劉栩源　翟娟　王典　徐玲　吳牧原

摘? 要：以節(jié)能減排與便民生活為目標(biāo)，文章設(shè)計(jì)的裝置是基于STC89C52單片機(jī)的熱水器冷水回收與出水控制系統(tǒng)。裝載了測(cè)溫模塊，控溫與冷水收集模塊，報(bào)警模塊，數(shù)碼管顯示模塊，按鍵檢測(cè)模塊。該設(shè)計(jì)力求于憑借溫度感應(yīng)模塊DS18B20和矩陣鍵盤共同作用，向STC89C52單片機(jī)輸入信號(hào)，單片機(jī)將信號(hào)處理后再傳輸給步進(jìn)電機(jī)，以達(dá)到熱水器冷水回收再利用，自動(dòng)出水、智能控溫的效果。

關(guān)鍵詞：STC89C52；溫度傳感器DS18B20；數(shù)碼管顯示；智能熱水器；節(jié)能減排

中圖分類號(hào)：TP273；TP368.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）12-0174-05

Cold Water Recycling and Water Discharge Temperature Control Device Based on Domestic Water Heater

LIU Xuyuan， ZHAI Juan， WANG Dian， XU Ling， WU Muyuan

（Guangling College of Yangzhou University， Yangzhou? 225000， China）

Abstract： With the goal of energy saving and emission reduction， the device designed in this paper is a system with cold water recycling and water discharge control of water heater based on STC89C52 Single-Chip Microcontroller. It is loaded with temperature measurement module， temperature control and cold water collection module， alarm module， nixie tube display module， and key detection module. The design seeks to achieve the effect of cold water recycling， automatic water dispensing and intelligent temperature control of the water heater by the temperature sensing module DS18B20 and matrix keyboard working together to input signals to the STC89C52 Single-Chip Microcontroller， and then transmit the signals to the stepper motor.

Keywords： STC89C52; temperature sensor DS18B20; nixie tube display; intelligent water heater; energy saving and emission reduction

0? 引? 言

隨著人們生活水平的不斷提高，熱水器成為現(xiàn)代家庭中必備的電器，當(dāng)人們?cè)谌粘Ｊ褂脽崴鲿r(shí)，打開(kāi)熱水龍頭后，開(kāi)始總會(huì)有很多冷水流出來(lái)，然后慢慢變熱。不但給人們?cè)斐墒褂蒙系牟槐悖瑫r(shí)這些冷水也會(huì)白白流失，造成資源的浪費(fèi)。另外，現(xiàn)在的熱水器中的熱水口和冷水口通過(guò)混水閥相連接，冷、熱水在混水閥處混合，通過(guò)出水口排出供洗浴者使用，出水溫度由洗浴者通過(guò)旋轉(zhuǎn)混水閥手柄實(shí)現(xiàn)。洗浴者在調(diào)節(jié)溫度的過(guò)程中，需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，在使用時(shí)還會(huì)出現(xiàn)水溫忽冷忽熱的情況，特別是在低溫天氣時(shí)，因?yàn)樗疁氐牟缓愣?，非常容易?dǎo)致洗浴者受涼，引起發(fā)燒感冒。并且在洗浴的過(guò)程中熱水器中的熱水并不會(huì)維持在一個(gè)恒定的溫度，而是隨時(shí)變化的。這就需要使用者不斷通過(guò)混水閥調(diào)節(jié)，給使用者帶來(lái)極大的不便。而且使用者在調(diào)節(jié)水溫時(shí)無(wú)法直觀地看到當(dāng)前熱水器流出的水溫，需要不斷通過(guò)觸摸來(lái)感知，且通過(guò)這種方式感知到的水溫與實(shí)際通過(guò)混水閥設(shè)定的水溫相比具有一定的滯后性。在調(diào)節(jié)水溫的過(guò)程中，出水口流出的水通常并不會(huì)被使用者用來(lái)洗浴，而是任由這些水流失，這又造成了水資源的浪費(fèi)。

目前市面上的智能熱水器主要分為電熱水器和燃?xì)鉄崴鲀煞N。電熱水器工作原理為將進(jìn)水管的水流量與出水管的水溫轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸入主板處理器，經(jīng)過(guò)處理器計(jì)算后，按結(jié)果控制發(fā)熱管，調(diào)節(jié)發(fā)熱功率，從而實(shí)現(xiàn)出水溫度的恒定。而燃?xì)鉄崴饕彩菍⑦M(jìn)水口水流量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)并將此信號(hào)輸入控制器?？刂破鞲鶕?jù)輸入信號(hào)的頻率來(lái)調(diào)整燃?xì)忾y的開(kāi)合大小，使燃?xì)獯笮∨c水流量成正比變化，從而使出水口的水溫恒定。市面上的這兩種熱水器設(shè)定溫度的熱水從水龍頭流出之前需要經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)的水管，這就使得水溫調(diào)節(jié)速度偏慢，不能使流出的水溫迅速達(dá)到使用者設(shè)定的水溫。同時(shí)這兩種熱水器也無(wú)法處理熱水器開(kāi)啟時(shí)先流出的冷水與水溫未達(dá)到設(shè)定水溫時(shí)流出的水，仍會(huì)造成資源的浪費(fèi)。

