環(huán)形多段觸摸一體化顯示控制器的研制

黃 智 朱 藝

（廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

儲(chǔ)水式電熱水器是一種將水加熱至用戶需求溫度的固定式器具，它可以長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)熱水，并裝有控制或限制水溫的裝置。由于其安裝方便、價(jià)格適中，所以大量的用于家庭生活和洗浴熱水的供應(yīng)上[1]。

而在電熱水器使用過(guò)程中，對(duì)于電熱水器水溫的控制和調(diào)節(jié)是尤為重要的。所以，本文使用的技術(shù)主要是設(shè)計(jì)了一種既美觀 又具有實(shí)用性的高端控制器。通過(guò)觸摸顯示一體化的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)水式電熱水器系統(tǒng)的精確控制，來(lái)滿足用戶的各種使用需求。

國(guó)外早在二十世紀(jì)五十年代就已經(jīng)研發(fā)出了首臺(tái)儲(chǔ)水式電熱水器，對(duì)于電熱水器的控制也從最初的機(jī)械式控溫，發(fā)展到了通過(guò)機(jī)械按鍵控制的電腦型。而國(guó)外對(duì)于電容式觸摸按鍵控制方式的可靠性存在疑問(wèn)，所以近年來(lái)國(guó)外生產(chǎn)的電熱水器，主要還是以機(jī)械方式控制和機(jī)械按鍵控制為主[2]。

在國(guó)內(nèi)，儲(chǔ)水式電熱水器的發(fā)展較晚，首臺(tái)儲(chǔ)水式電熱水器直到二十世紀(jì)八十年代末才由鼎新研發(fā)成功。而對(duì)于電熱水器的控制方式，也經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)期的發(fā)展：早期電熱水器是用機(jī)械式旋鈕調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的溫度控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)初步的控溫，這種方式溫度控制方式單一，只能實(shí)現(xiàn)循環(huán)加熱。隨后發(fā)展出了電腦型控溫控制器，是通過(guò)機(jī)械式按鍵顯示控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控溫，該方式在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫的同時(shí)，又通過(guò)控制器上的微處理芯片實(shí)現(xiàn)多種方式的加熱，更加節(jié)能環(huán)保。但是由于是機(jī)械按鍵，長(zhǎng)時(shí)間在浴室潮濕的環(huán)境下使用，會(huì)出現(xiàn)機(jī)械按鍵生銹卡死而無(wú)法使用的問(wèn)題。之后，為了解決機(jī)械按鍵的問(wèn)題，又研發(fā)出了電容觸摸式按鍵控制器，該控制器對(duì)于潮濕環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)，使用壽命更長(zhǎng)，但同時(shí)也存在結(jié)構(gòu)安裝復(fù)雜，容易誤觸發(fā)的問(wèn)題。

針對(duì)目前電熱水器控制器中基于觸摸按鍵控制存在結(jié)構(gòu)安裝復(fù)雜，容易誤觸發(fā)等問(wèn)題，本文提出了一種新型的環(huán)形多段觸摸一體化顯示控制器，用以解決以上存在的問(wèn)題。

1 儲(chǔ)水式電熱水器觸摸顯示集成控制器系統(tǒng)

1.1 觸摸按鍵控制方法發(fā)展

觸摸按鍵技術(shù)是由美國(guó)人Sam Hurst在1971年發(fā)明的，而這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于電熱水器控制器則是在進(jìn)入二十一世紀(jì)之后。

觸摸按鍵的原理主要是基于電容充放電的原理，當(dāng)人體手指觸摸對(duì)應(yīng)的控制器面板時(shí)（內(nèi)部為金屬?gòu)椈苫驅(qū)щ娕菝蓿捎谌梭w對(duì)大地相當(dāng)于一個(gè)電容，那么控制器上對(duì)應(yīng)觸摸按鍵上相當(dāng)于并聯(lián)了一個(gè)電容，對(duì)應(yīng)的電容量就發(fā)生了改變，控制器通過(guò)這個(gè)變化來(lái)判定是否有觸摸按鍵按下。

近幾年來(lái)，基于電容充放電檢測(cè)的觸摸按鍵控制器，由于其安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、人機(jī)交互性能好，目前已經(jīng)在電熱水器上得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，由于電熱水器長(zhǎng)期在高溫高濕度的環(huán)境下使用，觸摸按鍵控制在潮濕環(huán)境下的可靠性也是目前研究的重點(diǎn)[3]。

1.2 集成觸摸顯示控制方法發(fā)展

隨著時(shí)代的發(fā)展，最近兩年一種集成觸摸顯示技術(shù)也逐漸應(yīng)用于電熱水器控制器產(chǎn)品，該技術(shù)把顯示屏和觸摸按鍵集成到了一起，實(shí)現(xiàn)了類似于手機(jī)觸摸屏的功能。而具體的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種：一種是把觸摸膜片貼裝在電熱水器控制器外殼上；另一種是把顯示和觸摸集成在一個(gè)顯示屏上，然后再和控制器外殼組裝起來(lái)。第一種方式對(duì)于貼裝工藝要求相對(duì)嚴(yán)格，而第二種方式則要求顯示屏和外殼緊密貼合，實(shí)現(xiàn)工藝上也比較復(fù)雜[4]。

