趙月靜，秦志英,萬(wàn)海城，王 博，張振楊，李 奇

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

一種合理利用峰谷電的智能飲水機(jī)設(shè)計(jì)

趙月靜，秦志英,萬(wàn)海城，王 博，張振楊，李 奇

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

為了解決現(xiàn)有飲水機(jī)加熱裝置拆卸困難、冷熱水混合危害健康、飲用水二次污染等問題，在國(guó)家峰谷電急需平衡的背景下，設(shè)計(jì)了合理利用峰谷電的單片機(jī)控制智能飲水機(jī)。它主要包括加熱裝置、快換結(jié)構(gòu)、熱水存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、通氣孔復(fù)位潔凈帽結(jié)構(gòu)和單片機(jī)控制系統(tǒng)。采用反壓式供水加熱結(jié)構(gòu)，使加熱更充分；加熱裝置可見，能快速更換即熱管；以通氣孔復(fù)位潔凈帽隔離飲水機(jī)內(nèi)部與外界接觸，可減少污染物的進(jìn)入和散熱；由電磁閥控制流水方向，徹底隔離冷水和熱水，避免陰陽(yáng)水，提高了飲水質(zhì)量；帶有溫度、液位傳感器、報(bào)警保護(hù)功能，可解決用水高峰水量不足、用水低谷反復(fù)加熱電能浪費(fèi)問題；通過設(shè)定低谷段的時(shí)間范圍，實(shí)現(xiàn)低谷時(shí)段加熱儲(chǔ)水，在合理利用峰谷電的同時(shí)為用戶節(jié)省電費(fèi)。若推廣使用可為國(guó)家電網(wǎng)“削峰填谷”優(yōu)化做出貢獻(xiàn)。

自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用；智能飲水機(jī)；單片機(jī)控制；峰谷電；即熱管；儲(chǔ)水

當(dāng)前飲水機(jī)的使用非常普遍，市場(chǎng)中常見的有普通飲水機(jī)和智能飲水機(jī)。普通飲水機(jī)采用低功率加熱罐加熱，基本無(wú)控制電路，使用中存在以下問題：1)熱水需求少，飲水機(jī)反復(fù)加熱，浪費(fèi)電能；2)熱水需求多，每次加熱熱水量不夠喝；3)反復(fù)加熱產(chǎn)生有害人體的“千滾水”；4)加熱過程中冷水和熱水混合，產(chǎn)生危害人體腸胃的“陰陽(yáng)水”；5)飲水機(jī)的加熱裝置內(nèi)置不可見，飲水機(jī)內(nèi)部難以清洗，容易積累水垢、細(xì)菌,易造成腹瀉、胃潰瘍等疾病；6)加熱裝置更換困難，維修成本高。智能飲水機(jī)有的采用高功率即熱管加熱，基本控制方式為“傳感器-繼電器”控制[1-3]，但還存在以下問題：1)功率大，增大了高峰期用電壓力；2)飲水機(jī)中飲用水與空氣接觸混合，造成二次污染；3)即熱管難以清潔，更換困難；4)智能控制程序，不可更改[4-5]，靈活性差。

目前用電的高峰或低谷日趨明顯，白天高峰時(shí)用電量多，缺額大，被迫拉閘限電；夜晚低谷時(shí)段用電量少，系統(tǒng)電力充足，但用不出去，發(fā)電機(jī)組被迫停機(jī)，再次啟動(dòng)時(shí)消耗大，造成很大的資源浪費(fèi)。國(guó)家發(fā)展改革委出臺(tái)了《關(guān)于完善居民階梯電價(jià)制度的通知》(發(fā)改價(jià)格[2013]2523號(hào))，要求完善居民階梯電價(jià)制度，尚未出臺(tái)居民用電峰谷電價(jià)的地區(qū)，要在2015年底前出臺(tái)，由居民用戶選擇執(zhí)行，全面推行居民用峰谷電價(jià)，鼓勵(lì)居民用戶參與電力移峰填谷[6-8]。

