CN109528008A - 温度可控的即热式茶水机加热系统 - Google Patents

温度可控的即热式茶水机加热系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及茶水加热设备领域，尤其是温度可控的即热式茶水机加热系统。该加热系统包括隔膜泵、流量计、发热模组、温度传感器、MOS管驱动模块一、脉冲采集模块、温度采集模块、MCU控制模块、MOS管驱动模块二和固态继电器，所述MOS管驱动模块一、脉冲采集模块、温度采集模块、MCU控制模块分别与MCU控制模块电连接，隔膜泵与MOS管驱动模块一电连接。本发明可通过电控制系统的MCU根据采集的加热模组入口处水温，计算加热模组的运行时间，隔膜泵的抽水水量和水的流速。通过控制加热模组全功率工作，同时通过流量计结合对隔膜泵的PWM动态调节控制水流速度、抽水时间，达到即热、水温可控、水量可控的目的。

Description

温度可控的即热式茶水机加热系统
技术领域
本发明涉及茶水加热设备领域，尤其是温度可控的即热式茶水机加热系统。
背景技术
当前科技发展日新月异，随着智能手机的大范围的普及，物联网技术、互联网技术得到了广泛的应用。随着科学技术的发展，无人自动售货机也得到了快速发展。市场上出现了各种各样的售货机，品类繁多。像矿泉水、饮料等饮品的自动售货机已经非常普遍，在越来越多的场所中可见。像茶叶冲调售货机就有一些特殊的要求，根据不同的茶叶，需要不同温度的水来冲泡，同时对水量也有要求。与此同时，还不能让客人等待，要在很短的时间内完成，甚至几秒钟。因为客户在售货机上消费本身就是为了方便、快捷。总结，而现有的售货机无法实现即热、温度可控、水量可控的加热控制。
发明内容
为了解决背景技术中描述的技术问题，本发明提供了一种温度可控的即热式茶水机加热系统，可通过电控制系统的MCU根据采集的加热模组入口处水温，计算加热模组的运行时间，隔膜泵的抽水水量和水的流速。通过控制加热模组全功率工作，同时通过流量计结合对隔膜泵的PWM动态调节控制水流速度、抽水时间，达到即热、水温可控、水量可控的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种温度可控的即热式茶水机加热系统，包括隔膜泵、流量计、发热模组、温度传感器、MOS管驱动模块一、脉冲采集模块、温度采集模块、MCU控制模块、MOS管驱动模块二和固态继电器，所述MOS管驱动模块一、脉冲采集模块、温度采集模块、MCU控制模块分别与MCU控制模块电连接，隔膜泵与MOS管驱动模块一电连接，脉冲采集模块与流量计电连接，温度传感器与温度采集模块电连接，MOS管驱动模块二与固态继电器电连接，固态继电器与发热模组电连接。
具体地，所述MCU控制模块为STM32F103微控制器。
具体地，所述温度传感器为NTC-100K热敏电阻。
具体地，所述发热模组为柔性纳米稀土电热发热模组。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种温度可控的即热式茶水机加热系统，可通过电控制系统的MCU根据采集的加热模组入口处水温，计算加热模组的运行时间，隔膜泵的抽水水量和水的流速。通过控制加热模组全功率工作，同时通过流量计结合对隔膜泵的PWM动态调节控制水流速度、抽水时间，达到即热、水温可控、水量可控的目的。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明的实施步骤流程图；
图中1.隔膜泵，2.流量计，3.发热模组，4.温度传感器，5.MOS管驱动模块一，6.脉冲采集模块，7.温度采集模块，8.MCU控制模块，9.MOS管驱动模块二，10.固态继电器。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
图1是本发明的结构框图，图2是本发明的实施步骤流程图。
一种温度可控的即热式茶水机加热系统，包括隔膜泵1、流量计2、发热模组3、温度传感器4、MOS管驱动模块一5、脉冲采集模块6、温度采集模块7、MCU控制模块8、MOS管驱动模块二9和固态继电器10，所述MOS管驱动模块一5、脉冲采集模块6、温度采集模块7、MCU控制模块8分别与MCU控制模块8电连接，隔膜泵1与MOS管驱动模块一5电连接，脉冲采集模块6与流量计2电连接，温度传感器4与温度采集模块7电连接，MOS管驱动模块二9与固态继电器10电连接，固态继电器10与发热模组3电连接。所述MCU控制模块8为STM32F103微控制器。所述温度传感器4为NTC-100K热敏电阻。所述发热模组3为柔性纳米稀土电热发热模组。
