家用電器中基于PPTC智能微型保護(hù)器設(shè)計(jì)

沈浩強(qiáng) 袁娜 黃山學(xué)院

一、傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲局限性分析

保險(xiǎn)絲也被稱為熔斷器，它是一種保證電路安全正常運(yùn)行的器件。當(dāng)電器或電子設(shè)備出現(xiàn)過流時(shí)保險(xiǎn)絲會(huì)斷裂，起到斷開電源保護(hù)電路的作用。當(dāng)電器或電子設(shè)備出現(xiàn)過流時(shí)保險(xiǎn)絲會(huì)斷裂，起到斷開電源保護(hù)電路的作用。但保險(xiǎn)絲并不能起到預(yù)防危險(xiǎn)，和多次使用的局限性，當(dāng)電流過大時(shí)保險(xiǎn)絲會(huì)斷開，但當(dāng)恢復(fù)正常時(shí)，保險(xiǎn)絲并不能恢復(fù)正常，如果要更換時(shí)很難買到相應(yīng)型號(hào)，且對(duì)于現(xiàn)在智能電器，拆卸起來比較麻煩，對(duì)于大多數(shù)人來說一旦出現(xiàn)此類問題，只能重新購買此電器。加大了資源的浪費(fèi)。隨著電器越來越智能，所用的電子元器件越來越多，但電器一般放在廚房這種潮濕和溫度較高的環(huán)境當(dāng)中，這樣電器中的電路板極其容易因?yàn)檫^度潮濕或溫度過高而發(fā)生短路或者元器件的損毀，這樣電器中的電路板極其容易因?yàn)檫^度潮濕或溫度過高而發(fā)生短路或者元器件的損毀。根據(jù)上述分析，保險(xiǎn)絲已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段的需求，必須采取新的材料，新的技術(shù)，才能使產(chǎn)品更加智能更加安全。

二、PPTC工作原理

圖1為 PPTC結(jié)構(gòu)及工作原理圖，圖2 PPTC實(shí)物圖。PPTC材料具有可恢復(fù)性，遇到異常情況PPTC升溫變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，從而阻斷電流，溫度恢復(fù)到正常溫度時(shí)又變?yōu)榈妥锠顟B(tài)形成通路。PPTC阻值小、外形小的特點(diǎn)有助于更好的與其他的電子器件相結(jié)合。PPTC價(jià)格便宜，工作性能穩(wěn)定且不容易損壞，其可恢復(fù)功能，有利于整體方案的設(shè)計(jì)，更好的減少維護(hù)和修理的成本。

圖1 PPTC結(jié)構(gòu)及工作原理

圖2 為 PPTC實(shí)物圖

三、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

本裝置系統(tǒng)以STC12C5410單片機(jī)為主控芯片，DHT11溫濕度傳感器作為溫度和濕度的信號(hào)收集模塊，PPTC作為保護(hù)模塊控制電路的通斷，圖3為硬件組成。

圖3 硬件組成

（一）報(bào)警裝置設(shè)計(jì)

本方案報(bào)警裝置采用成本低、好開發(fā)、體積小的耐高溫蜂鳴器。耐高溫蜂鳴器不僅價(jià)格低，而且工作溫度寬，非常適合在溫度高濕度大的惡劣環(huán)境中工作。圖4為耐高溫蜂鳴器實(shí)物圖。圖5為蜂鳴器工作的電路圖。

圖4 蜂鳴器實(shí)物圖

圖5 工作電路圖

（二）溫濕度傳感器選用

如表1所示，DHT11傳感器它對(duì)溫度和濕度的測(cè)量精度較為準(zhǔn)確價(jià)格相對(duì)便宜，DHT11的原理圖介紹如圖6所示。

圖6 DHT11原理圖

四、系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方案

（一）濾波調(diào)理電路

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高功率電器的電源端電壓一般為 220V，有的甚至更高可以達(dá)到380V，電流可達(dá)十幾甚至幾百安培，這么高的電流和電壓是不宜用于檢測(cè)的更不可以不加處理就進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，在此方案中電壓互感器和電流互感器恰到好處的配合使用將較高電壓，將電流電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換。使其可以正常工作不會(huì)損壞器件，接著我們?cè)賹㈦娏鬟M(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換，將電流量轉(zhuǎn)換成容易檢測(cè)的電壓量。然后用整流器件將交流的電壓轉(zhuǎn)換成直流的電壓值。

