基于单片机的智能电开水器设计

胡 霞，李伟波，刘永生，姚振明，李 扬

(安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

基于单片机的智能电开水器设计

胡 霞，李伟波，刘永生，姚振明，李 扬

(安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

针对传统式电开水器存在“阴阳水”和“千滚水”的问题，设计出一种多层水箱结构的智能电开水器，并分析其结构和工作原理。设计控制系统软件和硬件包括温度、液位、漏电检测等控制电路。通过制作开水器简化模型，搭建系统控制平台及软件编程调试等验证其设计的合理性和性能的优越性。其结果是：智能电开水器的设计有效地解决了“阴阳水”和“千滚水”的饮用问题，并且运行安全可靠、操作方便，为人们提供不同温度的饮用水，满足不同场合下人们对不同温度饮用水的需求，有着实际应用价值。

开水器；单片机；温度检测；液位检测；漏电检测

为满足人们日常饮水的需求，开水器的应用越来越广泛，其技术发展也已相当成熟。但传统式电开水器也存在一些不容忽视的问题，例如，在出水口取水时，上部就会注入等量的冷水，冷水与原开水混合后随之供给取水人，这就是俗称的“阴阳水”。“阴阳水”可能含有细菌以及多种病原微生物，长期饮用此种“阴阳水”，容易引发胃肠道疾病，危害人体健康；再者，长时间无人取水的情况下，开水器箱体内的饮水反复加热，这就是所谓的“千滚水”。“千滚水”中会积淀亚硝酸盐等致癌物质，对人们身体健康产生极大危害。

为解决上述传统饮水机存在的问题，提出一种智能电开水器的技术方案，可以实现生水和开水的分离，不同温度饮用水的分开储存，从而从根本上避免“阴阳水”和“千滚水”的产生，保证饮用水的卫生和安全。

1 结构设计和工作原理

1.1 箱体设计

箱体采用多级式结构，包含上、中、下三层水箱(见图1)，每一层水箱的功能略有不同：上层(加热层)水箱用于烧水和储水，中间层水箱用于储存稍低温度的温开水，下层水箱用于储存更低温度的低温开水。各层之间设有阀门，通过控制不同阀门的开与关，可以自动实现不同温度的饮用水的分离，并由各层水箱分开储存；在每层水箱内设有温度传感器和上、下液位传感器，以此来控制各层中的水温和水位，达到避免“阴阳水”和“千滚水”的目的；在每层外侧设有出水开关，方便取用各温度饮用水，以满足人们的不同需求；下层水箱的底部设置排水阀，用于排水和清洁；各层水箱之间以及水箱与开水器外壳之间设有保温层。

1.2 工作原理

当智能电开水器启动后，液位传感器L2检测到加热层无水，开启进水电磁阀进水，当单片机检测到液位传感器L1的信号，关闭进水电磁阀，电加热管1启动加热(在急需开水的情况下，电加热管2可以手动工作)。加热层内生水一次性烧开，温度达到100 ℃时停止加热，此时可以从出水开关1取用开水。当取水量小且温度传感器T1检测到水温降到80 ℃时，排水阀1打开，向温水层放水，温水层储存温开水并保温。液位传感器L2检测到加热层没有水时，关闭排水阀1，加热层重复上述进水和烧水的过程。

温水层储存水温在40～80 ℃之间的热水，低于40 ℃时，温水层的排水阀2打开，向低温开水层放水，直至温水层水位降至液位传感器L4位置，关闭排水阀2，这个过程中排水阀1不能打开。当温水层水温不低于40 ℃，而水位又达到液位传感器L3位置时，保持温水层的排水阀2关闭，等待用户取水，或者水温自然下降，而热水层的排水阀1关闭，对上次未放完的热水进行保温，使其保温在80～90 ℃之间，热水层无水，可重复进水、烧水和保温动作，待温水层水位下降并且水温在40～80 ℃之间时，热水层的排水阀1可再次打开，向温水层放水。

当低温开水层的液位传感器L5的信号被检测到时，打开排水阀3，放出长时间无人取用的低温开水(此水可做他用)。当低温开水层中水位下降到液位传感器L6位置时，关闭排水阀3。

上、中、下三层水箱内部分别设置温度传感器，温度传感器采集到的温度信号经过单片机处理后用于程序中的温度比较和送往显示器，显示各层水温。

2 开水器的硬件设计

2.1 系统硬件结构框图

为了实现设计中智能电开水器的功能，选用单片机作为核心控制器，硬件电路包括信号检测、处理、显示等几个模块，其硬件结构原理如图2所示。

2.2 系统各模块电路设计

1) 电源电路模块。在本开水器的设计中需要提供+5V和+12V两种电压的电源。+5V用于单片机集成电路及其控制系统，液位、温度以及漏电检测等电路；+12V用于电磁阀的控制等电路。220V交流电经过降压、整流、稳压后得到DC12V电源，再经过LM7805稳压芯片降压得到DC5V电源(见图3)。

2) 温度检测控制电路。本系统中的温度检测器件选用集成数字温度传感器DS18B20，其测温范围宽、灵敏度高、封装形式多种多样，可针对开水器内部环境，选用耐高温、防水型封装。另外，DS18B20温度传感器的单总线数据传输方式可以节省与其相连的单片机引脚资源，并且可以用读DS18B20内部序列号的方式，实现在一条总线上挂接多个DS18B20，线路简单，性能稳定。连接DS18B20的温度检测电路和温度控制电路如图4所示。

3) 液位检测控制电路。液位检测器件选用不锈钢浮球液位传感器，其实质是一个开关，靠移动的磁性浮球吸合磁性的开关，达到输出液位信号的效果。液位检测电路仅是开关的通与断，液位的组合状态输入到单片机，单片机经分析后作出判断，对电磁阀进行开关控制，从而控制各层水箱内的水位(见图5)。

