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[摘 要]据统计，电热水壶不能正常使用的主要原因是温控开关失效。而电热水壶温控开关的寿命主要取决于其关键部件——弹簧的寿命。迪艾斯电器厂提供数据显示，温控开关失效，80%以上都是弹簧形变弹力不足，无法弹开温控开关上盖，切断电源。文章主要讨论温控开关的结构，弹簧在温控开关中所起的作用，并设计温控开关核心部件——弹簧的寿命检验仪，模拟测试电热水壶正常使用的次数。该测试设备能够省略人员参与环节，仅需要安装测试样品开关即可，在测试结束或是出现故障的情况下可以发出声光指示，实现运行工作的全自动化，显著降低测试人员的工作量，提升工作效率。
[关键词]温控开关；弹簧；寿命检测仪；自动化
[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.09.175
1 引 言
伴随社会经济的发展以及人们日常生活水平的提高，各种精美且实用的小家电开始备受欢迎，这使得小家电产业，尤其是电热水壶产业迎来了良好发展机遇。当前，我国电热水壶使用量已经超过1亿，是全球规模最大的电热水壶生产地以及销售地，而且仍然具备较大的发展空间。以广东省为例，其电热水壶年产量达到了4000万个。然而通过最新抽查结果可知，在市场上销售的电热水壶达标率仅为70%。同时消费者在使用的时候，也经常面临寿命周期短的问题，往往在用过一段时间之后，尽管外观无损，但是却无法正常使用，其原因大部分是温控开关出现故障。温控开关是电热水壶最关键的部件，其使用寿命能够对电热水壶使用寿命带来重大影响。在无法正常使用的电热水壶当中，有超过90%是由其温控开关失效造成。而据迪艾斯电器厂统计，温控开关失效，80%以上都是弹簧弹力不够，无法通过弹开温控开关上盖来关掉电源。比如容量为1.5L的电热水壶，目前市场销售价格是40～100元，至于温控开关销售价格则不超过8元，更换弹簧仅仅0.1～0.2元。若是受到弹簧失效的影响导致电热水壶无法使用，则显然是浪费资源。目前已经有一些研究人员注意到这个问题，纷纷提出很多相关的研究方案，甘艳芬[1]研究和设计了温控开关寿命测试仪，为整体开关寿命提供了一种解决方案，并获得了实用新型专利。赵明明[2]针对差动螺管式电感传感器的一致性不好，缺少精确的检测弹簧性能的手段，提出要研发具有高精密弹簧性能的测试仪，从而可以准确测量差动螺管式电感传感器里面的弹簧倔强系数，然后评价弹簧性能。但前两种分析并没有针对电热水壶的弹簧寿命展开研究和设计，不能很好地运用于弹簧的寿命数据统计和分析。因此，本文研究设计电热水壶温控开关核心部件——弹簧寿命检验仪，科学地测试弹簧寿命，找出其失效的原因，为改进弹簧性能，延长其寿命提供数据的支持。
2 温控开关结构分解和工作过程
在此应用的是迪艾斯电器厂生产的温控开关DIC-100作出说明，其中包括了塑料上下盖、双金属碟片、正负连接端子以及弹簧等。实物分解具体如图1所示。
电热水壶当中的温控开关传感部件为碟形双金属片，具体工作原理是：在温度升高的情况下，因双金属碟形片的兩面存在热膨胀系数差异，进而产生不同的变形力。如果温度升高至碟形片变形临界值，则碟形片会突跳，在杠杆原理作用下，通过弹簧弹力可以将上塑料盖头部（图2的1处）推起，并往上运动，同时弹簧受力变形，产生弹力使上盖尾部往下运动（图2的2处），将正端子下压，然后断开正负连接端子原本连接着的触点，切断电路与电流，同时这种断电无法自复位，所以断电之后的电热水壶不会出现自动再加热的情况。[3]电热水壶的温控开关动作温度范围：65℃～85℃。
3 弹簧的寿命检验仪设计方案
