基于直熱式新型飲水機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者 / 王剛，四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

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基于直熱式新型飲水機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者 / 王剛，四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

針對(duì)智能技術(shù)的應(yīng)用和節(jié)能的目的，采用對(duì)現(xiàn)行家用飲水機(jī)和辦公飲水機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的調(diào)查和研究，設(shè)計(jì)一種直熱式新型飲水機(jī)控制系統(tǒng)，采用STC89C52RC單片機(jī)為控制核心、以單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20來(lái)完成溫度信號(hào)的采集、PID算法智能控制溫度、直熱式石英加熱器、重力傳感器、霍爾水流傳感器。實(shí)驗(yàn)應(yīng)用表明，當(dāng)有人要飲水時(shí)，直接先選擇開(kāi)水或溫水或冷水，飲水機(jī)就會(huì)在3秒出水，該系統(tǒng)功能上更強(qiáng)，使用更方便，安全可靠性也更高，最重要的是更節(jié)省電能，提高了家用電器的品質(zhì)。

直熱式；新型；飲水機(jī)；設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)飲水機(jī)熱膽一般采用側(cè)進(jìn)水結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了每次制熱水時(shí)熱膽底部都會(huì)存在約30%的死水，這些死水反復(fù)加熱，造成了嚴(yán)重的二次污染。由于熱膽材質(zhì)多為不銹鋼和鋁殼，本身也會(huì)構(gòu)成“污染源”，在長(zhǎng)時(shí)間加熱下，水中的含鐵、鋁、銨的亞硝酸鹽含量即會(huì)明顯增加。內(nèi)膽超過(guò)3個(gè)月不清洗，就會(huì)滋生大量細(xì)菌、殘?jiān)踔良t蟲(chóng)，附著在熱膽的內(nèi)壁上，成為飲用水的有毒“添加劑”。溶入這種“添加劑”的水進(jìn)入人體后，會(huì)引起消化、神經(jīng)、泌尿和造血系統(tǒng)病變，甚至引起早衰。

同時(shí)，飲用水在熱膽內(nèi)反復(fù)被“加熱-冷卻-再加熱”后，就會(huì)形成千滾水。“千滾水”雖看似干凈，卻因煮沸過(guò)久，水中不揮發(fā)性物質(zhì)如鈣、鎂等重金屬成分和亞硝酸鹽含量很高。久飲這種水，會(huì)干擾人的腸胃功能，出現(xiàn)暫時(shí)性腹瀉、腹脹；有毒的亞硝酸鹽是強(qiáng)氧化劑，進(jìn)入血液后會(huì)與血紅蛋白結(jié)合，使氧合血紅蛋白變?yōu)楦哞F血紅蛋白，從而使血紅蛋白失去攜氧能力，導(dǎo)致組織缺氧，并對(duì)周?chē)苡袛U(kuò)張作用。

1. 系統(tǒng)概述

為防止這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)出了一種直熱式新型飲水機(jī)，該飲水機(jī)從降低開(kāi)發(fā)成本、擴(kuò)大適用范圍、系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性、實(shí)用性、新穎性的設(shè)計(jì)目的出發(fā)，采用STC89C52RC單片機(jī)為控制核心、以單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20來(lái)完成溫度信號(hào)的采集，直熱式石英加熱器，重力傳感器，霍爾水流傳感器來(lái)檢測(cè)水位。直熱式新型飲水機(jī)與傳統(tǒng)的飲水機(jī)相比，沒(méi)有了千沸水的隱患，同時(shí)也減少了上水的麻煩，使得很容易就可以使用。

將飲水機(jī)接入220V 50HZ 市電中按下電源按鈕（綠色指示燈）飲水機(jī)處于待機(jī)工作狀態(tài)，根據(jù)所需水溫分為三種模式冷水（室溫）、溫水（38℃）、開(kāi)水（98℃～103℃）分別對(duì)應(yīng)藍(lán)色、黃色、紅色指示燈。供水使用傳統(tǒng)飲水機(jī)所用的塑料桶（18.9L）可正立放置于新式飲水機(jī)底部，水量不足10%時(shí)報(bào)警提示更換新水，每次更換新水自動(dòng)對(duì)飲水機(jī)內(nèi)部紫外線消毒2分鐘。帶過(guò)溫（120℃及以上）保護(hù)系統(tǒng)，水流傳感器，微電腦控制，不會(huì)產(chǎn)生水垢。具體的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 水溫控制模塊

