一種智能化飲用電熱開水器的設(shè)計(jì)

滄州市科技情報(bào)研究所 王宏云

隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，飲水安全及便捷性成為主要任務(wù)。為了適應(yīng)各類人群飲水需求環(huán)境而設(shè)計(jì)出一種利用電加熱開水的開水器，為方便飲用采用了單片機(jī)的智能控制。按其容量大小來適用于不同群體的需求，大致功率范圍有2KW、3KW、4.5KW、5KW等不同型號(hào)，適用于企業(yè)單位、酒店、部隊(duì)、車站、機(jī)場(chǎng)、工廠、醫(yī)院、學(xué)校等公共場(chǎng)合。相和傳統(tǒng)的鍋爐相比具有節(jié)省人力、安全，噪音小，無污染的優(yōu)點(diǎn)，并且供應(yīng)開水方便及時(shí)，隨時(shí)都可提供飲用水。

1.電熱開水器的種類及存在隱患

1.1 按內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分

目前市面上飲用開水器大致可分為：浮子式開水器、分離式開水器、分層加熱式開水器和即熱式電熱開水器。

第一種：浮子式開水器。浮子式開水器是應(yīng)用最普遍的第一代產(chǎn)品，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要有一個(gè)水箱構(gòu)成，用來儲(chǔ)水和燒水，而浮子用于控制水位，內(nèi)部設(shè)置電發(fā)熱管加熱。由于在使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)其只有一個(gè)水箱，不能把生水與開水分隔；只有一個(gè)浮子作為水位控制，不能控制人們?nèi)∷畷r(shí)生水進(jìn)入水箱中。造成陰陽水的產(chǎn)生，影響飲用水的質(zhì)量和人們的健康。但由于浮子式開水器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，目前被工廠、機(jī)關(guān)單位、酒店、等公共場(chǎng)合大量使用。

第二種：分離式開水器。針對(duì)第一代產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生陰陽水的缺點(diǎn)，人們進(jìn)行的技術(shù)革新，研發(fā)出避免陰陽水產(chǎn)生的分離式開水器，其原理使用兩個(gè)水箱，主要是把生水和開水分隔開，一個(gè)箱體里裝有電熱管，負(fù)責(zé)燒水，另一個(gè)箱體則負(fù)責(zé)儲(chǔ)存開水。這樣能有效避免生水與開水的混合，徹底解決了“陰陽水”問題。但最初由于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本較高，箱體密封而不能清洗所造成壽命不長(zhǎng)等原因，沒能得到大量推廣，市場(chǎng)占有率很低。

第三種：分層加熱式開水器，其原理是將水逐層加熱，當(dāng)最高溫度大約達(dá)到95度左右時(shí)，即停止加熱，但是因具有即燒即飲的特點(diǎn)，所以供水比較及時(shí)。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，操作復(fù)雜，維修費(fèi)用昂貴，耐用性也比較差，最高溫度達(dá)不到水開溫度（一般開水需大于98度左右），存在健康隱患。

第四種：即熱式電熱開水器，又叫快熱式電熱水器。即熱式開水器是無儲(chǔ)存無往復(fù)式水路瞬時(shí)電加熱設(shè)備，大功率的電加熱器使水在流動(dòng)中被加熱到沸點(diǎn)，做到了即用即開。不但具有能夠即開即熱，使用方便，且省時(shí)省電，節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，解決了健康飲水的問題。最早用于淋浴噴頭，通過流量調(diào)節(jié)水溫，但用于飲水加熱技術(shù)要求高，人們最為擔(dān)心的還是安全問題，并且電功率一般都很大，受到很多場(chǎng)合的限制，因此一直無法推廣!。

1.2 目前電熱開水器存在的問題

各類傳統(tǒng)儲(chǔ)水箱式電開水器、飲水機(jī)，因?yàn)楸乇仨氈貜?fù)燒而白白浪費(fèi)大量的電能，不僅如此，實(shí)驗(yàn)證明，如果把水反覆地一再燒煮（俗稱千滾水），會(huì)使水中的[硝酸鹽]轉(zhuǎn)變成[亞硝酸鹽]，而[亞硝酸鹽]對(duì)人體是有害的，它會(huì)讓紅血球失去了攜帶氧氣的功能。

有些傳統(tǒng)儲(chǔ)水箱式電開水器內(nèi)水量不足時(shí)，它就會(huì)自動(dòng)加水。此時(shí)，如果接開水的人沒有注意或是急等飲用，電熱開水器就會(huì)流出冷熱混合的水（俗稱陰陽水）。陰陽水可能含有各種病原微生物，因此喝陰陽水可能引起各種腸道傳染病。陰陽水多產(chǎn)生于單缸結(jié)構(gòu)的浮子式開水器。

有鑒于此，本文介紹一種智能飲用電熱開水器，可以解決上述電熱開水器存在的問題。

2.智能飲用電熱開水器主要結(jié)構(gòu)、原理

整個(gè)智能化飲用電熱開水器結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 智能化飲用電熱開水器結(jié)構(gòu)原理

2.1 電熱開水器主要結(jié)構(gòu)

如圖1所示，智能化自動(dòng)電熱飲用開水器包括兩個(gè)主要部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)和電熱開水器部分。單片機(jī)可以選用內(nèi)置8通道A/D轉(zhuǎn)換器的芯片來設(shè)計(jì)即可，便于采集水位，溫度等數(shù)據(jù)；電熱開水器部分包括水箱和閥門、加熱器、溫度和水位探測(cè)器等。

