基于家用熱水器的冷水回收利用與出水溫度控制裝置

劉栩源　翟娟　王典　徐玲　吳牧原

摘? 要：以節(jié)能減排與便民生活為目標，文章設計的裝置是基于STC89C52單片機的熱水器冷水回收與出水控制系統(tǒng)。裝載了測溫模塊，控溫與冷水收集模塊，報警模塊，數(shù)碼管顯示模塊，按鍵檢測模塊。該設計力求于憑借溫度感應模塊DS18B20和矩陣鍵盤共同作用，向STC89C52單片機輸入信號，單片機將信號處理后再傳輸給步進電機，以達到熱水器冷水回收再利用，自動出水、智能控溫的效果。

關鍵詞：STC89C52；溫度傳感器DS18B20；數(shù)碼管顯示；智能熱水器；節(jié)能減排

中圖分類號：TP273；TP368.1? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）12-0174-05

Cold Water Recycling and Water Discharge Temperature Control Device Based on Domestic Water Heater

LIU Xuyuan， ZHAI Juan， WANG Dian， XU Ling， WU Muyuan

（Guangling College of Yangzhou University， Yangzhou? 225000， China）

Abstract： With the goal of energy saving and emission reduction， the device designed in this paper is a system with cold water recycling and water discharge control of water heater based on STC89C52 Single-Chip Microcontroller. It is loaded with temperature measurement module， temperature control and cold water collection module， alarm module， nixie tube display module， and key detection module. The design seeks to achieve the effect of cold water recycling， automatic water dispensing and intelligent temperature control of the water heater by the temperature sensing module DS18B20 and matrix keyboard working together to input signals to the STC89C52 Single-Chip Microcontroller， and then transmit the signals to the stepper motor.

Keywords： STC89C52; temperature sensor DS18B20; nixie tube display; intelligent water heater; energy saving and emission reduction

0? 引? 言

隨著人們生活水平的不斷提高，熱水器成為現(xiàn)代家庭中必備的電器，當人們在日常使用熱水器時，打開熱水龍頭后，開始總會有很多冷水流出來，然后慢慢變熱。不但給人們造成使用上的不便，同時這些冷水也會白白流失，造成資源的浪費。另外，現(xiàn)在的熱水器中的熱水口和冷水口通過混水閥相連接，冷、熱水在混水閥處混合，通過出水口排出供洗浴者使用，出水溫度由洗浴者通過旋轉混水閥手柄實現(xiàn)。洗浴者在調節(jié)溫度的過程中，需要花費較長時間，在使用時還會出現(xiàn)水溫忽冷忽熱的情況，特別是在低溫天氣時，因為水溫的不恒定，非常容易導致洗浴者受涼，引起發(fā)燒感冒。并且在洗浴的過程中熱水器中的熱水并不會維持在一個恒定的溫度，而是隨時變化的。這就需要使用者不斷通過混水閥調節(jié)，給使用者帶來極大的不便。而且使用者在調節(jié)水溫時無法直觀地看到當前熱水器流出的水溫，需要不斷通過觸摸來感知，且通過這種方式感知到的水溫與實際通過混水閥設定的水溫相比具有一定的滯后性。在調節(jié)水溫的過程中，出水口流出的水通常并不會被使用者用來洗浴，而是任由這些水流失，這又造成了水資源的浪費。

目前市面上的智能熱水器主要分為電熱水器和燃氣熱水器兩種。電熱水器工作原理為將進水管的水流量與出水管的水溫轉化成電信號輸入主板處理器，經(jīng)過處理器計算后，按結果控制發(fā)熱管，調節(jié)發(fā)熱功率，從而實現(xiàn)出水溫度的恒定。而燃氣熱水器也是將進水口水流量轉換為相應的電信號并將此信號輸入控制器?？刂破鞲鶕?jù)輸入信號的頻率來調整燃氣閥的開合大小，使燃氣大小與水流量成正比變化，從而使出水口的水溫恒定。市面上的這兩種熱水器設定溫度的熱水從水龍頭流出之前需要經(jīng)過一段較長的水管，這就使得水溫調節(jié)速度偏慢，不能使流出的水溫迅速達到使用者設定的水溫。同時這兩種熱水器也無法處理熱水器開啟時先流出的冷水與水溫未達到設定水溫時流出的水，仍會造成資源的浪費。

