溫控開關(guān)壽命測(cè)試儀的研究與設(shè)計(jì)

甘艷芬，張新強(qiáng)，鄧景輝

（廣東外語外貿(mào)大學(xué)南國商學(xué)院信息科學(xué)技術(shù)系,510545）

0 引言

近年來，精美、實(shí)用、方便、快捷的電熱水壺開始走進(jìn)千家萬戶。電熱水壺行業(yè)經(jīng)過十余年發(fā)展，目前國內(nèi)擁有量達(dá)幾千萬臺(tái)，中國已成為世界最大電熱水壺市場(chǎng)，且發(fā)展前景廣闊，估計(jì)僅是廣東地區(qū)，每年電熱水壺產(chǎn)量就超過了3000萬臺(tái)。但最新抽查顯示：市場(chǎng)上有約30%的電熱水壺不合格，使得購買水壺的消費(fèi)者權(quán)益難以保障。行業(yè)進(jìn)入門檻低、規(guī)模企業(yè)少、作坊式企業(yè)的質(zhì)量意識(shí)差是導(dǎo)致電熱水壺質(zhì)量低劣的最直接原因。為規(guī)范電熱水壺市場(chǎng)，保障消費(fèi)者的權(quán)益，我國《電水壺性能要求及試驗(yàn)方法》安全標(biāo)準(zhǔn)已于2009年5月開始實(shí)施。

電熱水壺產(chǎn)品質(zhì)量不合格，90%以上都是由電熱水壺的開關(guān)失效造成，電熱水壺開關(guān)壽命較短，容易失效，使用一段時(shí)間后無法煮開水的現(xiàn)象。本文研究目的在于研發(fā)并設(shè)計(jì)一臺(tái)電熱水壺的測(cè)試儀，用于測(cè)試電熱水壺開關(guān)壽命，即電熱水壺開關(guān)接通的次數(shù)。該測(cè)試儀不需要人員參與，只要裝好測(cè)試樣品開關(guān)，測(cè)試完成或者發(fā)生故障都能發(fā)出聲光指示，全自動(dòng)化的工作，大大減少測(cè)試人員工作負(fù)擔(dān)，提高效率。本文研究的測(cè)試儀具有一定的創(chuàng)新性、實(shí)用性和工程性，并在廉江迪艾斯電器廠投入使用，效果良好，具有一定的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和現(xiàn)實(shí)意義。

1 溫控開關(guān)結(jié)構(gòu)及易出現(xiàn)問題部分

溫控開關(guān)結(jié)構(gòu)圖 如圖1所示，主要是是采用碟形的雙金屬片 作為溫度傳感部件，如圖2所示，溫控開關(guān)的工作原理為：當(dāng)溫度升高時(shí)，碟形片將產(chǎn)生相應(yīng)的變形，而當(dāng)溫度達(dá)到碟形片產(chǎn)生變形的值時(shí)，碟形片的突跳依靠其它器件的機(jī)械傳動(dòng)，使觸頭迅速動(dòng)作以接通或切斷電流。動(dòng)作溫度范圍：30℃-300℃。

圖1 溫控開關(guān)外觀圖

圖2 雙金屬碟片

溫控開關(guān)易出現(xiàn)的問題有3點(diǎn)：首先，當(dāng)溫控開關(guān)的雙金屬碟片本身跳變的溫度過高，電熱水壺的蒸汽無法使雙金屬碟片達(dá)到跳變的溫度，造成溫控開關(guān)無法切斷電流，電熱水壺的水一直在沸騰無法停止造成危險(xiǎn)；其次雙金屬片屬于機(jī)械加工的配件，跳變和復(fù)位是有機(jī)械壽命的，材料問題或者加工問題對(duì)雙金屬片壽命有直接影響，假設(shè)以1個(gè)水壺1天正常使用5次為例，一年則接近2000次，要保證水壺正常買賣使用5年以上，則須保證溫控開關(guān)或者雙金屬片壽命在10000次以上；最后溫控開關(guān)的小彈簧與雙金屬片一樣，也是機(jī)械加工的配件，其壽命也直接影響著溫控開關(guān)乃至電熱水壺的壽命。因此研究和設(shè)計(jì)溫控開關(guān)壽命測(cè)試儀實(shí)質(zhì)上是測(cè)試雙金屬片和跳變小彈簧的壽命測(cè)試儀，在實(shí)際的生產(chǎn)測(cè)試中，選擇抽檢的方式進(jìn)行測(cè)試。