按功能部件分為兩個(gè)部分：包含主機(jī)和智能龍頭兩個(gè)部分，主機(jī)包含控制芯片、水箱、水位探測(cè)器、溫度傳感器等主要部件，智能龍頭包括控制芯片、冷/熱水龍頭等主要部件。

2.2 智能飲用開水器工作原理

自來水通過三通分成兩路，一路可以提供涼水使用，另一路則通過進(jìn)水電磁水閥進(jìn)入水箱，當(dāng)水箱內(nèi)的水位低于預(yù)設(shè)高度時(shí)，進(jìn)水電磁水閥打開，給水箱加水。因?yàn)樗鋬?nèi)設(shè)置有兩個(gè)水位傳感器，分別設(shè)置在不同的高度，當(dāng)水箱的水位低于低位的水位傳感器時(shí)，加水，而當(dāng)水位達(dá)到位于高位的水位傳感器時(shí)，進(jìn)水電磁水閥關(guān)閉，停止加水。同時(shí)水箱溫度傳感器檢測(cè)到的水溫低于第一預(yù)設(shè)溫度時(shí)，加熱器通電工作。且在開啟熱水龍頭時(shí)，出水熱水閥門不工作即無熱水提供。只有當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到的水溫達(dá)到第二預(yù)設(shè)溫度時(shí)，加熱器斷電停止加熱，且在開啟熱水龍頭時(shí)，出水熱水閥門才能打開提供熱水。水箱的頂端設(shè)有換氣管便于水箱內(nèi)水蒸汽排出和水的流出而設(shè)計(jì)的。

由此可見，只有在水箱內(nèi)的水達(dá)到預(yù)設(shè)低水位后，才加水。從而杜絕了冷熱水混合，接開水時(shí)冷水不會(huì)混入，有效杜絕“陰陽水”而由于設(shè)置了溫度傳感器檢測(cè)水溫，并設(shè)置加熱溫度而有效杜絕了反復(fù)加熱造成的“千滾水”。

3.單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.1 溫度采集電路

采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻與10KΩ電阻串聯(lián)分壓得到采樣電壓，電容的作用是抗干擾和平滑電壓曲線的作用，減少誤動(dòng)作。

3.2 水位采集電路

利用水的導(dǎo)電特性，制成水敏探頭分別放在高低不同的水位上，由于上水時(shí)水的波動(dòng)加大使信號(hào)可能誤動(dòng)作，此時(shí)需加大濾波電容的容量，一般在4.7至47μF之間。

4.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)開發(fā)實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)編程，調(diào)試。

4.1 主要功能

根據(jù)如下功能來開發(fā)編程控制程序，控制開水器的進(jìn)出水閥、電加熱器、蜂鳴器和顯示屏等，實(shí)現(xiàn)智能控制，主要功能如下：

1）系統(tǒng)自檢：系統(tǒng)各部件的數(shù)據(jù)好壞判斷，報(bào)警、保護(hù)措施；

2）預(yù)防干燒：首次使用或自來水停水或水箱內(nèi)水被用光；

3）定時(shí)開關(guān)機(jī)設(shè)置，避免夜間等休息時(shí)間時(shí)加熱，待機(jī)24小時(shí)用電量大幅降低；

4）加熱功率設(shè)計(jì)，首次使用3-4分鐘即可飲用開水；

5）高低水位控制，使冷熱水分離，有效杜絕“千滾水”；

6）水位探測(cè)器控制注水避免冷熱水混合，產(chǎn)生“陰陽水”，分段加熱，保證即時(shí)使用開水，溫度設(shè)計(jì)開水98℃。

4.2 利用單板機(jī)的編程功能，編入定時(shí)開關(guān)機(jī)功能

具體可通過控制裝置進(jìn)行設(shè)置，避免家中無人時(shí)加熱，待機(jī)24小時(shí)，用電僅為0.75度，節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。熱速度快，首次使用3-4分鐘即可飲用開水，每小時(shí)提供8升開水，用電0.88度冷熱水分離，自動(dòng)睡眠模式，杜絕反復(fù)加熱；高密度隔熱泡沫，保溫效果好。水溫自動(dòng)測(cè)定，水溫過低停送熱水；智能液晶顯示技術(shù)，體貼運(yùn)行。

圖3 溫度采集電路

圖4 水位采集電路

5.小結(jié)

經(jīng)試驗(yàn)運(yùn)行表明，系統(tǒng)運(yùn)行可靠、功能齊全，實(shí)現(xiàn)了杜絕冷熱水混合的“陰陽水”和重復(fù)加熱造成的“千滾水”功能。是一種健康型的飲水機(jī)，具有節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)，適用于企業(yè)單位、酒店、部隊(duì)、車站、機(jī)場(chǎng)、工廠、醫(yī)院、學(xué)校等公共場(chǎng)合使用。

[1] 徐軍普等.智能化全自動(dòng)電開水器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù),2002(05).

[2] 張繼輝.基于單片機(jī)控制的大功率開水器智能監(jiān)控電路[J].電子制作,2007(08).

[3] 金立田等.微電腦電熱水器控制器設(shè)計(jì)[J].南京農(nóng)專學(xué)報(bào),2001(04).