CN109527988B - 一种智能温控水壶及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电热水壶领域，涉及一种智能温控水壶及其控制方法。一种智能温控水壶包括：加热器和温度控制系统，温度控制系统包括依次相连的温度传感器、核心控制模块和功率控制模块，核心控制模块用于接收温度传感器的温度电信号，根据接收到的温度电信号的变化规律，使用温度控制算法计算出不同的温度控制信号并输出至功率控制模块；功率控制模块用于根据接收到的温度控制信号实现对电路的通断控制，从而调节加热器的功率。本发明采用温度控制算法适应不同海拔对水沸点的影响，能快速加热水，自适应气压对沸点的影响，防止暴沸，且能在水温到达沸点后实现恒温控制的效果，具有简单、易实现、适应范围广的特点。

Description

一种智能温控水壶及其控制方法

技术领域

本发明属于电热水壶领域，涉及一种智能温控水壶及其控制方法。

背景技术

如今市场上普通的电热水壶通过机械方式使水在沸腾时断电，蒸汽冲击蒸汽开关上面的双金属片，由于热胀冷缩的作用，双金属片膨胀变形，顶开开关触点断开电源。这种水壶有几大缺点：

1、水暴沸一段时间后才会断电，沸水会飞溅，有安全隐患。

2、不能实现切断电源后的保温。

针对机械式断电电热水壶的缺点，市面上也有智能温控水壶，即用单片机、温度采集模块、控制模块和电子开关实现对沸水的保温。近些年来产生了诸多与此相关的专利。分别如下：

1、韦道义的中国发明专利：智能保温电热水壶，公开日为：2015年7月22日，公开号为：CN 104783654 A。

此发明公开了一类智能保温电热水壶，包括热水壶本体和保温控制装置，热水壶本体包括加热电阻，保温控制装置包括单片机、电子开关、电源和温度传感器；单片机包括温度采集模块、计数模块和控制模块，温度采集模块用于采集温度传感器的温度信息，计数模块用于计算温度采集模块采集到的温度达到预设的阈值的次数，控制模块用于在计数模块达到预定的次数时控制电子开关断开。此发明通过设置保温控制装置，有效地解决了因遗忘或无人看管造成电热水壶循环加热的问题，避免循环加热对水质带来的问题。

2、浙江建设职业技术学院的中国发明专利：智能电热水壶，公开日为：2014年7月23日，公开号为：CN103932585A。

此发明涉及一种智能电热水壶，包括电源线，连接交流电源的电源线与一个降压电路相连接，降压电路与一个单片机相连接，单片机通过三极管、继电器与加热装置相连接，单片机与设于电热水壶上的温度传感器相连接，单片机还连有一个指示灯，交流电源与加热装置之间设有一个开关。此发明通过水沸腾持续时间设定电路，延长水的沸腾时间，使得烧好的水中的有毒物质达到一个较低的量，使人们饮用烧开的自来水能够更加健康。

上述专利虽然很好地解决了普通机械式断电水壶的安全隐患，能实现保温控制，但此类新式智能控制水壶也有不足：

1、通过设定一个固定的温度进行是否保温的判断，会导致这类水壶在高原地区无法使用，水的沸点在高原地区会降低，这时此类水壶持续加热无法断电。

2、此类智能控制水壶依旧不能排除水暴沸的安全隐患。

发明内容

针对现有电热水壶无法排除水暴沸的隐患，无法适应各个海拔沸点的变化，某些智能电热水壶系统复杂、制造成本高的问题，本发明提供一种智能温控水壶，采用一种基于单片机的温度控制系统，采用温度控制算法适应不同海拔对水沸点的影响。本发明的智能温控水壶能快速加热水，自适应气压对沸点的影响，防止暴沸，且能在水温到达沸点后实现恒温控制的效果，具有简单、易实现、适应范围广的特点。

