一種智能化飲用電熱開水器的設計

滄州市科技情報研究所 王宏云

隨著人們物質生活水平的不斷提高，飲水安全及便捷性成為主要任務。為了適應各類人群飲水需求環境而設計出一種利用電加熱開水的開水器，為方便飲用采用了單片機的智能控制。按其容量大小來適用于不同群體的需求，大致功率范圍有2KW、3KW、4.5KW、5KW等不同型號，適用于企業單位、酒店、部隊、車站、機場、工廠、醫院、學校等公共場合。相和傳統的鍋爐相比具有節省人力、安全，噪音小，無污染的優點，并且供應開水方便及時，隨時都可提供飲用水。

1.電熱開水器的種類及存在隱患

1.1 按內部結構劃分

目前市面上飲用開水器大致可分為：浮子式開水器、分離式開水器、分層加熱式開水器和即熱式電熱開水器。

第一種：浮子式開水器。浮子式開水器是應用最普遍的第一代產品，內部結構簡單，主要有一個水箱構成，用來儲水和燒水，而浮子用于控制水位，內部設置電發熱管加熱。由于在使用過程中，人們發現其只有一個水箱，不能把生水與開水分隔；只有一個浮子作為水位控制，不能控制人們取水時生水進入水箱中。造成陰陽水的產生，影響飲用水的質量和人們的健康。但由于浮子式開水器結構簡單，造價低廉，目前被工廠、機關單位、酒店、等公共場合大量使用。

第二種：分離式開水器。針對第一代產品會產生陰陽水的缺點，人們進行的技術革新，研發出避免陰陽水產生的分離式開水器，其原理使用兩個水箱，主要是把生水和開水分隔開，一個箱體里裝有電熱管，負責燒水，另一個箱體則負責儲存開水。這樣能有效避免生水與開水的混合，徹底解決了“陰陽水”問題。但最初由于實現結構較為復雜，成本較高，箱體密封而不能清洗所造成壽命不長等原因，沒能得到大量推廣，市場占有率很低。

第三種：分層加熱式開水器，其原理是將水逐層加熱，當最高溫度大約達到95度左右時，即停止加熱，但是因具有即燒即飲的特點，所以供水比較及時。由于結構復雜，成本較高，操作復雜，維修費用昂貴，耐用性也比較差，最高溫度達不到水開溫度（一般開水需大于98度左右），存在健康隱患。

第四種：即熱式電熱開水器，又叫快熱式電熱水器。即熱式開水器是無儲存無往復式水路瞬時電加熱設備，大功率的電加熱器使水在流動中被加熱到沸點，做到了即用即開。不但具有能夠即開即熱，使用方便，且省時省電，節能環保等諸多優點，解決了健康飲水的問題。最早用于淋浴噴頭，通過流量調節水溫，但用于飲水加熱技術要求高，人們最為擔心的還是安全問題，并且電功率一般都很大，受到很多場合的限制，因此一直無法推廣!。

1.2 目前電熱開水器存在的問題

各類傳統儲水箱式電開水器、飲水機，因為保溫必須重復燒而白白浪費大量的電能，不僅如此，實驗證明，如果把水反覆地一再燒煮（俗稱千滾水），會使水中的[硝酸鹽]轉變成[亞硝酸鹽]，而[亞硝酸鹽]對人體是有害的，它會讓紅血球失去了攜帶氧氣的功能。

有些傳統儲水箱式電開水器內水量不足時，它就會自動加水。此時，如果接開水的人沒有注意或是急等飲用，電熱開水器就會流出冷熱混合的水（俗稱陰陽水）。陰陽水可能含有各種病原微生物，因此喝陰陽水可能引起各種腸道傳染病。陰陽水多產生于單缸結構的浮子式開水器。

