基于新能源與單片機(jī)技術(shù)的定時排水閥設(shè)計

王樂　康勇　常帥帥　柯希愛

摘? ?要：當(dāng)前社會背景下，人們對定時排水閥的需求較大?；谶@個目標(biāo)，本文設(shè)計了一款符合大眾需求的產(chǎn)品—定時排水閥。該產(chǎn)品通過定時器控制電磁閥的開閉，可以滿足人們?nèi)粘Ｉ钪袑λ魍〝鄷r間控制的需求。定時排水閥由蓄電池提供能源，太陽能充電裝置為蓄電池補(bǔ)充能源，來驅(qū)動整個裝置運(yùn)行。YYT-2S 時鐘繼電器模塊作為控制部件與電磁閥連接，在設(shè)定好的時間段內(nèi)接通電路，使電磁閥正常工作。

關(guān)鍵詞：定時排水閥;單片機(jī);新能源;YYT-2S時鐘繼電器

1? ? 項目研究的目的及意義

項目研究目的：（1）解決自動排水以及補(bǔ)水的問題。（2）在一些水資源匱乏的地區(qū)，實(shí)現(xiàn)有計劃地定時排水。（3）在日常生活中，解決魚缸換水等問題。

產(chǎn)品意義：本研究可實(shí)現(xiàn)定時排水功能，解放勞動力。

2? ? 市場現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢前景

市面上有許多的定時排水閥，但大多數(shù)是需要通過鋪設(shè)線路或人力每天操作，較為麻煩。我們設(shè)計采用光伏發(fā)電技術(shù)來為整體裝置提供能源，無需鋪設(shè)線路，無需交流供電，可以節(jié)約資源。再加上時間控制器通過感應(yīng)當(dāng)初設(shè)定的一定數(shù)值，來實(shí)現(xiàn)定時功能，減少麻煩，減輕不必要的浪費(fèi)，只需要定期檢查即可。本產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)自動排水，通過簡單的組合就能達(dá)到預(yù)期目的，并且價格低廉，大多數(shù)人都能接受。根據(jù)數(shù)據(jù)報告顯示，2006～2014年，水閥市場規(guī)模呈上漲趨勢。由2006年的440.63 億美元上漲到623.33 億美元。未來幾年，全球閥門市場規(guī)模復(fù)合平均增長率達(dá) 6.5%，預(yù)計到2019年全球閥門市場的規(guī)模將達(dá)到854.75 億美元。自 1998 年以來國內(nèi)閥門產(chǎn)量增長迅速，由不足50 萬t增長到 2014 年的1 000 多萬t，其中 2015 年僅 1～10 月份便實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量 802.77 萬t，平均增長率高達(dá) 20.73%。由數(shù)據(jù)報告可看出，水閥市場的前景較為樂觀，屬于上漲趨勢[1]。

3? ? 整體設(shè)計方案

3.1? 整體框架

本項目主要由太陽能電池板、太陽能電池板控制器、蓄電池、YYT-2S 時鐘繼電器模塊、中間繼電器、電磁閥及一些導(dǎo)線組成，核心為YYT-2S 時鐘繼電器模塊（見圖1）。

3.2? 基本原理

利用單片機(jī)技術(shù)在規(guī)定時間內(nèi)控制電流的通斷，并將電流信號傳輸給電磁閥，來實(shí)現(xiàn)定時排水功能。

3.3? 各模塊介紹

3.3.1? 太陽能電池板

當(dāng)光線照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了躍遷，成為自由電子在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率[2]。

3.3.2? 太陽能電池板控制器

經(jīng)過光線照射后發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生的電流是具有波動性的。因此，我們必須把電流先送入太陽能控制器，采用一系列專用芯片電路對其進(jìn)行數(shù)字化調(diào)節(jié)，確保電池和負(fù)載的運(yùn)行安全和使用壽命。

3.3.3? 蓄電池

采用兩個12 V 5ah的蓄電池串聯(lián)，達(dá)到工作所需的24 V直流電;在充電時，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，放電時化學(xué)能又轉(zhuǎn)化為電能。