而針對(duì)冷水的回收利用，現(xiàn)在市面上也有熱水器冷水收集器。但市面上現(xiàn)存的冷水收集器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一，只是單純利用溫控開(kāi)關(guān)控制出水口的開(kāi)啟或關(guān)閉。此收集器雖然可在一定程度上達(dá)到收集冷水的作用，但是收集冷水的溫度上限是固定的，且人們?cè)诓煌竟?jié)對(duì)水溫的要求也不同，無(wú)法滿足使用者的需要。

本文設(shè)計(jì)的裝置可以收集打開(kāi)熱水器時(shí)最先流出的冷水，避免水資源的浪費(fèi)。同時(shí)顯示出水口流出的水溫，可以讓使用者更加直觀地看到，并且可以智能控制混水閥以達(dá)到控制出水口溫度并保持溫度恒定。

1? 系統(tǒng)總體框架

本文所設(shè)計(jì)的家用熱水器的冷水回收利用與出水溫度控制裝置包括溫度檢測(cè)系統(tǒng)，冷水收集與溫度控制系統(tǒng)，報(bào)警系統(tǒng)，顯示系統(tǒng)等功能。其系統(tǒng)芯片采用STC89C52為控制核心[1]，系統(tǒng)工作時(shí)，溫度檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)外接的溫度傳感器實(shí)時(shí)將檢測(cè)到的水溫信號(hào)傳送至單片機(jī)，單片機(jī)判定水溫信號(hào)低于或超過(guò)設(shè)定的溫度，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)恒溫出水或者冷水收集的功能。同時(shí)若設(shè)定溫度高于進(jìn)水口的最高溫度或低于進(jìn)水口的最低溫度，蜂鳴器報(bào)警。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2? 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)控制模塊

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)為核心，這是STC公司生產(chǎn)的一種CMOS8位微控制器，擁有低功耗、高性能的優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)置16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器3個(gè)，外部中斷4個(gè)，7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)1個(gè)，4 KB帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器，MAX810復(fù)位電路，全雙工串行口；具有8 000字節(jié)的閃存、512字節(jié)的RAM存儲(chǔ)器、32位I/O口線、看門狗定時(shí)器功能。此外STC89C52單片機(jī)可降到0 Hz靜態(tài)邏輯操作，還可支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電保護(hù)方式下，存儲(chǔ)器內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)的所有工作全部停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。空閑模式下，中央處理器停止工作，允許計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、串口、存儲(chǔ)器、中斷繼續(xù)工作。最高運(yùn)作頻率為35 MHz，有6T和12T模式可供選擇。STC89C52單片機(jī)實(shí)物圖如圖2所示，接線電路圖如圖3所示。

2.2? 溫度檢測(cè)系統(tǒng)

溫度傳感器采用DS18B20[2]，它的優(yōu)點(diǎn)在于可以直接將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)，具有獨(dú)特的單線接口方式。DS18B20在實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與DS18B20的雙向通信時(shí)僅需要一條口線與單片機(jī)連接即可，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫，可分辨溫度分為0.5 ℃、0.25 ℃、0.125 ℃和0.062 5 ℃，對(duì)應(yīng)的可編程的分辨率為9～12位，采用不銹鋼封裝式進(jìn)行封裝，具有良好的防水性，非常適合熱水器測(cè)溫[3]。

本文設(shè)計(jì)的裝置中使用了三個(gè)DS18B20溫度傳感器，分別檢測(cè)冷水入水口水溫、熱水入水口水溫、出水口水溫[4]。

DS18B20實(shí)物圖如圖4所示，原理圖如圖5所示。

DS18B20溫度傳感器1號(hào)引腳接地，3號(hào)引腳接+5 V高電平，2號(hào)引腳接到單片機(jī)的I/O口，同時(shí)外加上拉電阻。

2.3? 冷水回收與溫度控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)流出水溫的自動(dòng)控制，本裝置采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制混水閥[5]。將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)線位移或角位移的電動(dòng)機(jī)就叫作步進(jìn)電機(jī)。每向步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子就前進(jìn)一步或轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，輸出線位移或角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比[6]。而且它可開(kāi)環(huán)位置控制，輸入一個(gè)脈沖信號(hào)就得到一個(gè)規(guī)定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流控制系統(tǒng)相比，其成本明顯減低，幾乎不必進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。