（1）加熱模塊

采用直熱式加熱器，功率2200W，內(nèi)置3根石英加熱管。

（2） 溫控模塊

該模塊采用BTA16-600B 雙向可控硅控制電壓來(lái)控制加熱器加熱的功率來(lái)控制溫度。

■2.2 殺菌模塊

為了對(duì)每次更換新水，新啟動(dòng)飲水機(jī)，保證飲水安全內(nèi)置紫外線殺菌燈。紫外線波長(zhǎng)在240～280nm范圍內(nèi)最具殺破壞細(xì)菌病毒中的DNA（脫氧核糖核酸）或RNA（核糖核酸）的分子結(jié)構(gòu)，造成生長(zhǎng)性細(xì)胞死亡和（或）再生性細(xì)胞死亡，達(dá)到殺菌消毒的效果。尤其在波長(zhǎng)為253.7時(shí)紫外線的殺菌作用最強(qiáng)。紫外線燈啟動(dòng)時(shí)對(duì)燈管的壽命影響較大。對(duì)于低壓燈管，一般每次啟動(dòng)需要3-6min的穩(wěn)定時(shí)間，所以每次開(kāi)機(jī)或者更換新水后自動(dòng)進(jìn)行紫外線殺菌8分鐘，為了避免紫外線對(duì)人體的影響只有關(guān)閉水柜門(mén)才能進(jìn)行殺菌。紫外殺菌電路如圖2所示，單片機(jī)P3.0口控制繼電器將殺菌燈接入電路。

圖2 紫外殺菌電路

■2.3 保護(hù)模塊

（1）水位報(bào)警模塊

該部分電路主要是在飲水機(jī)水柜下方放置彈簧底座，水量不足時(shí)彈簧彈起接通報(bào)警電路。

（2）防干燒保護(hù)模塊

加熱器功率為2000W直熱式加熱器干燒會(huì)燒壞加熱器。采用霍爾水流傳感器（ES3144）檢測(cè)是否有水流流經(jīng)加熱器，若有水流流過(guò)加熱器才工作，反之則不工作。

（3） 防意外出水保護(hù)模塊

本模塊為了防止小孩因玩耍意外碰觸出水按鍵，而造成不必要的燙傷和水資源浪費(fèi)。采用LJC30A3-H-Z/BX 三線NPN常開(kāi)電容式接近開(kāi)關(guān)可以感應(yīng)所有材質(zhì)的杯子，放置于飲水機(jī)出水口下方。

3. 軟件設(shè)計(jì)

主要包括水量檢測(cè)、溫度采集模塊、鍵盤(pán)輸入模塊、LED指示模塊和PID恒溫控制模塊。

（1）水量檢測(cè)模塊

水量：采用重量傳感器小于1KG時(shí)提示更換新水 。

換水：自動(dòng)啟動(dòng)紫外線殺菌燈殺菌2min，打開(kāi)飲水機(jī)水柜更換新水，自動(dòng)切換低壓（6V），控制回路整機(jī)停止工作，閉合水柜門(mén)恢復(fù)工作且進(jìn)行紫外線殺菌2min。

（2）溫度采集模塊

溫水加熱模塊：采用DS18b20測(cè)取室溫用于PID溫水溫度人性化智能補(bǔ)償（38℃）。

熱水加熱模塊：直接啟動(dòng)直熱式加熱系統(tǒng)（100℃）。

（3）鍵盤(pán)輸入模塊

按鍵采用輕觸開(kāi)關(guān)使用時(shí)，輕輕按開(kāi)關(guān)按鈕就可使開(kāi)關(guān)接通，當(dāng)松開(kāi)手時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

鍵盤(pán)輸入電路主要是用來(lái)輸入數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。該系統(tǒng)的鍵盤(pán)設(shè)計(jì)是采用掃描方式實(shí)現(xiàn)的獨(dú)立按鍵。

（4）LED指示模塊

該部分主要用來(lái)的顯示用戶功能。在硬件設(shè)計(jì)中，共陽(yáng)極LED ，要點(diǎn)亮LED則需讓其IO口置低，熄滅置高。

4. 總結(jié)

基于直熱式新型飲水機(jī)硬件設(shè)計(jì)已完成，各部分功能都已實(shí)現(xiàn)。STC89C52RC單片機(jī)片上資源比較豐富，這使得課題外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)單，還留有大部分I/O口以便今后擴(kuò)展。溫度采集模塊用DS18B20來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路簡(jiǎn)單，且價(jià)格便宜，精度與穩(wěn)定度都比較高。造型及顯示效果個(gè)性、新穎，解決了傳統(tǒng)飲水機(jī)結(jié)構(gòu)單一，對(duì)人類(lèi)健康造成隱患的缺陷，更好了滿足了人們對(duì)美好生活的追求。鍵盤(pán)模塊電路，用戶可以通過(guò)鍵盤(pán)直接選擇所需溫度的水，為用戶提供了一個(gè)良好的人機(jī)接口。

圖3 直熱式新型飲水機(jī)流程圖

＊ ［1］夏路易.單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.北京希望電子出版社.2006

＊ ［2］趙繼文.傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì).北京科學(xué)出版社.2002.3

＊ ［3］黃繼昌.電子元器件應(yīng)用手冊(cè).北京人民郵電出版社.2004.5

＊ ［4］謝楷.MSP430系列單片機(jī)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐.機(jī)械工業(yè)出版社.2010

＊ ［5］劉愛(ài)華.傳感器原理與應(yīng)用技術(shù).人民郵電出版社.2010

＊ ［6］劉瑞新.單片機(jī)原理及應(yīng)用教程.機(jī)械工業(yè)出版社.2005

＊ ［7］王丹志.趣味電子制作.科學(xué)出版社.2009