一種全自動(dòng)控溫智能水閥的設(shè)計(jì)

王天偉

摘 要：文中介紹了一種具有檢測(cè)、自我調(diào)節(jié)溫度以及智能提示功能的水閥裝置。分析了現(xiàn)有電控閥的發(fā)展?fàn)顩r，并在此基礎(chǔ)上找到了市場(chǎng)短板，從而設(shè)計(jì)出一種滿足普通百姓需求的智能控溫水閥。此系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為控制核心，用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，用液晶顯示屏來(lái)實(shí)時(shí)顯示其所要向用戶展示的數(shù)據(jù)以及對(duì)用戶的智能提示，并降低了維修難度。此設(shè)計(jì)對(duì)進(jìn)一步發(fā)展我國(guó)智能家居裝置、推廣節(jié)水政策有一定的幫助。

關(guān)鍵詞：水閥；STC51單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；溫度調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)：TM924 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）08-00-02

0 引 言

電控閥作為執(zhí)行元件在自動(dòng)化越發(fā)普及的當(dāng)代社會(huì)中應(yīng)用十分廣泛。隨著智能用品的發(fā)展，其主要問(wèn)題是降低產(chǎn)品成本以及迎合百姓需求。

目前較為常用的閥門主要有電動(dòng)閥和電磁閥。對(duì)于采用電磁的電動(dòng)閥來(lái)說(shuō)，雖然可以用很短時(shí)間的脈沖電平完成開關(guān)動(dòng)作，但其耗電量大，零功耗幾乎不可能，且維護(hù)困難。市面在售的電控閥大多面向企業(yè)及工廠，少有適用于中小家庭和單位的設(shè)備。由于大多產(chǎn)品僅具有單一的電控功能，無(wú)法滿足百姓的日常需求。因此解決產(chǎn)品面向?qū)ο蟆⒔档彤a(chǎn)品成本以及滿足百姓所需就顯得尤為重要。本文設(shè)計(jì)的這一控溫智能閥門基本能夠解決以上問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)背景

水與人們的生活息息相關(guān)，在家庭中，小到洗菜做飯、洗衣養(yǎng)魚，大到洗浴，各個(gè)方面都有水的身影，而隨著四季變化，我們對(duì)水溫的要求也不斷改變。目前市場(chǎng)中的水龍頭水溫控制大多基于人為操作，根據(jù)人體對(duì)水溫的感應(yīng)，不斷調(diào)整冷水和熱水的閥門使水溫達(dá)到自己感到適宜的溫度。這一過(guò)程不僅浪費(fèi)了水資源，也無(wú)法快速達(dá)到人們滿意的程度。通過(guò)全自動(dòng)控溫水閥，人們可通過(guò)觸摸屏設(shè)置固定的溫度，使初始水溫達(dá)到自己的理想預(yù)期。此設(shè)備積極響應(yīng)國(guó)家對(duì)于節(jié)水政策的倡導(dǎo)，避免浪費(fèi)，且造價(jià)低廉，適合中小家庭安裝使用。

2 系統(tǒng)組成與功能

2.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由STC89C51單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、溫度傳感器、液體渦輪流量計(jì)、閥位檢測(cè)裝置等模塊及一些外設(shè)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)還有顯示及設(shè)置溫度、智能溫度助手等功能。

本系統(tǒng)采用STC公司的STC89C51單片機(jī)。該單片機(jī)的最高工作時(shí)鐘頻率為80 MHz，片內(nèi)含有8 KB的可反復(fù)擦寫1 000次的Flash只讀程序儲(chǔ)存器，器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，配合PC端的控制程序可將用戶程序代碼下載進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，不必購(gòu)買通用編程器，且速度更快。

通過(guò)單片機(jī)STC89C51實(shí)現(xiàn)對(duì)水閥內(nèi)兩個(gè)獨(dú)立閥門（冷水閥門、熱水閥門）的控制，并結(jié)合WZP-PT100溫度傳感器、液體渦輪流量計(jì)分別對(duì)水溫和兩個(gè)獨(dú)立出水口流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使用戶出水口流出的水的溫度達(dá)到用戶預(yù)先設(shè)置的溫度，并且在關(guān)閉用戶出水口一段時(shí)間后再打開時(shí)，水溫仍然可以保持。串行通信采用RS-232接口。步進(jìn)電機(jī)可以對(duì)位移量、旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度等進(jìn)行高精度控制，實(shí)現(xiàn)了水閥開度的自由控制。使用RS-232C接口的通信線路在15 m左右可以達(dá)到正常的通信要求。RS-485由于使用差分電平傳輸信號(hào)，傳輸距離比RS-232C更長(zhǎng)，最多可達(dá)1 000 m，且其數(shù)據(jù)抗干擾能力增強(qiáng)，通信范圍更廣，而軟件設(shè)計(jì)卻不需要進(jìn)行大的改動(dòng)，可以考慮將其作為RS-232C多機(jī)網(wǎng)絡(luò)的替代方案。系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三大功能，即智能溫控功能、智能溫度助手和串行通信功能。