如附图1所示，隔膜泵1的作用是，将进水口的水抽到流量计2再进入柔性纳米稀土电热发热模组3中，隔膜泵1的主要作用是驱动水的流动及控制流动的速度。流量计2的作用是水流过流量计2时会产生脉冲信号，脉冲信号的个数代表了通过流量计2的水量，而脉冲的频率则代表了水的流速，所以通过流量计2的脉冲输出可以计算出加热水的体积和水的流速。柔性纳米稀土电热发热模组3是一种功率高达2200W的快速加热装置，主要作用对流经的水快速加热。NTC-100K是温度传感器4，其在特定的温度下所展现的阻值是固定的，所以其阻值跟温度之间是一个非线性关系，传感器厂家会提供其对应关系表格，通过温度采集模块7测得温度传感器4的阻值，可以算出其对应的温度。MCU控制模块8(STM32F103)是整个系统的核心控制处理器，是整个系统的“大脑”，通过温度采集模块7的数据，流量计2的脉冲信号，再通过算法计算，控制高速MOS管驱动模块一5和MOS管驱动模块二9，达到整个系统的控制目的。高速MOS管驱动模块一5主要是驱动隔膜泵1。高速脉冲采集模块6的作用是接收来自流量计2的脉冲信号。温度采集模块7主要作用是将NTC-100温度传感器4输出的电阻转换成可采集的电压信号给MCU控制模块8处理。MOS管驱动模块二9主要是将MCU控制模块8输出的信号，转换成能够驱动固态继电器10的信号。固态继电器10主要是接收MOS管驱动模块二9的控制信号，控制220V电压的导通与否，以达到控制柔性纳米稀土电热发热模组3的作用。
如附图2所示，本发明的实施步骤为：步骤101，当有加热出水需求时MCU控制模块8开始启动运算，需求是需要温度为T1(单位是℃)，水量为V1的热水(单位L)。
步骤102，检测加热模组3进水口的水温T2。首先，MCU控制模块8的ADC外设(模数转换器)采集到MCU输入电压对应的码值Vadc，MCU控制模块8的ADC是12位的模数转换器，并且给定的参考电压Vref＝3V，MCU控制模块8的ADC输入管脚电压为Vtemp，以上所述变量之间的关系有一个转换公式：
Vref是固定数值，MCU通过测的Vadc算出Vtemp。
温度采集模块7是一个电阻跟电压的转换，输入的电路是Rtemp，输出电压是Vtemp，两者是一个线性关系，公式在此列为：
Vtemp＝kRtemp (公式2)
通过公式可以算出Rtemp。
Rtemp是温度传感器4测的电阻值，根据NTC-100K的特性，Rtemp跟所测的水的温度T2有一个对应关系，是一个非线性的关系，具体可以通过温度传感器4NTC-100K的手册查表。所以已知Rtemp的情况下，在MCU控制模块8的程序中录入此表，通过查表可以知道所测水的温度T2。
步骤103，此步骤是系统运行前的预运算，相当于提前对流程进行具体指标规划，全部运算都由MCU控制模块8完成。要求最后加热后的水温度T1，水量为V1，所述加热模组3入水口的水温为T2。常压液态水的比热容为c＝4.2kj/(kg*℃)。因为在常压情况下，1kg的水量几乎等于1L的水量。则将水从T2温度加热到T1温度需要的能量是:
Q＝c*(T1-T2)*V1 (公式3)
使用的柔性纳米稀土电热发热模组3在220V交流电条件下额定功率为P。根据能量守恒，加热时间为t。则有如下关系：
Q＝c*(T1-T2)*V1＝P*t (公式4)
可以求出加热时间t。
在加热过程中，水是流动经过加热模组3的，为了尽可能的提高转换效率，特别做了如下设计，即在加热时间到之后，仍然有水流过加热模组3，以便将残余的热量全部被水带走。这样就需要适度提高公式4中的T1，设定提高的加热温度目标值为T11。但是加热时间t不变，c不变，T2不变，提供的能量不变，则V1则减小为V11。那么整个过程变为2个阶段，V11的水量加热t时间，然后停止加热，再输出V1-V11的水量完成整个过程。除了加热的控制还需要控制水流速度，水流速度为t时间内流过V11的水量。在系统中，使用流量计2来测定水流速度，流量计输出脉冲信号，其参数为M，单位为kg/pulse，每一个脉冲代表流过M(kg)的水量，所以脉冲的个数代表了水量的多少，脉冲出现的频率代表了水流的速度。因为在常压情况下，1kg的水量几乎等于1L的水量，则需要流过V1的水量，流量计输出的脉冲数n有如下关系：
