家用电器中基于PPTC智能微型保护器设计

沈浩强 袁娜 黄山学院

一、传统保险丝局限性分析

保险丝也被称为熔断器，它是一种保证电路安全正常运行的器件。当电器或电子设备出现过流时保险丝会断裂，起到断开电源保护电路的作用。当电器或电子设备出现过流时保险丝会断裂，起到断开电源保护电路的作用。但保险丝并不能起到预防危险，和多次使用的局限性，当电流过大时保险丝会断开，但当恢复正常时，保险丝并不能恢复正常，如果要更换时很难买到相应型号，且对于现在智能电器，拆卸起来比较麻烦，对于大多数人来说一旦出现此类问题，只能重新购买此电器。加大了资源的浪费。随着电器越来越智能，所用的电子元器件越来越多，但电器一般放在厨房这种潮湿和温度较高的环境当中，这样电器中的电路板极其容易因为过度潮湿或温度过高而发生短路或者元器件的损毁，这样电器中的电路板极其容易因为过度潮湿或温度过高而发生短路或者元器件的损毁。根据上述分析，保险丝已经不能满足现阶段的需求，必须采取新的材料，新的技术，才能使产品更加智能更加安全。

二、PPTC工作原理

图1为 PPTC结构及工作原理图，图2 PPTC实物图。PPTC材料具有可恢复性，遇到异常情况PPTC升温变为高阻状态，从而阻断电流，温度恢复到正常温度时又变为低阻状态形成通路。PPTC阻值小、外形小的特点有助于更好的与其他的电子器件相结合。PPTC价格便宜，工作性能稳定且不容易损坏，其可恢复功能，有利于整体方案的设计，更好的减少维护和修理的成本。

图1 PPTC结构及工作原理

图2 为 PPTC实物图

三、系统的硬件设计方案

本装置系统以STC12C5410单片机为主控芯片，DHT11温湿度传感器作为温度和湿度的信号收集模块，PPTC作为保护模块控制电路的通断，图3为硬件组成。

图3 硬件组成

（一）报警装置设计

本方案报警装置采用成本低、好开发、体积小的耐高温蜂鸣器。耐高温蜂鸣器不仅价格低，而且工作温度宽，非常适合在温度高湿度大的恶劣环境中工作。图4为耐高温蜂鸣器实物图。图5为蜂鸣器工作的电路图。

图4 蜂鸣器实物图

图5 工作电路图

（二）温湿度传感器选用

如表1所示，DHT11传感器它对温度和湿度的测量精度较为准确价格相对便宜，DHT11的原理图介绍如图6所示。

图6 DHT11原理图

四、系统的电路设计方案

（一）滤波调理电路

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高功率电器的电源端电压一般为 220V，有的甚至更高可以达到380V，电流可达十几甚至几百安培，这么高的电流和电压是不宜用于检测的更不可以不加处理就进行AD转换，在此方案中电压互感器和电流互感器恰到好处的配合使用将较高电压，将电流电源进行转换。使其可以正常工作不会损坏器件，接着我们再将电流进行电流-电压转换，将电流量转换成容易检测的电压量。然后用整流器件将交流的电压转换成直流的电压值。

将输入信号在送入 AD 转换器之前进行隔断。用光电耦合器对数字信号的传输进行隔断。然而不加处理就用来传送模拟量时精度不是那么的准确，因此设计了如下电路，来提高整体电路抗扰动能力。电路图如图7所示。

图7 线性光电隔离电路

（二）AD转换电路

STC12C5410 单片机用于保护装置的数据采集任务。P1 口中可以通过程序将任意一路作为 A/D 转换，不用于 A/D 使用的口可以作为 I/O 口。将进行A/D 转换口设为开漏模式或高阻输入，因此需对 PIM0、PIM1寄存器进行配置。配置表见表2。

表2 A/D 端口设置

五、系统中关键算法的设计

DHT11温湿识别算法设计：DHT11单片机之间的通信主要由起始信号、响应信号、数据传输信号和结束信号构成的。数据是高位先出。DHT11被启动后，就改变工作状态，然后开始信号结束后才进行响应，向单片机口传输数据信息，单片机可以通过C语言编程来达到想的数据处理效果，DHT11完成数据发出后，会以输出低电平作为结束。DHT11的工作原理图如图8所示。

图8 DHT11的工作原理图

当DHT11采集外界温湿度信息，我们要知道传输信号引脚状态的变化，本方案的思路是检测有无下降沿，然后进入不停的检测，直到有上升沿的出现，然后将相应数据存入数组，因为数据的大小不相同，所以门限的设置与温湿度数值的转换与计算以此为依据。

六、结论

本装置结合单片机与传感器，通过传感器收集外部环境信息，然后传给主IC，当温度和湿度数据超过程序设定值，则会发出异常警报，从而可以减少不必要的故障；PPTC在正常温度下为低阻状态，再加上温度传感器、湿度传感器和单片机的作用，实现多功能保护，保护电器不受到损坏。产品的设计在未来会使家用电器更加的安全，本设计具有功能性强特点，例如（1）温度、湿度异常预警功能：本装置结合单片机与传感器，通过传感器收集外部环境信息，然后传给主IC，当温度和湿度数据超过程序设定值，则会发出异常警报，从而可以减少不必要的故障，减少电器损坏给用户带来不必要的麻烦和维修费用。（2）多种保护功能：自身在温度较高状态下为高阻状态，在正常温度下为低阻状态，再加上温度传感器、湿度传感器和单片机的作用，通过调控通过PPTC的电流使PPTC成高阻状态或低阻状态，当温度过高、湿度过大或者电流过大时，可以及时阻断电流，从而实现多功能保护功能，保护电器不受到损坏。（3）可恢复性功能：本装置首先采用的是PPTC可复性材料，当通过电流过大时，PPTC会升温进入高阻状态，从而达到断开电源作用，当故障排除电流正常时，则温度下降可恢复到原来的状态，从而达到控制电源通断的目的，具有可恢复性，可以重复长期使用。