尹丹桂 王 瓊

（湖南文理學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 常德 415000）

燃?xì)鉄崴髦悄芄?jié)水裝置研究與設(shè)計

尹丹桂 王 瓊

（湖南文理學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 常德 415000）

為充分利用熱水器和水龍頭之間的冷水，文章提出一個新穎獨(dú)創(chuàng)的節(jié)水裝置的設(shè)計思路，利用單片機(jī)及電磁閥實(shí)現(xiàn)了冷水的自動智能回收，順應(yīng)了燃?xì)鉄崴鞴?jié)能減排的發(fā)展趨勢。

燃?xì)鉄崴?；?jié)水；冷水回收

1 引言

燃?xì)鉄崴骶褪遣捎萌細(xì)庾鳛橹饕茉床牧?，通過燃?xì)馊紵a(chǎn)生高溫?zé)崃?，傳遞到流經(jīng)熱交換器的冷水中，將冷水加熱來制備熱水的一種熱水器。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)鉄崴鞅旧淼倪m用性越來越好，使得燃?xì)鉄崴髯哌M(jìn)千家萬戶，成為居家生活的必需品。燃?xì)鉄崴鞯陌惭b需要遵循安全原則，需要將熱水器安裝得遠(yuǎn)離浴室，就使得熱水管道較長，而每次使用熱水時，需要將管道中存留的冷水放完，才能有熱水流出。由于燃?xì)鉄崴髟跓崴y開啟后至水溫達(dá)到恒定狀態(tài)的這個過程中，會流失大量冷水，這將不可避免的造成水資源的浪費(fèi)，隨著使用人群的日益增加，帶來的浪費(fèi)也與日俱增。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，全國的燃?xì)鉄崴饔脩裘磕暌蛉細(xì)鉄崴鞴艿览速M(fèi)的自來水高達(dá)數(shù)百萬噸，因此有必要對燃?xì)鉄崴鞯墓?jié)水設(shè)計進(jìn)行深入研究，從而達(dá)到改善其節(jié)水性能的目的。

本文提供了一個新穎獨(dú)創(chuàng)的設(shè)計思路，不改變?nèi)細(xì)鉄崴鞅旧淼南到y(tǒng)，增加節(jié)水裝置，采用冷水循環(huán)的方法，將出水管道中的冷水送回到熱水器中，繼續(xù)進(jìn)行加熱使用，彌補(bǔ)傳統(tǒng)節(jié)水設(shè)計的不足，有效的回收冷水，順應(yīng)了燃?xì)鉄崴鞴?jié)能減排的發(fā)展趨勢，在燃?xì)鉄崴鞴?jié)水創(chuàng)新領(lǐng)域具有一定的研究與參考價值。

2 智能節(jié)水裝置總體設(shè)計方案

本文設(shè)計一個智能節(jié)水裝置，利用單片機(jī)、傳感器、數(shù)字轉(zhuǎn)化器元件等構(gòu)成基本電路，利用C語言編寫溫度采集及自動轉(zhuǎn)化程序，從而實(shí)現(xiàn)溫度的自動采集和識別，用來控制電磁閥的開關(guān)，自動識別實(shí)現(xiàn)“冷”“熱”水的流通管道，讓電磁換向閥將沒有達(dá)到預(yù)設(shè)溫度的水和達(dá)到預(yù)設(shè)溫度的水分離，將留在熱水器和淋浴噴頭之間管道中的冷水回流至燃?xì)鉄崴?，將冷水回收循環(huán)利用，解決了水資源大量浪費(fèi)的問題，實(shí)現(xiàn)燃?xì)鉄崴鞴?jié)水的智能化、自動化。

總體設(shè)計方案如圖1所示。各部件說明：

溫度檢測裝置：由溫度傳感器、單片機(jī)及輔助電子線路構(gòu)成。溫度傳感器接觸水溫，將水的溫度值轉(zhuǎn)化為電信號，但是在燃?xì)鉄崴鳒囟炔杉K中，傳感器采集的是模擬信號，要實(shí)現(xiàn)溫度控制的智能化，需要將傳統(tǒng)的電信號轉(zhuǎn)化為單片機(jī)能夠識別的數(shù)字信號。單片機(jī)根據(jù)所接收到的溫度傳感器的信號，單片機(jī)會發(fā)出指令，控制兩位三通電磁閥處于得電還是失電狀態(tài)。

