基于Seebeck效應的高效型節(jié)水閥的設計

秦欣鑫 王起鑫 劉世豪 周琦 合苗

摘要：基于Seebeck（塞貝克）效應的高效型節(jié)水閥應運而生，本項目設有兩個冷熱水進水口和一個溫水出水口，以單片機為主控系統(tǒng)，配合按鍵輸入模塊、溫度采集模塊、電機驅動模塊、溫差發(fā)電模塊、液晶顯示模塊和報警模塊等協(xié)調運行，實現(xiàn)恒溫出水。用戶通過按鍵設置出水溫度，主控系統(tǒng)根據(jù)接收到的預設溫度信息和溫度傳感器測得的冷熱水溫度信息，通過內部程序算法控制步進電機帶動蝶閥轉動來調節(jié)冷熱進水比例，以達到設定的出水溫度。其間溫差發(fā)電模塊將冷熱水溫差轉化為電力，經(jīng)過PID穩(wěn)壓模塊穩(wěn)定驅動系統(tǒng)正常運行，實現(xiàn)能源自給。液晶顯示模塊實時更新出水溫度。出水口的溫度檢測裝置對出水溫度進行檢測，將信息實時反饋至主控系統(tǒng)，若出水溫度與預設溫度存在誤差，則調整蝶閥的混合比，使出水溫度趨于穩(wěn)定。若出現(xiàn)冷水突然斷供等突發(fā)狀況，導致出水水溫相對預設溫度過高，則緊急切斷出水并報警，嘗試重新啟動裝置。若重啟三次仍出水溫度異常，則不再自動重啟。

關鍵詞：恒溫節(jié)水;Seebeck效應;液晶顯示

1 研制背景及意義

1.1 研制背景

隨著人們生活水平的提高以及家用電器的普及，熱水器的應用已經(jīng)十分廣泛。目前家庭浴室所用的混水閥大多為機械水閥，其水溫調節(jié)方法是手動調整閥門的機械位置，控制冷熱水管道的出水比例。每次開啟時出水溫度都不穩(wěn)定，用戶需要用肢體感知出水溫度來調節(jié)冷熱水進水比例，需要進行反復調節(jié)，即使調好的水溫也會受到水壓變化的影響發(fā)生變化，降低了使用的舒適性，甚至出現(xiàn)水溫突變，燙傷身體的極端情況。由于機械水閥的功能不完善、精度低、可靠性差等問題，浪費了大量的時間和水資源。

2 工作原理及性能分析

2.1工作原理

2.1.1溫差發(fā)電

溫差發(fā)電的基本原理是熱電材料的Seebeck（塞貝克）效應：處在溫差環(huán)境中的兩種具有不同自由電子密度（或載流子密度）的金屬導體（或半導體 ）相互接觸時，接觸面上的電子從高濃度向低濃度擴散，且電子的擴散速率與接觸區(qū)的溫度差成正比[3]。因此，只要保持兩接觸導體間的溫差，電子就能持續(xù)擴散，兩導體另兩個端點之間就會形成穩(wěn)定的電壓。

2.1.2調節(jié)水溫

比熱容是單位質量的某種物質，在溫度升高時吸收的熱量與它的質量和升高的溫度乘積之比。根據(jù)此定理，有以下公式： ，其中，Q為吸收的熱量;m是物體的質量，?T是吸熱（放熱）后溫度所上升（下降）值。將冷水和熱水混合的過程可近似為絕熱過程，水的比熱容為常數(shù)，根據(jù)式（1），通過蝶閥控制冷熱水流量，可以得到任意溫度的溫水。例如，預設出水溫度為32℃，系統(tǒng)檢測到熱水為80℃，冷水為20℃。根據(jù)式（1），有：

根據(jù)式（1）可以得到，主控系統(tǒng)通過步進電機控制蝶閥，使冷熱水出水比例達到4：1時，可得到32℃的溫水。

3 設計方案

3.1控制系統(tǒng)

STC89C51單片機為主控制芯片，處理反饋信息?？偪刂齐娐分饕芍骺刂菩酒?、溫度采集模塊、鍵盤輸入模塊、溫度顯示模塊、步進電機驅動模塊和溫差發(fā)電模塊組成，當用戶通過按鍵設置好相應參數(shù)時，利用溫度傳感器檢測出水口水溫，將溫度信號傳送至51單片機，經(jīng)單片機分析處理后，反饋給各功能模塊做出相應指令，系統(tǒng)各傳感器之間的搭配組合高效節(jié)能，且具有較高的穩(wěn)定性。

