燃氣熱水器智能節水裝置研究與設計

尹丹桂 王 瓊

（湖南文理學院物理與電子科學學院，湖南 常德 415000）

燃氣熱水器智能節水裝置研究與設計

尹丹桂 王 瓊

（湖南文理學院物理與電子科學學院，湖南 常德 415000）

為充分利用熱水器和水龍頭之間的冷水，文章提出一個新穎獨創的節水裝置的設計思路，利用單片機及電磁閥實現了冷水的自動智能回收，順應了燃氣熱水器節能減排的發展趨勢。

燃氣熱水器；節水；冷水回收

1 引言

燃氣熱水器就是采用燃氣作為主要能源材料，通過燃氣燃燒產生高溫熱量，傳遞到流經熱交換器的冷水中，將冷水加熱來制備熱水的一種熱水器。隨著科學技術的發展，燃氣熱水器本身的適用性越來越好，使得燃氣熱水器走進千家萬戶，成為居家生活的必需品。燃氣熱水器的安裝需要遵循安全原則，需要將熱水器安裝得遠離浴室，就使得熱水管道較長，而每次使用熱水時，需要將管道中存留的冷水放完，才能有熱水流出。由于燃氣熱水器在熱水閥開啟后至水溫達到恒定狀態的這個過程中，會流失大量冷水，這將不可避免的造成水資源的浪費，隨著使用人群的日益增加，帶來的浪費也與日俱增。相關數據表明，全國的燃氣熱水器用戶每年因燃氣熱水器管道浪費的自來水高達數百萬噸，因此有必要對燃氣熱水器的節水設計進行深入研究，從而達到改善其節水性能的目的。

本文提供了一個新穎獨創的設計思路，不改變燃氣熱水器本身的系統，增加節水裝置，采用冷水循環的方法，將出水管道中的冷水送回到熱水器中，繼續進行加熱使用，彌補傳統節水設計的不足，有效的回收冷水，順應了燃氣熱水器節能減排的發展趨勢，在燃氣熱水器節水創新領域具有一定的研究與參考價值。

2 智能節水裝置總體設計方案

本文設計一個智能節水裝置，利用單片機、傳感器、數字轉化器元件等構成基本電路，利用C語言編寫溫度采集及自動轉化程序，從而實現溫度的自動采集和識別，用來控制電磁閥的開關，自動識別實現“冷”“熱”水的流通管道，讓電磁換向閥將沒有達到預設溫度的水和達到預設溫度的水分離，將留在熱水器和淋浴噴頭之間管道中的冷水回流至燃氣熱水器，將冷水回收循環利用，解決了水資源大量浪費的問題，實現燃氣熱水器節水的智能化、自動化。

總體設計方案如圖1所示。各部件說明：

溫度檢測裝置：由溫度傳感器、單片機及輔助電子線路構成。溫度傳感器接觸水溫，將水的溫度值轉化為電信號，但是在燃氣熱水器溫度采集模塊中，傳感器采集的是模擬信號，要實現溫度控制的智能化，需要將傳統的電信號轉化為單片機能夠識別的數字信號。單片機根據所接收到的溫度傳感器的信號，單片機會發出指令，控制兩位三通電磁閥處于得電還是失電狀態。

電磁閥：為了達到智能控制水的流向的目的，需要選擇一個能被電信號控制的開關，電磁閥正好是由電信號控制的閥門，當電磁閥得電時右邊閥門打開，電磁閥失電，左邊閥門打開，根據電流的情況，左右閥門不同，從而控制水流流入不同的管道。

單向閥：因為在實際使用過程中，達到溫度的水只能流向噴頭，未達到溫度的水才能流回熱水器，需要選擇一個單向閥，用于控制冷水流向進水口，防止冷水倒流，流向噴頭。利用水的重力實現單向的流向，選用直通式單向閥，依靠閥內彈簧的作用開啟或者閉合閥口。

圖1　設計方案圖

3 智能節水裝置原理及實現

智能節水裝置的核心在于溫度檢測裝置，主要介紹溫度檢測裝置電路具體的實現，本文分為硬件部分和軟件兩部分介紹。

3.1 智能節水裝置硬件設計原理

該智能節水裝置的基本原理為：當用戶打開進水口，燃氣熱水器運行時，溫度傳感器檢測水溫后，將溫度作為單片機的輸入信號，單片機發出指令，用來控制電磁換向閥的電磁鐵得電或者失電，使換向閥不同的閥門打開。若水未達到設定的溫度，即“冷水”，單片機發出指令，使電磁閥接通閥門右位，水重新流回進水口，熱水器重新加熱。若水達到設定的溫度，即“熱水”，單片機發出指令，使電磁閥接通閥門左位，水直接流向噴頭，供用戶使用。

