電熨斗是利用電流熱效應(yīng)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(shí)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(dāng)人忘記斷開電源開關(guān)時(shí)十分危險(xiǎn)；后者當(dāng)調(diào)溫器失效或人不在使用時(shí)仍然保持較大功率輸出，也存在火災(zāi)危險(xiǎn)。
為了提高家用電熨斗的安全性，同時(shí)降低其能耗，本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于觸摸式開關(guān)、單片機(jī)和可控硅的電熨斗安全控制裝置，利用觸摸開關(guān)檢測電熨斗的使用狀態(tài)，通過單片機(jī)控制可控硅導(dǎo)通角來控制電熨斗的輸出功率，從而達(dá)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(yīng)不同織物的熨燙溫度需求，在普通型電熨斗的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)均為雙金屬片結(jié)構(gòu)。其調(diào)溫原理是當(dāng)?shù)装鍦囟壬仙琳{(diào)溫旋鈕設(shè)定的溫度時(shí)，雙金屬片由直變彎，與靜觸點(diǎn)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(dāng)溫度下降到一定程度，雙金屬片與靜觸點(diǎn)重新接觸；如此不斷反復(fù)，將溫度控制在設(shè)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(gè)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(shí)間受壓失去彈性或長時(shí)間大功率輸出導(dǎo)致觸點(diǎn)熔合而失效；在使用者方面，由于操作不當(dāng)而導(dǎo)致火災(zāi)，例如：電熨斗放置錯(cuò)誤，長時(shí)間平放或豎放；忘記切斷電源。
目前，針對(duì)上述安全問題，主要采用以下兩種方法進(jìn)行改進(jìn)：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(shù)復(fù)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(shí)間后再關(guān)機(jī)，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(shí)器控制電源的關(guān)斷來保證安全，具有成本低、使用較安全的優(yōu)點(diǎn)，從而被廣泛應(yīng)用。
但是，第二種改進(jìn)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(guān)、金屬球滾動(dòng)接觸開關(guān)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(dòng)作；
（2）采用定時(shí)器控制電源關(guān)斷時(shí)，一般只有三種功率輸出方式：正常使用時(shí)，滿功率輸出；暫停使用一段時(shí)間內(nèi)（如設(shè)為ts），半功率輸出；ts時(shí)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(zāi)危險(xiǎn)，而且能耗浪費(fèi)嚴(yán)重。
二、基于單片機(jī)的電熨斗安全控制器設(shè)計(jì)
2.1電熨斗基本設(shè)計(jì)思路
針對(duì)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(shè)計(jì)思路如圖1所示。
通過安裝在電熨斗把手處的觸摸式開關(guān)檢測人手的狀態(tài)，即當(dāng)人手握住把手時(shí)觸摸式開關(guān)輸出信號(hào)，認(rèn)為處于使用狀態(tài)；當(dāng)人手離開把手時(shí)觸摸式開關(guān)沒有信號(hào)輸出，認(rèn)為處于暫停狀態(tài)。
由于采用單片機(jī)控制，電熨斗在暫停使用時(shí)可實(shí)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(shí)間內(nèi)，單片機(jī)通過控制可控硅的導(dǎo)通角，使輸出功率平滑衰減下降；若在ts時(shí)間內(nèi)，檢測到恢復(fù)使用，則立刻恢復(fù)至滿功率輸出；若在ts時(shí)間內(nèi)，檢測不到恢復(fù)使用的信號(hào)，單片機(jī)將控制可控硅導(dǎo)通角保持為零，可控硅截止，即相當(dāng)于電源關(guān)斷（此為電子關(guān)斷），并使蜂鳴器發(fā)聲提醒用戶拔掉電源（此為物理關(guān)斷），直到重新開機(jī)才能恢復(fù)使用。
與“半功率輸出”相比，“功率衰減輸出”型控制器的特點(diǎn)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(shí)間內(nèi)，功率保持平滑衰減，直至為零，但當(dāng)恢復(fù)使用時(shí)又能方便快速地升溫至設(shè)定溫度，兼顧了安全與效益；（2）在“暫停使用”至“恢復(fù)使用”時(shí)間段內(nèi)，該控制器更節(jié)能，圖2中扇形區(qū)域即為該時(shí)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(shè)計(jì)的觸摸式開關(guān)，其輸入觸點(diǎn)被引至電熨斗把手外側(cè)，當(dāng)人接觸到觸摸式開關(guān)觸點(diǎn)時(shí)，觸點(diǎn)通過人體接收空氣中的雜波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)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(hào)輸入給單片機(jī)。與水銀開關(guān)、金屬球滾動(dòng)接觸開關(guān)相比，此觸摸開關(guān)具有性能可靠，環(huán)保安全，成本低廉的特點(diǎn)。
2.3交流電過零檢測
暫停使用狀態(tài)下，單片機(jī)要控制可控硅的導(dǎo)通角，必須*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(dòng)直流波形，當(dāng)波形從點(diǎn)向零點(diǎn)交越時(shí)，光耦將關(guān)閉，三極管Q1不能導(dǎo)通，輸送給單片機(jī)RA2端口的電位為零，由此單片機(jī)完成一次過零檢測，為單片機(jī)下一步控制可控硅砍波提供起點(diǎn)。
2.4單片機(jī)控制可控硅導(dǎo)通角
圖4中，雙向可控硅作為可控開關(guān)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(jī)控制可控硅G極提供上拉電流。當(dāng)單片機(jī)觸發(fā)G極一次，可控硅將導(dǎo)通，并維持導(dǎo)通直至加在兩電壓變?yōu)榱?。工頻交流電半個(gè)周期為10ms，若單片機(jī)在交流電零點(diǎn)位置開始計(jì)時(shí)，5ms后單片機(jī)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(fù)半周期到達(dá)零點(diǎn)前保持導(dǎo)通，此時(shí)，可控硅通控制電熨斗半功率輸出。電熨斗功率衰減輸出實(shí)質(zhì)是將暫停時(shí)間ts均分為若干段（如50段），每段時(shí)間內(nèi)通過控制可控硅導(dǎo)通角來改變電熱元件平均電壓，隨著暫停時(shí)間的延長，導(dǎo)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(shí)間到仍未恢復(fù)使用則發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)。
2.5單片機(jī)控制程序流程
單片機(jī)初始化后，不斷檢測電熨斗的使用狀態(tài)，根據(jù)觸摸開關(guān)反饋的信號(hào)，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(fù)使用則立刻全功率輸出；否則，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將輸出功率逐步衰減，ts時(shí)間到后，可控硅截止，實(shí)現(xiàn)電子關(guān)斷，為提高安全性，并通過蜂鳴器提醒用戶拔掉電源，實(shí)現(xiàn)物理關(guān)斷。
總結(jié)
安全控制器以單片機(jī)為控制核心，采用觸摸開關(guān)檢測電熨斗使用狀態(tài)，通過單片機(jī)控制導(dǎo)通角以實(shí)現(xiàn)暫停使用階段電熨斗輸出功率的逐步衰減。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，市場推廣前景良好。
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