由于飲水機(jī)使用的普遍性，每個(gè)地區(qū)飲水機(jī)總量非常多，總耗電量巨大，且集中在用電高峰時(shí)間段。為解決以上問題，響應(yīng)國(guó)家用電的“削峰填谷”政策，對(duì)飲水機(jī)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)[9-10]。若該控制技術(shù)被推廣到其他用電量大的場(chǎng)合，會(huì)對(duì)國(guó)家用電的“削峰填谷”起到更加明顯的作用。

1 總體方案設(shè)計(jì)

合理利用峰谷電的智能飲水機(jī)設(shè)計(jì)采用柔性模塊化設(shè)計(jì)方法，分為機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)2部分，如表1所示。將控制模塊、加熱模塊和顯示模塊分開設(shè)計(jì)，便于用戶的維修更換，方便用戶使用。該飲水機(jī)具有峰電和谷電2種模式，加熱裝置采用能夠快速方便更換的即熱管，控制系統(tǒng)采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)進(jìn)行控制。

表1 新型“削峰填谷”智能飲水機(jī)組成

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 飲水機(jī)總體外觀設(shè)計(jì)

圖1 飲水機(jī)外觀Fig.1 Appearance of the drinking fountain

飲水機(jī)外觀如圖1所示，圖1a)為前側(cè)視圖，包括3個(gè)出水孔口，分別為熱水出水口、冷水出水口、儲(chǔ)水出水口。前2個(gè)是峰電模式下用的出水口，第3個(gè)是低谷電模式下儲(chǔ)存裝置內(nèi)的熱水出水口；最下面為儲(chǔ)物箱，用來(lái)放置水杯等物品；前部的LCD液晶顯示屏，用來(lái)顯示設(shè)置時(shí)間參數(shù)、熱水存儲(chǔ)裝置內(nèi)的熱水溫度參數(shù)；控制模塊安裝在控制柜內(nèi)，用戶可以快速打開進(jìn)行維修或者進(jìn)行硬件擴(kuò)展。用戶可以打開控制柜卸下內(nèi)部的單片機(jī)，進(jìn)行軟件的修改。圖1b)為后側(cè)視圖，為控制模塊的安裝位置。飲水機(jī)加熱部分采用高功率的即熱管，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷水的快速加熱。即熱管安裝在即熱管安裝柜中，可實(shí)現(xiàn)快速更換。即熱管可見，加熱過程透明化，用戶可以直接觀測(cè)加熱管是否清潔。

2.2 飲水機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)

飲水機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。水桶里的水經(jīng)聰明座流下，一路流向冷水出水管，另一路經(jīng)進(jìn)水電磁閥流過即熱管加熱，經(jīng)即熱管加熱后，一路流向熱水出水管，一路經(jīng)熱水出電磁閥經(jīng)熱水存儲(chǔ)裝置進(jìn)水管流入熱水存儲(chǔ)裝置。

圖2 飲水機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of the drinking fountain

2.2.1 即熱管快換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

即熱管快換機(jī)構(gòu)如圖3所示，即熱管安裝在即熱管安裝閥上，下面固定式即熱管安裝閥用螺栓固定在安裝板上，上面快換式即熱管安裝閥可沿滑槽滑動(dòng)。當(dāng)需要更換時(shí)，用戶擰開螺母，用手向上滑動(dòng)螺柱，即可輕松拆下即熱管，進(jìn)行清洗更換。

圖3 即熱管快換機(jī)構(gòu)Fig.3 Quick changing mechanism for heating device

2.2.2 復(fù)位式潔凈帽的設(shè)計(jì)

圖4 復(fù)位式潔凈帽Fig.4 Reset type clean cap

復(fù)位式潔凈帽由清潔、耐高溫的潔凈帽和復(fù)位式不銹鋼彈簧組成，如圖4所示，有正向和反向2組構(gòu)成，分別安裝在聰明座和儲(chǔ)水裝置上。復(fù)位式潔凈帽與通氣孔緊密連接，只有在裝置排氣時(shí)復(fù)位式潔凈帽在氣壓的作用下被頂開排氣，當(dāng)排氣停止時(shí)，復(fù)位式潔凈帽在不銹鋼彈簧的作用下復(fù)位，隔離了加熱裝置與外界的長(zhǎng)期接觸。

2.2.3 保溫桶的設(shè)計(jì)