2 觸摸一體化顯示控制器系統(tǒng)

基于電熱水器的環(huán)形多段觸摸一體化顯示控制器原理框圖如圖1所示。

從圖1可以看出，外部市電通過(guò)電源線L火線、N零線和E地線引入漏保插頭。隨后L火線和N零線再接入限溫器中，然后接入觸摸一體化顯示控制系統(tǒng)中。該系統(tǒng)由電源控制器、溫度傳感器、觸摸一體化顯示控制器以及對(duì)應(yīng)的發(fā)熱管組成。用戶通過(guò)觸摸一體化顯示控制器下發(fā)控制指令，電源控制器收到指令后，通過(guò)分析溫度傳感器發(fā)回的電熱水器內(nèi)膽水溫，綜合分析后，控制對(duì)應(yīng)的發(fā)熱管開啟或者斷開，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電熱水器內(nèi)膽水溫的控制。同時(shí)，內(nèi)膽水溫及加熱時(shí)間等信息也將會(huì)在觸摸一體化顯示控制器上進(jìn)行顯示。從而構(gòu)建了一套可靠的應(yīng)用于儲(chǔ)水式電熱水器的觸摸一體化顯示控制系統(tǒng)。

2.1 觸摸一體化顯示控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

觸摸一體化顯示控制系統(tǒng)由電源控制器、觸摸一體化顯示控制器、溫度傳感器以及對(duì)應(yīng)的發(fā)熱管組成。其中電源控制器和觸摸一體化顯示控制器是核心元器件。

電源控制器主要是對(duì)儲(chǔ)水式熱水器內(nèi)膽水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)給觸摸一體化顯示控制器提供低壓直流電源。同時(shí)根據(jù)用戶端從顯示器發(fā)回的功能需求，來(lái)控制發(fā)熱管的開啟或斷開。用以滿足各類用戶的洗浴需求。針對(duì)以上的功能需求，設(shè)計(jì)了如圖2所示的電源控制器。

圖1 原理框圖

從圖2可以看出，電源控制器主要由五個(gè)部分組成：①用于連接發(fā)熱管的5個(gè)接線端子；②用來(lái)控制發(fā)熱管開啟和斷開的繼電器驅(qū)動(dòng)電路；③把220 V交流高壓轉(zhuǎn)為5 V直流低壓的轉(zhuǎn)換電路；④用于連接探測(cè)熱水器內(nèi)膽水溫的溫度傳感器接口；⑤用于給觸摸一體化顯示控制器供電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)娘@示器接口。通過(guò)以上五個(gè)部分則可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求。

而觸摸一體化顯示控制器主要是提供一個(gè)用戶可以操作的功能界面。通過(guò)功能界面上面的各種按鍵，用戶可以實(shí)現(xiàn)自己需要的功能。同時(shí)界面上可以實(shí)時(shí)顯示電熱水器內(nèi)膽的水溫，工作模式，以及預(yù)約洗浴時(shí)間等信息。針對(duì)以上的功能需求，設(shè)計(jì)了如圖3所示的顯示觸摸一體化控制器。

從圖3可以看出，顯示觸摸一體化控制器主要由四個(gè)部分構(gòu)成為：①帶有LED顯示和觸摸功能的顯示屏，該顯示屏為整個(gè)控制器的核心部分。從左至右分成三個(gè)部分：左邊部分由LED圖標(biāo)顯示部分以及對(duì)應(yīng)的4個(gè)彈簧觸摸功能按鍵組成，中間部分的圓圈內(nèi)也是由LED圖標(biāo)顯示部分以及12段帶LED顯示的觸摸環(huán)組成（為保證觸摸屏效果，已在觸摸環(huán)的四周增加了4個(gè)對(duì)位螺釘，以此保證觸摸環(huán)和顯示外殼的貼合度），右邊部分由LED圖標(biāo)顯示部分以及對(duì)應(yīng)的5個(gè)彈簧觸摸功能按鍵組成；②PCB底板，用來(lái)把觸摸顯示一體屏焊接起來(lái)進(jìn)行固定；③長(zhǎng)條形側(cè)發(fā)光燈條，焊接于PCB底板上增加控制器的顯示效果；④電源控制器接口，用于接收電源控制器發(fā)回的數(shù)據(jù)以及提供供電電源。

圖2 電源控制器設(shè)計(jì)框圖

2.2 觸摸一體化顯示控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在軟件上，針對(duì)電源控制器，主要是通過(guò)一個(gè)主MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理。采集的主要是溫度傳感器探測(cè)到的內(nèi)膽溫度值，通過(guò)AD采樣電路輸入到主MCU中進(jìn)行處理，根據(jù)用戶從顯示器回傳的設(shè)置溫度，來(lái)判斷是否開啟繼電器進(jìn)行加熱。而主MCU與顯示器的通訊方式采用傳統(tǒng)的串口通訊進(jìn)行。

