家用飲水機智能設(shè)計與節(jié)能改進?

朱奎林

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣元 628017）

家用飲水機智能設(shè)計與節(jié)能改進?

朱奎林

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣元 628017）

飲水機是家庭及辦公場所的常用電器，飲水機反復(fù)加熱飲用水容易形成“千滾水”，長期飲用“千滾水”對身體極不健康。針對“千滾水”問題，分析了目前占多數(shù)溫?zé)嵝惋嬎畽C的電路原理，結(jié)合對飲水機的不同個性需求，考慮了三種模式，設(shè)計了家用飲水機智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機為主控芯片，分析研究了系統(tǒng)構(gòu)成及模塊連接、軟件流程圖、系統(tǒng)調(diào)試等重要內(nèi)容。目前的飲水機還存在熱量浪費問題，在飲水機出氣管上可連接一個密閉容器進行節(jié)能改進，提高熱量的利用率。

飲水機；單片機；智能控制；節(jié)能改進

1 引言

水是人類的生命之源，清潔、純凈的飲用水是人體的基本需求，飲水機是家庭常用的必備電器。目前市場的飲水機主要分為溫?zé)嵝秃屠錈嵝蛢深?，以溫?zé)嵝驼即蠖鄶?shù)，分析現(xiàn)有的飲水機存在以下問題：

1）飲用水在飲水機內(nèi)膽被反復(fù)“加熱-冷卻-再加熱”后，形成“千滾水”［1～3］。“千滾水”雖看似干凈，卻因煮沸過久，水中不揮發(fā)性物質(zhì)如鈣、鎂等重金屬成分和亞硝酸鹽含量很高，長期飲用，對我們的身體極不健康。

2）飲用水在內(nèi)膽加熱成開水的過程中，其出氣管會冒出大量的高溫水蒸汽未被有效的利用，熱量被白白的浪費。

2 常見溫?zé)嵝图矣蔑嬎畽C的電路原理分析

常見溫?zé)嵝图矣蔑嬎畽C的電路原理圖如圖1所示。圖中ST1是加熱用溫控器，ST2是保護用溫控器，兩溫控器安裝于飲水機內(nèi)膽的外殼上，檢測水的溫度，常溫下其內(nèi)部雙金屬片上的觸點處于閉合狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)S1閉合，膽內(nèi)加熱管EH得電加熱飲用水，當(dāng)水溫達到88℃左右時，ST1內(nèi)的雙金屬片上的觸點斷開，表示水已燒開，可以飲用開水，當(dāng)水溫降到一定程度時，其內(nèi)部的觸點又閉合，重新加熱，如此周而復(fù)始，如果水燒開后人沒有喝仍滯留在內(nèi)膽，或者人喝水后沒有關(guān)S1，內(nèi)膽的飲用水反復(fù)“加熱-冷卻-再加熱”就形成了對人身體不利的“千滾水”。圖1中ST1內(nèi)部觸點常常閉合后常常又斷開，容易失效，當(dāng)其水溫超過88℃較多時仍未斷開，溫度達到95℃左右時，溫控器ST2強制斷開，起到保護作用，從而避免一直加熱飲用水釀成事故。

圖1 常見溫?zé)嵝图矣蔑嬎畽C的電路原理圖

3 家用飲水機的智能設(shè)計與調(diào)試

由上面的分析可知，“千滾水”的形成是人為因素造成的，現(xiàn)在拋開“千滾水”的人為因素，從設(shè)計的角度考慮家用飲水機智能控制問題：在飲水機上設(shè)有傳感器，實時感知屋內(nèi)是否有人，如果在設(shè)定時間內(nèi)感知無人，則自動斷開飲水機加熱器，防止反復(fù)加熱飲用水形成“千滾水”。如果感知屋內(nèi)有人，就根據(jù)人的個性需要選擇不同的模式［4～6］，本系統(tǒng)設(shè)計了三種模式，即健康模式、加熱模式和普通模式，根據(jù)個性需要進行選擇。

3.1 家用飲水機智能控制系統(tǒng)的組成與電路連接關(guān)系

家用飲水機單片機智能控制系統(tǒng)［7～9］的組成與電路連接關(guān)系如圖2所示。圖2中，主控芯片選用單片機IAP15F2K61S2（40個管腳），采用按鍵復(fù)位，系統(tǒng)時鐘為12MHz。

DS18B20數(shù)字溫度傳感器（TO-92封裝）固定于飲水機內(nèi)膽的管壁上，實時采集飲用水的溫度，通過P2.1端口送入單片機內(nèi)部。時鐘/日歷芯片為PCF8563，通過I2C總線與單片機的P1.6和P1.7串行通信。人體感應(yīng)器采用人體熱釋紅外感應(yīng)模塊HC-SR501，基于紅外線自動控制技術(shù)，采用德國原裝進口LHI778探頭，靈敏度高，可靠性強，可感應(yīng)5～7m的直線距離（無障礙時可感應(yīng)大約7m距離，有障礙時可感應(yīng)大約5m距離）。單片機P2.0端輸出到繼電器模塊，繼電器主觸點的狀態(tài)決定飲水機內(nèi)膽的加熱管是否工作。P1.4端輸出到蜂鳴器，可以起到提醒或報警功能。獨立鍵盤（4個按鍵：復(fù)位鍵、+鍵、-鍵、確定鍵）通過P1.0～P1.3作為控制信號輸入到單片機。LCD1602液晶顯示屏作為菜單顯示，與單片機的P0.0～P0.7相連。系統(tǒng)電源提供5V的穩(wěn)定直流電壓供給單片機和其他各模塊使用。