保溫桶的結(jié)構(gòu)采用3層真空式保溫措施，內(nèi)部采用雙層不銹鋼盛水，中間抽真空，外部采用單層塑料保護(hù)內(nèi)部不銹鋼。保溫桶的內(nèi)部材料選用食品級(jí)不銹鋼材料S304，無(wú)毒無(wú)害，衛(wèi)生安全，強(qiáng)度高，能夠?qū)崿F(xiàn)中間抽真空的強(qiáng)度和剛度要求[11]；保溫桶的外部材料選用高密度聚乙烯-02-HDPE，無(wú)毒無(wú)害，安全可靠，避免了真空不銹鋼的磕碰。

保溫桶的整體保溫原理模仿暖水瓶原理，雙層不銹鋼抽真空，從阻斷熱傳導(dǎo)方面保證了保溫效果，內(nèi)部不銹鋼做成拋光鏡面式，模仿暖水瓶?jī)?nèi)部鍍銀原理，暖水瓶?jī)?nèi)部鍍銀為了從熱輻射方面保證保溫效果，鏡面式內(nèi)壁阻斷了熱水輻射，最大限度地保證了保溫效果，保溫效果可達(dá)12 h。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心[10,12-14]，采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250 KB/s)，針對(duì)智能控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合，便于擴(kuò)展。控制系統(tǒng)原理圖如圖5所示。該控制系統(tǒng)中溫度傳感器、液位開關(guān)傳感器、機(jī)械鍵盤、機(jī)械按鍵開關(guān)為輸入元件；食用級(jí)電磁閥、即熱管為控制元件， LCD屏為人機(jī)交互界面，顯示工作狀況，單片機(jī)控制一次加熱儲(chǔ)水保溫系統(tǒng)。

圖5 控制系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of the control system

應(yīng)用控制系統(tǒng)，用戶可根據(jù)當(dāng)?shù)氐凸葧r(shí)間段，通過鍵盤S1—S6設(shè)定飲水機(jī)的工作時(shí)間、工作模式，控制飲用水的流向，LCD屏可以顯示當(dāng)前時(shí)間、設(shè)定時(shí)間以及熱水存儲(chǔ)裝置的溫度。用戶還可根據(jù)需要進(jìn)行硬件擴(kuò)展，通過編程實(shí)現(xiàn)不同的控制功能，從而實(shí)現(xiàn)合理利用低谷段電，達(dá)到“削峰填谷”節(jié)能惠民的效果。

通過模式按鍵開關(guān)選擇飲水機(jī)工作模式。當(dāng)處于峰電模式時(shí)，只有按下熱水出水龍頭觸發(fā)熱水出水開關(guān)，即熱管才會(huì)工作；當(dāng)處于低谷電加熱模式，到達(dá)低谷時(shí)間段，單片機(jī)發(fā)出指令，控制出水電磁閥打開，即熱管工作，熱水電磁閥打開，開始存儲(chǔ)熱水，當(dāng)熱水到達(dá)指定水位，液位開關(guān)傳感器開關(guān)觸發(fā)，飲水機(jī)停止工作，儲(chǔ)存熱水供峰電時(shí)刻飲用。當(dāng)熱水存儲(chǔ)裝置熱水溫度低于45 ℃時(shí)，溫度報(bào)警燈亮，提醒用戶及時(shí)使用。

飲水機(jī)采用交流220 V電源，單片機(jī)需用直流5V電源，電磁閥控制需用直流7～12 V電源，采用降壓模塊，其電路原理分別如圖6、圖7所示。本設(shè)計(jì)還可通過單片機(jī)硬件進(jìn)行擴(kuò)展，用戶可根據(jù)個(gè)人需要，修改其控制功能。如果加入通信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，可以融入智能家居系統(tǒng)[15-18]。

圖6 單片機(jī)電源Fig.6 Single chip power supply

圖7 電磁閥電源Fig.7 Solenoid valve power supply

根據(jù)以上原理制作出的實(shí)物樣機(jī)如圖8所示。機(jī)身前面有LCD屏和3個(gè)顯示燈，紅燈亮表示即熱管處于工作狀態(tài)，藍(lán)燈亮表示低谷電模式處于打開狀態(tài)，黃燈亮表示儲(chǔ)存裝置熱水溫度低于用戶設(shè)定溫度，處于警報(bào)狀態(tài)；機(jī)身側(cè)面鍵盤，用戶用來(lái)設(shè)定時(shí)間參數(shù)；機(jī)身后方有2個(gè)按鈕，上方第1個(gè)是模式選擇開關(guān)，下面是電源總開關(guān)。通過試驗(yàn)，飲水機(jī)工作穩(wěn)定。