3.3.4? 時間控制器

利用單片機(jī)技術(shù)，在電路板上接入高精度時鐘芯片PCF8563，為整個裝置提供穩(wěn)定的時間信號。模塊內(nèi)置電池，斷電也可走時。

3.3.5? 中間繼電器

控制電路與工作電路分工作原理：當(dāng)時間控制器將電信號傳輸?shù)嚼^電器上時，繼電器內(nèi)銜鐵壓動觸點(diǎn)彈片，使觸點(diǎn)接通到常開端。這樣便可接通電源與電磁閥，電磁閥開始正常工作[3]。

4? ? 預(yù)定計劃完成情況

新型定時排水閥主要分為三大模塊，分別為能源供給模塊、定時器模塊、流體控制模塊。能源供給模塊由太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池組成。通過多次計算，本設(shè)計最終決定采用DC 24V為整個裝置的工作電壓，利用太陽能控制器將太陽能電池板發(fā)出的不穩(wěn)定的電流轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的電流，儲存到蓄電池中，由蓄電池為定時器和電磁閥提供能量。定時器模塊用的是YYT-2S 時鐘繼電器模塊。該模塊利用單片機(jī)技術(shù)，在電路板上接入高精度時鐘芯片PCF8563，為整個裝置提供穩(wěn)定的時間信號。模塊內(nèi)置紐扣電池，斷電也可走時[4]。流體控制模塊由中間繼電器和電磁閥組成。該繼電器主要是將單片機(jī)的通斷信號傳輸給電磁閥，通過繼電器內(nèi)的銜鐵接通或斷開觸點(diǎn)控制電路實(shí)現(xiàn)“通”“斷”控制電磁閥工作;發(fā)電磁閥采用的是直動式電磁閥，通電時，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開;斷電時，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)流體控制功能[5]。將以上三大模塊結(jié)合起來就構(gòu)成了“新型定時排水閥”。

5? ? 部件組裝

5.1? 太陽能電池板的接線

如圖2所示，太陽能電池板裝置背面有兩個接線口。將正極、負(fù)極導(dǎo)線連接到接線柱上，太陽能電池板便連接完成。

5.2? 蓄電池的連接

將兩個12 V的蓄電池串聯(lián)即可。

5.3? 太陽能電池板控制器的連接

在太陽能電池板控制器下方有3組接線口，從左往右依次是太陽能電池板接線口、蓄電池接線口、負(fù)載接線口。將太陽能電池板上接出的兩根導(dǎo)線按正負(fù)極連接到太陽能電池板控制器上的太陽能電池板接線口; 將蓄電池上接出的兩根導(dǎo)線按正負(fù)極連接到太陽能電池板控制器上的蓄電池接線口。負(fù)載接線口用于連接中間繼電器。

5.4? 時間控制器連接

如圖2所示，在時間控制器下方有5的接線口，從左往右，依次是裝置電源正極、裝置電源負(fù)極、微型繼電器常開端、微型繼電器公共端和微型繼電器常閉端。

裝置電源正極連接到蓄電池正極接線端;裝置電源負(fù)極連接到蓄電池負(fù)極接線端;微型繼電器常開端連接到中間繼電器線圈電源A1“14”（中間繼電器接線端編號）接線端;微型繼電器公共端連接到蓄電池正極接線端;微型繼電器常閉端不連接導(dǎo)線。

5.5? 中間繼電器模塊連接

如圖2所示，使用的中間繼電器是正泰JZX-22F 2Z繼電器，該裝置上共有8個接線端，從左往右，從上至下分別是常閉點(diǎn)“4”、常閉點(diǎn)“1”、常開點(diǎn)“8”、常開點(diǎn)“5”、公共端“12”、公共端“9”、線圈電源A1“14”、線圈電源A2“13”。

常閉點(diǎn)“4”和常閉點(diǎn)“1”不連接導(dǎo)線;常開點(diǎn)“8”連接到電磁閥上正極接線端，常開點(diǎn)“5”連接到電磁閥上負(fù)極接線端;公共端“12”連接到太陽能電池板控制器的正極負(fù)載接線口;公共端“9”連接到太陽能電池板控制器的負(fù)極負(fù)載接線口;線圈電源A1“14”連接到時間控制器微型繼電器常開端;線圈電源A2“13”連接到蓄電池負(fù)極接線端。

