生活電器
電熨斗方案開發(fā)
電熨斗是利用電流熱效應使底板發(fā)熱熨燙各種織物的電器。目前家用電熨斗主要分為無調(diào)溫器依靠人控制通電時間的普通型電熨斗和采用雙金屬片控溫的調(diào)溫型電熨斗。前者當人忘記斷開電源開關時十分危險；后者當調(diào)溫器失效或人不在使用時仍然保持較大功率輸出，也存在火災危險。
為了提高家用電熨斗的安全性，同時降低其能耗，本文提出并設計了一種基于觸摸式開關、單片機和可控硅的電熨斗安全控制裝置，利用觸摸開關檢測電熨斗的使用狀態(tài)，通過單片機控制可控硅導通角來控制電熨斗的輸出功率，從而達到安全控溫、節(jié)能降耗的目的。
一、電熨斗調(diào)溫原理及問題
為了適應不同織物的熨燙溫度需求，在普通型電熨斗的基礎上增加調(diào)溫器，可控制底板溫度在60~250℃之間連續(xù)可調(diào)，常用的調(diào)溫器結構均為雙金屬片結構。其調(diào)溫原理是當?shù)装鍦囟壬仙琳{(diào)溫旋鈕設定的溫度時，雙金屬片由直變彎，與靜觸點斷開，切斷電路；隨著電熨斗溫度逐漸下降，雙金屬片逐漸由彎變直，當溫度下降到一定程度，雙金屬片與靜觸點重新接觸；如此不斷反復，將溫度控制在設定溫度附近。
采用調(diào)溫器后電熨斗的安全性有了較大提高，但是仍然存在安全隱患，其原因包括以下兩個方面。在電熨斗本身方面，調(diào)溫型電熨斗雙金屬片由于長時間受壓失去彈性或長時間大功率輸出導致觸點熔合而失效；在使用者方面，由于操作不當而導致火災，例如：電熨斗放置錯誤，長時間平放或豎放；忘記切斷電源。
目前，針對上述安全問題，主要采用以下兩種方法進行改進：一是采用溫度傳感器、姿態(tài)傳感器以及模糊控制算法開發(fā)智能型電熨斗控制器，但這種方法溫度控制技術復雜、成本高，難以用于家用電熨斗，主要用于工業(yè)用電熨斗或較高檔的電熨斗產(chǎn)品；二是根據(jù)電熨斗的使用狀態(tài)或姿態(tài)，使該狀態(tài)或姿態(tài)持續(xù)持續(xù)一段時間后再關機，這種方法由于不涉及具體的溫度控制，而是利用狀態(tài)、姿態(tài)傳感器和定時器控制電源的關斷來保證安全，具有成本低、使用較安全的優(yōu)點，從而被廣泛應用。
但是，第二種改進方法仍存在以下問題：
（1）在使用狀態(tài)或姿態(tài)檢測方面，常見的姿態(tài)傳感器有水銀開關、金屬球滾動接觸開關等，前者使電熨斗在制造、使用和回收等生命環(huán)節(jié)中存在環(huán)保壓力，而后者容易產(chǎn)生誤動作；
（2）采用定時器控制電源關斷時，一般只有三種功率輸出方式：正常使用時，滿功率輸出；暫停使用一段時間內(nèi)（如設為ts），半功率輸出；ts時間后，零功率輸出。由于暫停使用期間，仍維持半功率輸出，電熨斗底板溫度較高，不僅存在火災危險，而且能耗浪費嚴重。
二、基于單片機的電熨斗安全控制器設計
2.1電熨斗基本設計思路
針對雙金屬片調(diào)溫型電熨斗存在的問題，本文提出一種基于單片的電熨斗安全控制器，其基本設計思路如圖1所示。
通過安裝在電熨斗把手處的觸摸式開關檢測人手的狀態(tài)，即當人手握住把手時觸摸式開關輸出信號，認為處于使用狀態(tài)；當人手離開把手時觸摸式開關沒有信號輸出，認為處于暫停狀態(tài)。
