环形多段触摸一体化显示控制器的研制

黄 智 朱 艺

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）

引言

储水式电热水器是一种将水加热至用户需求温度的固定式器具，它可以长时间存储热水，并装有控制或限制水温的装置。由于其安装方便、价格适中，所以大量的用于家庭生活和洗浴热水的供应上[1]。

而在电热水器使用过程中，对于电热水器水温的控制和调节是尤为重要的。所以，本文使用的技术主要是设计了一种既美观 又具有实用性的高端控制器。通过触摸显示一体化的设计实现对储水式电热水器系统的精确控制，来满足用户的各种使用需求。

国外早在二十世纪五十年代就已经研发出了首台储水式电热水器，对于电热水器的控制也从最初的机械式控温，发展到了通过机械按键控制的电脑型。而国外对于电容式触摸按键控制方式的可靠性存在疑问，所以近年来国外生产的电热水器，主要还是以机械方式控制和机械按键控制为主[2]。

在国内，储水式电热水器的发展较晚，首台储水式电热水器直到二十世纪八十年代末才由鼎新研发成功。而对于电热水器的控制方式，也经历了三个时期的发展：早期电热水器是用机械式旋钮调节对应的温度控制器来实现初步的控温，这种方式温度控制方式单一，只能实现循环加热。随后发展出了电脑型控温控制器，是通过机械式按键显示控制器来实现精准的控温，该方式在实现精准控温的同时，又通过控制器上的微处理芯片实现多种方式的加热，更加节能环保。但是由于是机械按键，长时间在浴室潮湿的环境下使用，会出现机械按键生锈卡死而无法使用的问题。之后，为了解决机械按键的问题，又研发出了电容触摸式按键控制器，该控制器对于潮湿环境的适应能力更强，使用寿命更长，但同时也存在结构安装复杂，容易误触发的问题。

针对目前电热水器控制器中基于触摸按键控制存在结构安装复杂，容易误触发等问题，本文提出了一种新型的环形多段触摸一体化显示控制器，用以解决以上存在的问题。

1 储水式电热水器触摸显示集成控制器系统

1.1 触摸按键控制方法发展

触摸按键技术是由美国人Sam Hurst在1971年发明的，而这项技术应用于电热水器控制器则是在进入二十一世纪之后。

触摸按键的原理主要是基于电容充放电的原理，当人体手指触摸对应的控制器面板时（内部为金属弹簧或导电泡棉），由于人体对大地相当于一个电容，那么控制器上对应触摸按键上相当于并联了一个电容，对应的电容量就发生了改变，控制器通过这个变化来判定是否有触摸按键按下。

近几年来，基于电容充放电检测的触摸按键控制器，由于其安装结构简易、人机交互性能好，目前已经在电热水器上得到了广泛的应用。同时，由于电热水器长期在高温高湿度的环境下使用，触摸按键控制在潮湿环境下的可靠性也是目前研究的重点[3]。

1.2 集成触摸显示控制方法发展

随着时代的发展，最近两年一种集成触摸显示技术也逐渐应用于电热水器控制器产品，该技术把显示屏和触摸按键集成到了一起，实现了类似于手机触摸屏的功能。而具体的实现方式主要有两种：一种是把触摸膜片贴装在电热水器控制器外壳上；另一种是把显示和触摸集成在一个显示屏上，然后再和控制器外壳组装起来。第一种方式对于贴装工艺要求相对严格，而第二种方式则要求显示屏和外壳紧密贴合，实现工艺上也比较复杂[4]。

2 触摸一体化显示控制器系统

基于电热水器的环形多段触摸一体化显示控制器原理框图如图1所示。

从图1可以看出，外部市电通过电源线L火线、N零线和E地线引入漏保插头。随后L火线和N零线再接入限温器中，然后接入触摸一体化显示控制系统中。该系统由电源控制器、温度传感器、触摸一体化显示控制器以及对应的发热管组成。用户通过触摸一体化显示控制器下发控制指令，电源控制器收到指令后，通过分析温度传感器发回的电热水器内胆水温，综合分析后，控制对应的发热管开启或者断开，从而实现对电热水器内胆水温的控制。同时，内胆水温及加热时间等信息也将会在触摸一体化显示控制器上进行显示。从而构建了一套可靠的应用于储水式电热水器的触摸一体化显示控制系统。

2.1 触摸一体化显示控制系统硬件设计

触摸一体化显示控制系统由电源控制器、触摸一体化显示控制器、温度传感器以及对应的发热管组成。其中电源控制器和触摸一体化显示控制器是核心元器件。

电源控制器主要是对储水式热水器内胆水温数据进行采集，同时给触摸一体化显示控制器提供低压直流电源。同时根据用户端从显示器发回的功能需求，来控制发热管的开启或断开。用以满足各类用户的洗浴需求。针对以上的功能需求，设计了如图2所示的电源控制器。

