论文总字数：31291字

摘 要

随着人们健康意识的不断增强，养成喝开水喝热水习惯的人越来越多,电热水壶已经成为家庭、宿舍的标配电器。但传统电热水壶存在功耗大，加热慢等很多问题，而智能家电又是时下家电发展的必然趋势。因此针对现有电热水壶存在的诸多问题进行节能智能电热水壶的设计具有重要的现实意义。

本文从结构和控制系统两方面，开展了节能智能电热水壶的设计。

1. 利用Solidworks进行水壶的结构建模，结构建模的主要目的是提升用户体验，所以建模重点为自动升降对准接水平台。并对接水平台进行运动学仿真，得到用户接水时自动升降对准接水平台的工作情况。

2. 利用单片机、多种传感器模块以及键盘按键模块等进行智能水壶控制系统的设计，并利用市面的现有水壶进行测试。控制系统设计的主要目的是减少水壶不必要的工作时间以及提升电热水壶的智能自动化。最终成功实现了（1）水壶按用户定义的工作时间进行工作；（2）水温、水量自动调控；（3）预约烧水和多模式出水；（4）远程操作指令与本地操作指令能进行信息交互等功能，并配有显示屏实时显示水壶的工作状态。

关键词：电热水壶；节能智能；结构优化；控制系统设计

Abstract

With the continuous enhancement of people's health consciousness, more and more people have formed the habit of drinking hot water. The electric kettle has become a necessary appliance for families and dormitories. However, the traditional electric kettle has many problems, such as high power consumption and slow heating, and smart home appliances are the inevitable trend of the development of household appliances nowadays. Therefore, it is of great practical significance to design energy-saving intelligent electric kettle to solve the problems existing in the electric kettle.

From the two aspects of structure and control system, this paper introduces the design process of energy saving and intelligent electric kettle.

1. The structure modeling of the kettle is made by Solidworks. The main purpose of the structure modeling is to improve the user experience, so the modeling focuses on the automatic lifting platform which can aligning automatically when you want to take water. Then, the platform is simulated by kinematics, then the working condition of the automatic lifting platform is obtained when the user takes water.

2. The design of the intelligent electric kettle control system is carried out by using the MCU, a variety of sensor modules and the keyboard module, and the control system is tested on the electric kettle existing on the market. The main purpose of the control system design is to reduce the unnecessary working time of the kettle and enhance the degree of automation of the electric kettle. Finally we successfully achieved the following functions (1) the water kettle works according to the working time that user defined; (2) water temperature and volume of water can automatically control; (3) user can make a appointment to boil water and the kettle have multiple modes to outflow; (4) the remote operation instruction and local operation instruction can make information exchange. And equipped with a display for real-time display of the working status of the kettle.

Keywords: electric kettle, energy saving and intelligent ,structural optimization, control system design

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 电热水壶节能和智能研究的背景与意义 1

1.2 电热水壶节能智能研究现状与趋势 1

1.2.1 国外电热水壶节能智能研究现状与趋势 1

1.2.2 国内电热水壶节能智能研究现状与趋势 3

1.3 本文主要内容 6

第二章 水壶结构设计及优化 7

2.1 整体结构设计 7

2.2 辅助对心接水结构的设计 8

2.3 升降平台的设计 9

2.4 本章小结 11

第三章 智能电热水壶控制系统设计 12

3.1 智能水壶控制系统功能介绍 12

3.2 自定义水壶工作时间功能 12

3.3 水温、水量的显示与控制 13

3.4 预约烧水功能和出水模式优化 14

3.5 远程控制与本地控制的交互 15

3.6 本章小结 16

第四章 电热水壶操作界面设计 17

4.1 操作界面的组成 17

4.2 矩阵键盘输入模块的设计 17

4.3 独立按键模块的设计 19

4.4 液晶显示模块的设计 20

4.5 本章小结 22

第五章 实物制作与验证 23

5.1 实物制作过程 23

5.1.1 对心机构实物制作 23

5.1.2 控制系统的电路搭接 23

5.1.3 操作界面的实物制作 25

5.2 控制和操作功能验证 26

5.2.1 控制系统的功能验证 26

5.2.2 操作界面的功能验证 27

5.3 本章小结 27

第六章 结论 28

6.1 工作总结 28

6.2 主要结论 28

6.3 不足与展望 28

致 谢 30

参考文献 31

附录 32

绪论

电热水壶节能和智能研究的背景与意义

随着人们健康意识的不断增强,养成喝开水喝热水习惯的人越来越多,电热水壶已经成为家庭、宿舍的标配电器。但传统电热水壶功耗大，加热慢，浪费水（人少时）等问题，使得各种保温、节能、快烧、乃至智能电热水壶层出不穷，各种水壶结构和控制方面的专利也如雨后春笋般不断地涌现^[1]。但现有的这些节能智能电热水壶在实际使用中还是存在一些缺点，用户体验还有待提高，例如儿童锁过于简单无法有效防止儿童烫伤、接水时仍需要用户自行调整杯口位置、需目测控制接水进程等。除了用户体验可以提升，在节能以及智能方面也还可以改进，比如用户能根据自己的作息规律自定义烧水的时段，尽可能地缩短不必要的水壶工作时间，根据有关调查显示，如果每个用户都能最大程度地减少水壶的无效工作时间，那节省的能源是非常可观的。再比如水壶水量能智能化控制、水壶烧水可预约等等，都是电热水壶节能和智能研究可以解决的问题。根据现今电热水壶的发展来看，结构上的可节能空间远没有控制上的大。

此外随着信息技术和物联网技术的发展，家用电器的发展呈现出互联化的趋势^[2]。而手机又是现代人民使用最多也最必需的电子产品，市面上也已经出现了一批可远程监测和控制的家用电器比如小米智能家居。所以设计一款既能解决上述水壶现存问题， 并且支持通过远程移动设备进行远程访问和操作的电热水壶对于便利人民的生活很有意义。

电热水壶节能智能研究现状与趋势

不管是在国内还是国外，国民水壶的拥有量都不断地在增加。例如, 2003年在利比亚42% 的家庭拥有一个水壶, 而在5年前只有8%。水壶虽然属于小电器，但其功耗在同体积的家电中却几乎是最高。所以随着水壶使用量的日益增加，电热水壶的节能问题引起了很多专家学者的注意。例如英国学者Murray和其团队^[3]根据其对英国14户家庭1年的监测，发现家庭的水壶使用模式是固定的，存在高峰期（上下班以及睡觉前），且在假期和休息日水壶使用量会增加。而且居住人员工作形式对水壶使用量影响很大，例如在家上班人员水壶使用量要大于退休人员，退休人员家庭的水壶使用量又远大于正常外出工作人员家庭。这说明用户根据作息自定义水壶的工作时间对于节能有很大的意义，可以减少很多的没必要保温的时间。同时14户家庭大多数有装水过度（注水量比实际所需的水量多）的习惯，这也是能量浪费的一个重要方面，如果用户都能根据自身需求注入适量的水，能节约的水和电能也是很大的。国内也有众多学者从结构和控制上^[4]都对传统水壶做了很多改进，其中有很多取得了显著的效果并发表了专利^[5]。

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