朱奎林

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣元 628017）

家用飲水機(jī)智能設(shè)計(jì)與節(jié)能改進(jìn)?

朱奎林

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣元 628017）

飲水機(jī)是家庭及辦公場(chǎng)所的常用電器，飲水機(jī)反復(fù)加熱飲用水容易形成“千滾水”，長(zhǎng)期飲用“千滾水”對(duì)身體極不健康。針對(duì)“千滾水”問(wèn)題，分析了目前占多數(shù)溫?zé)嵝惋嬎畽C(jī)的電路原理，結(jié)合對(duì)飲水機(jī)的不同個(gè)性需求，考慮了三種模式，設(shè)計(jì)了家用飲水機(jī)智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為主控芯片，分析研究了系統(tǒng)構(gòu)成及模塊連接、軟件流程圖、系統(tǒng)調(diào)試等重要內(nèi)容。目前的飲水機(jī)還存在熱量浪費(fèi)問(wèn)題，在飲水機(jī)出氣管上可連接一個(gè)密閉容器進(jìn)行節(jié)能改進(jìn)，提高熱量的利用率。

飲水機(jī)；單片機(jī)；智能控制；節(jié)能改進(jìn)

1 引言

水是人類(lèi)的生命之源，清潔、純凈的飲用水是人體的基本需求，飲水機(jī)是家庭常用的必備電器。目前市場(chǎng)的飲水機(jī)主要分為溫?zé)嵝秃屠錈嵝蛢深?lèi)，以溫?zé)嵝驼即蠖鄶?shù)，分析現(xiàn)有的飲水機(jī)存在以下問(wèn)題：

1）飲用水在飲水機(jī)內(nèi)膽被反復(fù)“加熱-冷卻-再加熱”后，形成“千滾水”［1～3］?！扒L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，長(zhǎng)期飲用，對(duì)我們的身體極不健康。

2）飲用水在內(nèi)膽加熱成開(kāi)水的過(guò)程中，其出氣管會(huì)冒出大量的高溫水蒸汽未被有效的利用，熱量被白白的浪費(fèi)。

2 常見(jiàn)溫?zé)嵝图矣蔑嬎畽C(jī)的電路原理分析

常見(jiàn)溫?zé)嵝图矣蔑嬎畽C(jī)的電路原理圖如圖1所示。圖中ST1是加熱用溫控器，ST2是保護(hù)用溫控器，兩溫控器安裝于飲水機(jī)內(nèi)膽的外殼上，檢測(cè)水的溫度，常溫下其內(nèi)部雙金屬片上的觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1閉合，膽內(nèi)加熱管EH得電加熱飲用水，當(dāng)水溫達(dá)到88℃左右時(shí)，ST1內(nèi)的雙金屬片上的觸點(diǎn)斷開(kāi)，表示水已燒開(kāi)，可以飲用開(kāi)水，當(dāng)水溫降到一定程度時(shí)，其內(nèi)部的觸點(diǎn)又閉合，重新加熱，如此周而復(fù)始，如果水燒開(kāi)后人沒(méi)有喝仍滯留在內(nèi)膽，或者人喝水后沒(méi)有關(guān)S1，內(nèi)膽的飲用水反復(fù)“加熱-冷卻-再加熱”就形成了對(duì)人身體不利的“千滾水”。圖1中ST1內(nèi)部觸點(diǎn)常常閉合后常常又?jǐn)嚅_(kāi)，容易失效，當(dāng)其水溫超過(guò)88℃較多時(shí)仍未斷開(kāi)，溫度達(dá)到95℃左右時(shí)，溫控器ST2強(qiáng)制斷開(kāi)，起到保護(hù)作用，從而避免一直加熱飲用水釀成事故。

圖1 常見(jiàn)溫?zé)嵝图矣蔑嬎畽C(jī)的電路原理圖

3 家用飲水機(jī)的智能設(shè)計(jì)與調(diào)試

由上面的分析可知，“千滾水”的形成是人為因素造成的，現(xiàn)在拋開(kāi)“千滾水”的人為因素，從設(shè)計(jì)的角度考慮家用飲水機(jī)智能控制問(wèn)題：在飲水機(jī)上設(shè)有傳感器，實(shí)時(shí)感知屋內(nèi)是否有人，如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)感知無(wú)人，則自動(dòng)斷開(kāi)飲水機(jī)加熱器，防止反復(fù)加熱飲用水形成“千滾水”。如果感知屋內(nèi)有人，就根據(jù)人的個(gè)性需要選擇不同的模式［4～6］，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種模式，即健康模式、加熱模式和普通模式，根據(jù)個(gè)性需要進(jìn)行選擇。