圖8 設(shè)計(jì)實(shí)物樣機(jī)Fig.8 Prototype of the drinking fountain

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制智能飲水機(jī)包含機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)2部分。機(jī)械部分主要包括即熱管、快換結(jié)構(gòu)、熱水儲(chǔ)水裝置、通氣孔復(fù)位潔凈帽結(jié)構(gòu)等；控制部分主要由單片機(jī)、電磁閥、溫度傳感器、液位傳感器等組成。該飲水機(jī)具有峰電和低谷電2種工作模式，當(dāng)處于峰電模式時(shí)，按動(dòng)出水口開關(guān)，即熱管進(jìn)行加熱后熱水流出；當(dāng)處于低谷電模式時(shí)，自動(dòng)根據(jù)設(shè)定好的時(shí)間段利用即熱管進(jìn)行加熱，熱水流入儲(chǔ)水裝置儲(chǔ)存，供峰電時(shí)段飲用，緩解高峰期用水壓力。

該飲水機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)采用反壓式供水加熱結(jié)構(gòu)，使加熱更充分；加熱裝置可見，能快速更換即熱管；2)通氣孔復(fù)位潔凈帽可隔離飲水機(jī)內(nèi)部與外界接觸，能減少污染物的進(jìn)入；3)通過電磁閥控制流水方向，可徹底隔離冷水和熱水，避免形成陰陽(yáng)水，提高飲水質(zhì)量； 4)通過設(shè)定低谷段的時(shí)間范圍，實(shí)現(xiàn)低谷時(shí)段加熱儲(chǔ)水，可解決用水高峰水量不足，在合理利用峰谷電的同時(shí)為用戶節(jié)省電費(fèi)；5)帶有溫度、液位傳感器，具有防干燒和報(bào)警提醒功能，減少電能浪費(fèi)。

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Design of an intelligent drinking fountain with rational use of peak and valley power

ZHAO Yuejing, QIN Zhiying, WAN Haicheng, WANG Bo, ZHANG Zhenyang, LI Qi

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

To solve the problems of existing drinking fountains, such as inconveniently replacement heating equipment, harmful cold-hot mixing water and secondary pollution of drinking water, and to balance the urgent requirement of the national peak valley electricity, an intelligent drinking water machine controlled by microcontroller is designed. The drinking fountain could reasonably utilize the peak and valley electricity. It consists of heating device, rapidly replacing structure, hot water storage structure, clean cap structure of ventilation hole and single chip microcontroller controlling system. It adopts back pressure type water supply heat structure, making the heating more efficient. Its heating unit is visible, making it quickly to replace the heat pipe. Its clean cap structure of ventilation hole separates the inside and the outside, reducing the incoming of pollutants and rejection of heat. Its electromagnetic valve controller controls the flow direction of water, thoroughly separating cold water and hot water, avoiding unboiled water and boiled water, improving drinking water quality. It has temperature sensor, liquid-level sensor and alarming protection function, which can solve the problem of electric energy waste because of water shortage in peak usage and repeatedly heating in valley usage. Through setting the time range of valley stage, it can realize water heat and storage in valley stage, rationally using peak and valley power while saving money for the users, and its widely use can make contribution to the national power grid optimization of cutting peak and filling valley.

automation technology application; intelligent drinking fountain; SCM control; peak and valley power; instant heat pipe; storage water

1008-1534(2017)03-0189-05

2017-01-17;

2017-03-02；責(zé)任編輯：李 穆

河北科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(2015047)

趙月靜(1974—)，女，河北安國(guó)人，副教授，碩士，主要從事機(jī)電一體化、振動(dòng)利用與控制方面的研究。

E-mail:zhaoyj74@163.com

TP36；TH12；TM925

A

10.7535/hbgykj.2017yx03007

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