本文設(shè)計(jì)的裝置中使用了兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)1通過(guò)線位移來(lái)控制混水閥的左右移動(dòng)，從而改變冷水熱水的混合比例，以達(dá)到控制水溫的效果。步進(jìn)電機(jī)2通過(guò)角位移來(lái)控制出水口和集水口的開(kāi)啟關(guān)閉。在出水口水溫達(dá)到設(shè)定溫度之前，步進(jìn)電機(jī)2控制出水口關(guān)閉、集水口開(kāi)啟，水流從集水口流出經(jīng)導(dǎo)管進(jìn)入準(zhǔn)備好的儲(chǔ)水箱中達(dá)到循環(huán)利用。出水口水溫達(dá)到設(shè)定溫度后，集水口關(guān)閉，出水口開(kāi)啟[7]。步進(jìn)電機(jī)原理圖如圖6所示。

步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)的距離計(jì)算公式如下：

i = （ φ.S ） / （ 360. Δ ）

式中φ表示步進(jìn)電機(jī)的步距角（°/脈沖），S表示絲桿螺距（mm），Δ（mm /脈沖）。

步進(jìn)電機(jī)角位移關(guān)系公式如下：

θ = θs×A

式中θ表示電機(jī)出力軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度（度），θs表示步距角（度/步），A表示脈沖數(shù)（個(gè)）。

2.4? 按鍵輸入模塊

本裝置中采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電路配置靈活的獨(dú)立按鍵。獨(dú)立按鍵的每個(gè)按鍵都單獨(dú)占用一根I/O口線，可以直接讀取，檢測(cè)占用時(shí)間較少，不受其他因素影響。本裝置中的4個(gè)獨(dú)立按鍵作用分別為冷水/熱水入水口溫度顯示、設(shè)定/當(dāng)前溫度顯示、溫度加、溫度減。為符合實(shí)際要求，本裝置將熱水入水口與冷水入水口的水溫作為預(yù)設(shè)溫度的限值。要求設(shè)定溫度不得高于熱水入水口水溫，也不能低于冷水入水口水溫。由于簧片彈性的影響，獨(dú)立按鍵會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)情況，所以在軟件編程時(shí)還需要進(jìn)行去抖動(dòng)處理。獨(dú)立按鍵原理圖如圖7所示。

2.5? 顯示模塊

本裝置采用的顯示模塊為L(zhǎng)ED顯示器。LED顯示器有兩種顯示結(jié)構(gòu)：段顯示和點(diǎn)陣顯示。本裝置使用段顯示，一共使用了三只數(shù)碼管，采用動(dòng)態(tài)顯示方式[8]，當(dāng)顯示水溫時(shí)可精確到小數(shù)點(diǎn)后一位。在本文設(shè)計(jì)的裝置中，數(shù)碼管用來(lái)顯示冷水/熱水入水口溫度、設(shè)定溫度、當(dāng)前溫度，通過(guò)鍵盤實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的切換。數(shù)碼管還用來(lái)顯示裝置準(zhǔn)備就緒的代碼，以及出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)代表相應(yīng)錯(cuò)誤的錯(cuò)誤編號(hào)[9]。如當(dāng)數(shù)碼管顯示E1，表示預(yù)設(shè)溫度超出限值。單個(gè)數(shù)碼管原理如圖8所示。

2.6? 報(bào)警模塊

本裝置使用蜂鳴器作為報(bào)警模塊，輸出方式為使用脈沖寬度調(diào)制直接控制蜂鳴器。通過(guò)編程，在預(yù)設(shè)的出水口溫度超出限值溫度的情況下，實(shí)現(xiàn)報(bào)警效果。當(dāng)傳感器超過(guò)正常值的量程時(shí)，單片機(jī)輸出為低電平，蜂鳴器與電源截止，從而引發(fā)報(bào)警提示。報(bào)警時(shí)顯示模塊顯示相應(yīng)的錯(cuò)誤代碼。

蜂鳴器實(shí)物圖如圖9所示，電路原理圖如圖10所示。

3? 軟件程序設(shè)計(jì)