電磁閥：為了達(dá)到智能控制水的流向的目的，需要選擇一個能被電信號控制的開關(guān)，電磁閥正好是由電信號控制的閥門，當(dāng)電磁閥得電時右邊閥門打開，電磁閥失電，左邊閥門打開，根據(jù)電流的情況，左右閥門不同，從而控制水流流入不同的管道。

單向閥：因?yàn)樵趯?shí)際使用過程中，達(dá)到溫度的水只能流向噴頭，未達(dá)到溫度的水才能流回?zé)崴?，需要選擇一個單向閥，用于控制冷水流向進(jìn)水口，防止冷水倒流，流向噴頭。利用水的重力實(shí)現(xiàn)單向的流向，選用直通式單向閥，依靠閥內(nèi)彈簧的作用開啟或者閉合閥口。

圖1　設(shè)計方案圖

3 智能節(jié)水裝置原理及實(shí)現(xiàn)

智能節(jié)水裝置的核心在于溫度檢測裝置，主要介紹溫度檢測裝置電路具體的實(shí)現(xiàn)，本文分為硬件部分和軟件兩部分介紹。

3.1 智能節(jié)水裝置硬件設(shè)計原理

該智能節(jié)水裝置的基本原理為：當(dāng)用戶打開進(jìn)水口，燃?xì)鉄崴鬟\(yùn)行時，溫度傳感器檢測水溫后，將溫度作為單片機(jī)的輸入信號，單片機(jī)發(fā)出指令，用來控制電磁換向閥的電磁鐵得電或者失電，使換向閥不同的閥門打開。若水未達(dá)到設(shè)定的溫度，即“冷水”，單片機(jī)發(fā)出指令，使電磁閥接通閥門右位，水重新流回進(jìn)水口，熱水器重新加熱。若水達(dá)到設(shè)定的溫度，即“熱水”，單片機(jī)發(fā)出指令，使電磁閥接通閥門左位，水直接流向噴頭，供用戶使用。

3.2 智能節(jié)水裝置硬件實(shí)現(xiàn)電路

溫度檢測裝置設(shè)計電路如圖二所示，溫度檢測裝置電路中選取89C51系列單片機(jī)作為核心部件，因89C51在片內(nèi)含4 KB 的 EEpROM，不再需要單獨(dú)外接擴(kuò)展存儲器，可簡化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。利用89C51串口輸出，也簡化外部電路，串行輸出數(shù)據(jù)時，頻率可達(dá)1MHz，滿足系統(tǒng)的測控要求。

溫度測量選取集成溫度傳感器 AD590，該傳感器具有較高的精度，另外不需輔助電源，電路結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)，采集結(jié)果線性度好。

因溫度傳感器信號采集的電壓信號較小，只有幾百毫伏，需要選取合適的放大電?？紤]其失調(diào)電壓及精度，一般選取單片集成運(yùn)放，OP07溫漂很小，一般應(yīng)用于精密加法、檢波、微弱信號精密放大。而且一般不需調(diào)零，如要調(diào)零，可直接外接調(diào)零電位器，阻值一般選擇200KΩ。

日常生活，燃?xì)鉄崴鞯臏囟茸兓秶粫?，最小溫度分辨率?℃，水溫的變化范圍為0～100℃，所以整個智能溫控系統(tǒng)的溫度采集點(diǎn)應(yīng)為200個，8位AD轉(zhuǎn)換器分辨率為1/256，滿足燃?xì)鉄崴鳒囟绒D(zhuǎn)換精度的要求。逐次逼近式A/DC具有較高的轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換程序固定和精度高的特點(diǎn)，所以本系統(tǒng)選取8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。