而對(duì)于顯示觸摸一體化控制器，在軟件上則需要處理各個(gè)模塊上的觸摸按鍵響應(yīng)，以及根據(jù)用戶設(shè)置的功能模式進(jìn)行對(duì)應(yīng)的顯示。特別在進(jìn)行觸摸按鍵的處理時(shí)，由于使用的是多個(gè)觸摸IC進(jìn)行觸摸按鍵采集，所以在軟件上必須設(shè)置好各個(gè)觸摸IC響應(yīng)的時(shí)序，避免出現(xiàn)時(shí)序上的混亂而導(dǎo)致觸摸失靈或誤觸發(fā)的情況發(fā)生。

經(jīng)過(guò)上述的設(shè)計(jì)，集成了觸摸彈簧控制和顯示觸摸一體化控制方式，融合了兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，既解決了彈簧觸摸按鍵需要高精度定位的問(wèn)題，又減少了帶有觸摸功能的顯示屏的面積，降低了加工難度，提高了產(chǎn)品的可靠性。

圖3 觸摸一體化顯示控制器設(shè)計(jì)框圖

綜上所述，通過(guò)電源控制器和顯示觸摸一體化控制器的設(shè)計(jì)，就構(gòu)建了一套完整的儲(chǔ)水式電熱水器的控制系統(tǒng)。用戶可以通過(guò)操作顯示器面板上的彈簧觸摸按鍵或觸摸環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能，同時(shí)熱水器的加熱狀態(tài)，如：實(shí)時(shí)水溫，設(shè)置水溫，加熱時(shí)間等都可以在面板上顯示出來(lái)，完全可以滿足用戶使用熱水的需求。

3 觸摸一體化顯示控制系統(tǒng)性能試驗(yàn)

當(dāng)把觸摸一體化顯示控制系統(tǒng)應(yīng)用于儲(chǔ)水式電熱水器控制系統(tǒng)中時(shí)，完全可以構(gòu)建出新型的電熱水器控制系統(tǒng)。使用構(gòu)建的新系統(tǒng)，在EMC實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了整機(jī)配套性能測(cè)試[5]。主要測(cè)試項(xiàng)目為：

1）EFT群脈沖抗干擾測(cè)試如圖4。

結(jié)論：通過(guò)測(cè)試圖4可以看出，該系統(tǒng)可以通過(guò)EFT 4 000 V 正負(fù)極性的測(cè)試。符合使用要求。

2）SUGER浪涌抗干擾測(cè)試如圖5。

結(jié)論：通過(guò)測(cè)試圖5可以看出，該系統(tǒng)可以通過(guò)SUGER L+N 2 000 V 正負(fù)極性的測(cè)試。符合使用要求。

3）CS傳導(dǎo)抗干擾測(cè)試如圖6。

結(jié)論：通過(guò)測(cè)試圖6可以看出，該系統(tǒng)可以通過(guò)CS 10V 傳導(dǎo)抗干擾的測(cè)試。符合使用要求。

4）CE電壓騷擾測(cè)試（0～30 MHz）如圖7。

結(jié)論：通過(guò)測(cè)試圖7可以看出，該系統(tǒng)可以通過(guò)CE 電壓騷擾的測(cè)試。符合使用要求。

5）PC 功率輻射測(cè)試（30～300 MHz）如圖 8。

結(jié)論：通過(guò)測(cè)試圖8可以看出，該系統(tǒng)可以通過(guò)PC 功率輻射測(cè)試。符合使用要求。

可以看出基于環(huán)形多段觸摸一體化顯示控制器構(gòu)建的新系統(tǒng)，在符合EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)情況下，可以可靠的實(shí)現(xiàn)電熱水器內(nèi)膽水溫的精確探測(cè)和控制。

4 結(jié)論

圖4 EFT群脈沖抗干擾測(cè)試

圖5 SUGER浪涌抗干擾測(cè)試

圖6 CS傳導(dǎo)抗干擾測(cè)試

圖7 CE 電壓騷擾測(cè)試（0～30 MHz）

實(shí)驗(yàn)表明，基于環(huán)形多段觸摸顯示技術(shù)的控制器，與之前技術(shù)相比，具有可靠性高、安裝工藝簡(jiǎn)易、精度高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于高精度的電熱水器控制器上。將這些技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代的電熱水器精準(zhǔn)控溫中，對(duì)提高內(nèi)膽水溫控制的精準(zhǔn)性、觸摸按鍵的操控性以及顯示的多元化必將發(fā)揮重要的作用。

圖8 PC 功率輻射測(cè)試（30～300 MHz）

而之前的觸摸顯示控制器，受到安裝方式的限制，在電熱水器上的應(yīng)用受到了限制，可靠性也達(dá)不到EMC的要求。所以，新方法構(gòu)建的系統(tǒng)具有很大的優(yōu)勢(shì)。