2.2.1 智能溫控功能

利用WZP-PT100溫度傳感器對(duì)兩個(gè)獨(dú)立出水口水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。使用時(shí)可通過(guò)顯示屏設(shè)定期望溫度，溫度傳感器將監(jiān)測(cè)到的冷水、熱水溫度傳輸給單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)PID算法，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)使冷水、熱水閥門以一定比例打開，使水溫初步達(dá)到期望值。而流量計(jì)實(shí)時(shí)檢測(cè)流量（現(xiàn)實(shí)生活中，水管中的水壓是變化的），并反饋參數(shù)給單片機(jī)，溫度傳感器將檢測(cè)到的實(shí)際水溫反饋給單片機(jī)，并與期望水溫相比，計(jì)算水溫誤差。單片機(jī)根據(jù)水溫誤差實(shí)時(shí)控制冷水、熱水閥門的比例。

關(guān)于算法：設(shè)最終溫度為T，冷水為T1，熱水為T2，吸收熱量等于放出熱量（水的比熱相等）。 Q=CM1（T-T1）=CM2（T2-T），解得M1/M2=（T2-T）/（T-T1），質(zhì)量比轉(zhuǎn)化為體積比，再根據(jù)流量傳感器測(cè)得的流量比（體積比）求出閥門開啟的范圍大?。偭髁恳欢ǎ?，從而達(dá)到期望的溫度。

2.2.2 智能溫度助手

在觸控面板內(nèi)置有溫度傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置所處環(huán)境的溫度，然后根據(jù)單片機(jī)預(yù)置資料庫(kù)程序，給予用戶合適的水溫建議，讓用戶省去了自己嘗試水溫的過(guò)程。

2.2.3 串行通信功能

串行通信接口采用RS-232接口。由于RS-232C標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯，一般單片機(jī)均為0～5 V的正邏輯，故在電路上采用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，實(shí)現(xiàn)正電壓、負(fù)電壓的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)采用一個(gè)主機(jī)對(duì)多個(gè)從機(jī)的通訊方式。

軟件流程主要包括系統(tǒng)初始化、溫度檢測(cè)及顯示、閥門控制及閥位檢測(cè)、RS-232通信、中斷處理（包括無(wú)水中斷、手動(dòng)中斷及USART雙向通信中斷）。單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為4 MHz，通信波特率設(shè)定為19 200波特。該系統(tǒng)的智能溫控流程如圖3所示。

3 與普通控水閥門的區(qū)別

全自動(dòng)控溫智能水閥與普通控水閥門相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）用溫度傳感器檢測(cè)出冷水和熱水的溫度，根據(jù)一定比例調(diào)制出自己期望的水溫。

（2）可以自動(dòng)檢溫，實(shí)時(shí)顯示水溫。

（3）閥門自動(dòng)檢測(cè)功能。閥門、檢測(cè)閥門實(shí)際位置的電位器及步進(jìn)電機(jī)三者相連，將閥門位置轉(zhuǎn)換成電位器的電壓。

（4）通過(guò)觸摸屏人為設(shè)定固定水溫，并根據(jù)溫差反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)整水溫使水溫達(dá)到滿意值。

（5）手動(dòng)控制功能。當(dāng)手動(dòng)切換控制開關(guān)按下時(shí)，手動(dòng)中斷發(fā)生，閥門將處于手動(dòng)控制狀態(tài)。

4 后期擴(kuò)展

可以安裝藍(lán)牙射頻模塊，并編寫控制面板App，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)對(duì)系統(tǒng)的無(wú)線控制。也可加載WiFi模塊，在室外實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，比如可以用手機(jī)端設(shè)置好理想的水溫及出水量，回家后就可以在第一時(shí)間泡熱水澡。

5 結(jié) 語(yǔ)

水是生命之源，中國(guó)水資源已嚴(yán)重短缺，節(jié)約水資源刻不容緩，因此大力推廣節(jié)水新產(chǎn)品、應(yīng)用節(jié)水新技術(shù)勢(shì)在必行。文中在分析了現(xiàn)有電控閥功能及面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)上，給出了一種控溫智能水閥的設(shè)計(jì)方案并簡(jiǎn)析了其工作原理。這種控溫閥能夠使水溫快速達(dá)到用戶預(yù)想的溫度，從而減少嘗試的次數(shù)與時(shí)間，減少對(duì)水資源的浪費(fèi)。設(shè)計(jì)選擇了合適的組件，降低了造價(jià)成本，適合廣大中小單位及家庭安裝使用。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，便于維修。

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