一种合理利用峰谷电的智能饮水机设计
2017-06-15赵月静秦志英万海城张振杨
赵月静，秦志英,万海城，王 博，张振杨，李 奇
(河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018)
一种合理利用峰谷电的智能饮水机设计
赵月静，秦志英,万海城，王 博，张振杨，李 奇
(河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018)
为了解决现有饮水机加热装置拆卸困难、冷热水混合危害健康、饮用水二次污染等问题，在国家峰谷电急需平衡的背景下，设计了合理利用峰谷电的单片机控制智能饮水机。它主要包括加热装置、快换结构、热水存储结构、通气孔复位洁净帽结构和单片机控制系统。采用反压式供水加热结构，使加热更充分；加热装置可见，能快速更换即热管；以通气孔复位洁净帽隔离饮水机内部与外界接触，可减少污染物的进入和散热；由电磁阀控制流水方向，彻底隔离冷水和热水，避免阴阳水，提高了饮水质量；带有温度、液位传感器、报警保护功能，可解决用水高峰水量不足、用水低谷反复加热电能浪费问题；通过设定低谷段的时间范围，实现低谷时段加热储水，在合理利用峰谷电的同时为用户节省电费。若推广使用可为国家电网“削峰填谷”优化做出贡献。
自动化技术应用；智能饮水机；单片机控制；峰谷电；即热管；储水
当前饮水机的使用非常普遍，市场中常见的有普通饮水机和智能饮水机。普通饮水机采用低功率加热罐加热，基本无控制电路，使用中存在以下问题：1)热水需求少，饮水机反复加热，浪费电能；2)热水需求多，每次加热热水量不够喝；3)反复加热产生有害人体的“千滚水”；4)加热过程中冷水和热水混合，产生危害人体肠胃的“阴阳水”；5)饮水机的加热装置内置不可见，饮水机内部难以清洗，容易积累水垢、细菌,易造成腹泻、胃溃疡等疾病；6)加热装置更换困难，维修成本高。智能饮水机有的采用高功率即热管加热，基本控制方式为“传感器-继电器”控制[1-3]，但还存在以下问题：1)功率大，增大了高峰期用电压力；2)饮水机中饮用水与空气接触混合，造成二次污染；3)即热管难以清洁，更换困难；4)智能控制程序，不可更改[4-5]，灵活性差。
目前用电的高峰或低谷日趋明显，白天高峰时用电量多，缺额大，被迫拉闸限电；夜晚低谷时段用电量少，系统电力充足，但用不出去，发电机组被迫停机，再次启动时消耗大，造成很大的资源浪费。国家发展改革委出台了《关于完善居民阶梯电价制度的通知》(发改价格[2013]2523号)，要求完善居民阶梯电价制度，尚未出台居民用电峰谷电价的地区，要在2015年底前出台，由居民用户选择执行，全面推行居民用峰谷电价，鼓励居民用户参与电力移峰填谷[6-8]。
由于饮水机使用的普遍性，每个地区饮水机总量非常多，总耗电量巨大，且集中在用电高峰时间段。为解决以上问题，响应国家用电的“削峰填谷”政策，对饮水机进行改造设计[9-10]。若该控制技术被推广到其他用电量大的场合，会对国家用电的“削峰填谷”起到更加明显的作用。
1 总体方案设计
合理利用峰谷电的智能饮水机设计采用柔性模块化设计方法，分为机械系统和控制系统2部分，如表1所示。将控制模块、加热模块和显示模块分开设计，便于用户的维修更换，方便用户使用。该饮水机具有峰电和谷电2种模式，加热装置采用能够快速方便更换的即热管，控制系统采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机进行控制。
表1 新型“削峰填谷”智能饮水机组成
2 机械结构设计
2.1 饮水机总体外观设计
图1 饮水机外观Fig.1 Appearance of the drinking fountain
饮水机外观如图1所示，图1a)为前侧视图，包括3个出水孔口，分别为热水出水口、冷水出水口、储水出水口。前2个是峰电模式下用的出水口，第3个是低谷电模式下储存装置内的热水出水口；最下面为储物箱，用来放置水杯等物品；前部的LCD液晶显示屏，用来显示设置时间参数、热水存储装置内的热水温度参数；控制模块安装在控制柜内，用户可以快速打开进行维修或者进行硬件扩展。用户可以打开控制柜卸下内部的单片机，进行软件的修改。图1b)为后侧视图，为控制模块的安装位置。饮水机加热部分采用高功率的即热管，实现对冷水的快速加热。即热管安装在即热管安装柜中，可实现快速更换。即热管可见，加热过程透明化，用户可以直接观测加热管是否清洁。
2.2 饮水机内部设计
饮水机内部结构如图2所示。水桶里的水经聪明座流下，一路流向冷水出水管，另一路经进水电磁阀流过即热管加热，经即热管加热后，一路流向热水出水管，一路经热水出电磁阀经热水存储装置进水管流入热水存储装置。
图2 饮水机内部结构Fig.2 Internal structure of the drinking fountain
2.2.1 即热管快换机构的设计
即热管快换机构如图3所示，即热管安装在即热管安装阀上，下面固定式即热管安装阀用螺栓固定在安装板上，上面快换式即热管安装阀可沿滑槽滑动。当需要更换时，用户拧开螺母，用手向上滑动螺柱，即可轻松拆下即热管，进行清洗更换。
图3 即热管快换机构Fig.3 Quick changing mechanism for heating device
