智能烧水壶(Bluetooth LE版)——硬件设计篇

Posted 2021-08-16 三明治开发社区

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了智能烧水壶(Bluetooth LE版)——硬件设计篇相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、概述

前面已经设计了一款Wi-Fi控制的智能烧水壶，为了满足不同使用群体的需求，又设计了一款蓝牙控制的智能烧水壶，硬件电路上兼容，只需要把Wi-Fi模块换成Bluetooth LE模块即可。

1、功能

（1）APP控制，触摸按键控制。

（2）恒温控制，保温模式可选，预约定时控制，煮水模式可选。

（3）干烧断电，故障告警。

2、硬件框图

二、硬件方案介绍

选取涂鸦智能的一款低功耗嵌入式BLE模组作为主控来实现智能化的水壶，电路分为主控和电源部分等：

1、电源设计

（1）原理图（点击下载）

2、主控设计

（1）原理图（点击下载）

（2）PCB（点击下载）

3、功能模块

（1）电源设计电路

　电源系统带有各种保护，包括过温保护（OTP）、VCC 欠压锁定保护（UVLO）、过载保护（OLP）、短路保护（SCP）和开环保护。该电路是220V转5V降压电路，输入级由保险电阻F2、防雷压敏电阻RV1、整流桥堆D3、EMI滤波电容C5和C6以及滤波电感L1组成。保险电阻F2为阻燃可熔的绕线电阻，它同时具备多个功能：

a.将桥堆D3的浪涌电流限制在安全的范围;

b.差模噪声的衰减；

c.在其它任何元件出现短路故障时，充当输入保险丝的功能（元件故障时必须安全开路，不应产生任何冒烟、冒火及过热发光现象）。压敏电阻RT1用于防雷保护，提高系统可靠性。功率处理级由宽电压高效率电源芯片MP174A 、续流二极管D5、输出电感L2及输出电容C4构成。

电路特点：无噪音，发热低。

（2）NTC温度传感器

精准控温使用的是日本芝浦/华工高理温度传感器，感温精确达到±1%。( B=3950, R=10K)

（温度传感器实物图）

（温度检测电路）

温度探头是 100k负温度系数，100度时6.6k左右，而0度时有300k左右，常温下100K左右。

温度检测电路中R5和R7是在电源板上，其余部分是在主控板上。温度采集使用的是NTC热敏电阻，热敏电阻在不同温度下有不同的阻值，根据此特性，模组通过 ADC口采集此时的电压，从而换算出此时的温度值。

温度检测电路中：R8为20k的定值电阻，R7为热敏电阻（常温为100k阻值），ADC是电压采样点，采集电压后，根据欧姆定律即可算出热敏电阻的阻值。

（3） STRIX温控器

在鸣笛式电水壶设计原理基础上，增设了限温自动控制器（主要是双金属恒温控制器或者磁控恒温自动开关），当水沸腾时，产生的水蒸气使感温元件的双金属片变形，驱动微型开关切断电源，极大地提高了电热水壶的安全性能。一些高品质的电热水壶中的限温控制器采用一种类似记忆合金的新型热敏材料（自动恒温控制开关），当壶内水面低于电热管（电热管温度超过100℃以上）时，自动恒温控制开关便会自动切断电源，保护电热水壶不被烧毁。

下图是英国STRIX温控器，温控器是一个水壶的心脏。

（温控器正面图）

（温控器背面图）

（4）蜂鸣器

无源蜂鸣器（外部驱动，也叫他激式蜂鸣器）

无源他激型蜂鸣器的工作发声原理是：方波信号输入，谐振装置转换为声音信号输出。

（蜂鸣器控制电路）

电阻R3在主控板上，其余部分在电源板上。R3的作用主要是限流，同时也起到了一定的抗干扰能力。而无源蜂鸣器外部是不带振荡源的，必需给频率500Hz～4.5KHz 之间的脉冲信号来驱动它才会响。

蜂鸣器电流较大，因而需要用三极管来驱动，加了一个 510 欧的电阻（R3）作为限流电阻。此外还加了一个 D4 二极管，这个二极管叫做续流二极管。蜂鸣器是感性器件，当三极管导通给蜂鸣器供电时，就会有导通电流流过蜂鸣器。

而我们知道，当电感在断开电源的瞬间（直流中），其电流也要逐步减小，以使得其磁场的能量逐步减小，不致发生突变。这种电流的逐步减小，靠设计时提供的电感的放电（续流）电路；如果没有提供，就会在断开的地方发生电弧，有害的电弧。此设计中D4二极管就是提供续流回路，防止突然断电时产生的高压反向电动势击穿其他元件以及使用寿命缩短。

（5）预留的管脚