3.1.2主要控制模塊：

（1）溫度采集模塊

采用DS18b20溫度傳感器，放置于準備緩沖區(qū)和出水檢測區(qū)，用戶設置出水溫度并按下確認鍵后，溫度傳感器將測量的溫度反饋至控制中心，通過內部程序算法控制步進電機帶動蝶閥轉動調節(jié)冷熱進水比例，以達到設定水溫。

（2）液晶顯示模塊

通過51單片機控制，將檢測到的水溫顯示到液晶屏上，為用戶提供水溫設置界面。

（3）鍵盤輸入模塊

通過矩陣按鍵設置按鍵輸入系統(tǒng)，用戶通過按鍵輸入設定出水溫度，單片機內部接收按鍵信息，保存預定水溫值。

（4）電機驅動模塊

溫度傳感器檢測水溫并將溫度信號傳送至51單片機后，比較出水溫度與設定的水溫值，控制步進電機帶動混水閥的轉向及轉角，精確的控制冷熱水的混合比例，直到混合水溫值在設定溫度范圍內時電機停止轉動，實現(xiàn)恒溫出水。

（5）溫差發(fā)電模塊

在冷熱水交界處設置有半導體溫差發(fā)電片，利用Seebeck效應，當溫差發(fā)電片兩側出現(xiàn)溫差時，將產(chǎn)生一定的電壓，從而將冷熱水的溫差轉化為電能，PID穩(wěn)壓調控系統(tǒng)穩(wěn)定溫差發(fā)電產(chǎn)生的電壓并為單片機供電[6]，使裝置擺脫外接電源，實現(xiàn)能源自給。

（6）報警模塊

在出水口處設蜂鳴器電路，實現(xiàn)報警系統(tǒng)，當位于出水區(qū)的溫度傳感器檢測到水溫不正常時，則觸發(fā)報警，若水溫差值在±3℃以內，則將反常信息反饋給上一級步進電機驅動模塊，快速重新調節(jié)水溫至正常值，若水溫差值較大，則報警器運行以提醒用戶，同時停止出水，直到水溫正常則停止報警，正常出水。

3.2 機械部分

可調式恒溫節(jié)水閥主要有三部分組成，第一部分為準備緩沖區(qū)，頂部大圓孔為冷熱水進水口，小圓孔放置溫度傳感器，底部的大圓孔為出水孔，中間放置半導體溫差發(fā)電片。此結構可以使溫差發(fā)電片充分利用溫差，以最高效率工作。出水口與蝶閥相連，使測得的水溫與通過蝶閥的水溫保持一致，避免了水流過程中由于溫度變化造成的混合誤差[8]。

第二部分為混水區(qū)，水流從準備緩沖區(qū)流入蝶閥，主控系統(tǒng)根據(jù)接收到的預設水溫信息和進水溫度信息進行算法分析，通過步進電機控制蝶閥中的水流量使冷熱水以特定比例混合，最終得到預設溫度的溫水。

第三部分為出水檢測區(qū)，仿照輸管緩沖區(qū)的設計，出水口的溫度傳感器將水溫反饋至主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)根據(jù)反饋信息實時調整蝶閥水流量維持恒溫出水[9]。

4 創(chuàng)新點

4.1 創(chuàng)新點

（1）智能電子電路相比機械水閥能夠更精確的調溫，解決了傳統(tǒng)混水閥調溫時浪費時間、浪費水資源的問題;

（2）利用Seebeck原理，通過半導體溫差發(fā)電，PID穩(wěn)壓調控系統(tǒng)為主控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的供電電壓，擺脫外接電源，實現(xiàn)能源自給，提高用戶體驗度。

參考文獻

[1]歐陽山西，董越，金玉章.熱水器出水恒溫技術研究[J].家電科技，2013（11）：87-89.

[2]張洗玉，賀錦瑜，黃琦，高旭，喬帥.基于塞貝克效應的熱電轉換實驗裝置的設計.低溫物理學報，2018

[3]李建紅.基于價值工程的恒溫混水閥研發(fā)及國產(chǎn)化.華南理工大學，2010

[4]周大量，胡申華，吳馥郁，汪遠泉.溫差發(fā)電實驗設計與性能分析.電工技術，2019.