將輸入信號(hào)在送入 AD 轉(zhuǎn)換器之前進(jìn)行隔斷。用光電耦合器對(duì)數(shù)字信號(hào)的傳輸進(jìn)行隔斷。然而不加處理就用來傳送模擬量時(shí)精度不是那么的準(zhǔn)確，因此設(shè)計(jì)了如下電路，來提高整體電路抗擾動(dòng)能力。電路圖如圖7所示。

圖7 線性光電隔離電路

（二）AD轉(zhuǎn)換電路

STC12C5410 單片機(jī)用于保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。P1 口中可以通過程序?qū)⑷我庖宦纷鳛?A/D 轉(zhuǎn)換，不用于 A/D 使用的口可以作為 I/O 口。將進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換口設(shè)為開漏模式或高阻輸入，因此需對(duì) PIM0、PIM1寄存器進(jìn)行配置。配置表見表2。

表2 A/D 端口設(shè)置

五、系統(tǒng)中關(guān)鍵算法的設(shè)計(jì)

DHT11溫濕識(shí)別算法設(shè)計(jì)：DHT11單片機(jī)之間的通信主要由起始信號(hào)、響應(yīng)信號(hào)、數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)和結(jié)束信號(hào)構(gòu)成的。數(shù)據(jù)是高位先出。DHT11被啟動(dòng)后，就改變工作狀態(tài)，然后開始信號(hào)結(jié)束后才進(jìn)行響應(yīng)，向單片機(jī)口傳輸數(shù)據(jù)信息，單片機(jī)可以通過C語言編程來達(dá)到想的數(shù)據(jù)處理效果，DHT11完成數(shù)據(jù)發(fā)出后，會(huì)以輸出低電平作為結(jié)束。DHT11的工作原理圖如圖8所示。

圖8 DHT11的工作原理圖

當(dāng)DHT11采集外界溫濕度信息，我們要知道傳輸信號(hào)引腳狀態(tài)的變化，本方案的思路是檢測(cè)有無下降沿，然后進(jìn)入不停的檢測(cè)，直到有上升沿的出現(xiàn)，然后將相應(yīng)數(shù)據(jù)存入數(shù)組，因?yàn)閿?shù)據(jù)的大小不相同，所以門限的設(shè)置與溫濕度數(shù)值的轉(zhuǎn)換與計(jì)算以此為依據(jù)。

六、結(jié)論

本裝置結(jié)合單片機(jī)與傳感器，通過傳感器收集外部環(huán)境信息，然后傳給主IC，當(dāng)溫度和濕度數(shù)據(jù)超過程序設(shè)定值，則會(huì)發(fā)出異常警報(bào)，從而可以減少不必要的故障；PPTC在正常溫度下為低阻狀態(tài)，再加上溫度傳感器、濕度傳感器和單片機(jī)的作用，實(shí)現(xiàn)多功能保護(hù)，保護(hù)電器不受到損壞。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)在未來會(huì)使家用電器更加的安全，本設(shè)計(jì)具有功能性強(qiáng)特點(diǎn)，例如（1）溫度、濕度異常預(yù)警功能：本裝置結(jié)合單片機(jī)與傳感器，通過傳感器收集外部環(huán)境信息，然后傳給主IC，當(dāng)溫度和濕度數(shù)據(jù)超過程序設(shè)定值，則會(huì)發(fā)出異常警報(bào)，從而可以減少不必要的故障，減少電器損壞給用戶帶來不必要的麻煩和維修費(fèi)用。（2）多種保護(hù)功能：自身在溫度較高狀態(tài)下為高阻狀態(tài)，在正常溫度下為低阻狀態(tài)，再加上溫度傳感器、濕度傳感器和單片機(jī)的作用，通過調(diào)控通過PPTC的電流使PPTC成高阻狀態(tài)或低阻狀態(tài)，當(dāng)溫度過高、濕度過大或者電流過大時(shí)，可以及時(shí)阻斷電流，從而實(shí)現(xiàn)多功能保護(hù)功能，保護(hù)電器不受到損壞。（3）可恢復(fù)性功能：本裝置首先采用的是PPTC可復(fù)性材料，當(dāng)通過電流過大時(shí)，PPTC會(huì)升溫進(jìn)入高阻狀態(tài)，從而達(dá)到斷開電源作用，當(dāng)故障排除電流正常時(shí)，則溫度下降可恢復(fù)到原來的狀態(tài)，從而達(dá)到控制電源通斷的目的，具有可恢復(fù)性，可以重復(fù)長(zhǎng)期使用。