本发明还提供一种智能温控水壶的控制方法。

本发明采用如下技术方案实现：

一种智能温控水壶，包括：加热器和温度控制系统，温度控制系统包括依次相连的温度传感器、核心控制模块和功率控制模块，其中：

温度传感器：用于测量水温并生成温度电信号输出至核心控制模块；

核心控制模块：用于接收温度传感器的温度电信号，并根据接收到的温度电信号的变化规律，使用温度控制算法计算出不同的温度控制信号并输出至功率控制模块；

功率控制模块：用于接收核心控制模块传输过来的温度控制信号，根据接收到的温度控制信号实现对电路的通断控制，从而调节加热器的功率；

加热器：受控于功率控制模块。

进一步地，核心控制模块包括：

温度接收模块，用于接收温度传感器传输过来的温度电信号。

温度计算模块，用于根据温度接收模块接收到的温度电信号，通过温度控制算法，计算得到温度控制信号。

温度控制信号输出模块，用于将温度计算模块计算得到的温度控制信号传输至功率控制模块。

进一步地，温度控制算法包括：

第一重温度控制：在温度到达第一个门限温度X_a时第一次调节通电信号占空比，减小加热功率。

第二重温度控制：对各个时间节点的温度数据x计算温度离散一阶导数：

式中：w_k为求离散一阶导数的系数，其中w₁＝-1，w_n＝1，其余取值0；x_k是每个取样点的温度，n是取样次数。

Δx动态变化，且在水将要沸腾时急剧减小，设定一个温度离散一阶导数门限ΔT，当检测到Δx＜ΔT时进入第三重温度控制，进一步改变控制信号，减小加热功率，此时的水温以极小的速率上升。

第三重温度控制：记录第二重温度控制结束时的温度，记为T₁，设定第二个门限T₂＝T₁+t，t为常数，使T₂逼近当地水的沸点，当温度到达T₂时断电，此时通电信号占空比为0，功率为零。余热散尽后温度下降，当温度小于T₂时，重新以第二重温度控制时的控制信号进行控制，回到第二重温度控制时的加热功率，最后水温稳定在T₂摄氏度。

优选地，取样次数n＝2，w₁＝-1，w₂＝1，温度离散一阶导数为：

优选地，温度离散一阶导数门限ΔT＝0.4。

一种智能温控水壶的控制方法，包括：

智能温控水壶以一定功率工作，温度信号通过温度传感器转换为温度电信号，温度电信号传输到核心控制模块，核心控制模块进行温度电信号处理，输出温度控制信号到功率控制模块；当温度到达第一个门限温度X_a，核心控制模块改变通电信号占空比，输出相应温度控制信号，功率控制模块接收温度控制信号控制电路通断使加热功率改变为P₁；

当检测到温度离散一阶导数Δx＜温度离散一阶导数门限ΔT时，核心控制模块再次改变通电信号占空比，输出相应温度控制信号，功率控制模块接收温度控制信号控制电路通断使加热功率改变为P₂，当温度传感器检测到温度到达T₂时断电，检测到温度小于T₂时，继续以P₂功率加热；重复这一过程使水温基本维持在T₂，直至电源被切断。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1.采用逼近当地水的沸点值作为加热最终目标，而不是当地水的沸点，从而避免了现有的电热水壶出现暴沸的问题，提高了安全性。

2.使用离散温度一阶导数进行温度控制，可以自适应气压对沸点的影响，在各种海拔环境下均可使用。

3.本发明无需对现有加热器进行改进，提供了一种简单、易于实现、制造及维护成本低的智能温控水壶。

4.本发明采用温度控制算法和控制思路实现水在沸点的恒温。

5.本发明的温度控制算法，能实现水温在临近沸点时的精确控制，为智能温控水壶温度精确控制，提供了一种新的思路。

附图说明

图1为本发明一个实施例中智能温控水壶的模块框图；

图2为90℃后恒定功率加热水温曲线图；

图3为90℃后的水温离散一阶导数变化拟合曲线图；

图4为本发明一个实施例中智能温控水壶的控制流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

本发明的原理是：核心控制模块具有低电压、高性能的特点，根据温度传感器采集的温度电信号，基于温度计算模块，采用温度控制算法根据温度电信号的变化，计算温度离散一阶导数，根据设定的温度离散一阶导数门限值判断是否进入恒温过程，温度计算模块根据不同情况计算输出不同的温度控制信号给功率控制模块，功率控制模块根据温度控制信号调节很短时间周期内的电路通断频率(又称“通电信号占空比”、“通断占空比”)，实现对功率的控制，比如在0.5秒内中的0.1秒通电，0.4秒断电，这样可以近似于功率减小到20％，从而不用对现有加热器进行改造，还是对加热盘以固定功率加热，功率控制模块也很简单，只需根据核心控制模块的温度控制信号进行通断电，实现对电路的通断控制，从而调节加热器的功率。因此，本发明能快速加热水，自动适应各个海拔的水沸点变化，防止暴沸，且在水温到达沸点后实现恒温控制的效果，具有简单、适应范围广、易实现的特点。

一种智能温控水壶，如图1所示，包括：水壶电源、加热器和温度控制系统，温度控制系统包括依次相连的温度传感器、核心控制模块和功率控制模块，设有控制系统电源，温度控制系统采用单片机实现。其中：