2 溫控開關(guān)測(cè)試儀的技術(shù)方案

該測(cè)試儀器的總體系統(tǒng)圖 如圖3所示，并可分為3部分：電路部分、機(jī)械部分和安裝底座部分。

圖3 溫控開關(guān)測(cè)試儀

第一、電路板部分：該部分以單片機(jī)（MCU）為智能控制的核心，通過DS18B20溫度傳感器采集測(cè)試水壺的水溫，傳到MCU作為處理，并在LED或者數(shù)碼管中顯示，測(cè)試遇到故障或者測(cè)試完成會(huì)發(fā)出相應(yīng)聲光指示。電路原理圖如圖4所示。

圖4 溫控開關(guān)測(cè)試儀的電路原理圖

第二、機(jī)械部分：電磁鐵開合部分，來控制開關(guān)接通和斷開，測(cè)試水壺，提供真實(shí)的AC220V電壓和1500W的功率加載在開關(guān)的觸點(diǎn)上。機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 電磁鐵機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

第三、底座部分：固定測(cè)試儀的電路板、電磁鐵、溫控開關(guān)和開關(guān)電源。

第四、軟件部分，采用C語音對(duì)底層的MCU進(jìn)行程序開發(fā)，程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

3 工作測(cè)試過程

電熱水壺的溫控部件測(cè)試儀能模擬電熱水壺開關(guān)工作的條件，可以接通AC220V電壓，并連接1500w的電熱絲進(jìn)行測(cè)試，不但能自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和累積開關(guān)接通次數(shù)，而且還能控制電熱水壺煮水的溫度，使它恒定在一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，而不會(huì)讓水煮開，使水蒸發(fā)。

該測(cè)試儀以STC12C5a60s2（MCU）為智能控制的核心，通過DS18B20溫度傳感器采集測(cè)試水壺的水溫，傳到MCU作為處理，并在LED或者數(shù)碼管中顯示出來。MCU從電熱水壺得到水溫?cái)?shù)據(jù)為控制判斷的依據(jù)，控制電磁鐵開合，來控制溫控開關(guān)接通和斷開，測(cè)試的水壺提供真實(shí)的AC220V電壓和1500W的功率，加載在開關(guān)的觸點(diǎn)上，同時(shí)該AC220V通過變壓器轉(zhuǎn)換為AC9V信號(hào)，經(jīng)過整流濾波之后變?yōu)镻WM模式DC11V控制信號(hào)，控制晶體管電路開合，并把溫控開關(guān)開合的數(shù)據(jù)送入MCU控制芯片，MCU根據(jù)開關(guān)接通數(shù)據(jù)累加開關(guān)接通的次數(shù)，并在LED或者數(shù)碼管中顯示。當(dāng)發(fā)生故障或者完成1萬次測(cè)試后，MCU能控制溫控開關(guān)處于斷開狀態(tài)，防止一直給水壺加熱，把水燒干，并發(fā)出相應(yīng)的聲光指示。

4 小結(jié)

溫控開關(guān)檢測(cè)一直困擾著溫控行業(yè)的發(fā)展，由人來進(jìn)行檢測(cè)，不但效率低，而且由于人的因素可能在工作時(shí)產(chǎn)生的誤差，會(huì)影響整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量。因此研究和開發(fā)半自動(dòng)化、全自動(dòng)化溫控開關(guān)檢測(cè)設(shè)備具有現(xiàn)實(shí)的意義，但溫控檢測(cè)設(shè)備作一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)較為困難。本文研究的第一版溫控測(cè)試儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定，并在廉江迪艾斯電器廠投入試用，反映效果良好，具有一定的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和現(xiàn)實(shí)意義。

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