由于采用單片機控制，電熨斗在暫停使用時可實現(xiàn)“功率衰減輸出”，其控制過程為：檢測到暫停，立刻半功率輸出，在其后的ts時間內(nèi)，單片機通過控制可控硅的導通角，使輸出功率平滑衰減下降；若在ts時間內(nèi)，檢測到恢復使用，則立刻恢復至滿功率輸出；若在ts時間內(nèi)，檢測不到恢復使用的信號，單片機將控制可控硅導通角保持為零，可控硅截止，即相當于電源關斷（此為電子關斷），并使蜂鳴器發(fā)聲提醒用戶拔掉電源（此為物理關斷），直到重新開機才能恢復使用。
與“半功率輸出”相比，“功率衰減輸出”型控制器的特點是：（1）在檢測到暫停使用后，輸出功率立即減半，在隨后的ts時間內(nèi)，功率保持平滑衰減，直至為零，但當恢復使用時又能方便快速地升溫至設定溫度，兼顧了安全與效益；（2）在“暫停使用”至“恢復使用”時間段內(nèi)，該控制器更節(jié)能，圖2中扇形區(qū)域即為該時間段內(nèi)節(jié)省的能耗。
2.2使用狀態(tài)檢測
圖2所示為自行設計的觸摸式開關，其輸入觸點被引至電熨斗把手外側，當人接觸到觸摸式開關觸點時，觸點通過人體接收空氣中的雜波信號，該信號經(jīng)過兩級三極管放大，通過電容濾波后，最后作為電熨斗使用狀態(tài)信號輸入給單片機。與水銀開關、金屬球滾動接觸開關相比，此觸摸開關具有性能可靠，環(huán)保安全，成本低廉的特點。
2.3交流電過零檢測
暫停使用狀態(tài)下，單片機要控制可控硅的導通角，必須先進行交流電過零檢測，如圖3所示為交流電過零檢測電路圖。圖中，由D1~D4組成的整流電路為光耦PC817提供脈動直流波形，當波形從最高點向零點交越時，光耦將關閉，三極管Q1不能導通，輸送給單片機RA2端口的電位為零，由此單片機完成一次過零檢測，為單片機下一步控制可控硅砍波提供起點。
2.4單片機控制可控硅導通角
圖4中，雙向可控硅作為可控開關器件串聯(lián)在電熨斗底板內(nèi)的電熱元件電路上，電阻R11為單片機控制可控硅G極提供上拉電流。當單片機觸發(fā)G極一次，可控硅將導通，并維持導通直至加在兩極端電壓變?yōu)榱?。工頻交流電半個周期為10ms，若單片機在交流電零點位置開始計時，5ms后單片機RB3端口輸出高電平觸發(fā)可控硅G極，則可控硅在交流電的正或負半周期到達零點前保持導通，此時，可控硅通控制電熨斗半功率輸出。電熨斗功率衰減輸出實質是將暫停時間ts均分為若干段（如50段），每段時間內(nèi)通過控制可控硅導通角來改變電熱元件平均電壓，隨著暫停時間的延長，導通角和平均電壓逐段減小，電熨斗輸出功率也逐步衰減，若ts時間到仍未恢復使用則發(fā)出聲音報警信號。
2.5單片機控制程序流程
單片機初始化后，不斷檢測電熨斗的使用狀態(tài)，根據(jù)觸摸開關反饋的信號，決定功率輸出的方式。在半功率輸出后，仍不斷檢測使用狀態(tài)，若恢復使用則立刻全功率輸出；否則，在規(guī)定的時間內(nèi)將輸出功率逐步衰減，ts時間到后，可控硅截止，實現(xiàn)電子關斷，為提高安全性，并通過蜂鳴器提醒用戶拔掉電源，實現(xiàn)物理關斷。
總結
安全控制器以單片機為控制核心，采用觸摸開關檢測電熨斗使用狀態(tài)，通過單片機控制導通角以實現(xiàn)暫停使用階段電熨斗輸出功率的逐步衰減。實驗表明，該電熨斗安全控制器具有安全可靠、節(jié)能降耗、使用方便、成本低廉的特點，市場推廣前景良好。
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