温度传感器：用于测量水温并生成温度电信号输出至核心控制模块。

核心控制模块：用于接收温度传感器的温度电信号，并根据接收到的温度电信号的变化规律，使用温度控制算法计算出不同的温度控制信号并输出至功率控制模块，包括：温度接收模块、温度计算模块和温度控制信号输出模块。其中：

温度接收模块：用于接收温度传感器传输过来的温度电信号。

温度计算模块：用于根据温度接收模块接收到的温度电信号，通过温度控制算法，计算得到温度控制信号。

温度控制信号输出模块：用于将温度计算模块计算得到的温度控制信号传输至功率控制模块。

正常大气压下，水的沸点为100℃，高原环境下水的沸点将降低，从图2、图3可以发现加热水温时，在水即将沸腾时温度离散一阶导数有一个下降过程，而且不论在高原还是盆地，不论水的沸点如何变化，都会存在温度离散一阶导数下降现象。核心控制模块的控制思想是：采用温度控制算法，利用温度离散一阶导数在沸腾前下降，设定温度离散一阶导数门限，检测到温度离散一阶导数小于设定的温度离散一阶导数门限可以判断水即将沸腾。

本发明的温度控制算法可以自适应由于大气压的变化而导致的水沸点的变化，在各个海拔均适应，从而避免水暴沸，且在水温到达沸点后实现恒温控制，具体包括：

第一重温度控制：在温度到达第一个门限温度X_a时第一次调节通电信号占空比，减小加热功率，使第二重温度控制更精确。通电信号占空比指电路通断频率，若0.5秒内通电0.1秒，那么通电信号占空比为20％。

第二重温度控制：对各个时间节点的温度数据x计算温度离散一阶导数：

式中：w_k为求离散一阶导数的系数，其中w₁＝-1，w_n＝1，其余取值0；x_k是每个取样点的温度，n是取样次数。

在最简化的系统中取n＝2，只取相邻温度，w₁＝-1，w₂＝1，公式改写为：

Δx动态变化，且在水将要沸腾时急剧减小，设定一个温度离散一阶导数门限ΔT，当检测到Δx＜ΔT时进入第三重温度控制，进一步改变控制信号，减小加热功率，此时的水温以极小的速率上升。

需要说明的是：为了实现避免水的暴沸，市面上的温控水壶直接设定温度，比如98℃，可以避免，但此类水壶拿到高原就不能用了。实验发现温度的离散一阶导数在沸腾前一定会下降，毕竟最后沸腾水温不变，导数为零，所以用温度离散一阶导数门限ΔT判断水是否要沸腾在高原也适用。由于加热盘功率不变，无论气压怎么变，水温变化趋势不变，同样的温度离散一阶导数门限ΔT都适用，能实现本发明智能温控水壶对大气压的自适应。

第三重温度控制：记录第二重温度控制结束时的温度，记为T₁，设定第二个门限T₂＝T₁+t，t为很小的值，目的是使T₂逼近当地水的沸点，当温度到达T₂时断电，此时通电信号占空比为0，功率为零。余热散尽后温度下降，当温度小于T₂时，重新以第二重温度控制时的控制信号进行控制，回到第二重温度控制时的加热功率，最后水温稳定在T₂摄氏度。取T₂为一个逼近沸点的值，原因在于：实验发现如果T₂取水的沸点的话，水会暴沸，不太安全，温度稍微低一点，水其实也烧开了。

例如：设采样周期为0.2s，在61s时检测到x₁＝96℃，61.2s时检测到x₂＝96.5℃，61.4s检测到x₃＝96.8℃，取w₁＝-1、w₂＝0、w₃＝1、n＝3，则：

对之后每一时间节点都采取这个算法，计算该时间节点周期内的温度离散一阶导数。

最简化的情况下取n＝2，则：

本实施例中，设温度离散一阶导数门限ΔT＝0.4，发现Δx₂小于ΔT，则认为水即将沸腾，进入第三重控制，记录T₁＝96.8℃，取t＝1，T₂＝96.8+1＝97.8℃，97.8℃即为逼近沸点的温度。

功率控制模块：包括控制信号接收模块和开关模块，主要接收核心控制模块传输过来的温度控制信号，根据接收到的温度控制信号实现对电路的通断控制，从而调节加热器的功率。原理为：通过控制短时间周期内的通断占空比可以近似为对功率的控制，控制一秒时间周期内的通断占空比可以实现对加热器功率的调节，而且能满足功率控制的要求。

