基于單片機(jī)的節(jié)能型開水器設(shè)計

余玉卿

摘 要：通過實驗設(shè)計了一款以步進(jìn)式為進(jìn)水加熱方式的節(jié)能型開水器。本開水器采用了單片機(jī)控溫技術(shù)，并結(jié)合先進(jìn)的傳感器測溫技術(shù)、水位電極探測技術(shù)、聚氨酯發(fā)泡保溫技術(shù)和蒸汽預(yù)熱技術(shù)等。開水器為保持達(dá)到健康飲用開水最低溫度，通過水位電極及高精度溫度傳感器獲得數(shù)字信號，經(jīng)過微電腦精準(zhǔn)控溫控水計算，控制加熱管及電磁閥的工作，采用逐層進(jìn)水，逐層加熱的臨界沸騰技術(shù)，協(xié)調(diào)水箱內(nèi)開水溫度和進(jìn)水量。開水器設(shè)有自動開關(guān)機(jī)功能，漏電自檢報警，并具有無水防干燒保護(hù)功能，完全可脫離人員看護(hù)。水箱內(nèi)設(shè)有多個高水位電極，以根據(jù)該季節(jié)和時間段需水量的多少來調(diào)整保溫水量，避免能源浪費(fèi)。采用熱交換技術(shù)，開水和冷水交換熱量從而快速獲得溫水，極大限度地節(jié)省了將水燒開所需的電能和時間。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；開水器；節(jié)能

1 研制背景及意義

通過水位電極及高精度溫度傳感器獲得數(shù)字信號，經(jīng)過微電腦精準(zhǔn)控溫控水計算，控制加熱管及電磁閥的工作。在不同的季節(jié)，可以滿足不同人群對于水溫的需求。例如，夏天，用戶需求的水溫較低，冬天，用戶需求的水溫較高。上課以及放假的時候，用水的需求量較少，而在下課的課間，用水的需求量較大。通過水位電極和溫度傳感器的控制，可以使得開水器更加的智能化，人性化，具有很強(qiáng)的實用性。為了實現(xiàn)人類與自然和諧共生的生存目標(biāo)，必須節(jié)約能源，保護(hù)生態(tài)，積極提倡并且去實踐低碳生活，因此推廣基于單片機(jī)的節(jié)能開水器具有重要的意義。

2 設(shè)計方案

2.1 機(jī)械部分

經(jīng)過研究和分析，工作人員選擇以步進(jìn)式作為節(jié)能型開水器的進(jìn)水加熱方式。在機(jī)械部分，設(shè)計了蒸汽預(yù)熱模塊、水位電極探測模塊、傳感器測溫模塊、加熱及保溫模塊和熱交換實現(xiàn)多溫水模塊。

2.1.1 蒸汽預(yù)熱模塊

水在水箱加熱之沸騰的過程中產(chǎn)生大量多余的蒸汽被導(dǎo)入熱交換管的內(nèi)管中進(jìn)行熱能回收，在從外管流入的冷自來水吸收了大量熱能，將20℃冷水的溫度預(yù)熱到30-40℃左右，然后通過連通管進(jìn)入加熱腔體中，加熱腔將水從30-40℃加熱到沸點(diǎn)（100℃），只需加熱60-70℃，充分利用了蒸汽的熱能，避免了能源浪費(fèi)，從而節(jié)省了大量電能。

2.1.2 水位電極探測模塊

水箱中設(shè)計有一個低水位電極和多個高水位電極。啟動開水器，水箱開始進(jìn)水，當(dāng)水位達(dá)到低水位電極所在處時，停止注水，水平高度位于低水位電極以下的加熱管開始對注入的冷水層進(jìn)行加熱。當(dāng)水溫加熱到99℃時，開始繼續(xù)注水，通過溫度傳感精確控制，當(dāng)新注入的冷水層高度大約達(dá)到低水位電極的位置時在此停止注水，此時開水層被緩慢推升至低水位電極之上，即低水位電極起到控制每次注入冷水量的作用。

如此多次重復(fù)直至最高水位達(dá)到指定高水位電極時即停止注水，整箱水進(jìn)入保溫狀態(tài)，即高水位電極起到控制蓄水量的作用。而有常識可知，不同季節(jié)、不同時間段需水量還是有較大差異的，這時則需設(shè)置多個高水位電極以控制蓄水量的大小以節(jié)省電能。

2.1.3 傳感器測溫模塊

在低水位電極的略偏下方設(shè)有一高精度溫度傳感器。判斷水燒開即加熱管停止工作的水溫設(shè)定在99℃的臨界沸騰狀態(tài)，既能夠完全殺滅水中細(xì)菌微生物，又使自來水中的余氯得到有效揮發(fā)。

為成功實現(xiàn)逐層進(jìn)水、循環(huán)加熱，此溫度傳感器起到關(guān)鍵的作用。打開進(jìn)水閥，新進(jìn)冷水把開水層往上推，根據(jù)雷諾實驗原理，當(dāng)溫度傳感器測得溫度接近90℃時，低水位電極大致是開水層和冷水層的分界線，即達(dá)到了將開水和冷水以低水位電極為界嚴(yán)格分開的目的，這時則有效控制了每次定量的進(jìn)水量（大約2升，可根據(jù)需求設(shè)為不同值）以實現(xiàn)逐層加熱。

