基于STM32的智能節能恒溫控制裝置

胡帥，江亞峰，杜銘權，楊海群，袁明新,c

(江蘇科技大學 a. 張家港校區機電與動力工程學院； b. 蘇州理工學院，機電與動力工程學院；c. 張家港產業技術研究院， 江蘇 張家港 215600)

0 引言

現今較為普遍的家用熱水器有太陽能熱水器、電熱水器等。太陽能熱水器可以低能耗運行，但過渡管道過長，易造成出水延遲的問題；電熱水器可全天使用，但熱水管內儲蓄冷卻水會被直接排放，造成浪費。此外，熱水器都需要手動完成溫度調節，影響使用體驗。為了解決這些問題，展開了相關方面的研究。李建紅等[1]優化了國產的TMV產品結構，并通過價值工程的運用，有效地實現了恒溫混水閥功能與成本的優化；喻秋山等[2]發布了一款自動控溫混水閥，通過DS18B20檢測溫度，步進電機執行調溫工作,實現溫度的智能恒溫調節；潘凌鋒等[3]研發了基于STM32的恒溫混水閥控制器，并進行了軟件系統開發，提供了易于操作的人機界面。但這些研究都難以將儲蓄于水管中的水資源回收并再利用，且制造成本較高，具有一定的缺陷。為此，文中提出一種新型裝置，該裝置以STM32單片機為數據處理[4]核心，采用DS18B20溫度傳感器進行多點測溫，舵機作為智能恒溫控制動力源，MOS管驅動模塊作為能量回收驅動源，并基于恒溫控制原理[5]，實現了熱水器的智能節能恒溫控制。

1 系統結構設計

如圖1所示，文中所設計裝置由能量回收單元和恒溫調節單元組成。

圖1 系統結構框圖

能量回收單元主要實現冷卻水的回收與再利用。當熱水器打開時，冷、熱水口開始進水。此時比例閥A、電磁閥B關閉，電磁閥A 打開，熱水器至熱水口之間儲蓄的冷卻水通過電磁閥A 流入儲蓄水箱。待溫度傳感器A所測溫度大于冷卻水溫度時，電磁閥A關閉，比例閥A打開。 冷卻水回收完畢，熱水器中的熱水流向恒溫調節單元，儲蓄水箱內冷卻水流向恒溫調節單元，待液位傳感器檢測冷卻水流盡，電磁閥C關閉，結束冷卻水的出水。

當冷卻水流向恒溫調節單元時，恒溫調節單元開始工作，主要完成智能恒溫出水。此時熱水器中熱水流向恒溫調節單元。比例閥A、電磁閥B關閉，比例閥B打開，儲蓄水箱內冷卻水經電磁閥C流向比例閥B。溫度傳感器A、溫度傳感器B采集相應的溫度，采集信號驅動比例閥A、比例閥B開啟相應的開度，調整熱水與冷卻水的混合比例，當混合水溫達到設定溫度后通過混合出水口流出。當電磁閥C關閉時，電磁閥B打開，冷水口流入的冷水與熱水按比例混合，并通過混合出水口流出。

2 控制系統設計

上文介紹了系統的結構設計，闡述了裝置運行的基本過程。為了實現以上所述功能，設計了一個高效率、低功耗的控制系統。該控制系統以功耗低、性價比高的STM32F103ZET6單片機[6]為核心，低功耗的DS18B20[7]為溫度傳感器，低功耗的 MOS管驅動模塊為能量回收控制單元的驅動動力源，通過控制多路舵機[8]，為恒溫調節控制單元提供調節動力源。控制系統的電路原理圖如圖2所示。

圖2 電路原理圖

由電路原理圖畫出控制系統的框架，如圖3所示。恒溫調節控制模塊中，DS18B20溫度傳感器采集冷熱水溫度，采集信號傳送給單片機進行處理。單片機依據溫度調節旋鈕所設定的溫度進行數據處理，并產生驅動舵機工作所需的控制指令脈沖信號，通過舵機調節比例閥A、比例閥B的閥門開度，調整冷熱水混合比例，從而實現智能恒溫出水。同時，單片機依據冷卻水溫度與液位傳感器采集的信號產生驅動電磁閥、直流泵的脈沖信號，并發送到能量回收控制模塊中，由MOS管驅動模塊控制電磁閥、直流泵在不同時刻的開閉，實現冷卻水的回收并再利用。溫度傳感器C檢測出水口實際溫度，若超出設定溫度，單片機系統發出舵機驅動指令脈沖，控制比例閥閥門開度，調整混合溫度，使出水口溫度達到設定溫度。