圖2 系統(tǒng)組成與電路連接關(guān)系圖

3.2 家用飲水智能機控制系統(tǒng)軟件流程圖

圖3 家用飲水機智能控制系統(tǒng)軟件流程圖

家用飲水機單片機控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。圖3中，需要先配置單片機IAP15F2K61S2中斷相關(guān)寄存器，初始化液晶LCD1602、時鐘/日歷芯片PCF8563和DS18B20數(shù)字溫度傳感器，液晶顯示屏上才能讀出當(dāng)前日期、時間和飲用水的實際溫度值。系統(tǒng)設(shè)有三種模式，在模式一（即健康模式）下，可設(shè)定人喝水的杯數(shù)和喝水的時間，時間到了之后可提醒您喝水；在模式二（即加熱模式）可設(shè)定加熱的時間；在模式二（即普通模式）則可手動控制飲水機的工作狀態(tài)。

在飲水機上設(shè)有人體熱釋紅外傳感器，實時感知屋內(nèi)是否有人，如果在設(shè)定時間（10分鐘）內(nèi)感知無人，則自動斷開飲水機加熱器，防止反復(fù)加熱飲用水形成“千滾水”。

3.3 家用飲水機智能控制系統(tǒng)軟件的調(diào)試

3.3.1 初始畫面的調(diào)試

將時鐘/日歷芯片中的數(shù)據(jù)傳入到單片機中，單片機經(jīng)處理后顯示到液晶上；將溫度模塊的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C中，單片機將數(shù)據(jù)處理成十進制數(shù)后，也顯示到液晶上，與時間同時顯示，共同完成了初始畫面的顯示，如圖4所示。

圖4 液晶初始界面

3.3.2 模式選擇調(diào)試

系統(tǒng)有三種模式，每個模式對應(yīng)一個子畫面，可通過鍵盤上的+鍵、-鍵選擇需要的模式，圖5為健康模式（模式一）選擇畫面，在選擇畫面下按下確定鍵即可健康模式的操作。

圖5 模式選擇畫面

3.3.3 子菜單界面調(diào)試

每一種模式下都有自己的子菜單，圖6顯示的是模式一選項下設(shè)置每天喝幾杯水的子畫面，可通過鍵盤加減鍵設(shè)置喝水杯數(shù)。

圖6 喝水杯數(shù)子畫面

4 家用飲水機的節(jié)能改進

針對飲水機出氣管熱量浪費問題作節(jié)能改進［10］，在出氣管上連接一個密閉容器，利用出氣管排入到密閉容器內(nèi)高溫水蒸汽進行加熱。經(jīng)過這樣的改進，飲水機既有飲水的功能，又有加熱的功能，實現(xiàn)了一舉兩得。如在冬天，需要單獨加熱袋裝牛奶或少量的食物，用微波爐或其他的加熱工具極不方便，同時費時；使用這樣的飲水機不僅可以喝上開水，還可以喝上熱的牛奶或吃上熱的食物。經(jīng)過這樣的改進，提高了對飲水機熱量的利用效率，達到了節(jié)能的目的。

5 結(jié)語

人人要飲水如同人人要吃飯一樣必不可少，飲水機成為加熱或制冷飲用水的主要電器，現(xiàn)飲水機已成為千家萬戶的必備家用電器。但是，目前市場的飲水機，存在“千滾水”危害健康問題和出氣管熱量浪費問題。

文章從分析飲水機的常規(guī)電路圖入手，結(jié)合“千滾水”問題和人們對家用飲水機的個性不同需求，設(shè)計了家用飲水機智能控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)組成及模塊連接、軟件流程圖、系統(tǒng)調(diào)試進行了深入分析與研究。針對熱量浪費問題，在飲水機出氣管上可連接一個密閉容器，利用排入到密閉容器內(nèi)高溫水蒸汽對其他物品加熱，由此提高了熱量的利用效率。

兩種方案真實可行，具有前瞻性，又符合節(jié)能環(huán)保的時代主題，值得深入研究并加以推廣利用。

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Household Water Machine Intelligent Design and Energy Saving Improvement

ZHU Kuilin
（Sichuan Vocational College of Information Technology，Guangyuan 628017）

Drinking water machine is a common household appliances and office places，drinking water machine repeated heating drinking water is easy to form the“thousands of boiling water”，long-term drinking“thousands of boiling water”not exactly healthy.According to the“thousands of boiling water”problem，analysis of the current accounts for most of the drinking water ma?chine principle，combination of the drinking water machine of different individual needs，consider three models，the design of household drinking machine intelligent control system.This system takes the MCU as the main control chip，an important content to analyze the system structure and module connection，the software flow chart，system debug etc.Drinking water machine at present still exists the problem of heat waste，can be connected to a closed container to improvement of energy saving in the outlet pipe of the drinking water machine，improves the utilization rate of heat.

water dispenser，microcomputer，intelligent control，energy saving improvement

Class Number TP273

TP273

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.12.044

2017年6月9日，

2017年7月26日

朱奎林，男，教授，高級工程師，研究方向：運動控制及網(wǎng)絡(luò)通信。