而針對冷水的回收利用，現(xiàn)在市面上也有熱水器冷水收集器。但市面上現(xiàn)存的冷水收集器結構簡單、功能單一，只是單純利用溫控開關控制出水口的開啟或關閉。此收集器雖然可在一定程度上達到收集冷水的作用，但是收集冷水的溫度上限是固定的，且人們在不同季節(jié)對水溫的要求也不同，無法滿足使用者的需要。

本文設計的裝置可以收集打開熱水器時最先流出的冷水，避免水資源的浪費。同時顯示出水口流出的水溫，可以讓使用者更加直觀地看到，并且可以智能控制混水閥以達到控制出水口溫度并保持溫度恒定。

1? 系統(tǒng)總體框架

本文所設計的家用熱水器的冷水回收利用與出水溫度控制裝置包括溫度檢測系統(tǒng)，冷水收集與溫度控制系統(tǒng)，報警系統(tǒng)，顯示系統(tǒng)等功能。其系統(tǒng)芯片采用STC89C52為控制核心[1]，系統(tǒng)工作時，溫度檢測系統(tǒng)通過外接的溫度傳感器實時將檢測到的水溫信號傳送至單片機，單片機判定水溫信號低于或超過設定的溫度，進而控制步進電機工作，實現(xiàn)恒溫出水或者冷水收集的功能。同時若設定溫度高于進水口的最高溫度或低于進水口的最低溫度，蜂鳴器報警。系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

2? 硬件電路設計

2.1? 系統(tǒng)控制模塊

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機為核心，這是STC公司生產(chǎn)的一種CMOS8位微控制器，擁有低功耗、高性能的優(yōu)點。內置16位計數(shù)器/定時器3個，外部中斷4個，7向量4級中斷結構1個，4 KB帶電可擦可編程只讀存儲器，MAX810復位電路，全雙工串行口；具有8 000字節(jié)的閃存、512字節(jié)的RAM存儲器、32位I/O口線、看門狗定時器功能。此外STC89C52單片機可降到0 Hz靜態(tài)邏輯操作，還可支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電保護方式下，存儲器內容被保存，振蕩器被凍結，單片機的所有工作全部停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。空閑模式下，中央處理器停止工作，允許計數(shù)器/定時器、串口、存儲器、中斷繼續(xù)工作。最高運作頻率為35 MHz，有6T和12T模式可供選擇。STC89C52單片機實物圖如圖2所示，接線電路圖如圖3所示。

2.2? 溫度檢測系統(tǒng)

溫度傳感器采用DS18B20[2]，它的優(yōu)點在于可以直接將溫度轉換為數(shù)字信號傳送給單片機，具有獨特的單線接口方式。DS18B20在實現(xiàn)單片機與DS18B20的雙向通信時僅需要一條口線與單片機連接即可，可實現(xiàn)高精度測溫，可分辨溫度分為0.5 ℃、0.25 ℃、0.125 ℃和0.062 5 ℃，對應的可編程的分辨率為9～12位，采用不銹鋼封裝式進行封裝，具有良好的防水性，非常適合熱水器測溫[3]。

本文設計的裝置中使用了三個DS18B20溫度傳感器，分別檢測冷水入水口水溫、熱水入水口水溫、出水口水溫[4]。

DS18B20實物圖如圖4所示，原理圖如圖5所示。

DS18B20溫度傳感器1號引腳接地，3號引腳接+5 V高電平，2號引腳接到單片機的I/O口，同時外加上拉電阻。

2.3? 冷水回收與溫度控制系統(tǒng)