加热器：热能输出装置，是功率控制模块的控制对象。

本实施例中，加热器为电热水壶的加热铜圈，通电时的功率为1800W。

水壶电源：用于为加热器供电，一般为220V。

温度控制系统电源：用于为温度控制系统供电，优选为5V。

一种智能温控水壶的控制方法如图4所示，包括：

智能温控水壶以一定功率工作，温度信号通过温度传感器转换为温度电信号，温度电信号传输到核心控制模块，核心控制模块进行温度电信号处理，输出温度控制信号到功率控制模块；当温度到达第一个门限温度X_a，核心控制模块改变通电信号占空比，输出相应温度控制信号，功率控制模块接收温度控制信号控制电路通断使加热功率改变为P₁；

当检测到温度离散一阶导数Δx＜温度离散一阶导数门限ΔT时，核心控制模块再次改变通电信号占空比，输出相应温度控制信号，功率控制模块接收温度控制信号控制电路通断使加热功率改变为P₂，当温度传感器检测到温度到达T₂时断电，检测到温度小于T₂时，继续以P₂功率加热；重复这一过程使水温基本维持在T₂，直至电源被切断。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种智能温控水壶，包括：加热器和温度控制系统，其特征在于，温度控制系统包括依次相连的温度传感器、核心控制模块和功率控制模块，其中：

温度传感器：用于测量水温并生成温度电信号输出至核心控制模块；

核心控制模块：用于接收温度传感器的温度电信号，并根据接收到的温度电信号的变化规律，使用温度控制算法计算出不同的温度控制信号并输出至功率控制模块；

功率控制模块：用于接收核心控制模块传输过来的温度控制信号，根据接收到的温度控制信号实现对电路的通断控制，从而调节加热器的功率；

加热器：受控于功率控制模块；

所述温度控制算法包括：

第一重温度控制：在温度到达第一个门限温度X_a时第一次调节通电信号占空比，减小加热功率；

第二重温度控制：对各个时间节点的温度数据x计算温度离散一阶导数：

式中：w_k为求离散一阶导数的系数，其中w₁＝-1，w_n＝1，其余取值0；x_k是每个取样点的温度，n是取样次数；

△x动态变化，且在水将要沸腾时急剧减小，设定一个温度离散一阶导数门限△T，当检测到△x<△T时进入第三重温度控制，进一步改变控制信号，减小加热功率，加热输出功率为P₂，此时的水温以极小的速率上升；

第三重温度控制：记录第二重温度控制结束时的温度，记为T₁，设定第二个门限T₂＝T₁+t，t为常数，使T₂逼近当地水的沸点，当温度到达T₂时断电，此时通电信号占空比为0，功率为零；余热散尽后温度下降，当温度小于T₂时，重新以P₂功率加热，最后水温稳定在T₂摄氏度。

2.根据权利求1所述的智能温控水壶，其特征在于，核心控制模块包括：

温度接收模块，用于接收温度传感器传输过来的温度电信号；

温度计算模块，用于根据温度接收模块接收到的温度电信号，通过温度控制算法，计算得到温度控制信号；

温度控制信号输出模块，用于将温度计算模块计算得到的温度控制信号传输至功率控制模块。

3.根据权利要求1所述的智能温控水壶，其特征在于，温度离散一阶导数门限△T＝0.4。

4.根据权利要求1所述的智能温控水壶，其特征在于，取样次数n＝2，w₁＝-1，w₂＝1，温度离散一阶导数为：

5.根据权利求1、2、4中任一项所述的智能温控水壶，其特征在于，温度控制系统采用单片机实现。

6.根据权利求1、2、4中任一项所述的智能温控水壶，其特征在于，加热器为电热水壶的加热铜圈。

7.一种智能温控水壶控制方法，其特征在于，包括：

智能温控水壶以一定功率工作，温度信号通过温度传感器转换为温度电信号，温度电信号传输到核心控制模块，核心控制模块进行温度电信号处理，输出温度控制信号到功率控制模块；当温度到达第一个门限温度X_a，核心控制模块改变通电信号占空比，输出相应温度控制信号，功率控制模块接收温度控制信号控制电路通断使加热功率改变为P₁；

计算温度离散一阶导数△x：

式中：w_k为求离散一阶导数的系数，其中w₁＝-1，w_n＝1，其余取值0；x_k是每个取样点的温度，n是取样次数；

当检测到温度离散一阶导数△x<温度离散一阶导数门限△T时，核心控制模块再次改变通电信号占空比，输出相应温度控制信号，功率控制模块接收温度控制信号控制电路通断使加热功率改变为P₂，当温度传感器检测到温度到达T₂时断电，检测到温度小于T₂时，继续以P₂功率加热；重复这一过程使水温基本维持在T₂，直至电源被切断。

8.根据权利要求7所述的智能温控水壶控制方法，其特征在于，温度离散一阶导数门限△T＝0.4。

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