该测试设备分为三部分：电路部分、机电实施部分和底座安装部分。可再细分为：电热水壶、温控开关、弹簧、单片机控制器系统、PC上位机、开关电源、机电实施机构、温控开关固定加热及底板等部分组成。该方案能够进行电热水壶温控开关核心部件——弹簧的寿命检测，并记录和统计相关实验数据。其结构如图7所示。
3.1 电路部分
该部分的智能控制核心主要是单片机STC12C5A60S2（MCU）[4]，借助温度传感器DS18B20实现对测试电热水壶水温的收集，并输送至MCU实施计算处理，然后显示到3.2寸液晶屏上面。在出现故障或是测试次数达到1万次之后，MCU可以控制温控开关断开，并发出相应的声光指示，同时在PC上记录相关的数据。
3.2 机电实施机构
主要采用电磁铁吸合去挤压温控开关上盖，来控制温控开关接通，断开则由底部加热系统加热温控开关，当其双金属碟片受热达到变形温度时，双金属碟片发生突变，挤压弹簧产生弹力断开电源通路。该部分模拟真实水壶烧水实验，电压为AC220V，加载功率为1800W。
3.3 底板部分
主要是固定控制器、开关电源、温控开关加热底板和机电实施机构。工作流程如下：
首先将控制系统、开关电源、温控开关加热底板和机电实施机构固定在底座部分，并把温控开关固定在加热装置，同时连接相应的连线。然后按下检验指令，开始对温控开关核心部件——弹簧的寿命进行检验。MCU控制系统通过温度传感器DS18B20实时监测水壶中水温，当水温低于90℃，控制机电实施机构挤压温控开关前部，使其闭合，接通电热水壶的电源回路，模拟真实的加热烧水过程。在这个过程当中，电热水壶所接入的AC220V会经由交流变压器转变成AC9V信号，在进行了整流滤波后，变成DC11V，并分压读回给MCU控制系统，并记录为一次有效过程。同时温控开关底座加热，一般底座加热到90℃左右，达到或者超过温控开关的双金属碟片的突变温度，双金属碟片变形，通过挤压开关上盖，使弹簧受力，使上盖受力恢复到关断状态，完成了一次开关闭合和关断状态，并为下一次过程做准备。该检验过程接入了电热水壶1800W的电热丝，模拟了一次真实使用过程。同时MCU系统把检验数据在3.2吋显示屏显示，并通过串口把数据传给上位机PC，PC记录数据并分析结果。当温控传感器检测电热水壶的水温超过95°，将停止加热和计数，直到水温降到80°以下，重启检验。当发生故障，如无法检测有效温控开关闭合状态，或者断开状态以及测试超过10000次，则停止检验，并发出相应的声光信号，并自动在上位机PC[6]完成记录。
4 结 论
在本次设计实验中，通过该弹簧寿命检验仪可以对电热水壶温控开关实际工作过程和工作条件进行模拟。只要连接好相应的部件与连线，则可以自动模拟电热水壶工作状态，其不仅可以自动统计与累积开关接通次数，即弹簧使用寿命，同时还可以对壶内水温进行控制，使其保持在既定温度区间当中，避免因水开挥发而导致干烧。该检验仪已运用在迪艾斯电器厂进行测试，实验表明，该检验仪的使用，能够实际模拟弹簧的实际使用寿命，为改进弹簧弹性，延长其寿命提供科学的数据支持。因此，该检验仪的设计具有重要的研究价值和良好的社会经济效益。
参考文献：
[1]甘艳芬，钟君柳.温控开关寿命测试仪[P].中国专利：ZL2013 20048502.2，2013-06-26.
[2]赵明明.高精密弹簧性能测试仪[D].郑州：华北水利水电大学，2013：1-49.
[3]百度百科.电热水壶[EB/OL].http：//baike.baidu.com/link？url=PZC766jN8-YnBi4E-ahcH23Wwd5wmg，Dj_Dr7UgjCEz_zC7UoMbxqZoSat3Mjo214nlqR5zqKghrN8Apl-SPSK.
[4]罗浩，刘尚武，王书易，等.基于 STC12 C5 A60 S2多路温度监控系统设计[J].信阳师范学院学报：自然科学版，2014，27（1）：106-110.