2.2.2 复位式洁净帽的设计
图4 复位式洁净帽Fig.4 Reset type clean cap
复位式洁净帽由清洁、耐高温的洁净帽和复位式不锈钢弹簧组成，如图4所示，有正向和反向2组构成，分别安装在聪明座和储水装置上。复位式洁净帽与通气孔紧密连接，只有在装置排气时复位式洁净帽在气压的作用下被顶开排气，当排气停止时，复位式洁净帽在不锈钢弹簧的作用下复位，隔离了加热装置与外界的长期接触。
2.2.3 保温桶的设计
保温桶的结构采用3层真空式保温措施，内部采用双层不锈钢盛水，中间抽真空，外部采用单层塑料保护内部不锈钢。保温桶的内部材料选用食品级不锈钢材料S304，无毒无害，卫生安全，强度高，能够实现中间抽真空的强度和刚度要求[11]；保温桶的外部材料选用高密度聚乙烯-02-HDPE，无毒无害，安全可靠，避免了真空不锈钢的磕碰。
保温桶的整体保温原理模仿暖水瓶原理，双层不锈钢抽真空，从阻断热传导方面保证了保温效果，内部不锈钢做成抛光镜面式，模仿暖水瓶内部镀银原理，暖水瓶内部镀银为了从热辐射方面保证保温效果，镜面式内壁阻断了热水辐射，最大限度地保证了保温效果，保温效果可达12 h。
3 控制系统设计
该控制系统以单片机为控制核心[10,12-14]，采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810 专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250 KB/s)，针对智能控制，强干扰场合，便于扩展。控制系统原理图如图5所示。该控制系统中温度传感器、液位开关传感器、机械键盘、机械按键开关为输入元件；食用级电磁阀、即热管为控制元件， LCD屏为人机交互界面，显示工作状况，单片机控制一次加热储水保温系统。
图5 控制系统原理图Fig.5 Schematic diagram of the control system
应用控制系统，用户可根据当地低谷时间段，通过键盘S1—S6设定饮水机的工作时间、工作模式，控制饮用水的流向，LCD屏可以显示当前时间、设定时间以及热水存储装置的温度。用户还可根据需要进行硬件扩展，通过编程实现不同的控制功能，从而实现合理利用低谷段电，达到“削峰填谷”节能惠民的效果。
通过模式按键开关选择饮水机工作模式。当处于峰电模式时，只有按下热水出水龙头触发热水出水开关，即热管才会工作；当处于低谷电加热模式，到达低谷时间段，单片机发出指令，控制出水电磁阀打开，即热管工作，热水电磁阀打开，开始存储热水，当热水到达指定水位，液位开关传感器开关触发，饮水机停止工作，储存热水供峰电时刻饮用。当热水存储装置热水温度低于45 ℃时，温度报警灯亮，提醒用户及时使用。
饮水机采用交流220 V电源，单片机需用直流5V电源，电磁阀控制需用直流7～12 V电源，采用降压模块，其电路原理分别如图6、图7所示。本设计还可通过单片机硬件进行扩展，用户可根据个人需要，修改其控制功能。如果加入通信模块进行远程控制，可以融入智能家居系统[15-18]。
图6 单片机电源Fig.6 Single chip power supply
图7 电磁阀电源Fig.7 Solenoid valve power supply
根据以上原理制作出的实物样机如图8所示。机身前面有LCD屏和3个显示灯，红灯亮表示即热管处于工作状态，蓝灯亮表示低谷电模式处于打开状态，黄灯亮表示储存装置热水温度低于用户设定温度，处于警报状态；机身侧面键盘，用户用来设定时间参数；机身后方有2个按钮，上方第1个是模式选择开关，下面是电源总开关。通过试验，饮水机工作稳定。
图8 设计实物样机Fig.8 Prototype of the drinking fountain
4 结 语
本文设计的单片机控制智能饮水机包含机械系统和控制系统2部分。机械部分主要包括即热管、快换结构、热水储水装置、通气孔复位洁净帽结构等；控制部分主要由单片机、电磁阀、温度传感器、液位传感器等组成。该饮水机具有峰电和低谷电2种工作模式，当处于峰电模式时，按动出水口开关，即热管进行加热后热水流出；当处于低谷电模式时，自动根据设定好的时间段利用即热管进行加热，热水流入储水装置储存，供峰电时段饮用，缓解高峰期用水压力。
该饮水机具有以下优点：1)采用反压式供水加热结构，使加热更充分；加热装置可见，能快速更换即热管；2)通气孔复位洁净帽可隔离饮水机内部与外界接触，能减少污染物的进入；3)通过电磁阀控制流水方向，可彻底隔离冷水和热水，避免形成阴阳水，提高饮水质量； 4)通过设定低谷段的时间范围，实现低谷时段加热储水，可解决用水高峰水量不足，在合理利用峰谷电的同时为用户节省电费；5)带有温度、液位传感器，具有防干烧和报警提醒功能，减少电能浪费。
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Design of an intelligent drinking fountain with rational use of peak and valley power
ZHAO Yuejing, QIN Zhiying, WAN Haicheng, WANG Bo, ZHANG Zhenyang, LI Qi