4) 漏电检测控制电路。漏电检测电路是在加热器主电路中串联一个电流互感器[1](见图6)，当有漏电电流存在时，互感器的L2侧会产生感应电流，在电容C9两端产生电势差，此电势经比较器LM311比较后，输出给单片机一个低电平信号，单片机检测到来自漏电检测电路的低电平信号后，输出一个低电平信号控制三极管Q1截止，此时继电器J1失电断开，继电器J2控制加热主电路迅速断电，保障触电人的生命安全。

5) 其它。显示模块选用mini12864液晶模块，采用SPI串行同步通讯，可节省单片机I/O口引脚资源；包含汉字字库，可以在一块液晶屏上分行显示各层温度。

限压阀和通气孔(外部设置防尘罩)用于通气和排除加热时水箱内产生的高压蒸汽等。

3 开水器的软件设计

开水器上电复位后，首先初始化系统、液晶显示器和温度传感器等，然后进行故障自检，自检通过后，单片机开始扫描输入端口的输入信号，根据不同的输入信号分别进入不同的子程序进行相应的功能处理(见图7)。

4 软件算法

在程序运行中，需要对输入信号进行有效的处理，以区分各种不同的输入状态。温度传感器的输入信号和按键的输入信号，只需要进行简单的处理，直接表示相应位的输入信息，但是，液位传感器的输入信号处理相对复杂。

六路液位传感器输入六个开关信号，每一个开关信号并不是单独有效。根据不同层次水箱的上、下级联关系，液位开关信号体现出不同的中断优先级，并且空水位信号与满水位信号的中断优先级不同，因此，每一个液位开关的输入信号是否有效，还受到其所在组合状态里的其他液位开关的输入信号的影响。

液位信号中断优先级原则：满水位信号的中断优先级高于空水位信号的中断优先级；满水位中断信号中，下层水箱的中断信号优先级高于上层；空水位中断信号中，上层水箱的中断信号优先级高于下层。

现假设单片机P1口为液位状态扫描专用端口，从P10到P15分别对应液位传感器L1到L6，P16和P17悬空。由于单片机内部上拉电阻的作用，悬空的端口P16和P17表现为高电平。通过软件对P1口置高，再扫描P1口当前状态，把P1口的八位二进制输入状态转换成对应的十六进制编码(按照8421BCD编码规则进行十进制转换，其中用a、b、c、d、e、f分别表示十进制的10到15)，然后再根据上述的液位信号中断优先级原则，把不同的编码结果归类为第几个开关动作有效。

例如，第一次开启热水器时，三个水箱内都没有水，P1口的输入信号为10101011，按照从高位到低位的二进制排列为11010101，转换为十六进制编码为0xd5，即空水位液位传感器L2、L4和L6同时闭合，按照液位信号中断优先级原则，L2中断优先级最高，L2闭合信号有效，因此，此编码结果0xd5表示开关2闭合。

同样的方法对六个液位开关的全部输入组合状态进行编码转换，以表示为不同的开关动作有效，可得到输入信号的量化结果(见表1)。

表1 输入信号量化表

注：第7、8位的状态为常温“1”，用“-”统一表示。

5 实验测试及结果

根据设计思路，制作一个小型的智能开水器简化模型，进行电路连接、程序编程及在线调试等。

选择STC89系列单片机开发板，构建最小系统核心控制电路。液晶显示模块选择带汉字字库的mini12864液晶显示器；液位传感器选择不锈钢浮球液位传感器；进水电磁阀选用DC12V常闭有压进水阀，排水电磁阀选用DC12V常闭无压放水阀；加热管选用U型1kW热水器专用加热管(设置两个加热管，备用加热管可手动启用)；其中加热管和漏电控制模块的驱动选用集成继电器模块，电源选择现有的直流5V和12V开关电源，其实物模型如图8所示。

通过对开水器模型的调试和反复实验，其运行结果表明，所设计的智能电开水器可以有效地实现开水和生水的分离，不同温度开水的分开储存，以及分层显示各层水温等功能，证实了设计思路的可行性以及其功能的优越性等。

6 结语

与传统电开水器相比，该智能电开水器的设计有效地解决了“阴阳水”和“千滚水”的饮用问题，并且运行安全可靠、操作方便。根据不同场合人流量的多少，上、中、下箱体可采用不同的容积。这种智能电开水器可以用在车站、机关、学校、酒店、医院、企业等公共场所，为人们提供不同温度的饮用水，满足人们不同的饮水需求，从而为人们日常生活饮水提供了极大的安全和便利，有着很好的实用价值。

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(责任编辑：何学华，吴晓红)

Design of Intelligent Electric Water Boiler Based on Single Chip Microcomputer

HU Xia, LI Wei-bo, LIU Yong-sheng, YAO Zhen-ming, LI Yang

(School of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

In view of the problems of the "mixed water" and the "over boiled water" cooked by traditional electric water boiler, a kind of intelligent electric water boiler with a multi-layer water tank structure was designed. Its structure and working principle were analyzed. The control system software and hardware, including the detection control circuit of temperature, liquid level and leakage were designed. On the basis of the simplified model of the water boiler, the system control platform and software programming were built to verify the rationality of the design and the superiority of the performance.The results showed that the water boiler effectively resolves the problems of the "mixed water" and the "over boiled water". Its operation is safe, reliable and easy. By using the water boiler different temperature of water can be provided for people drinking in different occasions. It has the value of practical application.

water boiler; single chip microcomputer; temperature detection; liquid level detection; electric leakage detection

2015-04-30

胡霞(1962-)，女，安徽淮南人，副教授，博士，研究方向：电力拖动及控制技术。

TP273

B

1672-1098(2015)03-0050-05