單片機(jī)89C51的輸出P3.1引腳為高電平時，經(jīng)反相驅(qū)動器7406后變?yōu)榈碗娖?，使發(fā)光二極管導(dǎo)通，從而光敏三極管導(dǎo)通，使三極管T9031工作，繼電器線圈通電，觸點(diǎn)閉合，220V電壓接通，即電磁閥換向閥得電，水流出花灑。

圖2　溫度檢測裝置電路圖

電磁閥是用來控制流體的自動化基礎(chǔ)原件，通過控制電磁鐵的電流就控制了機(jī)械運(yùn)動。為了控制的方便性和準(zhǔn)確性，本裝置在設(shè)計時，通過一條指令控制所有的電磁閥，降低了程序的復(fù)雜性和故障率。

花灑閥門打開，節(jié)水裝置自動開機(jī)，單片機(jī)控制系統(tǒng)開始檢索溫度傳感器送入的信號，當(dāng)溫度未達(dá)到設(shè)定溫度，控制系統(tǒng)控制電磁閥，冷水回流；當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時，單片機(jī)輸出控制指令，熱水器進(jìn)入正常工作狀態(tài)，而節(jié)水裝置進(jìn)入待機(jī)。

3.3 智能節(jié)水裝置軟件設(shè)計

本系統(tǒng)選取的是89C51系列單片機(jī)，其指令集同標(biāo)準(zhǔn)8052指令集完全兼容。片內(nèi)資源非常豐富，應(yīng)用時系統(tǒng)只需外接少量的元器件，就能實(shí)現(xiàn)智能溫控系統(tǒng)的功能需求。利用專門的μCOS-II的多任務(wù)操作系統(tǒng)開發(fā)平臺上，采用C語言和匯編語言編寫了系統(tǒng)的具體程序。因?yàn)镃語言等高級語言具有豐富的庫函數(shù)，編程簡單，程序可讀性強(qiáng)，修改方便。而且與Linux一樣，μC/OS－II源代碼也是開放的，這極大地提高了效率，降低了成本。

與CPU相關(guān)的代碼部分包含OS-CPU.h、OS-CPU-A.ASM和OS-CPU-C.C，其中OS-CPU.h定義了兩個函數(shù)，分別為OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()，函數(shù)用來實(shí)現(xiàn)關(guān)/開中斷，OS-CPU-A.ASM完成任務(wù)棧的初始化，OS-CPU-C.C定義定時器相關(guān)函數(shù)和相應(yīng)的接口空函數(shù)，移植過程中只需要修改這3個文件。與CPU無關(guān)的代碼部分包含μ COS-II.h、μCOS-II.h這2個系統(tǒng)函數(shù)。

4 結(jié)語

本文利用單片機(jī)、溫度檢測裝置分離達(dá)到和未達(dá)到設(shè)定溫度的水，自動識別實(shí)現(xiàn)“冷”“熱”水的流通管道，讓電磁換向閥將沒有達(dá)到預(yù)設(shè)溫度的水和達(dá)到預(yù)設(shè)溫度的水分離，使留在熱水器和淋浴噴頭之間管道中的冷水能回收循環(huán)利用，能夠起到節(jié)約用水的作用，解決了水資源大量浪費(fèi)的問題，實(shí)現(xiàn)了智能化、自動化。

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The research and design of gas water heaters intelligent water-saving devices

In this paper, we propose a novel design ideas original water-saving device about gas water heater to make full use of cold water. The use of the micro-controller and the solenoid valve to achieve the automatic intelligent recycling cold water, conforms to the development trend of energy saving.

gas water heater; water-saving; recycling cold water

TM92

A

1008-1151(2016)09-0043-02

2016-08-11

國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(批準(zhǔn)號：61605019),湖南省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(批準(zhǔn)號：2016JJ3015)；湖南省教育廳一般項(xiàng)目(批準(zhǔn)號:15C0937)；湖南省光電信息技術(shù)校企聯(lián)合人才培養(yǎng)基地資助(湘教通[2012]434號)。

尹丹桂（1994－），女，湖南常德人，湖南文理學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院學(xué)生，研究方向?yàn)槲锢韺W(xué)。

王瓊（1983－），男，湖南衡陽人，湖南文理學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院講師，博士研究生。