吳興江，鄧 濤

（瀘州職業(yè)技術學院，四川 瀘州 646000）

0 前言

自然環(huán)境下，一杯開水冷卻至室溫需20 min左右，夏季則時間會更長，對需要馬上飲用溫開水或者涼開水的人來說，這一等待時間非常漫長。目前，市面上的家用開水降溫裝置非常少，只有少數(shù)幾種依靠材料降溫的保溫杯，它們能夠讓水快速降至55℃，但再次使用需要冷卻半小時。

在熱水降溫裝置結構設計研究方面，能查閱到一些相關專利，比較典型的結構有以下幾種：1）尹帥設計了一種便捷冷水器[1]，在水杯口加裝設置有風扇和排氣口的蓋體，通過風扇使開水冷卻，但冷卻速度慢。2）胡彥夫等人設計了一種飲用熱水降溫器[2]，設置涼水降溫和吹風降溫兩個區(qū)域，通過熱水和石英螺旋管外的涼水熱交換以及吹風降溫實現(xiàn)熱水降溫，但石英螺旋管外的涼水因熱交換變熱后后續(xù)冷卻效果變差，且出水溫度不能準確控制。3）王偉健等人設計了一種熱水降溫裝置[3]，在水桶的外壁和內(nèi)壁之間設置冷卻腔，通過扇葉組合使冷卻腔中的熱空氣和外界冷空氣交換，達到加速開水冷卻的目的且可以準確控制熱水降溫至所需溫度，但冷卻腔和開水接觸面積小，冷卻速度慢。為解決上述問題，設計了一種基于單片機的熱水降溫盒，采用物理風冷的形式使熱水迅速循環(huán)降溫，且可以準確控制出水溫度，具有較強的實用性。

1 熱水降溫盒的總體結構設計與工作原理

1.1 總體結構設計

常用的散熱方式可分為風冷、液冷、使用特殊材料冷卻和熱管冷卻四種[4]。當液體作為傳熱介質(zhì)時，可按照液體與待散熱物體的接觸方式，分為直接接觸類和間接接觸類，但液體傳熱介質(zhì)再次使用時散熱性能會下降。使用特殊材料冷卻時，當待散熱物體溫度增加到相變材料的相變溫度時，材料吸收待散熱物體表面的溫度，達到降溫效果。熱管作為高效的導熱元件，能夠快速且高效地將熱量從高產(chǎn)熱區(qū)域轉(zhuǎn)移至低產(chǎn)熱區(qū)域，但相變材料和金屬熱管的冷卻方式結構復雜，控制困難。風冷散熱系統(tǒng)因為相對于其他冷卻方式結構簡單、成本低廉，且具有有害氣體可以及時排出等優(yōu)點，使其獲得的應用范圍更廣。基于此，本研究設計的熱水降溫盒總體結構如圖1所示，主要由暫存室、散熱管、儲水室、回流管、水泵、小風扇、控制裝置等部分組成。

圖1 熱水降溫盒總體結構

1.2 工作原理

使用時，旋轉(zhuǎn)開關機按鈕（18）開機，用戶通過溫度加減按鍵（15）（16）預先設定出水溫度。熱水經(jīng)注水口（3）進入暫存室（2）后，在重力作用下流過散熱管（5），進氣風扇（13）和排氣風扇（6）產(chǎn)生的氣流會使熱水迅速降溫。當溫度傳感器（12）檢測到當前水溫高于設定溫度，且水位傳感器（9）檢測到儲水室（8）中有水時，水泵（11）啟動，將水從儲水室（8）抽回暫存室（2），水在重力作用下再次流經(jīng)散熱管（5）進行再次降溫，如此循環(huán)。直到溫度傳感器（12）檢測到當前水溫等于或低于設定溫度，水泵（11）關閉，小風扇（6）（13）停止。此時按下出水按鍵（17），出水閥（10）打開，可以將溫水倒入容器中飲用。如圖2所示。

圖2 熱水降溫盒控制裝置面板示意圖

2 熱水降溫盒的控制系統(tǒng)設計

2.1 控制系統(tǒng)總體設計

熱水降溫盒的控制系統(tǒng)以AT89C52單片機為控制核心，主要包括單片機最小系統(tǒng)、LCD顯示模塊、溫度測量、水位測量、電機和水泵模塊等。其中主控模塊主要完成總體控制及運算功能，LCD顯示模塊完成系統(tǒng)狀態(tài)的顯示，按鍵電路完成按鍵處理，溫度傳感器和水位傳感器完成溫度和水位測量，電機和水泵模塊控制電機和水泵的啟停，出水閥控制系統(tǒng)出水。熱水降溫盒控制系統(tǒng)總體設計圖如圖3所示。

圖3 熱水降溫盒控制系統(tǒng)總體設計圖

2.2 硬件設計

熱水降溫盒控制系統(tǒng)的硬件電路主要包含時鐘電路、復位電路、按鍵電路、報警電路、電機及水泵驅(qū)動電路、LCD顯示電路，如圖4所示。

圖4 電路原理圖

2.3 軟件設計

2.3.1 主程序設計

主程序從上電開始，將LCD初始化，調(diào)用溫度設定函數(shù)設定出水溫度。如果當前水溫小于等于設定溫度，則調(diào)用出水函數(shù)并在LCD上顯示當前狀態(tài)；如果當前水溫大于設定溫度，則調(diào)用降溫函數(shù)并在LCD上顯示當前狀態(tài)。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

2.3.2 溫度設定函數(shù)設計

溫度設定通過中斷服務函數(shù)實現(xiàn)，當檢測到相應按鍵按下時，延時去抖后溫度設定值加0.5℃或者減0.5℃。溫度設定函數(shù)流程圖如圖6所示。

圖6溫度設定函數(shù)流程圖

2.3.3 出水函數(shù)設計

當可以出水時，水泵和風扇關閉，停止降溫，同時蜂鳴器響，提醒用戶可以出水。按下出水按鍵并延時去抖，出水閥打開，水流出。出水函數(shù)流程圖如圖7所示。

圖7 出水函數(shù)流程圖

2.3.4 降溫函數(shù)設計

當水位傳感器檢測到儲水室有水時，風扇和水泵打開，開始降溫。降溫函數(shù)流程圖如圖8所示。

圖8 降溫函數(shù)流程圖

3 結論

該熱水降溫盒采用物理風冷的形式使熱水迅速循環(huán)降溫，散熱管的面積和彎曲層數(shù)可根據(jù)實際需要進行調(diào)節(jié)，加快熱水和風的接觸面積，從而提高散熱速度。同時，設計了基于單片機的熱水降溫盒控制系統(tǒng)，可以準確控制出水溫度，具有較強的實用性。