3.1 家用飲水機(jī)智能控制系統(tǒng)的組成與電路連接關(guān)系

家用飲水機(jī)單片機(jī)智能控制系統(tǒng)［7～9］的組成與電路連接關(guān)系如圖2所示。圖2中，主控芯片選用單片機(jī)IAP15F2K61S2（40個(gè)管腳），采用按鍵復(fù)位，系統(tǒng)時(shí)鐘為12MHz。

DS18B20數(shù)字溫度傳感器（TO-92封裝）固定于飲水機(jī)內(nèi)膽的管壁上，實(shí)時(shí)采集飲用水的溫度，通過(guò)P2.1端口送入單片機(jī)內(nèi)部。時(shí)鐘/日歷芯片為PCF8563，通過(guò)I2C總線(xiàn)與單片機(jī)的P1.6和P1.7串行通信。人體感應(yīng)器采用人體熱釋紅外感應(yīng)模塊HC-SR501，基于紅外線(xiàn)自動(dòng)控制技術(shù)，采用德國(guó)原裝進(jìn)口LHI778探頭，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，可感應(yīng)5～7m的直線(xiàn)距離（無(wú)障礙時(shí)可感應(yīng)大約7m距離，有障礙時(shí)可感應(yīng)大約5m距離）。單片機(jī)P2.0端輸出到繼電器模塊，繼電器主觸點(diǎn)的狀態(tài)決定飲水機(jī)內(nèi)膽的加熱管是否工作。P1.4端輸出到蜂鳴器，可以起到提醒或報(bào)警功能。獨(dú)立鍵盤(pán)（4個(gè)按鍵：復(fù)位鍵、+鍵、-鍵、確定鍵）通過(guò)P1.0～P1.3作為控制信號(hào)輸入到單片機(jī)。LCD1602液晶顯示屏作為菜單顯示，與單片機(jī)的P0.0～P0.7相連。系統(tǒng)電源提供5V的穩(wěn)定直流電壓供給單片機(jī)和其他各模塊使用。

圖2 系統(tǒng)組成與電路連接關(guān)系圖

3.2 家用飲水智能機(jī)控制系統(tǒng)軟件流程圖

圖3 家用飲水機(jī)智能控制系統(tǒng)軟件流程圖

家用飲水機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。圖3中，需要先配置單片機(jī)IAP15F2K61S2中斷相關(guān)寄存器，初始化液晶LCD1602、時(shí)鐘/日歷芯片PCF8563和DS18B20數(shù)字溫度傳感器，液晶顯示屏上才能讀出當(dāng)前日期、時(shí)間和飲用水的實(shí)際溫度值。系統(tǒng)設(shè)有三種模式，在模式一（即健康模式）下，可設(shè)定人喝水的杯數(shù)和喝水的時(shí)間，時(shí)間到了之后可提醒您喝水；在模式二（即加熱模式）可設(shè)定加熱的時(shí)間；在模式二（即普通模式）則可手動(dòng)控制飲水機(jī)的工作狀態(tài)。

在飲水機(jī)上設(shè)有人體熱釋紅外傳感器，實(shí)時(shí)感知屋內(nèi)是否有人，如果在設(shè)定時(shí)間（10分鐘）內(nèi)感知無(wú)人，則自動(dòng)斷開(kāi)飲水機(jī)加熱器，防止反復(fù)加熱飲用水形成“千滾水”。

3.3 家用飲水機(jī)智能控制系統(tǒng)軟件的調(diào)試

3.3.1 初始畫(huà)面的調(diào)試

將時(shí)鐘/日歷芯片中的數(shù)據(jù)傳入到單片機(jī)中，單片機(jī)經(jīng)處理后顯示到液晶上；將溫度模塊的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)將數(shù)據(jù)處理成十進(jìn)制數(shù)后，也顯示到液晶上，與時(shí)間同時(shí)顯示，共同完成了初始畫(huà)面的顯示，如圖4所示。