有鑒于此，本文介紹一種智能飲用電熱開水器，可以解決上述電熱開水器存在的問題。

2.智能飲用電熱開水器主要結構、原理

整個智能化飲用電熱開水器結構原理如圖1所示。

圖1 智能化飲用電熱開水器結構原理

2.1 電熱開水器主要結構

如圖1所示，智能化自動電熱飲用開水器包括兩個主要部分：單片機控制系統和電熱開水器部分。單片機可以選用內置8通道A/D轉換器的芯片來設計即可，便于采集水位，溫度等數據；電熱開水器部分包括水箱和閥門、加熱器、溫度和水位探測器等。

按功能部件分為兩個部分：包含主機和智能龍頭兩個部分，主機包含控制芯片、水箱、水位探測器、溫度傳感器等主要部件，智能龍頭包括控制芯片、冷/熱水龍頭等主要部件。

2.2 智能飲用開水器工作原理

自來水通過三通分成兩路，一路可以提供涼水使用，另一路則通過進水電磁水閥進入水箱，當水箱內的水位低于預設高度時，進水電磁水閥打開，給水箱加水。因為水箱內設置有兩個水位傳感器，分別設置在不同的高度，當水箱的水位低于低位的水位傳感器時，加水，而當水位達到位于高位的水位傳感器時，進水電磁水閥關閉，停止加水。同時水箱溫度傳感器檢測到的水溫低于第一預設溫度時，加熱器通電工作。且在開啟熱水龍頭時，出水熱水閥門不工作即無熱水提供。只有當溫度傳感器檢測到的水溫達到第二預設溫度時，加熱器斷電停止加熱，且在開啟熱水龍頭時，出水熱水閥門才能打開提供熱水。水箱的頂端設有換氣管便于水箱內水蒸汽排出和水的流出而設計的。

由此可見，只有在水箱內的水達到預設低水位后，才加水。從而杜絕了冷熱水混合，接開水時冷水不會混入，有效杜絕“陰陽水”而由于設置了溫度傳感器檢測水溫，并設置加熱溫度而有效杜絕了反復加熱造成的“千滾水”。

3.單片機控制系統硬件設計

結構圖如圖2所示。

圖2 單片機控制系統硬件結構

3.1 溫度采集電路

采用負溫度系數的熱敏電阻與10KΩ電阻串聯分壓得到采樣電壓，電容的作用是抗干擾和平滑電壓曲線的作用，減少誤動作。

3.2 水位采集電路

利用水的導電特性，制成水敏探頭分別放在高低不同的水位上，由于上水時水的波動加大使信號可能誤動作，此時需加大濾波電容的容量，一般在4.7至47μF之間。

4.控制系統軟件設計

單片機開發實現功能設計編程，調試。

4.1 主要功能

根據如下功能來開發編程控制程序，控制開水器的進出水閥、電加熱器、蜂鳴器和顯示屏等，實現智能控制，主要功能如下：

1）系統自檢：系統各部件的數據好壞判斷，報警、保護措施；

2）預防干燒：首次使用或自來水停水或水箱內水被用光；

3）定時開關機設置，避免夜間等休息時間時加熱，待機24小時用電量大幅降低；

4）加熱功率設計，首次使用3-4分鐘即可飲用開水；

5）高低水位控制，使冷熱水分離，有效杜絕“千滾水”；

6）水位探測器控制注水避免冷熱水混合，產生“陰陽水”，分段加熱，保證即時使用開水，溫度設計開水98℃。

4.2 利用單板機的編程功能，編入定時開關機功能

具體可通過控制裝置進行設置，避免家中無人時加熱，待機24小時，用電僅為0.75度，節能優勢明顯。熱速度快，首次使用3-4分鐘即可飲用開水，每小時提供8升開水，用電0.88度冷熱水分離，自動睡眠模式，杜絕反復加熱；高密度隔熱泡沫，保溫效果好。水溫自動測定，水溫過低停送熱水；智能液晶顯示技術，體貼運行。

圖3 溫度采集電路

圖4 水位采集電路

5.小結

經試驗運行表明，系統運行可靠、功能齊全，實現了杜絕冷熱水混合的“陰陽水”和重復加熱造成的“千滾水”功能。是一種健康型的飲水機，具有節能、環保的特點，適用于企業單位、酒店、部隊、車站、機場、工廠、醫院、學校等公共場合使用。

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