图1 原理框图

从图2可以看出，电源控制器主要由五个部分组成：①用于连接发热管的5个接线端子；②用来控制发热管开启和断开的继电器驱动电路；③把220 V交流高压转为5 V直流低压的转换电路；④用于连接探测热水器内胆水温的温度传感器接口；⑤用于给触摸一体化显示控制器供电和数据传输的显示器接口。通过以上五个部分则可以实现设计的要求。

而触摸一体化显示控制器主要是提供一个用户可以操作的功能界面。通过功能界面上面的各种按键，用户可以实现自己需要的功能。同时界面上可以实时显示电热水器内胆的水温，工作模式，以及预约洗浴时间等信息。针对以上的功能需求，设计了如图3所示的显示触摸一体化控制器。

从图3可以看出，显示触摸一体化控制器主要由四个部分构成为：①带有LED显示和触摸功能的显示屏，该显示屏为整个控制器的核心部分。从左至右分成三个部分：左边部分由LED图标显示部分以及对应的4个弹簧触摸功能按键组成，中间部分的圆圈内也是由LED图标显示部分以及12段带LED显示的触摸环组成（为保证触摸屏效果，已在触摸环的四周增加了4个对位螺钉，以此保证触摸环和显示外壳的贴合度），右边部分由LED图标显示部分以及对应的5个弹簧触摸功能按键组成；②PCB底板，用来把触摸显示一体屏焊接起来进行固定；③长条形侧发光灯条，焊接于PCB底板上增加控制器的显示效果；④电源控制器接口，用于接收电源控制器发回的数据以及提供供电电源。

图2 电源控制器设计框图

2.2 触摸一体化显示控制系统软件设计

在软件上，针对电源控制器，主要是通过一个主MCU进行数据的采集和处理。采集的主要是温度传感器探测到的内胆温度值，通过AD采样电路输入到主MCU中进行处理，根据用户从显示器回传的设置温度，来判断是否开启继电器进行加热。而主MCU与显示器的通讯方式采用传统的串口通讯进行。

而对于显示触摸一体化控制器，在软件上则需要处理各个模块上的触摸按键响应，以及根据用户设置的功能模式进行对应的显示。特别在进行触摸按键的处理时，由于使用的是多个触摸IC进行触摸按键采集，所以在软件上必须设置好各个触摸IC响应的时序，避免出现时序上的混乱而导致触摸失灵或误触发的情况发生。

经过上述的设计，集成了触摸弹簧控制和显示触摸一体化控制方式，融合了两种控制方式的优点，既解决了弹簧触摸按键需要高精度定位的问题，又减少了带有触摸功能的显示屏的面积，降低了加工难度，提高了产品的可靠性。

图3 触摸一体化显示控制器设计框图

综上所述，通过电源控制器和显示触摸一体化控制器的设计，就构建了一套完整的储水式电热水器的控制系统。用户可以通过操作显示器面板上的弹簧触摸按键或触摸环来实现特定的功能，同时热水器的加热状态，如：实时水温，设置水温，加热时间等都可以在面板上显示出来，完全可以满足用户使用热水的需求。

3 触摸一体化显示控制系统性能试验

当把触摸一体化显示控制系统应用于储水式电热水器控制系统中时，完全可以构建出新型的电热水器控制系统。使用构建的新系统，在EMC实验室进行了整机配套性能测试[5]。主要测试项目为：

1）EFT群脉冲抗干扰测试如图4。

结论：通过测试图4可以看出，该系统可以通过EFT 4 000 V 正负极性的测试。符合使用要求。

2）SUGER浪涌抗干扰测试如图5。

结论：通过测试图5可以看出，该系统可以通过SUGER L+N 2 000 V 正负极性的测试。符合使用要求。

3）CS传导抗干扰测试如图6。

结论：通过测试图6可以看出，该系统可以通过CS 10V 传导抗干扰的测试。符合使用要求。

4）CE电压骚扰测试（0～30 MHz）如图7。

结论：通过测试图7可以看出，该系统可以通过CE 电压骚扰的测试。符合使用要求。

5）PC 功率辐射测试（30～300 MHz）如图 8。

结论：通过测试图8可以看出，该系统可以通过PC 功率辐射测试。符合使用要求。

可以看出基于环形多段触摸一体化显示控制器构建的新系统，在符合EMC测试标准情况下，可以可靠的实现电热水器内胆水温的精确探测和控制。

4 结论

图4 EFT群脉冲抗干扰测试

图5 SUGER浪涌抗干扰测试

图6 CS传导抗干扰测试

图7 CE 电压骚扰测试（0～30 MHz）

实验表明，基于环形多段触摸显示技术的控制器，与之前技术相比，具有可靠性高、安装工艺简易、精度高等优点，非常适合应用于高精度的电热水器控制器上。将这些技术应用于现代的电热水器精准控温中，对提高内胆水温控制的精准性、触摸按键的操控性以及显示的多元化必将发挥重要的作用。

图8 PC 功率辐射测试（30～300 MHz）

而之前的触摸显示控制器，受到安装方式的限制，在电热水器上的应用受到了限制，可靠性也达不到EMC的要求。所以，新方法构建的系统具有很大的优势。