用于熱源溫度非穩定的熱水器智能恒溫閥設計

張家豪　王利紅

摘 要：現階段，淋浴一般采用手動機械調溫閥進行調溫，該類調溫閥在熱水源不穩定的環境中使用時存在調溫時間長、恒溫難、水資源浪費嚴重和用戶沐浴體驗較差等問題。該類問題在太陽能熱水器中表現尤為嚴重。為此，本文設計了一款基于比例微調算法的可自動調溫的家用智能淋浴控溫閥，可實現一鍵恒溫。樣機的調試結果顯示，該淋浴智能自動控溫閥具有人機交互性強、調控響應速度快、水溫水量恒定的特點，具有一定的應用推廣價值。

關鍵詞：淋浴混水閥;智能自動控溫閥;智能調溫

中圖分類號：TU822;TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）32-0046-05

Design?of?Intelligent?Thermostat?Valve?for?Water?Heater?with

Unstable?Heat?Source?Temperature

ZHANG?Jiahao WANG?Lihong

（School?of?Materials?Science?and?Engineering，?Zhengzhou?University?of?Aeronautics，Zhengzhou?Henan?450046）

Abstract：?At?this?stage，?the?shower?is?usually?tempered?by?a manual?mechanical?thermostat.?When?the?temperature?regulating?valve?is?used?in?an?environment?with?unstable?hot?water?source，?there?are?problems?such?as?long?temperature?adjustment?time，?difficulty?in?constant?temperature，?serious?waste?of?water?resources，?and?poor?user?bathing?experience.?This?type?of?problem?is?particularly?severe?in?solar?water?heaters.?To?this?end，?this?paper?designed?a?home?smart?shower?temperature?control?valve?based?on?proportional?fine-tuning?algorithm?that?could?automatically?adjust?temperature，?which?could?achieve?one-button?constant?temperature.?The?debugging?results?of?the?prototype?show?that?the?shower?intelligent?automatic?temperature?control?valve?has?the?characteristics?of?strong?human-computer?interaction，?fast?response?response，?constant?water?temperature?and?water?volume，?and?has?certain?application?promotion?value.

Keywords：?shower?mixing?valve;intelligent?automatic?temperature?control?valve;intelligent?temperature?control

現階段，太陽能熱水器的調溫方式主要為手動調節，熱源溫度因太陽光照時長不同而不同，出水口的水溫受進水量和熱源溫度波動的影響而不斷變化。用戶在使用時需要不斷調節來保證較為恒定的水溫，這不僅浪費了大量的水資源，還帶來不良的沐浴體驗，甚至存在燙傷的風險。針對市場上目前廣泛使用的太陽能熱水器混水閥存在的問題，采用現代智能控制技術對原有手動機械閥進行改造，實現自動恒溫出水是非常必要的。

1 恒溫閥國內外研究現狀

現有的恒溫閥主要有三種[1-3]。一是手動機械式混水閥，結構簡單，價格便宜，但每次調溫全憑用戶感覺，需要不斷嘗試。二是檔位調溫閥，其原理決定了只有當熱水入水口與涼水入水口水溫為某一固定值且水壓恒定時，其溫度刻度才有意義，否則依然需要用戶憑感覺去調節溫度，依舊解決不了太陽能熱水器等熱水源水溫不穩定場所水溫難調的問題。三是明裝電子恒溫閥，該閥可初步滿足大多數用戶的需求，但其價格過高，很多用戶望而卻步。

通過對國內外恒溫閥現狀的分析可知，智能化家居是未來社會發展的趨勢，但由于價格過高或技術不很成熟等原因，現階段市場上絕大多數使用的依舊是手動機械式混水閥，在熱水源水溫不穩定的情況下，該類閥門需要用戶在沐浴過程中不斷手動調溫，使得用戶沐浴感受差并造成水資源的浪費。因此，采用現代技術實現閥門的自動恒溫是非常必要的。

