一種外置式智能飲水機(jī)節(jié)電器的研制與應(yīng)用

陳忠仁，陳芳靖，朱雁鋒

(中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山528404)

飲水機(jī)在我國廣泛使用于家庭、辦公場所，已經(jīng)形成年銷售額為30～40億元的市場。在這個巨大的市場中，銷售量最大的依然是普通飲水機(jī)。根據(jù)調(diào)查，普通飲水機(jī)每天消耗的電能在1.2～1.8度，年消耗電能在300度以上，如果乘以龐大的擁有量(數(shù)以千萬計(jì))，則消耗的電能十分驚人［1］。然而，在其消耗的電能中，大部分被白白浪費(fèi)掉了，分析起來有以下幾種原因:

(1)因疏于管理的原因，大部分飲水機(jī)，尤其是辦公場所使用的飲水機(jī)處于日夜待機(jī)－工作的狀態(tài)，在無人使用的情況下，飲水機(jī)循環(huán)反復(fù)加熱，白白消耗電能。

(2)目前普通的飲水機(jī)電源開關(guān)裝在背后，且在加熱完成后，加熱燈熄滅，飲水機(jī)沒有聲響，容易使人在離開時(shí)忘記關(guān)掉電源，造成電能浪費(fèi)。

(3)即使在有人使用的情況下，在兩次接水間隔期間，由于飲水機(jī)的循環(huán)反復(fù)加熱，也會引起不必要的電能損耗。

飲水機(jī)的日夜待機(jī)工作及反復(fù)加熱不僅造成了電能的浪費(fèi)，而且產(chǎn)生所謂的“千滾水”，不利于身體健康，同時(shí)，容易在飲水機(jī)內(nèi)產(chǎn)生水垢，對飲水機(jī)的壽命也相當(dāng)不利。當(dāng)前存在的飲水機(jī)節(jié)電器，一方面未能實(shí)現(xiàn)智能化，工作模式單一，不能適應(yīng)大多數(shù)情況;另一方面采用可控硅作為開關(guān)，由于其導(dǎo)通損耗較大，節(jié)電效果并不明顯;此外，也不能避免工作期間的反復(fù)加熱，所形成的“千滾水”不利于人體的健康。因此，基于節(jié)電和健康的雙重考慮，設(shè)計(jì)了一種外置式智能飲水機(jī)節(jié)電器。

1 節(jié)電器的結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

一臺普通飲水機(jī)的價(jià)格為數(shù)百元，作為與之配套的節(jié)電器，其價(jià)格必須控制在一百元以內(nèi)，這樣才有價(jià)格優(yōu)勢和較好的市場前景。為此，應(yīng)盡量簡化一些不必要的硬件設(shè)計(jì)，以節(jié)約成本，但必須實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1)具有定時(shí)開關(guān)功能，以實(shí)現(xiàn)智能化的要求。

(2)具有多種工作模式，以適應(yīng)飲水機(jī)在不同場合工作的需要。

(3)具有加熱檢測功能，以判斷加熱是否結(jié)束。

(4)具有水沸報(bào)警功能，在加熱結(jié)束(水沸)后及時(shí)發(fā)聲提醒。

(5)具有功耗低的特點(diǎn)，節(jié)電器持續(xù)帶電工作，要達(dá)到節(jié)電的目的，其自身的功耗必須要低。

節(jié)電器上裝有插頭和插座，其插頭可以直接插到墻壁插座或插線板上取電，而飲水機(jī)的插頭需要插到節(jié)電器的插座上取電。但飲水機(jī)的得電與否是受節(jié)電器內(nèi)部的開關(guān)所控制。因節(jié)電器獨(dú)立于飲水機(jī)之外，故稱為外置式。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 節(jié)電器硬件結(jié)構(gòu)圖

在圖1中，組成節(jié)電器的主要電路分述于下:

(1)單片機(jī)由AT89S51的最小系統(tǒng)組成，包括晶振電路和復(fù)位電路，是節(jié)電器的控制核心。

(2)加熱檢測電路主要由電流互感器(CT)和電壓比較器LM393、全橋整流電路組成，如圖2的虛線左側(cè)所示。當(dāng)繼電器吸合進(jìn)行加熱時(shí)，流過CT的電流較大，經(jīng)整流后在負(fù)載R6上的壓降也較大，大于LM393反相端的參考電壓，則比較器輸出為高電平。加熱完成后，流過CT的電流較小，則比較器輸出為低電平。比較器的輸出接至單片機(jī)的P3.3口，檢測此口線的電平即可判斷加熱是否結(jié)束。

(3)開關(guān)控制電路主要由繼電器和驅(qū)動電路組成，繼電器的得電吸合與否由單片機(jī)的P1.7口控制，如圖2的虛線右側(cè)所示。當(dāng)P1.7口輸出高電平時(shí)，三極管Q1飽和導(dǎo)通，使得繼電器K1線圈得電吸合，兩對常開觸點(diǎn)閉合，電源的火線由輸入接頭JPin到達(dá)輸出接頭JPout，接在JPout上的飲水機(jī)獲得電源而開始加熱燒水;反之，則繼電器斷開，飲水機(jī)處于失電不工作狀態(tài)。在繼電器吸合的同時(shí)，加熱指示燈LED(紅色)亦點(diǎn)亮，用以指示當(dāng)前繼電器(或飲水機(jī))所處的加熱狀態(tài)。

