一種全自動控溫智能水閥的設(shè)計

引 言

電控閥作為執(zhí)行元件在自動化越發(fā)普及的當(dāng)代社會中應(yīng)用十分廣泛。隨著智能用品的發(fā)展，其主要問題是降低產(chǎn)品成本以及迎合百姓需求。

目前較為常用的閥門主要有電動閥和電磁閥。對于采用電磁的電動閥來說，雖然可以用很短時間的脈沖電平完成開關(guān)動作，但其耗電量大，零功耗幾乎不可能，且維護困難。市面在售的電控閥大多面向企業(yè)及工廠，少有適用于中小家庭和單位的設(shè)備。由于大多產(chǎn)品僅具有單一的電控功能，無法滿足百姓的日常需求。因此解決產(chǎn)品面向?qū)ο?、降低產(chǎn)品成本以及滿足百姓所需就顯得尤為重要。本文設(shè)計的這一控溫智能閥門基本能夠解決以上問題。

1 設(shè)計背景

水與人們的生活息息相關(guān)，在家庭中，小到洗菜做飯、洗衣養(yǎng)魚，大到洗浴，各個方面都有水的身影，而隨著四季變化， 我們對水溫的要求也不斷改變。目前市場中的水龍頭水溫控制大多基于人為操作，根據(jù)人體對水溫的感應(yīng)，不斷調(diào)整冷水和熱水的閥門使水溫達到自己感到適宜的溫度。這一過程不僅浪費了水資源，也無法快速達到人們滿意的程度。通過全自動控溫水閥，人們可通過觸摸屏設(shè)置固定的溫度，使初始水溫達到自己的理想預(yù)期。此設(shè)備積極響應(yīng)國家對于節(jié)水政策的倡導(dǎo)，避免浪費，且造價低廉，適合中小家庭安裝使用。

2 系統(tǒng)組成與功能

2.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由STC89C51 單片機、步進電機、溫度傳感器、液體渦輪流量計、閥位檢測裝置等模塊及一些外設(shè)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。系統(tǒng)還有顯示及設(shè)置溫度、智能溫度助手等功能。

本系統(tǒng)采用STC 公司的STC89C51 單片機。該單片機的最高工作時鐘頻率為 80 MHz，片內(nèi)含有 8 KB 的可反復(fù)擦寫1 000 次的Flash 只讀程序儲存器，器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和ISP Flash 存儲單元，具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，配合PC 端的控制程序可將用戶程序代碼下載進單片機內(nèi)部，不必購買通用編程器，且速度更快。

通過單片機 STC89C51 實現(xiàn)對水閥內(nèi)兩個獨立閥門（冷水閥門、熱水閥門）的控制，并結(jié)合 WZP-PT100 溫度傳感器、液體渦輪流量計分別對水溫和兩個獨立出水口流量進行實時監(jiān)控，使用戶出水口流出的水的溫度達到用戶預(yù)先設(shè)置的溫度，并且在關(guān)閉用戶出水口一段時間后再打開時，水溫仍然可以保持。串行通信采用RS-232 接口。步進電機可以對位移量、旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度等進行高精度控制，實現(xiàn)了水閥開度的自由控制。使用RS-232C 接口的通信線路在 15 m 左右可以達到正常的通信要求。RS-485 由于使用差分電平傳輸信號，傳輸距離比 RS-232C 更長，最多可達 1 000 m，且其數(shù)據(jù)抗干擾能力增強，通信范圍更廣，而軟件設(shè)計卻不需要進行大的改動， 可以考慮將其作為RS-232C 多機網(wǎng)絡(luò)的替代方案。系統(tǒng)簡圖如圖 2所示。

2.2 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)設(shè)計了三大功能，即智能溫控功能、智能溫度助手和串行通信功能。

