Mixly開源項目設計21： 太陽能熱水器自動斷水裝置

滕永豐 劉曉靜

教學相長是一個基本的教育規律，教師常常在解答學生問題的過程中加深對教學的理解和產生一些新的想法。筆者所在學校的一位初一學生這樣描述了一個項目需求：“每次洗澡完畢都要給太陽能熱水器注滿水，注水等待的過程漫長難熬，媽媽就把這個任務交給了我?？蓪嶋H情況是要么我專心致志地寫作業，要么我目不轉睛地看電視，早就將太陽能熱水器上水的事兒拋到九霄云外……幾乎每次都水漫金山。既心疼那些水費，更是自責浪費了水資源，我想制作一個小小的報警器，提醒太陽能熱水器的水注滿了，要是還能直接將水關了，那就更好了。”通過這個項目需求，我們不難看到，創新不一定就是高大上的，從生活的細小之處，發現生活的不便之處，做個小東西將它化繁為簡，這也是創新。那么，不妨現在就動手制作一個“太陽能熱水器自動斷水裝置”。

電路連接

以下就是整個制作過程，由于涉及到一些不太常用的電子件，這里需要詳細介紹一下。

1.項目總體思路

①不能對太陽能熱水器及其管路有大的改動，就算改動，也只限于洗手間或者管井。

②控制器一通電，電磁閥打開，立刻上水；熱水器水滿后，回水管出水，注入可樂瓶，液面達到預定高度，電磁閥關閉，紅燈亮，標志水滿。

③對于水位的控制采用液位傳感器，自動斷水采用數字繼電器模塊與普通電磁閥，電磁閥作為閥門的控制裝置完成對進水管水流的控制。

2.硬件清單

①Arduino控制器，本例用的是Dfrobot公司的Romeo BLE多合一控制器，如圖1所示。

②紅色LED模塊，如圖2所示。

③液位傳感器。本例用的是Dfrobot生產的智能型非接觸式液位傳感器，采用了先進的信號處理技術及高速信號處理芯片，避免了容器壁厚的影響，實現了對高壓密閉容器內各種有毒物質﹑強酸﹑強堿及各種液體的液位高度的非接觸檢測。其智能型非接觸式液位傳感器安裝簡單，使用方便。其工作原理是利用水的感應電容來檢測是否有液體存在，在沒有液體接近感應器時，感應器上由于分布電容的存在，所以感應器對地存在一定的靜態電容，當液面慢慢升高接近感應器時，液體的寄生電容將耦合到這個靜態電容上，使感應器的最終電容值變大，該變化的電容信號再輸入到控制IC進行信號轉換，將變化的電容量轉換成某種電信號的變化量，再由一定的算法來檢測和判斷這個變化量的程度，當這個變化量超過一定的閾值時就認為液位到達感應點，簡單地說當檢測到液位時，OUT腳輸出高電平，液位傳感器指示燈亮，否則輸出低電平，液位傳感器燈滅，如圖3所示。

④繼電器模塊：在使用Arduino做互動項目時，很多大電流或高電壓的設備通常無法直接用Arduino的數字IO口進行控制（如電磁閥、電燈、電機等），此時可以考慮用繼電器的方案解決。繼電器相當于一個數字信號控制的電路開關，它控制的電路與功能電路相互隔離，在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。當繼電器接收到高電平信號時，連通所控電路，當接收到低電平信號時，斷開所控電路；當接收到高電平信號的時候，繼電器的COM口和NO口將會導通，同時COM口和NC口會斷開；當接收到低電平信號時，繼電器的COM口和NO口將斷開，同時COM口和NC口會接通（如下表）。（N/A口后無電路，為空置接口，請勿連接用電設備）繼電器不通電等效于繼電器接收到低電平的控制信號，如圖4所示。

⑤電磁閥。本例中采用的是220V德力西常閉型電磁閥，通電時開，斷電時關。安裝時注意水流方向和線圈位置，購買時還要注意管徑大小，如圖5所示。

硬件連接步驟

①電磁閥自帶的兩根電線不帶插頭、很短，根據需要增加導線的長度及插頭。

②將其中的一根電線用鉗子掐斷，兩邊分別剝去絕緣部分，露出半厘米左右的電線。

③使用螺絲刀擰松電壓檢測模塊免焊接口的COM口和NO口的螺絲，再分別將剛剛剪開的兩個線頭插進去，并擰緊螺絲固定好，并核實一下兩個線頭無接觸并且已經緊固。

④將繼電器接到ROMEO控制器的數字引腳8上，須注意線與埠的顏色一致。

⑤將液位傳感器鍵模塊接到ROMEO控制器的數字引腳7上，須注意接線與埠的顏色一致。

⑥將數字LED模塊接到ROMEO控制器的數字引腳10上，須注意接線與埠的顏色一致。

情境呈現

使用方法：上水時，打開裝置的電源，控制器就會給電磁閥通電，電磁閥打開，向太陽能熱水器供水；當太陽能熱水器注滿后，回水管就會有水流出，流入可樂瓶中的水達到液位傳感器的高度，紅燈亮起，同時給電磁閥斷電，停止上水，整個過程結束（如上頁圖6、圖7）。

除了制作熱水器自動斷水裝置外，它本身也是一個很好的教具（如上頁圖8），可以用來講解控制原理，稍加改裝還可以制作智能魚缸一類的項目。掃描右側的二維碼可以查看太陽能熱水器自動斷水裝置的工作視頻。

原理揭秘

本例中用的是Mixly 0.991，Mixly是模塊化編程入門最簡單的軟件之一，在中小學創客教育中有著廣泛的應用。本例中程序邏輯結構如圖9所示。程序設計如圖10所示。

成果拓展

在完成了這個項目后，我們發現這個項目還有一點不足，就是在下次上水時還需要將可樂瓶的水倒掉，難道要增加一個機械臂負責倒水么？這樣是不是有些太復雜了。經過思考，我們找到了一個簡便的做法，在初中的時候，我們經常做“一邊注水一邊放水，求多長時間水池能滿”的數學題，我們想到的方法就是在靠近瓶底的部位打個小孔，這樣在電磁閥關閉后，瓶中的水就會慢慢流走。下次上水只要將ROMEO控制器的外接電源開關重置一下即可。如此這般，“太陽能自動斷水裝置”就誕生了。而這只是我們此次創意征集中的一個。

回顧此次活動，我們發現教師和學生可以成為“項目合伙人”，學生出點子和教師一起實現，學生邊做邊學，教師邊做邊教，大家一起解決問題，形成一種師生互創的學習模式。而在這個過程中，還可以建立教師和學生的項目股份機制，通過dfrobot網站提供的“心愿單”功能（如圖11），將創客作品轉化為一個創客產品，現在已經有一個人購買了，雖然只有十幾元的項目收益，但是這對我們是一種莫大的鼓勵。

你也需要一個太陽能熱水器自動斷水裝置么？歡迎支持我們的心愿單，我們的項目心愿是通過項目版稅，給學生們購置一臺3D打印機，每一點小小的支持，都是對創客精神的一種鼓勵。