电水壶自动断电控制器的研究与设计

为了实现电水壶的自动断电控制，通过介绍一种新型的电水壶自动断电控制器，该产品能有效地在水烧沸后将电水壶从电源上自动断开，并进行声光报警提醒。产品设计结构合理、安全可靠，且使用极为方便，投入量产后，必将引起电水壶产业的又一次革新。

市场上的电水壶基本可分为两大类型：非自动式普通型和自动控温型电水壶。前一种电水壶当水烧沸后，需要手动将电水壶从电源上断开，使用极不方便，当人外出遗忘断电后，不但会导致电能的浪费和烧坏电水壶，甚至可能会存在安全隐患；后一种电水壶的温控装置与电水壶都是一体化的，维修不易，且价格比较贵，绝大部分家庭或单位在出现这种情况后都是将电水壶作报废处理，这样做比较浪费资源。

1 产品优点
根据国家标准GB4706.4《家用和类似用途电器的安全电水壶的特殊要求》中的有关规定，该产品(专利号：201210098217)在非自动式普通型电水壶的基础上，克服以往产品的设计缺陷，设计了一种新型的电水壶自动断电控制器，该产品在电水壶内水烧沸后能实现自动切断电源，且进行声光报警提醒，电路设计结构合理、安全可靠；且该控制器为外接装置，维修、更换方便，而且价格相对比较便宜。

2 产品电路设计
电水壶自动断电控制器包括控制器供电电路、传感信号发生电路、放大电路、自动断电且保持电路和光电隔离电路及输出控制电路。
控制器电路中还兼设有声光报警电路：
1)指示灯包括水未烧沸绿色指示灯和水已烧沸红色指示灯；
2)当水烧沸后，蜂鸣器会发出声音进行报警；
3)利用红、绿指示灯的显示变化及声音报警的双从提示，提醒用户水是否烧开。
2．1 控制器供电电路
控制器供电电路是由变压器、4个整流二极管组成的桥式整流电路、滤波电路和三端稳压器组成，自动断路控制器中的所需的直流电源都是从此供电电路输出后获取。控制器供电电路如图1所示。

2．2 传感信号发生电路
本设计中的传感器用的是湿敏电阻传感器，工作时需1．5V AC的正弦波信号，因此如何获取1．5 V AC的正弦波信号也是本控制器设计的关键。
方案一：使用220 V市电经变压器变压后获取此正弦波，但200 V市电由于相对1．5 V AC太大，且市对相对而言不是太稳定，这样就会造成获取正弦波信号不稳定，给电路的稳定性造成极大的影响。
方案二：可由NE555等组成的自激多谐振荡电路产生，通过电容C2的充、放电，从而在NE555输出端得到正弦波信号。
本设计选用方案二，如图2所示。

将NE555的2脚与6脚直接相连，组成的自激多谐振荡电路将产生对称方波，经过电容C2，此电平信号经过接线端口J1一端加至湿敏传感器探头上；湿度传感器探头将感测出的信号经过接线端口J1的另一端返传送至后续放大电路。
湿度传感器接在NE555自激多谐振荡电路与放大电路之间(即接线端口J1上)，用于检测电水壶产生的水蒸气湿度信号。

2．3 放大电路
放大电路主要由LM324构成，如图3所示。

1)由LM324和D2、D3组成的对数变换电路，其输出电位随相对湿度的增加而增加。
2)输出信号再经过R3和C3滤去干扰短脉冲后，加至LM324的同相输入端，当相对湿度变化时，LM324输出端的电位将随之改变，当传感器感知到相对湿度变大时，放大电路的输出将变成高电平；反之为低电平。
3)通过调节电位器RP，可以设定相对湿度的参考值，此设定值比较关键。
通过这样的设计就可以实时检测到电水壶中的水是否烧沸。
2．4 自动断电且保持电路
自动断电且保持电路由继电器K1、晶体管Q1、CD4013及电阻R8、R9、电容C5、C6组成的单稳态电路和双稳态电路组成，如图4所示。[page]

1)单稳态电路的作用是对前级输入信号进行脉冲宽度整形，保证每次触摸动作都可靠。
2)双稳态电路用来驱动晶体管Q1的开通或关闭，进而控制继电器的通断。
3)将CD4013的输入信号从湿度传感器器探头感测到的信号相隔离，主要是通过控制继电器K1的通断来实现。在继电器K1得到高电平信号后，常闭触点断开、常开触点闭合，就可将CD4013双稳态电路输出的高电平信号从放大电路后断开，即使放大电路输出的信号发生变化，也不会影响到双稳态电路的输出，这样就可使CD4013双稳态电路输出的高电平信号保持不变。
2．5 光电隔离电路及输出控制电路
1)光电隔离电路
光电隔离电路包括光耦、电阻R11、整流二极管D8、继电器和晶体管Q2，如图5所示。

利用光耦的特性，信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响。可将自动断电控制器中的直流供电电源与后面的200 V市电上分开，这样可以起到保护电水壶自动断电控制器的作用。
2)输出控制电路
输出控制电路包括输出控制继电器K2、电水壶的电热管RL和电源线。开始烧水时，输出控制继电器K2失电触点处于闭合，电水壶的电热管RL得电，电水壶开始加热；当水烧沸时，输出控制继电器K2线圈得电，线圈得电，触点由常闭变成常开状态，电水壶的电热管RL失电，电水壶停止加热。

2．6 显示面板
显示面板上有红、绿指示灯和蜂鸣器，如图6所示。

当水开始烧时，由于传感器检测到湿度的信号不足以使电路发生变化，此时为绿色指示灯亮，代表此刻自动断电控制器电源已接通，同时表示电水壶正在烧水；当绿色指示灯熄灭、红色指示灯亮时，提醒用户水烧沸了，同时蜂鸣器发声提醒。如果没有人来断开电源，本控制器会一直发出声光提醒。
2．7 电路功能及工作过程
从整个过程可以实现本控制器设计的功能，如图7所示。

 
在水烧沸时，随着湿敏传感器阻值变小，LM324输出电位变高，CD4013电平发生翻转，继电器K2线圈得电，常闭触点断开，电水壶从市电220 V电源上失电而断开；同时继电器K1将CD4013双稳态电路输出的高电平信号从放大电路后断开，所以CD4013双稳态电路不会再得到高电平信号而发生触发翻转，即可实现电水壶自动断电控制的功能。

3 结论
CD4013自动断电保持电路是整个控制器的核心，完成信号的输入和输出保持。另外还有两个重要的电路是湿度检测和光电隔离电路。
1)湿度检测电路完成湿度信号的采样和信号输出，并通过CD4013自动断电保持电路的处理达到控制电水壶自动断电的作用，且不再受传感器检测信号的影响。
2)光电隔离电路将自动断电控制器中所需要的直流电从220 V交流电上隔离开来，从而达到保证控制电路的安全。
该产品在当水烧沸后能实现自动断电，并进行声光报警提醒，设计结构合理、安全可靠。