圖4 液晶初始界面

3.3.2 模式選擇調(diào)試

系統(tǒng)有三種模式，每個(gè)模式對(duì)應(yīng)一個(gè)子畫(huà)面，可通過(guò)鍵盤(pán)上的+鍵、-鍵選擇需要的模式，圖5為健康模式（模式一）選擇畫(huà)面，在選擇畫(huà)面下按下確定鍵即可健康模式的操作。

圖5 模式選擇畫(huà)面

3.3.3 子菜單界面調(diào)試

每一種模式下都有自己的子菜單，圖6顯示的是模式一選項(xiàng)下設(shè)置每天喝幾杯水的子畫(huà)面，可通過(guò)鍵盤(pán)加減鍵設(shè)置喝水杯數(shù)。

圖6 喝水杯數(shù)子畫(huà)面

4 家用飲水機(jī)的節(jié)能改進(jìn)

針對(duì)飲水機(jī)出氣管熱量浪費(fèi)問(wèn)題作節(jié)能改進(jìn)［10］，在出氣管上連接一個(gè)密閉容器，利用出氣管排入到密閉容器內(nèi)高溫水蒸汽進(jìn)行加熱。經(jīng)過(guò)這樣的改進(jìn)，飲水機(jī)既有飲水的功能，又有加熱的功能，實(shí)現(xiàn)了一舉兩得。如在冬天，需要單獨(dú)加熱袋裝牛奶或少量的食物，用微波爐或其他的加熱工具極不方便，同時(shí)費(fèi)時(shí)；使用這樣的飲水機(jī)不僅可以喝上開(kāi)水，還可以喝上熱的牛奶或吃上熱的食物。經(jīng)過(guò)這樣的改進(jìn)，提高了對(duì)飲水機(jī)熱量的利用效率，達(dá)到了節(jié)能的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

人人要飲水如同人人要吃飯一樣必不可少，飲水機(jī)成為加熱或制冷飲用水的主要電器，現(xiàn)飲水機(jī)已成為千家萬(wàn)戶(hù)的必備家用電器。但是，目前市場(chǎng)的飲水機(jī)，存在“千滾水”危害健康問(wèn)題和出氣管熱量浪費(fèi)問(wèn)題。

文章從分析飲水機(jī)的常規(guī)電路圖入手，結(jié)合“千滾水”問(wèn)題和人們對(duì)家用飲水機(jī)的個(gè)性不同需求，設(shè)計(jì)了家用飲水機(jī)智能控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)組成及模塊連接、軟件流程圖、系統(tǒng)調(diào)試進(jìn)行了深入分析與研究。針對(duì)熱量浪費(fèi)問(wèn)題，在飲水機(jī)出氣管上可連接一個(gè)密閉容器，利用排入到密閉容器內(nèi)高溫水蒸汽對(duì)其他物品加熱，由此提高了熱量的利用效率。

兩種方案真實(shí)可行，具有前瞻性，又符合節(jié)能環(huán)保的時(shí)代主題，值得深入研究并加以推廣利用。

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Household Water Machine Intelligent Design and Energy Saving Improvement

ZHU Kuilin
（Sichuan Vocational College of Information Technology，Guangyuan 628017）

Drinking water machine is a common household appliances and office places，drinking water machine repeated heating drinking water is easy to form the“thousands of boiling water”，long-term drinking“thousands of boiling water”not exactly healthy.According to the“thousands of boiling water”problem，analysis of the current accounts for most of the drinking water ma?chine principle，combination of the drinking water machine of different individual needs，consider three models，the design of household drinking machine intelligent control system.This system takes the MCU as the main control chip，an important content to analyze the system structure and module connection，the software flow chart，system debug etc.Drinking water machine at present still exists the problem of heat waste，can be connected to a closed container to improvement of energy saving in the outlet pipe of the drinking water machine，improves the utilization rate of heat.

water dispenser，microcomputer，intelligent control，energy saving improvement

Class Number TP273

TP273

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.12.044

2017年6月9日，

2017年7月26日

朱奎林，男，教授，高級(jí)工程師，研究方向：運(yùn)動(dòng)控制及網(wǎng)絡(luò)通信。