孟偉強(qiáng) 姚軍東 李泉澤 高華

摘要：人們?nèi)粘Ｉ钍褂脽崴鲿r(shí)，需要排除熱水管道殘留的冷水，使用體驗(yàn)較差。文章設(shè)計(jì)了一款可以使冷水回流加熱的熱水器，該熱水器的創(chuàng)新點(diǎn)在于在熱水管道中加一個(gè)電磁三通閥，一端接熱水器熱水出水口，一端接在鄰近的自來水管道中。當(dāng)熱水器需要出熱水時(shí)，回水泵先行啟動(dòng)，抽出熱水管道中殘留的冷水，使其回流到附近的自來水管道中。抽水泵連接的三通電磁閥里安裝有溫度傳感器，當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定值時(shí)，連接在自來水管道的閥門關(guān)閉，連接熱水管道的閥門打開，放出的是熱水。該裝置與市場(chǎng)上的其他熱水器相比，不需要一直循環(huán)加熱，更加節(jié)能環(huán)保。

關(guān)鍵詞：節(jié)約用水；三通電磁閥；回水泵；冷水回流

中圖分類號(hào)：TP368? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在生活中使用燃料熱水器時(shí)，需要提前排除管道里的涼水。家庭用熱水一般有兩個(gè)地方：廚房和衛(wèi)生間。而廚房和衛(wèi)生間的位置在大多數(shù)的戶型中都距離較遠(yuǎn)，但熱水器只能安裝在一處，所以離熱水器遠(yuǎn)的一方鋪設(shè)的管道非常長(zhǎng)。據(jù)調(diào)查，在使用熱水器前排放冷水這個(gè)問題影響了用戶的體驗(yàn)，給人們帶來了不便。因此，使用本裝置可以通過回流裝置直接排出熱水，讓用戶無須浪費(fèi)掉這一部分冷水，給人們的生活帶來便利和良好的使用體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 熱水器冷水回流裝置流程

在使用燃?xì)鉄崴鲿r(shí)，回水泵啟動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行冷水加熱，溫度傳感器感應(yīng)到冷水時(shí)，連接熱水管道的閥門不會(huì)打開，當(dāng)感應(yīng)到熱水流過時(shí)，閥門才會(huì)打開?，F(xiàn)在市場(chǎng)上也有類似的熱水器，但這種熱水器需要在中間鋪設(shè)較長(zhǎng)的回流管道，工作時(shí)需要不停地回流加熱，大大增加了耗電量和耗氣量。本裝置只需將熱水管道中的冷水抽出排到鄰近的自來水管道中，更加節(jié)能。熱水器的工作原理及流程如圖1所示。

1.2 熱水器冷水回流裝置最小控制模塊的設(shè)計(jì)

STC89C52是一個(gè)極低功耗、高性能的8位微控制器，具有在8K系統(tǒng)可編程的Flash存儲(chǔ)器［1］。在其單個(gè)芯片基礎(chǔ)上，擁有高度可靈活控制的8位可編程的CPU內(nèi)核和內(nèi)嵌在嵌入式系統(tǒng)內(nèi)的可編程的Flash，使STC89C52可以更加輕松地為眾多復(fù)雜的嵌入式和工業(yè)控制與應(yīng)用集成系統(tǒng)及產(chǎn)品應(yīng)用提供更加靈活、高效而可靠易用的解決方案，因此，本研究推薦使用STC89C52芯片直接作為實(shí)現(xiàn)本套裝配置功能的主控芯片。因?yàn)閱纹瑱C(jī)系統(tǒng)工作需要始終穩(wěn)定在直流5 V交流電源模式下，所以該系統(tǒng)需要一直采用交流5 V的電源［2］。此電源為開關(guān)電源，內(nèi)腔安置了保護(hù)熔絲，后期采用的是濾波式輸出，電壓波形輸出都十分穩(wěn)定。