2.2.1 智能溫控功能

利用WZP-PT100 溫度傳感器對兩個獨立出水口水溫進行實時檢測。使用時可通過顯示屏設(shè)定期望溫度，溫度傳感器將監(jiān)測到的冷水、熱水溫度傳輸給單片機。單片機根據(jù)PID 算法，啟動步進電機使冷水、熱水閥門以一定比例打開，使水溫初步達到期望值。而流量計實時檢測流量（現(xiàn)實生活中，水管中的水壓是變化的），并反饋參數(shù)給單片機，溫度傳感器將檢測到的實際水溫反饋給單片機，并與期望水溫相比，計算水溫誤差。單片機根據(jù)水溫誤差實時控制冷水、熱水閥門的比例。

關(guān)于算法 ：設(shè)最終溫度為 T，冷水為 T1，熱水為 T2，吸收熱量等于放出熱量（水的比熱相等）。 Q=CM1（T － T1）=CM2（T2－ T），解得 M1/M2=（T2－ T）/（T － T1），質(zhì)量比轉(zhuǎn)化為體積比，再根據(jù)流量傳感器測得的流量比（體積比）求出閥門開啟的范圍大?。偭髁恳欢ǎ?，從而達到期望的溫度。

2.2.2 智能溫度助手

在觸控面板內(nèi)置有溫度傳感器，可實時監(jiān)測裝置所處環(huán)境的溫度，然后根據(jù)單片機預(yù)置資料庫程序，給予用戶合適的水溫建議，讓用戶省去了自己嘗試水溫的過程。

2.2.3串行通信功能

串行通信接口采用RS-232 接口。由于RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯，一般單片機均為 0 ～ 5 V 的正邏輯，故在電路上采用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，實現(xiàn)正電壓、負(fù)電壓的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計采用一個主機對多個從機的通訊方式。

軟件流程主要包括系統(tǒng)初始化、溫度檢測及顯示、閥門控制及閥位檢測、RS-232 通信、中斷處理（包括無水中斷、手動中斷及USART 雙向通信中斷）。單片機的時鐘頻率為 4 MHz，通信波特率設(shè)定為 19 200 波特。該系統(tǒng)的智能溫控流程如圖 3 所示。

3 與普通控水閥門的區(qū)別

全自動控溫智能水閥與普通控水閥門相比有如下優(yōu)點：

（1）用溫度傳感器檢測出冷水和熱水的溫度，根據(jù)一定 比例調(diào)制出自己期望的水溫。

（2）可以自動檢溫，實時顯示水溫。

（3）閥門自動檢測功能。閥門、檢測閥門實際位置的電位 器及步進電機三者相連，將閥門位置轉(zhuǎn)換成電位器的電壓。

（4）通過觸摸屏人為設(shè)定固定水溫，并根據(jù)溫差反饋自 動調(diào)整水溫使水溫達到滿意值。

（5）手動控制功能。當(dāng)手動切換控制開關(guān)按下時，手動 中斷發(fā)生，閥門將處于手動控制狀態(tài)。

4 后期擴展

可以安裝藍牙射頻模塊，并編寫控制面板 App，實現(xiàn)室 內(nèi)對系統(tǒng)的無線控制。也可加載 WiFi 模塊，在室外實現(xiàn)遠(yuǎn)程 控制，比如可以用手機端設(shè)置好理想的水溫及出水量，回家 后就可以在第一時間泡熱水澡。

5 結(jié) 語

水是生命之源，中國水資源已嚴(yán)重短缺，節(jié)約水資源刻 不容緩，因此大力推廣節(jié)水新產(chǎn)品、應(yīng)用節(jié)水新技術(shù)勢在必行。 文中在分析了現(xiàn)有電控閥功能及面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)上，給出了一 種控溫智能水閥的設(shè)計方案并簡析了其工作原理。這種控溫 閥能夠使水溫快速達到用戶預(yù)想的溫度，從而減少嘗試的次 數(shù)與時間，減少對水資源的浪費。設(shè)計選擇了合適的組件，降 低了造價成本，適合廣大中小單位及家庭安裝使用。結(jié)構(gòu)簡易， 便于維修。