基于STC89C52的熱水器冷水回流加熱裝置設計

孟偉強 姚軍東 李泉澤 高華

摘要：人們日常生活使用熱水器時，需要排除熱水管道殘留的冷水，使用體驗較差。文章設計了一款可以使冷水回流加熱的熱水器，該熱水器的創(chuàng)新點在于在熱水管道中加一個電磁三通閥，一端接熱水器熱水出水口，一端接在鄰近的自來水管道中。當熱水器需要出熱水時，回水泵先行啟動，抽出熱水管道中殘留的冷水，使其回流到附近的自來水管道中。抽水泵連接的三通電磁閥里安裝有溫度傳感器，當水溫達到設定值時，連接在自來水管道的閥門關閉，連接熱水管道的閥門打開，放出的是熱水。該裝置與市場上的其他熱水器相比，不需要一直循環(huán)加熱，更加節(jié)能環(huán)保。

關鍵詞：節(jié)約用水；三通電磁閥；回水泵；冷水回流

中圖分類號：TP368? 文獻標志碼：A

0 引言

在生活中使用燃料熱水器時，需要提前排除管道里的涼水。家庭用熱水一般有兩個地方：廚房和衛(wèi)生間。而廚房和衛(wèi)生間的位置在大多數的戶型中都距離較遠，但熱水器只能安裝在一處，所以離熱水器遠的一方鋪設的管道非常長。據調查，在使用熱水器前排放冷水這個問題影響了用戶的體驗，給人們帶來了不便。因此，使用本裝置可以通過回流裝置直接排出熱水，讓用戶無須浪費掉這一部分冷水，給人們的生活帶來便利和良好的使用體驗。

1 系統(tǒng)設計

1.1 熱水器冷水回流裝置流程

在使用燃氣熱水器時，回水泵啟動，同時進行冷水加熱，溫度傳感器感應到冷水時，連接熱水管道的閥門不會打開，當感應到熱水流過時，閥門才會打開?，F在市場上也有類似的熱水器，但這種熱水器需要在中間鋪設較長的回流管道，工作時需要不停地回流加熱，大大增加了耗電量和耗氣量。本裝置只需將熱水管道中的冷水抽出排到鄰近的自來水管道中，更加節(jié)能。熱水器的工作原理及流程如圖1所示。

1.2 熱水器冷水回流裝置最小控制模塊的設計

STC89C52是一個極低功耗、高性能的8位微控制器，具有在8K系統(tǒng)可編程的Flash存儲器［1］。在其單個芯片基礎上，擁有高度可靈活控制的8位可編程的CPU內核和內嵌在嵌入式系統(tǒng)內的可編程的Flash，使STC89C52可以更加輕松地為眾多復雜的嵌入式和工業(yè)控制與應用集成系統(tǒng)及產品應用提供更加靈活、高效而可靠易用的解決方案，因此，本研究推薦使用STC89C52芯片直接作為實現本套裝配置功能的主控芯片。因為單片機系統(tǒng)工作需要始終穩(wěn)定在直流5 V交流電源模式下，所以該系統(tǒng)需要一直采用交流5 V的電源［2］。此電源為開關電源，內腔安置了保護熔絲，后期采用的是濾波式輸出，電壓波形輸出都十分穩(wěn)定。

1.3 熱水器冷水回流裝置回水泵控制電路的設計

回水泵驅動電路是接在三通閥與自來水管道一端的裝置（見圖2）。當燃氣熱水器系統(tǒng)需要送出大量熱水時，回水泵應先行強制啟動，將進熱水管道中溢出的大部分冷水直接抽回自來水管道中排出去。當與燃氣熱水器一端相連處的熱水管道孔中裝設的溫度感應檢測探頭裝置檢測感應到有熱水管流過，與自來水管道末端相連部位的三通閥一端上的進出水接管口閥門將會同時關閉［3］。與熱水管道中間一段相連后的三通閥的出水口將會完全打開，流出大量熱水，原先在熱水管道中的冷水被再次利用。

隨著電路中S1閉合和2N1132導通，K1閉合，K2閉合，M1斷開得電（見圖2）。需要注意的是，單片機驅動電路在有效地復位后，可能會始終處在極低電的電平，因為一般在一個單片機開機啟動的瞬間復位后，一般處于較高電平，在低電平的有效復位過程中，很可能產生一些誤動作，造成嚴重后果。一般這些情況下的單片機電路驅動的電感性負載等可能會直接對單片機電源的性能產生嚴重影響，造成單片機電路自動復位或者失效等。因此，一般在短路的情況下，單片機應首先考慮使用帶RC的自動復位的保護復位電路。在本系統(tǒng)的設計過程中，由于K1的線圈本身是高頻感性負載，啟動運行時瞬間短路也可能對高頻電源信號輸入端產生較大的信號干擾，可以采用的處理方法是先通過反電路再并聯(lián)上另外一只整流二? 極管。