針對現有的調溫方式，結合實際的生活需求，本文設計了用于熱源溫度非穩定的熱水器智能恒溫閥。設計以成本低廉、調溫響應速度快和調溫精度高為原則。

2 控溫原理設計

2.1 設計思路

溫度傳感器讀取熱水入口、冷水入口以及出水口溫度數據，并傳給主控模塊，主控模塊通過解析數據，先比較此時出水口水溫與設定溫度值的誤差范圍，進行比例式調節或進行微調[4-6]。經過相關算法產生特定占空比的PWM波，驅動舵機，調節混水閥處熱水入水口與冷水入水口的開啟比例，使得不同體積的熱水與冷水同時進入混水閥混合后得到設定的出水溫度。另外，利用閥口調節水溫時進行按鍵掃描操作，監測是否按下按鍵進行水溫設定;液晶屏也顯示相應的提示信息，如熱水溫度、涼水溫度及出水口溫度等。

2.2 調溫原理

設熱水溫度為[Tr]，涼水溫度為[Tl]，出水口溫度為[Tw]，熱水熱量為[Qr]，涼水熱量為[Ql]，出水口溫水熱量為[Qw]，單位時間內流出的熱水質量為[mr]，涼水質量為[ml]，則溫水質量為[mr+ml]，單位時間內流出的熱水體積為[Vr]，涼水體積為[Vl]，熱水斷水面積為[Ar]，涼水斷水面積為[Al]。熱力學公式為：

（1）

式中，[Q]為熱量;[c]為比熱容;[m]為質量;[ΔT]為溫度差。

由式（1）和能量守恒定理可知，出水口溫水熱量[Qw]、熱水熱量[Qr]和涼水熱量[Ql]滿足以下條件：

（2）

式（2）可以改寫為：

（3）

由此可得：

（4）

當設備剛工作時，冷水溫度傳感器和熱水溫度傳感器將對應冷水管和熱水管水溫[Tr]、[Tl]采集出來并傳回主控芯片，主控芯片根據內部程序對冷熱水溫度和設定溫度[T]進行比較，此時使[T]=[Tw]，并用基于以上公式的算法進行計算，得到混成設定溫度溫水所需要冷熱水的最優質量比。因為[Tw]、[Tl]和[Tr]都為已知值，所以質量比[mrml]也就已知。同理，當[Tr]和[Tl]不變時，改變其質量比即可改變[Tw];當[Tr]或[Tl]發生改變時，改變質量比[mrml]即可使[Tw]穩定不變。因為冷熱水密度差可忽略不計，所以由[m=ρV]可知，質量比[mrml]即為體積比[VrVl]。因為單位時間內出水體積等于流水速度乘以斷水面積，經穩壓后的冷熱進水口流水速度可認為相等，所以[VrVl]=[ArAl]，即通過控制其斷水面積之比來調節水溫。

3 閥的結構設計

3.1 閥座的設計

由小節2可知，該設計通過控制冷熱閥口斷水面積之比來調節水溫。為達到通過閥體轉動來改變冷熱閥口斷水面積之比且轉動角度與面積之比呈線性變化的目的，固熱水管和冷水管的閥口斷水面設計為半圓環形，其兩邊邊緣也為圓弧形;混合水管斷水面為橢圓形;三個斷水面位于同一平面內，且呈三角分布在閥腔底面，冷熱水管斷水面積小于混合水斷水面積，整個閥腔沿中軸線對稱分布;三個斷水面通過扇狀水道與冷水管、熱水管和混合水管相連，如圖1所示。

3.2 閥體的設計

閥體結構如圖2所示，為“T”型結構，閥體上半部分為外齒輪結構，接齒輪傳動;閥體下半部分底面采用扇形凹槽結構，為混水區，扇區圓弧度與冷熱水管斷水面弧度相等，以便更好貼合。混水原理如圖3所示，通過旋轉閥門，閥體混水區與閥座的進出水口配合有三種狀態：圖3（b）為熱水進水量和冷水進水量相等的位置;當閥體順時針旋轉一定角度時[見圖3（a）]，熱水進水量變大而冷水進水量變小;當閥體逆時針旋轉時[見圖3（c）]，冷水進水量變大而熱水進水量變小，從而達到調節水溫的目的。混合后的溫水通過出口3流出。