1.3 熱水器冷水回流裝置回水泵控制電路的設(shè)計(jì)

回水泵驅(qū)動(dòng)電路是接在三通閥與自來水管道一端的裝置（見圖2）。當(dāng)燃?xì)鉄崴飨到y(tǒng)需要送出大量熱水時(shí)，回水泵應(yīng)先行強(qiáng)制啟動(dòng)，將進(jìn)熱水管道中溢出的大部分冷水直接抽回自來水管道中排出去。當(dāng)與燃?xì)鉄崴饕欢讼噙B處的熱水管道孔中裝設(shè)的溫度感應(yīng)檢測(cè)探頭裝置檢測(cè)感應(yīng)到有熱水管流過，與自來水管道末端相連部位的三通閥一端上的進(jìn)出水接管口閥門將會(huì)同時(shí)關(guān)閉［3］。與熱水管道中間一段相連后的三通閥的出水口將會(huì)完全打開，流出大量熱水，原先在熱水管道中的冷水被再次利用。

隨著電路中S1閉合和2N1132導(dǎo)通，K1閉合，K2閉合，M1斷開得電（見圖2）。需要注意的是，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電路在有效地復(fù)位后，可能會(huì)始終處在極低電的電平，因?yàn)橐话阍谝粋€(gè)單片機(jī)開機(jī)啟動(dòng)的瞬間復(fù)位后，一般處于較高電平，在低電平的有效復(fù)位過程中，很可能產(chǎn)生一些誤動(dòng)作，造成嚴(yán)重后果。一般這些情況下的單片機(jī)電路驅(qū)動(dòng)的電感性負(fù)載等可能會(huì)直接對(duì)單片機(jī)電源的性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，造成單片機(jī)電路自動(dòng)復(fù)位或者失效等。因此，一般在短路的情況下，單片機(jī)應(yīng)首先考慮使用帶RC的自動(dòng)復(fù)位的保護(hù)復(fù)位電路。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，由于K1的線圈本身是高頻感性負(fù)載，啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)瞬間短路也可能對(duì)高頻電源信號(hào)輸入端產(chǎn)生較大的信號(hào)干擾，可以采用的處理方法是先通過反電路再并聯(lián)上另外一只整流二? 極管。

1.4 L298N工作原理

回水泵驅(qū)動(dòng)模塊電路確定后，要確定如何操作該模塊電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使其能抽出熱水管道中的冷水。L298N模式選擇的控制方法如表1所示。

基于表1的控制方法，當(dāng)回水泵將熱水管道的冷水抽出流入自來水管道時(shí)，只需要將單片機(jī)的引腳置高電平和低電平，因?yàn)椴恍枰崔D(zhuǎn)進(jìn)行抽水，所以不需要將接引腳的高低電平相互對(duì)調(diào)，由此實(shí)現(xiàn)了由L298N驅(qū)動(dòng)回水泵電機(jī)抽水設(shè)計(jì)的過程。

1.5 熱水器冷水回流裝置的溫度傳感器

本設(shè)計(jì)首先使用了DS81B20型單線智能溫度傳感器，是一種適配微處理器總線接口技術(shù)的新型單線智能溫度傳感器，可直接供用戶廣泛地設(shè)計(jì)開發(fā)用于電子工業(yè)、民用、軍事與偵察等重要領(lǐng)域的精密溫度參數(shù)傳感測(cè)量?jī)x表、溫度自動(dòng)化過程控制與分析研究?jī)x器、測(cè)控顯示系統(tǒng)設(shè)備和各類軍用與大型檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備［4］，具有體積尺寸小、接口設(shè)計(jì)方便簡(jiǎn)單的顯著優(yōu)點(diǎn)，因此，在設(shè)計(jì)工作中普遍采用了此接口元器件［5］。DS18B20數(shù)字溫度計(jì)可以提供多達(dá)9個(gè)位的溫度讀數(shù)以指示器件上的實(shí)際溫度。此溫度傳感器安裝在電磁三通閥301，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.6 熱水器冷水回流裝置三通電磁閥的控制系統(tǒng)