[5]温锦辉.基于STC12单片机控制LED点阵书写显示屏[J].电子测试，2015（9）：40-42.
[6]张明超，高军伟，官晟，等.基于单片机和上位机的温湿光照在线监测系统[J].工业仪表与自动化装置，2011（5）：33-35.
[关键词]温控开关；弹簧；寿命检测仪；自动化
[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.09.175
1 引 言
伴随社会经济的发展以及人们日常生活水平的提高，各种精美且实用的小家电开始备受欢迎，这使得小家电产业，尤其是电热水壶产业迎来了良好发展机遇。当前，我国电热水壶使用量已经超过1亿，是全球规模最大的电热水壶生产地以及销售地，而且仍然具备较大的发展空间。以广东省为例，其电热水壶年产量达到了4000万个。然而通过最新抽查结果可知，在市场上销售的电热水壶达标率仅为70%。同时消费者在使用的时候，也经常面临寿命周期短的问题，往往在用过一段时间之后，尽管外观无损，但是却无法正常使用，其原因大部分是温控开关出现故障。温控开关是电热水壶最关键的部件，其使用寿命能够对电热水壶使用寿命带来重大影响。在无法正常使用的电热水壶当中，有超过90%是由其温控开关失效造成。而据迪艾斯电器厂统计，温控开关失效，80%以上都是弹簧弹力不够，无法通过弹开温控开关上盖来关掉电源。比如容量为1.5L的电热水壶，目前市场销售价格是40～100元，至于温控开关销售价格则不超过8元，更换弹簧仅仅0.1～0.2元。若是受到弹簧失效的影响导致电热水壶无法使用，则显然是浪费资源。目前已经有一些研究人员注意到这个问题，纷纷提出很多相关的研究方案，甘艳芬[1]研究和设计了温控开关寿命测试仪，为整体开关寿命提供了一种解决方案，并获得了实用新型专利。赵明明[2]针对差动螺管式电感传感器的一致性不好，缺少精确的检测弹簧性能的手段，提出要研发具有高精密弹簧性能的测试仪，从而可以准确测量差动螺管式电感传感器里面的弹簧倔强系数，然后评价弹簧性能。但前两种分析并没有针对电热水壶的弹簧寿命展开研究和设计，不能很好地运用于弹簧的寿命数据统计和分析。因此，本文研究设计电热水壶温控开关核心部件——弹簧寿命检验仪，科学地测试弹簧寿命，找出其失效的原因，为改进弹簧性能，延长其寿命提供数据的支持。
2 温控开关结构分解和工作过程
在此应用的是迪艾斯电器厂生产的温控开关DIC-100作出说明，其中包括了塑料上下盖、双金属碟片、正负连接端子以及弹簧等。实物分解具体如图1所示。
电热水壶当中的温控开关传感部件为碟形双金属片，具体工作原理是：在温度升高的情况下，因双金属碟形片的兩面存在热膨胀系数差异，进而产生不同的变形力。如果温度升高至碟形片变形临界值，则碟形片会突跳，在杠杆原理作用下，通过弹簧弹力可以将上塑料盖头部（图2的1处）推起，并往上运动，同时弹簧受力变形，产生弹力使上盖尾部往下运动（图2的2处），将正端子下压，然后断开正负连接端子原本连接着的触点，切断电路与电流，同时这种断电无法自复位，所以断电之后的电热水壶不会出现自动再加热的情况。[3]电热水壶的温控开关动作温度范围：65℃～85℃。
3 弹簧的寿命检验仪设计方案
该测试设备分为三部分：电路部分、机电实施部分和底座安装部分。可再细分为：电热水壶、温控开关、弹簧、单片机控制器系统、PC上位机、开关电源、机电实施机构、温控开关固定加热及底板等部分组成。该方案能够进行电热水壶温控开关核心部件——弹簧的寿命检测，并记录和统计相关实验数据。其结构如图7所示。
3.1 电路部分
