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  • 智能恒温暖奶器「第二届立创商城电子制作节30强作品」
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本作品为第二届立创商城电子制作节30强入围作品,作者立创社区ID:云智优创;转载请注明出处,未经允许不得用作商业用途。作品原链接:http://club.szlcsc.com/article/details_7169_1.html

一. 作品简介

智能恒温暖奶器由调节模块控制显示模块以及加热板组成;

整机图:

功能参数:

额定电压:交流220V

额定功率:150W

额定频率:50Hz 

温度误差:±1℃

模式:

暖奶器具有三个模式:恒温模式、智能加热模式和消毒模式;

1、恒温模式:将水恒温到某个设定值,默认为50度;在恒温模式,数码管会显示当前温度。当处于加热状态时,数码管上方的圆点会闪烁。

2、智能加热模式:智能加热模式用于加热从冰箱中拿出来的奶。系统会自动将水温加热到65度,然后再降到45度,最后恒温10分钟退出加热模式,进入恒温模式。

3、消毒模式:持续加热,加热到90度以上15分钟或94度以上5分钟,然后自动回到恒温模式。

操作:

1、设置恒温温度:

按动一次开关(数码管显示“—”),旋转旋钮进行调节,设置好温度后再按一次旋钮,设置生效,返回主界面。如果15秒钟无操作将返回主界面,设置值不生效。如下图所示:

 

 

2、进入智能加热模式:

连续按2次旋钮,进入智能加热模式,数码管显示“=”。如果在加热过程中再按一次旋钮,会停止智能加热模式,回到恒温模式。

3、消毒模式:

长按旋钮(2.5秒左右),进入消毒模式。如果在加热过程中按一次开关,会退出当前模式,进入恒温模式。在此模式必须将上盖盖上,注意高温烫伤。

效果1: 温度实时更新快

 

效果2: 光、暗环境下,视角不同时,数码管都能清晰显示

 

设计背景:

 

在给宝宝喂奶的过程中,会遇到这么几个问题:

1.宝宝喂奶不安分,天冷奶会冷的快,怎么办?

2.宝妈上班未回家,宝宝已经饿了,吸出的冷藏的母乳还要加热除菌,宝宝已经饿哭了,怎么办? 

3.宝宝少吃多餐营养要跟得上,可是每次加热奶粉或辅食再等降到合适的温度好麻烦、好费时,怎么办?

要是这个时候有什么东西可以帮助我们省却这些麻烦或是消除这些困难,是不是会偷笑呢,于是,市场上出现了暖奶器;

而市场的暖奶器,一般有着不少的缺点,没有温度显示或显示不够实时,操作复杂,加热效率慢等等问题,于是,我们想到了升级暖奶器----智能恒温暖奶器。

我们设计的这款产品是在传统产品的基础上,加上创新,加上科技,让它变得智能化。智能加热、智能消毒,加热速度快,不怕烧干,无需守候;双位设计,可同时加热两瓶奶;操作方便,实时查看工作状态。

温奶器主要功能:通过温水传递温度,使奶瓶中的水达到恒温。恒温温度可通过旋钮进行任意设置。同时具有智能加热和智能消毒模式。

智能温奶器主要由3位数码管显示,继电器控制,温度传感器,单片机和旋钮编码开关组成。

二.  系统框架图

三、 硬件部分描述

原理: 单片机控制继电器对加热板进行开关控制,进而进行加热控制;加热过程中实时监控温度变化,随时进行加热或断开控制(注意控制过程属于滞后控制,在软件算法上应该注意)。

调节模块:

控制显示模块:

控制显示部分是拼版打样的。

 (更多高清图片详见原帖)

四、材料清单

STM8S103K3T6C:http://www.szlcsc.com/product/details_8801.html

旋转编码开关:http://www.szlcsc.com/product/details_140217.html

SM7035P,继电器---乐松SRD-05VDC-SL-C,MB6S,5631BH共阴0.56寸三位数码管等。

五. 软件部分描述

软件流程图如下图所示:

六、作品演示

演示视频1:

演示视频2:

演示视频3:    

七. 总结 

在此次的设计中,遇到了好些问题,在此做一下总结,以及贴出一些测试过程中数据:

    1. 由于ADC精度问题,最终在计算阻值中加了25欧的补偿;

    2. CPU 板上有个C4,使用的是10uF/10V,但发现会发出震荡噪声,最后去除;

    3. 在实际测试中,发现在加热时,恒温值为30,当在32度停下来后,温度依然会升到35度,所以程序判温度上限时,直接判设定值就可以了。如果恒温值是30度,那么上线判大于30,下限判小于29;