三通電磁閥主要通過電流通過電磁閥中的線圈來控制閥門的開關(guān)，三通電磁閥的結(jié)構(gòu)有3種，分別分為一進(jìn)兩出、兩進(jìn)一出和一進(jìn)一出。本裝置使用的是一進(jìn)兩出。一進(jìn)兩出（常閉式）的特殊結(jié)構(gòu)工作原理是：當(dāng)一個(gè)三通電磁閥接口孔中的一個(gè)線圈通電而啟動(dòng)工作時(shí)，接口中的一個(gè)301孔直接通向接口孔的302，接口端上的接口303的線圈就會(huì)自動(dòng)通電和自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)電磁閥口端中的線圈通電斷了電工動(dòng)作時(shí)，接口1會(huì)啟動(dòng)通電和自動(dòng)關(guān)閉，接口302自動(dòng)通向接口303。一進(jìn)兩出（常開式）的工作原理是：當(dāng)電磁閥中的線圈通電時(shí)，接口303通向接口302，接口302自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)電磁閥口中的線圈發(fā)生斷流電工振作情況時(shí)，接口303隨之自動(dòng)關(guān)閉，接口301自動(dòng)通向關(guān)閉接口302，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

電磁三通閥的301口接熱水器熱水管道出水口，在其內(nèi)壁安裝有溫度傳感器，302口接在熱水管道出水口，303口接在自來水管道口，與回水泵相連。

2 結(jié)語

本裝置的應(yīng)用可以有效地達(dá)到節(jié)約用水的目的，便于人們使用熱水器，不必再儲(chǔ)存冷水，安裝也更加方便，不用擔(dān)心安裝空間不夠，不用再鋪設(shè)較長(zhǎng)的熱水回流管，有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代，大大擴(kuò)大了生產(chǎn)與推廣的范圍。但本裝置也有一些缺點(diǎn)，回水泵加熱的耗氣、耗電及產(chǎn)生的噪聲等因素會(huì)產(chǎn)生高昂的費(fèi)用，影響用戶的使用體驗(yàn)，因此，可以優(yōu)化熱水管道與自來水管道銜接管道的安裝路線，從而減少回水泵的耗電情況，在回水泵安裝一些隔音裝置，達(dá)到減少噪聲的目的。

參考文獻(xiàn)

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［2］張政.冷凝式燃?xì)鉄崴鲹Q熱器設(shè)計(jì)及優(yōu)化［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2020.

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［4］任仁凱.智能家居中的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.南京：南京師范大學(xué)，2017.

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（編輯 何 琳）

Design of cold water reflux heating device for water heater based on STC89C52

Meng? Weiqiang， Yao? Jundong， Li? Quanze， Gao? Hua

（School of Electronic and Electrical Engineering， Anhui Sanlian University， Hefei 230601， China）

Abstract：? When people use the water heater in their daily life， they need to remove the residual cold water from the hot water pipe， and the use experience is poor. This paper designs a water heater that can make cold water return to heat. The innovation of this water heater is to add an electromagnetic three-way valve in the hot water pipe， one end of which is connected to the hot water outlet of the water heater， and the other end is connected to the adjacent water pipe. When the water heater needs hot water， the return pump shall be started first， and the residual cold water in the hot water pipe shall be pumped out to make it return to the nearby water pipe. The three-way solenoid valve connected to the pump is equipped with a temperature sensor. When the water temperature reaches the set value， the valve connected to the tap water pipe is closed， and the valve connected to the hot water pipe is opened， and the hot water is discharged. Compared with other water heaters on the market， this device does not need to be heated continuously， because it is more energy-saving and environmentally friendly.

Key words： save water; three-way solenoid valve; return water pump; cold water return