基于单片机的节能型开水器设计

余玉卿

摘 要：通过实验设计了一款以步进式为进水加热方式的节能型开水器。本开水器采用了单片机控温技术，并结合先进的传感器测温技术、水位电极探测技术、聚氨酯发泡保温技术和蒸汽预热技术等。开水器为保持达到健康饮用开水最低温度，通过水位电极及高精度温度传感器获得数字信号，经过微电脑精准控温控水计算，控制加热管及电磁阀的工作，采用逐层进水，逐层加热的临界沸腾技术，协调水箱内开水温度和进水量。开水器设有自动开关机功能，漏电自检报警，并具有无水防干烧保护功能，完全可脱离人员看护。水箱内设有多个高水位电极，以根据该季节和时间段需水量的多少来调整保温水量，避免能源浪费。采用热交换技术，开水和冷水交换热量从而快速获得温水，极大限度地节省了将水烧开所需的电能和时间。

关键词：单片机；开水器；节能

1 研制背景及意义

通过水位电极及高精度温度传感器获得数字信号，经过微电脑精准控温控水计算，控制加热管及电磁阀的工作。在不同的季节，可以满足不同人群对于水温的需求。例如，夏天，用户需求的水温较低，冬天，用户需求的水温较高。上课以及放假的时候，用水的需求量较少，而在下课的课间，用水的需求量较大。通过水位电极和温度传感器的控制，可以使得开水器更加的智能化，人性化，具有很强的实用性。为了实现人类与自然和谐共生的生存目标，必须节约能源，保护生态，积极提倡并且去实践低碳生活，因此推广基于单片机的节能开水器具有重要的意义。

2 设计方案

2.1 机械部分

经过研究和分析，工作人员选择以步进式作为节能型开水器的进水加热方式。在机械部分，设计了蒸汽预热模块、水位电极探测模块、传感器测温模块、加热及保温模块和热交换实现多温水模块。

2.1.1 蒸汽预热模块

水在水箱加热之沸腾的过程中产生大量多余的蒸汽被导入热交换管的内管中进行热能回收，在从外管流入的冷自来水吸收了大量热能，将20℃冷水的温度预热到30-40℃左右，然后通过连通管进入加热腔体中，加热腔将水从30-40℃加热到沸点（100℃），只需加热60-70℃，充分利用了蒸汽的热能，避免了能源浪费，从而节省了大量电能。

2.1.2 水位电极探测模块

水箱中设计有一个低水位电极和多个高水位电极。启动开水器，水箱开始进水，当水位达到低水位电极所在处时，停止注水，水平高度位于低水位电极以下的加热管开始对注入的冷水层进行加热。当水温加热到99℃时，开始继续注水，通过温度传感精确控制，当新注入的冷水层高度大约达到低水位电极的位置时在此停止注水，此时开水层被缓慢推升至低水位电极之上，即低水位电极起到控制每次注入冷水量的作用。

如此多次重复直至最高水位达到指定高水位电极时即停止注水，整箱水进入保温状态，即高水位电极起到控制蓄水量的作用。而有常识可知，不同季节、不同时间段需水量还是有较大差异的，这时则需设置多个高水位电极以控制蓄水量的大小以节省电能。

2.1.3 传感器测温模块

在低水位电极的略偏下方设有一高精度温度传感器。判断水烧开即加热管停止工作的水温设定在99℃的临界沸腾状态，既能够完全杀灭水中细菌微生物，又使自来水中的余氯得到有效挥发。

为成功实现逐层进水、循环加热，此温度传感器起到关键的作用。打开进水阀，新进冷水把开水层往上推，根据雷诺实验原理，当温度传感器测得温度接近90℃时，低水位电极大致是开水层和冷水层的分界线，即达到了将开水和冷水以低水位电极為界严格分开的目的，这时则有效控制了每次定量的进水量（大约2升，可根据需求设为不同值）以实现逐层加热。

2.1.4 加热及保温模块

本开水器采用步进式的进水加热方式。通过精密控制阀来让水从底部以一定的流速和流量进入开水器内胆，当进水达到一定量时即停止进水，发热丝开始加热。当水温达到设定温度时，进水控制阀自动打开，再次向内胆中注水。因冷水的比重大于热水的比重，后注入的冷水会把前一次烧好的水逐渐托起来，当温度控制器感应到温度下降到一定数值时，进水控制阀自动关闭，发热丝开始加热第二层水，直到再次达到设定温度。如此循环，直到内胆中的水到达最高水位且温度处于临沸腾状态时，整箱水进入保温状态，保证水温不低于93℃（健康饮用开水最低温度），这里采用目前市场上最好的保温材料聚氨酯发泡，使水温损失极度降低，起到了高效保温的作用。

2.1.5 热交换实现多温水模块

为实现多温出水以满足不同的需求，设计了间壁式换热器的部分。在这种换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙，两者皆可得到较高的流速，故传热系数较大。另外，在套管换热器中，两种流体可为纯逆流，对数平均推动力较大。为了使热交换更充分且迅速，工作人员把套管设计成外管中套入多条小管的形式，增加内管的热水和外管的冷水的接触面积，提高换热效率。

电磁阀控制位于低水位电极略偏上的开水出水口流出开水，而冷水的进水口的电磁阀与之配合，同时流入冷水，两温的水通过热交换管进行热交换。另外，可以考虑再设置一50℃的出水温度，以满足更广泛的需要。这个水温的实现则需要将100℃的开水和35℃的温水按比例混合，通过单片机控制与热交换管相连的开水出水口和直接出热水的开水出水口的两个电磁阀，实现各水温的水量进行混合。

2.2 电路部分

选用8051单片机作为控制器，通过单片机对温度信号采集，控制继电器通与断，间而控制电热管加热与否来控制温度；液位信号通过检测处理，控制电磁阀的开与关进而控制液位；另一方面，单片机以检测到漏电信号，会立刻控制断路器断开主电路的供电，从而起到保护作用。

3 工作原理及性能分析

定时开机，接通水电，从开水器的下进水口开始进水，进水达到下水位，停止进水，电加热管开始加热，等到加热温度到达99℃时，停止加热，又开始注入第二层水，注入一定容量后，水位电极控制又停止进水并开始加热到99℃，反复几次直到水箱内水位达到要求水位，高水位电极向进水口电磁阀和发热管发送数字信号，开水器停止工作进入保温低耗能状态。

打开水龙头便可以出热水，由于开水出水口设在低水位电极的偏上方，而冷水层一直在低水位电极以下，使用者每次从开水器取水口放出的开水都是上层的纯开水，可以放心饮用。一旦高水位电极露出，进水口的电磁阀便会发生响应，开始注水直至温度传感器处水温降至约90℃。当水龙头快要无水流出时，开水器会发出警报，此时为防止空烧，设备会控制加热管停止工作后再注水，此时电磁阀控制开水出水口关闭。继续注水，随着水位的上升，加热器又会恢复正常的运行。

通过单片机控制与热交换管相连的开水出水口和直接出热水的开水出水口的两个电磁阀，使得两出水口按一定的出水速度出水，即水量按一定比例混合后从水龙头直接出水，得到指定温度的热水。

利用单片机调节蓄水量，对不同季节和时间段进行预先设置，开水器则可以自动选择工作的高水位电极，以达到全自动调节蓄水量的效果。另外，电路中设有防漏电系统，保证开水器安全工作。最后，开水器根据预先定时自动关机，夜间不工作。

参考文献

[1]张辽远.现代加工技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]Stuart R Ball. PE.嵌入式微处理器系统设计实例[M].