该部分的智能控制核心主要是单片机STC12C5A60S2（MCU）[4]，借助温度传感器DS18B20实现对测试电热水壶水温的收集，并输送至MCU实施计算处理，然后显示到3.2寸液晶屏上面。在出现故障或是测试次数达到1万次之后，MCU可以控制温控开关断开，并发出相应的声光指示，同时在PC上记录相关的数据。
3.2 机电实施机构
主要采用电磁铁吸合去挤压温控开关上盖，来控制温控开关接通，断开则由底部加热系统加热温控开关，当其双金属碟片受热达到变形温度时，双金属碟片发生突变，挤压弹簧产生弹力断开电源通路。该部分模拟真实水壶烧水实验，电压为AC220V，加载功率为1800W。
3.3 底板部分
主要是固定控制器、开关电源、温控开关加热底板和机电实施机构。工作流程如下：
首先将控制系统、开关电源、温控开关加热底板和机电实施机构固定在底座部分，并把温控开关固定在加热装置，同时连接相应的连线。然后按下检验指令，开始对温控开关核心部件——弹簧的寿命进行检验。MCU控制系统通过温度传感器DS18B20实时监测水壶中水温，当水温低于90℃，控制机电实施机构挤压温控开关前部，使其闭合，接通电热水壶的电源回路，模拟真实的加热烧水过程。在这个过程当中，电热水壶所接入的AC220V会经由交流变压器转变成AC9V信号，在进行了整流滤波后，变成DC11V，并分压读回给MCU控制系统，并记录为一次有效过程。同时温控开关底座加热，一般底座加热到90℃左右，达到或者超过温控开关的双金属碟片的突变温度，双金属碟片变形，通过挤压开关上盖，使弹簧受力，使上盖受力恢复到关断状态，完成了一次开关闭合和关断状态，并为下一次过程做准备。该检验过程接入了电热水壶1800W的电热丝，模拟了一次真实使用过程。同时MCU系统把检验数据在3.2吋显示屏显示，并通过串口把数据传给上位机PC，PC记录数据并分析结果。当温控传感器检测电热水壶的水温超过95°，将停止加热和计数，直到水温降到80°以下，重启检验。当发生故障，如无法检测有效温控开关闭合状态，或者断开状态以及测试超过10000次，则停止检验，并发出相应的声光信号，并自动在上位机PC[6]完成记录。
4 结 论
在本次设计实验中，通过该弹簧寿命检验仪可以对电热水壶温控开关实际工作过程和工作条件进行模拟。只要连接好相应的部件与连线，则可以自动模拟电热水壶工作状态，其不仅可以自动统计与累积开关接通次数，即弹簧使用寿命，同时还可以对壶内水温进行控制，使其保持在既定温度区间当中，避免因水开挥发而导致干烧。该检验仪已运用在迪艾斯电器厂进行测试，实验表明，该检验仪的使用，能够实际模拟弹簧的实际使用寿命，为改进弹簧弹性，延长其寿命提供科学的数据支持。因此，该检验仪的设计具有重要的研究价值和良好的社会经济效益。
参考文献：
[1]甘艳芬，钟君柳.温控开关寿命测试仪[P].中国专利：ZL2013 20048502.2，2013-06-26.
[2]赵明明.高精密弹簧性能测试仪[D].郑州：华北水利水电大学，2013：1-49.
[3]百度百科.电热水壶[EB/OL].http：//baike.baidu.com/link？url=PZC766jN8-YnBi4E-ahcH23Wwd5wmg，Dj_Dr7UgjCEz_zC7UoMbxqZoSat3Mjo214nlqR5zqKghrN8Apl-SPSK.
[4]罗浩，刘尚武，王书易，等.基于 STC12 C5 A60 S2多路温度监控系统设计[J].信阳师范学院学报：自然科学版，2014，27（1）：106-110.
[5]温锦辉.基于STC12单片机控制LED点阵书写显示屏[J].电子测试，2015（9）：40-42.
[6]张明超，高军伟，官晟，等.基于单片机和上位机的温湿光照在线监测系统[J].工业仪表与自动化装置，2011（5）：33-35.