1.4 L298N工作原理

回水泵驅動模塊電路確定后，要確定如何操作該模塊電機的轉動，使其能抽出熱水管道中的冷水。L298N模式選擇的控制方法如表1所示。

基于表1的控制方法，當回水泵將熱水管道的冷水抽出流入自來水管道時，只需要將單片機的引腳置高電平和低電平，因為不需要反轉進行抽水，所以不需要將接引腳的高低電平相互對調，由此實現了由L298N驅動回水泵電機抽水設計的過程。

1.5 熱水器冷水回流裝置的溫度傳感器

本設計首先使用了DS81B20型單線智能溫度傳感器，是一種適配微處理器總線接口技術的新型單線智能溫度傳感器，可直接供用戶廣泛地設計開發(fā)用于電子工業(yè)、民用、軍事與偵察等重要領域的精密溫度參數傳感測量儀表、溫度自動化過程控制與分析研究儀器、測控顯示系統(tǒng)設備和各類軍用與大型檢測系統(tǒng)設備［4］，具有體積尺寸小、接口設計方便簡單的顯著優(yōu)點，因此，在設計工作中普遍采用了此接口元器件［5］。DS18B20數字溫度計可以提供多達9個位的溫度讀數以指示器件上的實際溫度。此溫度傳感器安裝在電磁三通閥301，其內部結構如圖3所示。

1.6 熱水器冷水回流裝置三通電磁閥的控制系統(tǒng)

三通電磁閥主要通過電流通過電磁閥中的線圈來控制閥門的開關，三通電磁閥的結構有3種，分別分為一進兩出、兩進一出和一進一出。本裝置使用的是一進兩出。一進兩出（常閉式）的特殊結構工作原理是：當一個三通電磁閥接口孔中的一個線圈通電而啟動工作時，接口中的一個301孔直接通向接口孔的302，接口端上的接口303的線圈就會自動通電和自動關閉。當電磁閥口端中的線圈通電斷了電工動作時，接口1會啟動通電和自動關閉，接口302自動通向接口303。一進兩出（常開式）的工作原理是：當電磁閥中的線圈通電時，接口303通向接口302，接口302自動關閉。當電磁閥口中的線圈發(fā)生斷流電工振作情況時，接口303隨之自動關閉，接口301自動通向關閉接口302，其結構如圖4所示。

電磁三通閥的301口接熱水器熱水管道出水口，在其內壁安裝有溫度傳感器，302口接在熱水管道出水口，303口接在自來水管道口，與回水泵相連。

2 結語

本裝置的應用可以有效地達到節(jié)約用水的目的，便于人們使用熱水器，不必再儲存冷水，安裝也更加方便，不用擔心安裝空間不夠，不用再鋪設較長的熱水回流管，有利于產品的更新?lián)Q代，大大擴大了生產與推廣的范圍。但本裝置也有一些缺點，回水泵加熱的耗氣、耗電及產生的噪聲等因素會產生高昂的費用，影響用戶的使用體驗，因此，可以優(yōu)化熱水管道與自來水管道銜接管道的安裝路線，從而減少回水泵的耗電情況，在回水泵安裝一些隔音裝置，達到減少噪聲的目的。

參考文獻

［1］單一森.R744/R290熱泵熱水器供熱側換熱器優(yōu)化設計與實驗研究［D］.鄭州：鄭州大學，2021.

［2］張政.冷凝式燃氣熱水器換熱器設計及優(yōu)化［D］.濟南：山東大學，2020.

［3］楊雄義.智能家居控制系統(tǒng)設計及熱水器智能控制實現［D］.西安：西安科技大學，2017.

［4］任仁凱.智能家居中的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設計［D］.南京：南京師范大學，2017.

［5］劉世洲.自發(fā)電式燃氣熱水器控制器的設計與實現［D］.蘇州：蘇州大學，2016.

（編輯 何 琳）

Design of cold water reflux heating device for water heater based on STC89C52

Meng? Weiqiang， Yao? Jundong， Li? Quanze， Gao? Hua

（School of Electronic and Electrical Engineering， Anhui Sanlian University， Hefei 230601， China）

Abstract：? When people use the water heater in their daily life， they need to remove the residual cold water from the hot water pipe， and the use experience is poor. This paper designs a water heater that can make cold water return to heat. The innovation of this water heater is to add an electromagnetic three-way valve in the hot water pipe， one end of which is connected to the hot water outlet of the water heater， and the other end is connected to the adjacent water pipe. When the water heater needs hot water， the return pump shall be started first， and the residual cold water in the hot water pipe shall be pumped out to make it return to the nearby water pipe. The three-way solenoid valve connected to the pump is equipped with a temperature sensor. When the water temperature reaches the set value， the valve connected to the tap water pipe is closed， and the valve connected to the hot water pipe is opened， and the hot water is discharged. Compared with other water heaters on the market， this device does not need to be heated continuously， because it is more energy-saving and environmentally friendly.

Key words： save water; three-way solenoid valve; return water pump; cold water return