圖3 控制系統框架圖

裝置的恒溫出水是通過控制舵機A、控制舵機B的角度來調節比例閥A、比例閥B入口斷面的截面積比例，調整冷熱水的混合比例，最終實現出水溫度達到設定溫度。根據能量守恒定律可知Q吸=Q放，以及流量公式，可得方程組：

(1)

式中：C為水的比熱容；M1、M2分別為單位時間內流過比例閥A、比例閥B水的質量；T為設定溫度；T1、T2分別為溫度傳感器A、傳感器B的溫度；ρ為水的密度；q1、q2分別為單位時間內流過比例閥A、比例閥B的流量；Cd1、Cd2為流量系數；p1、p2為沿程壓力損失；A為比例閥閥門開口面積；A1、A2分別為比例閥A、比例閥B閥門有效截面積。比例閥A、比例閥B所選用的材料完全相同，且流過比例閥截面的流速、壓力也近似相等，則可解得：

(2)

由式(2)可知，恒定溫度的調節取決于比例閥閥門有效截面積。閥門有效截面積由閥門開度決定，即：

(3)

式中：β為閥門開度，舵機角度與閥門開度β之間的關系為β=9/10α。由式(2)、式(3)便可闡述舵機角度與溫度之間的數學關系，經化簡后得：

(4)

基于以上分析，該控制系統一方面實現了智能恒溫出水和熱水管內儲存冷卻水的回收利用問題，解決了手動調溫的麻煩，節約了大量水資源；另一方面，高效率、低功耗的運行能力降低了裝置的能源消耗，實現了短時間內的智能控制，提高了裝置的運行能力，其工作流程圖如圖4所示。

圖4 工作流程圖

3 實驗測試與分析

為了檢驗智能節能恒溫控制裝置的實用性,進行了相關的實驗測試。首先對實驗環境進行模擬，實驗環境由熱水端、冷水端、熱水自吸泵、冷水自吸泵、儲蓄水箱組成，電源部分由12V鋰電池代替。實驗環境如圖5所示。

圖5 實驗環境

為了更好地驗證裝置效果，共進行9次實驗。將裝置的設定溫度分別設定為：35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃。冷水端的溫度范圍預置在0℃～20℃之間，熱水端的溫度范圍預置在80℃～100℃之間。實驗數據如表1所示。

表1 實驗數據

由表1可知，調溫時間保持在2s以內，每次節水量在5L左右，所需電量僅需電池總量的2%～5%。說明了該裝置可以實現高效率、低功耗的出水并有效節約水資源。此外，為了驗證裝置的恒溫效果，將智能節能恒溫控制裝置與普通家用熱水器，即文獻[3]恒溫混水閥控制器的溫度偏差率進行對比，如圖6所示。

圖6 多種裝置的溫度偏差率對比

由圖6可知，該裝置與恒溫混水閥控制器的恒溫效果都要優于普通家用熱水器。將該裝置與恒溫混水閥控制器進行比較，該裝置的溫差率保持在2%以內，要低于恒溫混水閥控制器。同時該裝置的溫度波動比恒溫混水閥控制器小，具有更好的恒溫平衡性。基于數據分析，充分顯示了智能節能恒溫控制裝置恒溫控制的優越性。

4 結語

為了解決當今家用熱水器熱水管內儲蓄的冷卻水無法回收，且需要手動反復調溫的問題，設計了一款基于STM32單片機的智能節能恒溫控制裝置。通過理論分析、實物檢驗，得出如下結論：

1) 該裝置能夠解決熱水器內熱水管儲蓄冷卻水直接被浪費的問題，可以有效地將冷卻水回收并再利用。

2) 該裝置能夠實現智能恒溫出水，解決了普通熱水器需要手動調溫的問題。

3) 該裝置可以低功耗地運行，有效地降低了能源的消耗。