3.3 傳動的設計

該智能恒溫閥采用伺服電機為原動件，通過齒輪驅動閥體回轉。設計閥體轉動60°，即可完成冷熱閥口過水斷面積之比從0∶100到100∶0的變化，因此閥體每轉動0.6°，冷水斷面減少（增加）1%，同時熱水斷面增加（減少）1%。設計舵機轉動145°，控制閥體轉動60°，固主動齒輪與從動齒輪齒數比設為20∶45。閥的整體結構如圖4所示。

4 控制系統設計

4.1 控制系統的總體設計

本裝置選用了STM32F103C8T6作為控制器;為了獲取溫度信息，配備3個DS18B20溫度傳感器;為了增強人機交互性，配備LCD12864液晶顯示器;為了方便設定溫度，配備了按鍵模塊;最后配合1個舵機和電源構成了整個控制系統[7，8]。

當系統上電后先進行一系列初始化，然后溫度傳感器將三處水溫的溫度值傳回主控芯片，主控芯片對比其與按鍵設定的溫度值，通過相關算法計算出舵機應轉動的角度，生成相應PWM驅動舵機轉至指定位置。其控制系統原理框圖如圖5所示。

4.2 溫度采集模塊設計

考慮到控制要求、尺寸大小和成本造價，本模塊采用三路DS18B20溫度傳感器，分別監測熱水、涼水以及混合后的溫水溫度。安裝位置如圖4所示。

4.3 液晶顯示電路設計

為增強該設備的人機交互性，本設計采用LCD12864液晶來顯示系統狀態和溫度信息，使得該設備操作起來更加直觀方便，更加人性化。

4.4 按鍵模塊電路設計

為方便設定溫度，按鍵模塊使用4個按鍵開關，分別賦予按鍵S1、S2、S3和S4溫度+、溫度-、確定和復位四個功能。按下“溫度+”，液晶屏顯示的設定溫度加一;按下“溫度-”，液晶屏顯示的設定溫度減一;按下“確定”，相關程序啟動，根據相關算法，達到出水溫度等于設定溫度的目的;按下“復位”，舵機至中位（維修時使用）。該模塊與液晶顯示模塊相結合，起到人機交互的作用，使得該設備更加人性化。

4.5 系統總電路設計

綜上所述，用STM32F103C8T6作為控制器，溫度傳感器型號選用DS18B20，液晶顯示器選用LCD12864，LD-2701舵機作為執行部件。此系統電路原理如圖6所示。

5 結論

該智能淋浴控溫閥操作方便快捷，給定用戶3個按鍵，通過“溫度+”“溫度-”兩個按鍵可自由更改預設溫度值，按下“確認”鍵，即可根據預設溫度值啟動相關程序恒溫出水。同時，其溫度信息實現可視化，配有LCD液晶顯示屏，進出水溫度以及設定溫度可以清楚地展現在用戶眼前，而且調溫快速精準。

樣機調試結果顯示，按鍵按動，相應功能即被觸發，其反應較為靈敏。當設定好所需要的溫度值后，打開出水閥門，系統針對溫度數據迅速做出反應，很短時間（目前樣機實測4s左右）內出水溫度與設定溫度值大致相一致（誤差±2℃）。當設定溫度，入水口溫度發生改變（測試采用溫度變化幅度為12℃）時，閥門調節系統迅速響應，在相關算法的驅動下，出水口水溫在2s后恢復入水口溫度變化前的水平。

創新點主要有二。一是控溫算法創新，采用閉環反饋式實時調節，基于比例與微調算法控制舵機，響應速度快，控溫精度高;二是技術原理創新，使用舵機驅動閥芯轉動，從而實現水溫微調。該智能恒溫閥可以自動調溫、恒溫，能夠與太陽能熱水器、電熱水器等絕大多數品牌的熱水器結合使用，有較強的適應性，易于市場推廣和應用。

參考文獻：

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