2.1.4 加熱及保溫模塊

本開水器采用步進(jìn)式的進(jìn)水加熱方式。通過精密控制閥來讓水從底部以一定的流速和流量進(jìn)入開水器內(nèi)膽，當(dāng)進(jìn)水達(dá)到一定量時即停止進(jìn)水，發(fā)熱絲開始加熱。當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定溫度時，進(jìn)水控制閥自動打開，再次向內(nèi)膽中注水。因冷水的比重大于熱水的比重，后注入的冷水會把前一次燒好的水逐漸托起來，當(dāng)溫度控制器感應(yīng)到溫度下降到一定數(shù)值時，進(jìn)水控制閥自動關(guān)閉，發(fā)熱絲開始加熱第二層水，直到再次達(dá)到設(shè)定溫度。如此循環(huán)，直到內(nèi)膽中的水到達(dá)最高水位且溫度處于臨沸騰狀態(tài)時，整箱水進(jìn)入保溫狀態(tài)，保證水溫不低于93℃（健康飲用開水最低溫度），這里采用目前市場上最好的保溫材料聚氨酯發(fā)泡，使水溫?fù)p失極度降低，起到了高效保溫的作用。

2.1.5 熱交換實現(xiàn)多溫水模塊

為實現(xiàn)多溫出水以滿足不同的需求，設(shè)計了間壁式換熱器的部分。在這種換熱器中，一種流體走管內(nèi)，另一種流體走環(huán)隙，兩者皆可得到較高的流速，故傳熱系數(shù)較大。另外，在套管換熱器中，兩種流體可為純逆流，對數(shù)平均推動力較大。為了使熱交換更充分且迅速，工作人員把套管設(shè)計成外管中套入多條小管的形式，增加內(nèi)管的熱水和外管的冷水的接觸面積，提高換熱效率。

電磁閥控制位于低水位電極略偏上的開水出水口流出開水，而冷水的進(jìn)水口的電磁閥與之配合，同時流入冷水，兩溫的水通過熱交換管進(jìn)行熱交換。另外，可以考慮再設(shè)置一50℃的出水溫度，以滿足更廣泛的需要。這個水溫的實現(xiàn)則需要將100℃的開水和35℃的溫水按比例混合，通過單片機(jī)控制與熱交換管相連的開水出水口和直接出熱水的開水出水口的兩個電磁閥，實現(xiàn)各水溫的水量進(jìn)行混合。

2.2 電路部分

選用8051單片機(jī)作為控制器，通過單片機(jī)對溫度信號采集，控制繼電器通與斷，間而控制電熱管加熱與否來控制溫度；液位信號通過檢測處理，控制電磁閥的開與關(guān)進(jìn)而控制液位；另一方面，單片機(jī)以檢測到漏電信號，會立刻控制斷路器斷開主電路的供電，從而起到保護(hù)作用。

3 工作原理及性能分析

定時開機(jī)，接通水電，從開水器的下進(jìn)水口開始進(jìn)水，進(jìn)水達(dá)到下水位，停止進(jìn)水，電加熱管開始加熱，等到加熱溫度到達(dá)99℃時，停止加熱，又開始注入第二層水，注入一定容量后，水位電極控制又停止進(jìn)水并開始加熱到99℃，反復(fù)幾次直到水箱內(nèi)水位達(dá)到要求水位，高水位電極向進(jìn)水口電磁閥和發(fā)熱管發(fā)送數(shù)字信號，開水器停止工作進(jìn)入保溫低耗能狀態(tài)。

打開水龍頭便可以出熱水，由于開水出水口設(shè)在低水位電極的偏上方，而冷水層一直在低水位電極以下，使用者每次從開水器取水口放出的開水都是上層的純開水，可以放心飲用。一旦高水位電極露出，進(jìn)水口的電磁閥便會發(fā)生響應(yīng)，開始注水直至溫度傳感器處水溫降至約90℃。當(dāng)水龍頭快要無水流出時，開水器會發(fā)出警報，此時為防止空燒，設(shè)備會控制加熱管停止工作后再注水，此時電磁閥控制開水出水口關(guān)閉。繼續(xù)注水，隨著水位的上升，加熱器又會恢復(fù)正常的運(yùn)行。

通過單片機(jī)控制與熱交換管相連的開水出水口和直接出熱水的開水出水口的兩個電磁閥，使得兩出水口按一定的出水速度出水，即水量按一定比例混合后從水龍頭直接出水，得到指定溫度的熱水。

利用單片機(jī)調(diào)節(jié)蓄水量，對不同季節(jié)和時間段進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，開水器則可以自動選擇工作的高水位電極，以達(dá)到全自動調(diào)節(jié)蓄水量的效果。另外，電路中設(shè)有防漏電系統(tǒng)，保證開水器安全工作。最后，開水器根據(jù)預(yù)先定時自動關(guān)機(jī)，夜間不工作。

參考文獻(xiàn)

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