為了實現(xiàn)對流出水溫的自動控制，本裝置采用步進電機來控制混水閥[5]。將電脈沖信號轉換成相應線位移或角位移的電動機就叫作步進電機。每向步進電機輸入一個脈沖信號，步進電機的轉子就前進一步或轉動一個角度，其轉速與脈沖頻率成正比，輸出線位移或角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比[6]。而且它可開環(huán)位置控制，輸入一個脈沖信號就得到一個規(guī)定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流控制系統(tǒng)相比，其成本明顯減低，幾乎不必進行系統(tǒng)調整。

本文設計的裝置中使用了兩個步進電機。步進電機1通過線位移來控制混水閥的左右移動，從而改變冷水熱水的混合比例，以達到控制水溫的效果。步進電機2通過角位移來控制出水口和集水口的開啟關閉。在出水口水溫達到設定溫度之前，步進電機2控制出水口關閉、集水口開啟，水流從集水口流出經(jīng)導管進入準備好的儲水箱中達到循環(huán)利用。出水口水溫達到設定溫度后，集水口關閉，出水口開啟[7]。步進電機原理圖如圖6所示。

步進電機移動的距離計算公式如下：

i = （ φ.S ） / （ 360. Δ ）

式中φ表示步進電機的步距角（°/脈沖），S表示絲桿螺距（mm），Δ（mm /脈沖）。

步進電機角位移關系公式如下：

θ = θs×A

式中θ表示電機出力軸轉動角度（度），θs表示步距角（度/步），A表示脈沖數(shù)（個）。

2.4? 按鍵輸入模塊

本裝置中采用了結構簡單、電路配置靈活的獨立按鍵。獨立按鍵的每個按鍵都單獨占用一根I/O口線，可以直接讀取，檢測占用時間較少，不受其他因素影響。本裝置中的4個獨立按鍵作用分別為冷水/熱水入水口溫度顯示、設定/當前溫度顯示、溫度加、溫度減。為符合實際要求，本裝置將熱水入水口與冷水入水口的水溫作為預設溫度的限值。要求設定溫度不得高于熱水入水口水溫，也不能低于冷水入水口水溫。由于簧片彈性的影響，獨立按鍵會出現(xiàn)抖動情況，所以在軟件編程時還需要進行去抖動處理。獨立按鍵原理圖如圖7所示。

2.5? 顯示模塊

本裝置采用的顯示模塊為LED顯示器。LED顯示器有兩種顯示結構：段顯示和點陣顯示。本裝置使用段顯示，一共使用了三只數(shù)碼管，采用動態(tài)顯示方式[8]，當顯示水溫時可精確到小數(shù)點后一位。在本文設計的裝置中，數(shù)碼管用來顯示冷水/熱水入水口溫度、設定溫度、當前溫度，通過鍵盤實現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的切換。數(shù)碼管還用來顯示裝置準備就緒的代碼，以及出現(xiàn)錯誤時代表相應錯誤的錯誤編號[9]。如當數(shù)碼管顯示E1，表示預設溫度超出限值。單個數(shù)碼管原理如圖8所示。

2.6? 報警模塊

本裝置使用蜂鳴器作為報警模塊，輸出方式為使用脈沖寬度調制直接控制蜂鳴器。通過編程，在預設的出水口溫度超出限值溫度的情況下，實現(xiàn)報警效果。當傳感器超過正常值的量程時，單片機輸出為低電平，蜂鳴器與電源截止，從而引發(fā)報警提示。報警時顯示模塊顯示相應的錯誤代碼。