V1＝n*M (公式5)
根据公式5，已知V1、M的条件下，可以求得n的值，即整个出水过程流量计2的输出脉冲数。通过此判断出水是否应该结束。
根据以上所述，出水速度的要求是在t时间内出水V11的水量，而流量计2输出脉冲信号的含义是每一个脉冲代表流过M(kg)的水量。因为在常压情况下，1kg的水量几乎等于1L的水量，定义脉冲周期为Tpulse，则一个流量计2输出的脉冲的周期Tpulse时间内，流过了M(kg)水，也可以算出水速度，则有如下关系：
以上所述，公式6中V11、t、M都为确定变量，则可得Tpulse的确定数据，Tpulse即为流量计输出脉冲的周期，系统通过不断调整隔膜泵1的PWM控制达到控制水的流速，使得流量计2输出的脉冲周期无限接近Tpulse。
根据以上所述，整个系统控制中，以发热模组3的加热时间t、流量计2脉冲个数n和流量计2输出脉冲周期Tpulse为目标进行控制。
步骤104，启动加热，启动隔膜泵1。MCU控制模块8通过驱动MOS管驱动模块二9，MOS管驱动电流再通过固态继电器10，由固态继电器10给柔性纳米稀土电热发热模组3提供220V的交流电。所述柔性纳米稀土电热发热模组3将对水快速加热。MCU控制模块8内部启动定时器，对加热时间进行计时。同时MCU控制模块8通过高速MOS管驱动模块一5，控制隔膜泵1开始驱动水的流动，并启动对流量计2脉冲个数的计数和对流量计2输出脉冲周期的测量。
步骤105，MCU控制模块8判断加热时间是否达到t。如果加热时间未到，则继续控制隔膜泵1的抽水速度运行。如果加热时间已经达到t，则停止发热模块3的运行。继续监控水的流量。
步骤106，监控流量计2的脉冲输出。做如下运算，对脉冲个数进行计数，对脉冲周期进行测量。
步骤107，当测量的脉冲周期大于了设定的Tpulse时，则说明水流速度小了，需要提高隔膜泵1的抽水速度，则进行步骤108的操作。当测量的脉冲周期小于了设定的Tpulse时，则说明水流速度大了，需要降低隔膜泵1的抽水速度，则进行步骤109的操作。
步骤108，MCU控制模块8通过高速MOS管驱动模块一5，利用PWM方法，增大PWM占空比，加大给定隔膜泵1的供电电压来提高隔膜泵1的抽水速度。调整完成后继续步骤104，继续加热、继续驱动隔膜泵1。
步骤109，MCU控制模块8通过高速MOS管驱动模块一5，利用PWM方法，减小PWM占空比，减小给定隔膜泵1的供电电压来降低隔膜泵1的抽水速度。调整完成后继续步骤104，继续加热、继续驱动隔膜泵1。
步骤110，监控流量计2的脉冲输出。统计水量，对流量计2的脉冲进行计数。
步骤111，判断水量是否达到要求。通过对流量计2输出脉冲的计数，来判断是否达到流量计2脉冲个数n。如果达到了流量计2脉冲个数n，则进入步骤112。如果未达到流量计2脉冲个数n，则进入步骤110，继续监控流量计2脉冲输出。
步骤112，MCU控制模块8停止对高速MOS管驱动模块一5的驱动，使隔膜泵1停止工作。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种温度可控的即热式茶水机加热系统，其特征在于：包括隔膜泵(1)、流量计(2)、发热模组(3)、温度传感器(4)、MOS管驱动模块一(5)、脉冲采集模块(6)、温度采集模块(7)、MCU控制模块(8)、MOS管驱动模块二(9)和固态继电器(10)，所述MOS管驱动模块一(5)、脉冲采集模块(6)、温度采集模块(7)、MCU控制模块(8)分别与MCU控制模块(8)电连接，隔膜泵(1)与MOS管驱动模块一(5)电连接，脉冲采集模块(6)与流量计(2)电连接，温度传感器(4)与温度采集模块(7)电连接，MOS管驱动模块二(9)与固态继电器(10)电连接，固态继电器(10)与发热模组(3)电连接。
2.根据权利要求1所述的温度可控的即热式茶水机加热系统，其特征在于：所述MCU控制模块(8)为STM32F103微控制器。
3.根据权利要求1所述的温度可控的即热式茶水机加热系统，其特征在于：所述温度传感器(4)为NTC-100K热敏电阻。
4.根据权利要求1所述的温度可控的即热式茶水机加热系统，其特征在于：所述发热模组(3)为柔性纳米稀土电热发热模组。
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