智能數(shù)字混水閥的設(shè)計(jì)

高新碩　左玉虎　郭春鳳

摘 要：針對(duì)目前廣泛使用的機(jī)械式混水閥存在的缺陷，設(shè)計(jì)了一種智能數(shù)字混水閥，可以快速實(shí)現(xiàn)出水溫度的控制并進(jìn)行保持，同時(shí)節(jié)水的理念對(duì)程序流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到了很好的節(jié)水效果。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器；混水閥；研究分析

目前，機(jī)械式混水閥廣泛應(yīng)用于公共洗浴和家庭太陽(yáng)能或電熱水器中，其主要工作方式是采用單把混合手柄旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)冷熱水的比例，達(dá)到調(diào)整混合水溫度的目的，該方式調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，但水溫控制不準(zhǔn)，尤其是熱水水溫出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，出水溫度很難達(dá)到恒定，同時(shí)，出水溫度是有使用者用肢體觸覺來感知，整個(gè)反饋過程時(shí)間過長(zhǎng)，水溫波動(dòng)較大，且不符合節(jié)水的觀點(diǎn)。為此，可以選用控制更精確、反應(yīng)更迅速的單片機(jī)作為控制核心，通過溫度傳感器檢測(cè)混合水及熱水溫度，用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源來調(diào)節(jié)冷熱水的比例，達(dá)到快速調(diào)節(jié)水溫的目的，同時(shí)保證出水溫度恒定。

1 智能數(shù)字混水閥的整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，智能數(shù)字混水閥由兩個(gè)普通水閥、兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)、兩個(gè)傳感器構(gòu)成，其工作原理是冷熱水管分別用一個(gè)閥和一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制，水溫控制過程如下：當(dāng)使用人設(shè)定好出水口溫度后，按下出水按鈕，此時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1根據(jù)設(shè)定的出水量動(dòng)作，熱水管打開，同時(shí)溫度傳感器1檢測(cè)熱水溫度，當(dāng)30秒后熱水溫度仍低于設(shè)定溫度時(shí)，停水報(bào)警；如果溫度傳感器2檢測(cè)的水溫大于設(shè)定溫度，則熱水管開口減小，同時(shí)冷水管打開，直至達(dá)到設(shè)定溫度。出水溫度波動(dòng)小于1度時(shí)，冷熱水比例不重新調(diào)節(jié)。通過這種方式達(dá)到快速供熱水的目的。出水量大小通過一個(gè)旋鈕開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)出水量大小的連續(xù)控制。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

如圖2所示，智能數(shù)字混水閥的控制系統(tǒng)主要由溫度采集模塊、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊、蜂鳴報(bào)警器、控制器、鍵盤輸入模塊、顯示模塊組成。

溫度采集模塊采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20，該傳感器的使用簡(jiǎn)單，只需一根數(shù)據(jù)線即可與控制核心連接，測(cè)溫準(zhǔn)確，精度在0.5℃，反應(yīng)迅速，在1秒內(nèi)即可完成溫度檢測(cè)。選用兩個(gè)溫度傳感器，分別檢測(cè)熱水溫度和出水溫度，并用控制核心對(duì)這兩個(gè)溫度與設(shè)定溫度對(duì)比，以此來調(diào)節(jié)冷熱水比例，達(dá)到調(diào)整水溫的目的。[1]

控制器采用AT89C52 單片機(jī)，這是控制核心，首先接受設(shè)定的水溫和水量，然后控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)作，同時(shí)顯示熱水溫度和出水口水溫，當(dāng)熱水溫度過低時(shí)，通過蜂鳴器報(bào)警。[2]

從使用安全角度出發(fā)，選用工作電壓為5V帶步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，由于水閥的開啟關(guān)閉需要比較大的扭矩，特為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選配齒輪減速器，既可以增大扭矩，又可以提高水閥的出水精度。

蜂鳴器是用來報(bào)警的，主要是防止熱水溫度過低而造成水資源浪費(fèi)。

顯示模塊由LED屏構(gòu)成，主要顯示設(shè)定溫度、熱水溫度、出水溫度、出水量等信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)思想，得到主程序流程圖如圖3所示。在控制流程中，為了使出水溫度快速達(dá)到設(shè)定的溫度，特意在程序開始執(zhí)行時(shí)，先只開熱水閥，當(dāng)出水溫度高于設(shè)定溫度時(shí)才開始冷熱水混合，減少水資源浪費(fèi)。針對(duì)各種原因造成的熱水不熱（熱水溫度低于設(shè)計(jì)溫度）的情況，在程序中設(shè)定30秒的等待時(shí)間，當(dāng)超過30秒出水溫度仍低于設(shè)定溫度時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，提醒使用者熱水溫度過低，達(dá)不到設(shè)定要求，以節(jié)約水資源。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章介紹的智能數(shù)字混水閥制作成本低，輸出水溫度調(diào)節(jié)范圍大，出熱水迅速，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中充分考慮各種意外情況，能夠達(dá)到有效節(jié)水的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]秦芹.一種基于 DS18B20 的溫度采集新方案[J].電子技術(shù)，2010（10）：62-64.

[2]彭為.單片機(jī)典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.