主程序流程如圖11所示。本文所設(shè)計(jì)的基于家用熱水器的冷水回收利用與出水溫度控制裝置主程序采用循環(huán)結(jié)構(gòu)（do while語(yǔ)句）來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使用了KielC51編程軟件進(jìn)行了模塊化編程。接通電源后，各模塊首先分別進(jìn)行初始化，之后通過(guò)掃描獨(dú)立按鍵LED顯示屏開(kāi)啟顯示準(zhǔn)備就緒代碼，之后通過(guò)獨(dú)立按鍵設(shè)定預(yù)定出水溫度。然后DS18B20溫度傳感器分別感應(yīng)冷水入水口、熱水入水口水溫并將相應(yīng)信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換讀取后發(fā)送給單片機(jī)，判斷設(shè)定溫度是否超出溫度限值。如超出，蜂鳴器報(bào)警，數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤代碼。如果設(shè)定水溫在溫度限值之內(nèi)，判斷出水口溫度是否等于設(shè)定溫度，如相等，步進(jìn)電機(jī)2控制出水口開(kāi)啟；如果不等，步進(jìn)電機(jī)2控制出水口關(guān)閉，集水口開(kāi)啟，步進(jìn)電機(jī)1控制混水閥調(diào)節(jié)水溫至出水口溫度與設(shè)定溫度一致。

4? 系統(tǒng)測(cè)試

本設(shè)計(jì)利用KeilC51編程軟件進(jìn)行編程并，在Protues軟件進(jìn)行仿真測(cè)試[10]。經(jīng)過(guò)測(cè)試，裝置能夠正常運(yùn)行。將裝置需要的各個(gè)硬件模塊連接在開(kāi)發(fā)板上，開(kāi)發(fā)板包括STC89C52單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，DS18B20溫度傳感器，LED顯示器，蜂鳴器等模塊。開(kāi)發(fā)板連接實(shí)物圖如圖12所示。

系統(tǒng)測(cè)試主要對(duì)DS18B20溫度傳感器進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)事先編寫好的程序，使得溫度傳感器感應(yīng)到的溫度值在數(shù)碼管顯示屏上進(jìn)行顯示，并與實(shí)際溫度進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)過(guò)測(cè)試，數(shù)碼管顯示溫度與實(shí)際溫度一致，DS18B20溫度傳感器能夠正常使用。測(cè)試情況如圖13所示。

5? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)的裝置以STC89C52為核心，針對(duì)傳統(tǒng)熱水器出水溫度不穩(wěn)定、出水溫度不可控、出水溫度無(wú)法直觀顯現(xiàn)、使用上不夠方便、造成水資源浪費(fèi)的問(wèn)題，利用步進(jìn)電機(jī)、DS18B20溫度傳感器、LED數(shù)碼管逐一解決其缺點(diǎn)，再通過(guò)KielC51軟件編程仿真調(diào)試，證實(shí)了本裝置在理論上的可行性，實(shí)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)中預(yù)期的功能。

本裝置結(jié)構(gòu)小巧、安裝簡(jiǎn)單，使用便捷，可搭載在任何家用熱水器上，可用范圍極廣，不需要用戶更換新的熱水器，也省去了拆卸上的麻煩，更容易被社會(huì)接受，具有廣闊的市場(chǎng)前景和極大的發(fā)展空間。

本裝置在設(shè)計(jì)上還存在可以優(yōu)化的地方。比如在冷水收集循環(huán)利用方面不夠便捷，還需要另外的儲(chǔ)水裝置用于收集冷水，而儲(chǔ)水裝置儲(chǔ)滿后還需使用者及時(shí)更換或轉(zhuǎn)移儲(chǔ)水裝置中的冷水。這一方面若是使用中央供熱的大型熱水器，便可直接將集水口流出的冷水通過(guò)導(dǎo)管導(dǎo)入熱水器，直接實(shí)現(xiàn)冷水循環(huán)利用。此時(shí)可以在本裝置中添加IC卡自動(dòng)扣款功能，用于商業(yè)用途或?qū)W校、工廠公共浴室。家用上可以添加藍(lán)牙模塊或者Wi-Fi模塊，通過(guò)藍(lán)牙或者Wi-Fi與手機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)手機(jī)直接進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，達(dá)到預(yù)設(shè)洗浴溫度的功能。也可以搭載語(yǔ)音輸入模塊，直接通過(guò)語(yǔ)音控制，讓本裝置逐漸完善功能，從而更便捷、更智能。

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作者簡(jiǎn)介：劉栩源（1999—），男，漢族，江蘇南通人，本科

在讀，研究方向：控制理論與控制系統(tǒng)；通訊作者：翟娟（1990—），女，漢族，江蘇揚(yáng)州人，講師，碩士，研究方向：控制理論與控制系統(tǒng)。

收稿日期：2023-01-04

基金項(xiàng)目：2021年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（202102269008）；揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（YJ202238）