    4. 发现温度计变化会更快,加热时温度计的数值会高2度;

    5. 烧干断电功能:硬件上加热板集成块中有热保险丝,过热熔断;软件上判据:继电器开启1分钟内,温度没有变化;

    6. 智能加热模式测试-------加热过程中,瓶内的温度和瓶外的温度温升不能同步,恒温需要一定的时间来稳定。

八、对于大家关心的问题再详细说明下

1.防干烧功能

暖奶器的防干烧有两种机制:

第一种是常用的热保险管。将保险管固定于ptc上面的金属片上,一旦超温,保险丝就会断路,不过这种保护措施最大的缺点是无法自恢复,保护后必须更换。

点击查看大图


第二种是根据温度变化规律,通过程序来判断干烧,从而及时断开电源。

判断的基本逻辑是:当水快烧干时,只有ptc加热槽中还有一些水,传感器外已经没有水了,完全暴露于空气中,这时传感器所测温度为空气的温度,或者略高于空气温度,但这个温度基本是恒定的。而当暖奶器正常运行时,即使全是冷水,30秒钟内温度都会有所上升。所以根据这两个温度变化特性,我们总结出的判据是:如果水温没有达到设定值,如果此时处于加热状态,如果加热50秒后温度没有增加2℃及以上时,断开继电器,切断加热电源。

2、电气隔离问题

关于电气隔离的问题,唯一有可能漏电的是温度探头。

温度传感器主要由不锈钢外壳和内部热敏电阻组成。温度探头是全不锈钢,一体成型的。在安装时,探头下面有耐高温的硅胶圈,背面通过螺丝压紧,同时用硅胶密封,达到防漏水的作用。温度探头里面,传感器和外壳间是通过导热硅胶隔离的,1mm硅胶的交流绝缘能够达到6千-1万伏。同时,传感器外壳是接大地的,即使真出现漏电也可以保护。不仅如此,控制电路的220V供电线路上加有10R-1/4w保护电阻,电流一旦超过5mA就会烧断,所以当电路上出现短路,击穿,漏电等故障时,电阻马上会被烧断。通过这层层保护,保证用电安全。

3.恒温控制

恒温控制一般都会使用pid算法,温度控制属于滞后控制,如果精度和稳定性要求比较高,就需要使用PID算法进行控制,否则就会出现调节不及时或过调等现象。温度波动大。

PID公式:u(t) = kp * e(t) + ki * [e(1) + e(2) + ....+ e(t)] + kd * [e(t) - e(t-1)]

e(t):为第t时刻的温度偏差值;

Kp主要决定控制输出的比例;

ki属于积分项,主要用于在稳定状态下的调整;积分项对误差的作用取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。

Kd为微分项,具有超前调节的作用,在滞后控制系统中起着关键作用。在温度即将发生变化时提前进行调整。

kp,ki,kd是三个整定值,需要通过实验确定。

但是暖奶器因为使用的是继电器来控制加热输出,所以没办法线性调节,也不能让继电器平凡动作。所以我们采用PID的理念,同时融入间隔加热的算法。

暖奶器的热传递是通过ptc发热,到暖奶器中的水,再到温度传感器,每一个热传递都需要几秒甚至10-20秒的时间,所以这个过程很漫长。不仅如此,在温度传递到传感器以后,处理器发出停止加热的指令后,由于ptc周围的金属件具有储能的作用,在停止加热后,温度依然会继续增加。通过不断实验,最终我们增加了间隔加热的控制方法,在温度达到设定温度正负1度的范围内,每加热20秒,就停止加热20秒,20秒的时间也是通过实验得到的,最终能把水温控制到±1℃的范围内,效果还是很满意的。

间隔加热表面上听起来很简单,但实际实现过程却没有这么容易,既要考虑到从冷水快速加热到热水的实际要尽量短,当达到设定温度后要非常的温度。对采样值的滤波,对温度传递滞后性的算法,对继电器操作次数的控制等等。

下面补充一个视频,时长有10分钟,感兴趣的朋友可以看看。这是一个恒温到加热到恒温的过程,恒温温度设定为46℃,。视频一开始测试人员按了下旋钮,LED显示“46-”,这是显示的恒温设定温度。然后返回到恒温模式,此时暖奶器已经恒温到46度了,然后温度下降到45度,然后继电器动作开始加热,然后再次达到46度恒温,温度误差只有1度。

 

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  • 时间:2017-10-10 10:37
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