5.6? 電磁閥連接

如圖2所示，電磁閥上共有兩個接線端，分別為電磁閥正極接線端、電磁閥負(fù)極接線端。

電磁閥正極接線端連接到中間繼電器上的常開點(diǎn)“8”; 電磁閥負(fù)極接線端連接到中間繼電器上的常開點(diǎn)“5”。

6? ? 裝置測試

6.1? 整體裝置的測試

將裝置放置于戶外陽光充足的地方，固定好裝置，（排除其他因素影響），接好電源線，查看設(shè)備在未接電源的情況下，能否有屏顯。定好所需要的時間，參考北京時間，利用手機(jī)計時來核定裝置控制電流通斷的準(zhǔn)確性。

6.2? 各個模塊測試

6.2.1? 太陽能板測試

將太陽能板放置于太陽光下，串聯(lián)上電流表，并聯(lián)一個電壓表，再外接一個負(fù)載，使其構(gòu)成回路，看電流表和電壓表表數(shù)，如果有變化，則太陽能供電裝置正常。

6.2.2? 太陽能板控制器測試

從6.2.1中我們看到電流表和電壓表數(shù)值不穩(wěn)定，把太陽能板控制器接到太陽能板上，如果發(fā)現(xiàn)電流表和電壓表趨于一個穩(wěn)定值，那么太陽能控制板可以正常使用。

6.2.3? 蓄電池測試

將蓄電池接到一負(fù)載上，如果負(fù)載正常工作，則蓄電池正常，如果不能工作，另換蓄電池。

6.2.4? 定時器模塊測試

將規(guī)定電壓電流數(shù)值范圍內(nèi)的蓄電池接到定時器上，設(shè)置多組時間數(shù)組，用手機(jī)定時。如果和手機(jī)定時同步，則定時器模塊誤差范圍小，影響不大;反之，和手機(jī)定時不同步，則需要更換其他定時器模塊。

6.2.5? 中間繼電器測試

將繼電器接到通路狀態(tài)的電路中，繼電器內(nèi)銜鐵壓動觸點(diǎn)彈片，使觸點(diǎn)接通到常閉端（聽到繼電器跳到的聲音），說明繼電器沒有問題。把繼電器連到整個裝置中（太陽能—蓄電池—定時控制器—中間繼電器—電磁閥），單片機(jī)傳輸給它的電流信號控制里面銜鐵的觸點(diǎn)，接通常開觸點(diǎn)電磁閥不工作，接通常閉觸點(diǎn)電磁閥工作，則中間繼電器正常運(yùn)行。

6.2.6? 電磁閥的測試

將電磁閥進(jìn)水口接到水管處，電磁閥出水口沒有水流出，則電磁閥的封閉性能好。外接蓄電池給電磁閥通電，出水口有水噴出，并電磁閥有響聲，則電磁閥正常工作，無損壞。

以上所有測試都沒有問題后，將所有部件組裝到一起，再進(jìn)行最后的外觀設(shè)計，設(shè)備組裝就完成了。

7? ? 結(jié)語

經(jīng)過本設(shè)計項目，我們解決了自動排水的問題，實(shí)現(xiàn)了自動排水，價格便宜實(shí)惠，操作簡單。我國還處于發(fā)展階段，該設(shè)備市場前景很好。不足之處就是，長時間見不到太陽可能導(dǎo)致蓄電池電量耗盡，影響正常工作，在一周左右見不到太陽時，可更換一個充滿的蓄電池來解決這個問題。

[參考文獻(xiàn)]

[1]2017年中國排水閥門行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r[DB/OL].（2017-04-17）[2019-01-23].http：//www.chyxx.com/industry/201704/514359.html.

[2]太陽光發(fā)電協(xié)會.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與施工[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[3]繼電器工作原理[DB/OL].（2018-06-09）[2019-01-23].https：//baike.baidu.com/item.

[4]佚名.PCF8563時鐘芯片[DB/OL].（2018-07-20）[2019-01-23].https：//baike.baidu.com/item/pcf8563/9535254？fr=aladdin.

[5]佚名.直動式電磁閥 [DB/OL]. （2018-07-20）[2019-01-23].https：//baike.baidu.com/item.