频电路工作，产生间歇性加热的效果；所述可控硅调相模块由光耦和可控硅组成，双向可控硅可用来控制发热丝的加热功率，单片机通过光耦给可控硅触发信号，控制可控硅的导通角，从而控制发热丝的有效加热效率，电路中加入了继电器来控制加热电源。

3.根据权利要求2所述的智能反馈调温饮用水系统，其特征在于：当按下其中一个温度档位的按钮时，系统立刻启动可控硅调相加热电路，三位数码管上显示当前按钮的最低下限。

4.根据权利要求3所述的智能反馈调温饮用水系统，其特征在于：所述智能反馈调温饮用水系统的实现过程为：

步骤一、启动MCU，系统初始化；

步骤二、进行键扫描，停留时间是否小于5秒，如是，则将信号传递到旋转编码器模块，旋转编码器模块动作，并将信号传递到MCU；如不是，则进行温度检测；

步骤三、检测到的温度与目标温度的温度差是否大于5℃，如是，则将信号传递到可控硅调相模块，并通过可控硅调相模块处理后传递到加热模块，进行加热，并继续进行温度检测；如不是，则将信号传递到IGBT调频模块，IGBT调频模块处理后继续进行温度检测。

5.根据权利要求4所述的智能反馈调温饮用水系统，其特征在于：所述智能反馈调温饮用水系统的具体使用过程为：

步骤一：按下其中一个按键时便显示该档位的下限温度值(20℃、40℃、60℃、80℃)如在5秒钟之内不用旋转编码器细调所需的温度值，则默认当前档位的下限温度值为目标温度值，如在5秒钟之内使用旋转编码器细调，则旋转编码器所调节的温度则为目标温度；

步骤二：当流量计一旦有数值时，单片机有输出信号通过输出控制模块控制可控硅导通角使电压幅度以180V标准加热控制，当目标温度大于实际水温5℃时进行220V效率更高的调相加热控制，当实际水温小于目标温度5℃时则进行PWM调频加热控制，而且旋转编码器以“1”为单位对每档温度进行细调，这样就可以实现无级调温的控制。

6.根据权利要求2所述的智能反馈调温饮用水系统，其特征在于：所述智能反馈调温饮用水系统还包括中断服务程序模块，当按下温度选择按键时则进入中断服务函数，一边进行温度检测一边进行按键扫描；然后MCU开始判断按下的是哪一个温度档位的按键，在确定了温度范围后先判断是否通过旋转编码器对目标温度进行细调，若无则默认该档位的下限温度值20℃或40℃或60℃或80℃；若有则执行所需目标温度。

7.根据权利要求6所述的智能反馈调温饮用水系统，其特征在于：中断服务程序模块的具体步骤为：

步骤一、中断相应；

步骤二、关中断，单片机的中断系统暂时关闭，并且保护现有的数据，然后打开单片机的中断系统并执行中断请求任务；

步骤三、检测温度是否在20～40℃之间，如不是，则将信号传递到温度检测模块继续检测；如是，则将信号传递到旋转编码器模块，暂时关闭中断单片机系统，恢复之前单片机保存的数据，然后打开中断系统，开始执行新的操作指令，返回；

步骤四、检测温度是否在40～60℃之间，如是，则将信号传递到旋转编码器模块，关中断，恢复现场，开中断，返回；如不是，则将信号传递到温度检测模块继续检测；

步骤五、检测温度是否在60～80℃之间，如是，则将信号传递到旋转编码器模块，关中断，恢复现场，开中断，返回；如不是，则将信号传递到温度检测模块继续检测；

步骤六、检测温度是否在80～100℃之间，如是，则将信号传递到旋转编码器模块，关中断，恢复现场，开中断，返回；如不是，则将信号传递到温度检测模块继续检测。