3.2 智能節水裝置硬件實現電路

溫度檢測裝置設計電路如圖二所示，溫度檢測裝置電路中選取89C51系列單片機作為核心部件，因89C51在片內含4 KB 的 EEpROM，不再需要單獨外接擴展存儲器，可簡化系統整體結構。利用89C51串口輸出，也簡化外部電路，串行輸出數據時，頻率可達1MHz，滿足系統的測控要求。

溫度測量選取集成溫度傳感器 AD590，該傳感器具有較高的精度，另外不需輔助電源，電路結構簡單易實現，采集結果線性度好。

因溫度傳感器信號采集的電壓信號較小，只有幾百毫伏，需要選取合適的放大電。考慮其失調電壓及精度，一般選取單片集成運放，OP07溫漂很小，一般應用于精密加法、檢波、微弱信號精密放大。而且一般不需調零，如要調零，可直接外接調零電位器，阻值一般選擇200KΩ。

日常生活，燃氣熱水器的溫度變化范圍不會太大，最小溫度分辨率為1℃，水溫的變化范圍為0～100℃，所以整個智能溫控系統的溫度采集點應為200個，8位AD轉換器分辨率為1/256，滿足燃氣熱水器溫度轉換精度的要求。逐次逼近式A/DC具有較高的轉換速度、轉換程序固定和精度高的特點，所以本系統選取8位逐次逼近式A/D轉換器ADC0809。

單片機89C51的輸出P3.1引腳為高電平時，經反相驅動器7406后變為低電平，使發光二極管導通，從而光敏三極管導通，使三極管T9031工作，繼電器線圈通電，觸點閉合，220V電壓接通，即電磁閥換向閥得電，水流出花灑。

圖2　溫度檢測裝置電路圖

電磁閥是用來控制流體的自動化基礎原件，通過控制電磁鐵的電流就控制了機械運動。為了控制的方便性和準確性，本裝置在設計時，通過一條指令控制所有的電磁閥，降低了程序的復雜性和故障率。

花灑閥門打開，節水裝置自動開機，單片機控制系統開始檢索溫度傳感器送入的信號，當溫度未達到設定溫度，控制系統控制電磁閥，冷水回流；當溫度達到設定溫度時，單片機輸出控制指令，熱水器進入正常工作狀態，而節水裝置進入待機。

3.3 智能節水裝置軟件設計

本系統選取的是89C51系列單片機，其指令集同標準8052指令集完全兼容。片內資源非常豐富，應用時系統只需外接少量的元器件，就能實現智能溫控系統的功能需求。利用專門的μCOS-II的多任務操作系統開發平臺上，采用C語言和匯編語言編寫了系統的具體程序。因為C語言等高級語言具有豐富的庫函數，編程簡單，程序可讀性強，修改方便。而且與Linux一樣，μC/OS－II源代碼也是開放的，這極大地提高了效率，降低了成本。

與CPU相關的代碼部分包含OS-CPU.h、OS-CPU-A.ASM和OS-CPU-C.C，其中OS-CPU.h定義了兩個函數，分別為OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()，函數用來實現關/開中斷，OS-CPU-A.ASM完成任務棧的初始化，OS-CPU-C.C定義定時器相關函數和相應的接口空函數，移植過程中只需要修改這3個文件。與CPU無關的代碼部分包含μ COS-II.h、μCOS-II.h這2個系統函數。

4 結語

本文利用單片機、溫度檢測裝置分離達到和未達到設定溫度的水，自動識別實現“冷”“熱”水的流通管道，讓電磁換向閥將沒有達到預設溫度的水和達到預設溫度的水分離，使留在熱水器和淋浴噴頭之間管道中的冷水能回收循環利用，能夠起到節約用水的作用，解決了水資源大量浪費的問題，實現了智能化、自動化。

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The research and design of gas water heaters intelligent water-saving devices

In this paper, we propose a novel design ideas original water-saving device about gas water heater to make full use of cold water. The use of the micro-controller and the solenoid valve to achieve the automatic intelligent recycling cold water, conforms to the development trend of energy saving.

gas water heater; water-saving; recycling cold water

TM92

A

1008-1151(2016)09-0043-02

2016-08-11

國家自然科學基金青年項目(批準號：61605019),湖南省自然科學基金青年項目(批準號：2016JJ3015)；湖南省教育廳一般項目(批準號:15C0937)；湖南省光電信息技術校企聯合人才培養基地資助(湘教通[2012]434號)。

尹丹桂（1994－），女，湖南常德人，湖南文理學院物理與電子科學學院學生，研究方向為物理學。

王瓊（1983－），男，湖南衡陽人，湖南文理學院物理與電子科學學院講師，博士研究生。