蜂鳴器實物圖如圖9所示，電路原理圖如圖10所示。

3? 軟件程序設計

主程序流程如圖11所示。本文所設計的基于家用熱水器的冷水回收利用與出水溫度控制裝置主程序采用循環(huán)結構（do while語句）來進行設計，并使用了KielC51編程軟件進行了模塊化編程。接通電源后，各模塊首先分別進行初始化，之后通過掃描獨立按鍵LED顯示屏開啟顯示準備就緒代碼，之后通過獨立按鍵設定預定出水溫度。然后DS18B20溫度傳感器分別感應冷水入水口、熱水入水口水溫并將相應信號經(jīng)A/D轉換讀取后發(fā)送給單片機，判斷設定溫度是否超出溫度限值。如超出，蜂鳴器報警，數(shù)碼管顯示對應的錯誤代碼。如果設定水溫在溫度限值之內，判斷出水口溫度是否等于設定溫度，如相等，步進電機2控制出水口開啟；如果不等，步進電機2控制出水口關閉，集水口開啟，步進電機1控制混水閥調節(jié)水溫至出水口溫度與設定溫度一致。

4? 系統(tǒng)測試

本設計利用KeilC51編程軟件進行編程并，在Protues軟件進行仿真測試[10]。經(jīng)過測試，裝置能夠正常運行。將裝置需要的各個硬件模塊連接在開發(fā)板上，開發(fā)板包括STC89C52單片機，步進電機，DS18B20溫度傳感器，LED顯示器，蜂鳴器等模塊。開發(fā)板連接實物圖如圖12所示。

系統(tǒng)測試主要對DS18B20溫度傳感器進行測試。通過事先編寫好的程序，使得溫度傳感器感應到的溫度值在數(shù)碼管顯示屏上進行顯示，并與實際溫度進行對比。經(jīng)過測試，數(shù)碼管顯示溫度與實際溫度一致，DS18B20溫度傳感器能夠正常使用。測試情況如圖13所示。

5? 結? 論

本文設計的裝置以STC89C52為核心，針對傳統(tǒng)熱水器出水溫度不穩(wěn)定、出水溫度不可控、出水溫度無法直觀顯現(xiàn)、使用上不夠方便、造成水資源浪費的問題，利用步進電機、DS18B20溫度傳感器、LED數(shù)碼管逐一解決其缺點，再通過KielC51軟件編程仿真調試，證實了本裝置在理論上的可行性，實現(xiàn)本文設計中預期的功能。

本裝置結構小巧、安裝簡單，使用便捷，可搭載在任何家用熱水器上，可用范圍極廣，不需要用戶更換新的熱水器，也省去了拆卸上的麻煩，更容易被社會接受，具有廣闊的市場前景和極大的發(fā)展空間。

本裝置在設計上還存在可以優(yōu)化的地方。比如在冷水收集循環(huán)利用方面不夠便捷，還需要另外的儲水裝置用于收集冷水，而儲水裝置儲滿后還需使用者及時更換或轉移儲水裝置中的冷水。這一方面若是使用中央供熱的大型熱水器，便可直接將集水口流出的冷水通過導管導入熱水器，直接實現(xiàn)冷水循環(huán)利用。此時可以在本裝置中添加IC卡自動扣款功能，用于商業(yè)用途或學校、工廠公共浴室。家用上可以添加藍牙模塊或者Wi-Fi模塊，通過藍牙或者Wi-Fi與手機連接，可以實現(xiàn)通過手機直接進行遠程操控，達到預設洗浴溫度的功能。也可以搭載語音輸入模塊，直接通過語音控制，讓本裝置逐漸完善功能，從而更便捷、更智能。

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作者簡介：劉栩源（1999—），男，漢族，江蘇南通人，本科

在讀，研究方向：控制理論與控制系統(tǒng)；通訊作者：翟娟（1990—），女，漢族，江蘇揚州人，講師，碩士，研究方向：控制理論與控制系統(tǒng)。

收稿日期：2023-01-04

基金項目：2021年教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（202102269008）；揚州大學廣陵學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（YJ202238）