(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)
To solve the problems of existing drinking fountains, such as inconveniently replacement heating equipment, harmful cold-hot mixing water and secondary pollution of drinking water, and to balance the urgent requirement of the national peak valley electricity, an intelligent drinking water machine controlled by microcontroller is designed. The drinking fountain could reasonably utilize the peak and valley electricity. It consists of heating device, rapidly replacing structure, hot water storage structure, clean cap structure of ventilation hole and single chip microcontroller controlling system. It adopts back pressure type water supply heat structure, making the heating more efficient. Its heating unit is visible, making it quickly to replace the heat pipe. Its clean cap structure of ventilation hole separates the inside and the outside, reducing the incoming of pollutants and rejection of heat. Its electromagnetic valve controller controls the flow direction of water, thoroughly separating cold water and hot water, avoiding unboiled water and boiled water, improving drinking water quality. It has temperature sensor, liquid-level sensor and alarming protection function, which can solve the problem of electric energy waste because of water shortage in peak usage and repeatedly heating in valley usage. Through setting the time range of valley stage, it can realize water heat and storage in valley stage, rationally using peak and valley power while saving money for the users, and its widely use can make contribution to the national power grid optimization of cutting peak and filling valley.
automation technology application; intelligent drinking fountain; SCM control; peak and valley power; instant heat pipe; storage water
1008-1534(2017)03-0189-05
2017-01-17;
2017-03-02；责任编辑：李 穆
河北科技大学大学生创新创业训练项目(2015047)
赵月静(1974—)，女，河北安国人，副教授，硕士，主要从事机电一体化、振动利用与控制方面的研究。
E-mail:zhaoyj74@163.com
TP36；TH12；TM925
A
10.7535/hbgykj.2017yx03007
赵月静，秦志英，万海城，等.一种合理利用峰谷电的智能饮水机设计[J].河北工业科技,2017,34(3):189-193. ZHAO Yuejing, QIN Zhiying, WAN Haicheng, et al.Design of an intelligent drinking fountain with rational use of peak and valley power[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(3):189-193.