圖2 加熱檢測電路和開關(guān)控制電路

(4)水沸報(bào)警電路主要由蜂鳴器及其驅(qū)動電路組成。如圖3的虛線左側(cè)所示，當(dāng)單片機(jī)的P1.1口輸出高電平時(shí)，三極管Q2飽和導(dǎo)通，蜂鳴器得電鳴響。

(5)工作模式指示電路主要由發(fā)光二級管組成，如圖3虛線右側(cè)所示。當(dāng)對應(yīng)的口線為低電平時(shí)，則相應(yīng)的模式燈點(diǎn)亮，用以指示目前是哪一種工作模式。共有五種模式:常開模式，家庭模式1，家庭模式2，單位模式1，單位模式2，由用戶按鍵(KEY)選擇。

(6)實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路 主要由DS12C887組成。此芯片是由美國Dallas公司推出的一款專用的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它將晶振電路、寫保護(hù)電路、可充電鋰電等一起封裝在一個24引腳的雙列直插式芯片內(nèi)組成一個加厚的集成電路模塊，是一個完整的子系統(tǒng)。它充足一次電可供芯片運(yùn)行半年之久，正常工作時(shí)可保證時(shí)鐘數(shù)據(jù)十年內(nèi)不會丟失［2］。具有功能豐富、需要外接的元件數(shù)極少、價(jià)格低廉和穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，可滿足節(jié)電器對實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷數(shù)據(jù)的讀取，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)開關(guān)的要求。

(7)電源變換電路由6 W的電源變壓器、橋式整流電路和穩(wěn)壓模塊7805組成，目的是供給單片機(jī)及外圍電路+5 V的直流源。

圖3 水沸報(bào)警電路與工作模式指示電路

2 節(jié)電器的軟件設(shè)計(jì)

節(jié)電器的軟件應(yīng)能在按鍵選擇下，循環(huán)進(jìn)入五個工作模式，在每個模式下，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的加熱檢測、水沸報(bào)警、開關(guān)控制、工作模式指示等功能，以51匯編語言編制而成。其主程序框圖如圖4所示。

家庭模式，工作日7－8點(diǎn)和18－23點(diǎn)開，其他時(shí)間關(guān);周六日8－23點(diǎn)開，其他時(shí)間關(guān)。單位模式，工作日8－18點(diǎn)開，其他時(shí)間關(guān);周六日關(guān)。家庭模式1與家庭模式2的工作時(shí)間相同，其區(qū)別僅是后者的兩次加熱之間設(shè)置有較長的間隔時(shí)間，以適應(yīng)喝水少的情況，更好地節(jié)約電能;單位模式1與單位模式2的情況亦類似。但不管在哪個模式運(yùn)行，節(jié)電器均要進(jìn)行加熱檢測，并在水沸騰后使蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警，提醒人們及時(shí)接水，避免水的反復(fù)加熱，而形成“千滾水”，同時(shí)造成電能的浪費(fèi)。常開模式主要為以上四種工作模式之外的特殊情況下需要運(yùn)行飲水機(jī)時(shí)使用。

圖4 節(jié)電器主程序框圖

3 應(yīng)用情況

節(jié)電器研制成功后，在一個有十人左右的辦公室里的飲水機(jī)上進(jìn)行了試用，飲水機(jī)功率為500 W，選用單位模式2運(yùn)行。為了對比試用前后的電能消耗情況，安裝了一只單相電能表進(jìn)行電能的計(jì)量。電能消耗如表1所示。

表1 節(jié)電器使用前后電能消耗情況對比

在安裝節(jié)電器之前，由于疏于管理的原因，往往在下班后忘記關(guān)掉飲水機(jī)的電源，造成反復(fù)加熱、浪費(fèi)電能的情況;而在安裝節(jié)電器后，由于它能在下班后自動關(guān)閉飲水機(jī)的電源，從而節(jié)約了電能。從表1也可以看出，節(jié)約電能的比例在36%以上，照此計(jì)算，一年可節(jié)約電費(fèi)約為0.64元/度×23.2度×36% ×365/7=279元。節(jié)電器的成本在百元以下，所節(jié)約的電費(fèi)經(jīng)半年即可收回成本。

4 結(jié)論

所研制的外置式飲水機(jī)節(jié)電器具有功耗低，成本低，智能化，使用靈活方便，多種工作模式、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn);所具備的加熱自動檢測、水沸報(bào)警提示、定時(shí)開關(guān)等功能，不僅有效地避免了“千滾水”的形成，而且大大節(jié)約了電能，符合目前綠色、環(huán)保、健康、低碳的生活潮流。產(chǎn)品已經(jīng)申請了專利，值得進(jìn)一步推廣使用。

［1］謝晉雄，張棟，韋宇穎，等.一種基于模糊控制的節(jié)能飲水機(jī)設(shè)計(jì)［J］.檢驗(yàn)檢疫學(xué)刊，2010，20(3):30－33.

［2］吳瑰麗，劉建華，崔玉潔.單片機(jī)與時(shí)鐘芯片DS12C887的接口設(shè)計(jì)［J］.石家莊鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，3(2):15－19.