基于直熱式新型飲水機的設計與實現

作者 / 王剛，四川信息職業技術學院

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基于直熱式新型飲水機的設計與實現

作者 / 王剛，四川信息職業技術學院

針對智能技術的應用和節能的目的，采用對現行家用飲水機和辦公飲水機檢測系統的調查和研究，設計一種直熱式新型飲水機控制系統，采用STC89C52RC單片機為控制核心、以單線數字溫度傳感器DS18B20來完成溫度信號的采集、PID算法智能控制溫度、直熱式石英加熱器、重力傳感器、霍爾水流傳感器。實驗應用表明，當有人要飲水時，直接先選擇開水或溫水或冷水，飲水機就會在3秒出水，該系統功能上更強，使用更方便，安全可靠性也更高，最重要的是更節省電能，提高了家用電器的品質。

直熱式；新型；飲水機；設計

傳統飲水機熱膽一般采用側進水結構，這種結構導致了每次制熱水時熱膽底部都會存在約30%的死水，這些死水反復加熱，造成了嚴重的二次污染。由于熱膽材質多為不銹鋼和鋁殼，本身也會構成“污染源”，在長時間加熱下，水中的含鐵、鋁、銨的亞硝酸鹽含量即會明顯增加。內膽超過3個月不清洗，就會滋生大量細菌、殘渣甚至紅蟲，附著在熱膽的內壁上，成為飲用水的有毒“添加劑”。溶入這種“添加劑”的水進入人體后，會引起消化、神經、泌尿和造血系統病變，甚至引起早衰。

同時，飲用水在熱膽內反復被“加熱-冷卻-再加熱”后，就會形成千滾水?！扒L水”雖看似干凈，卻因煮沸過久，水中不揮發性物質如鈣、鎂等重金屬成分和亞硝酸鹽含量很高。久飲這種水，會干擾人的腸胃功能，出現暫時性腹瀉、腹脹；有毒的亞硝酸鹽是強氧化劑，進入血液后會與血紅蛋白結合，使氧合血紅蛋白變為高鐵血紅蛋白，從而使血紅蛋白失去攜氧能力，導致組織缺氧，并對周圍血管有擴張作用。

1. 系統概述

為防止這種現象的出現，設計出了一種直熱式新型飲水機，該飲水機從降低開發成本、擴大適用范圍、系統運行的穩定性、可靠性、實用性、新穎性的設計目的出發，采用STC89C52RC單片機為控制核心、以單線數字溫度傳感器DS18B20來完成溫度信號的采集，直熱式石英加熱器，重力傳感器，霍爾水流傳感器來檢測水位。直熱式新型飲水機與傳統的飲水機相比，沒有了千沸水的隱患，同時也減少了上水的麻煩，使得很容易就可以使用。

將飲水機接入220V 50HZ 市電中按下電源按鈕（綠色指示燈）飲水機處于待機工作狀態，根據所需水溫分為三種模式冷水（室溫）、溫水（38℃）、開水（98℃～103℃）分別對應藍色、黃色、紅色指示燈。供水使用傳統飲水機所用的塑料桶（18.9L）可正立放置于新式飲水機底部，水量不足10%時報警提示更換新水，每次更換新水自動對飲水機內部紫外線消毒2分鐘。帶過溫（120℃及以上）保護系統，水流傳感器，微電腦控制，不會產生水垢。具體的系統總體結構示意如圖1所示。

圖1 系統總體結構示意圖

2. 系統硬件設計

■2.1 水溫控制模塊

（1）加熱模塊

采用直熱式加熱器，功率2200W，內置3根石英加熱管。

（2） 溫控模塊

該模塊采用BTA16-600B 雙向可控硅控制電壓來控制加熱器加熱的功率來控制溫度。

■2.2 殺菌模塊

為了對每次更換新水，新啟動飲水機，保證飲水安全內置紫外線殺菌燈。紫外線波長在240～280nm范圍內最具殺破壞細菌病毒中的DNA（脫氧核糖核酸）或RNA（核糖核酸）的分子結構，造成生長性細胞死亡和（或）再生性細胞死亡，達到殺菌消毒的效果。尤其在波長為253.7時紫外線的殺菌作用最強。紫外線燈啟動時對燈管的壽命影響較大。對于低壓燈管，一般每次啟動需要3-6min的穩定時間，所以每次開機或者更換新水后自動進行紫外線殺菌8分鐘，為了避免紫外線對人體的影響只有關閉水柜門才能進行殺菌。紫外殺菌電路如圖2所示，單片機P3.0口控制繼電器將殺菌燈接入電路。

圖2 紫外殺菌電路

■2.3 保護模塊

（1）水位報警模塊

該部分電路主要是在飲水機水柜下方放置彈簧底座，水量不足時彈簧彈起接通報警電路。

（2）防干燒保護模塊

加熱器功率為2000W直熱式加熱器干燒會燒壞加熱器。采用霍爾水流傳感器（ES3144）檢測是否有水流流經加熱器，若有水流流過加熱器才工作，反之則不工作。

（3） 防意外出水保護模塊

本模塊為了防止小孩因玩耍意外碰觸出水按鍵，而造成不必要的燙傷和水資源浪費。采用LJC30A3-H-Z/BX 三線NPN常開電容式接近開關可以感應所有材質的杯子，放置于飲水機出水口下方。

3. 軟件設計

主要包括水量檢測、溫度采集模塊、鍵盤輸入模塊、LED指示模塊和PID恒溫控制模塊。

（1）水量檢測模塊

水量：采用重量傳感器小于1KG時提示更換新水 。

換水：自動啟動紫外線殺菌燈殺菌2min，打開飲水機水柜更換新水，自動切換低壓（6V），控制回路整機停止工作，閉合水柜門恢復工作且進行紫外線殺菌2min。

（2）溫度采集模塊

溫水加熱模塊：采用DS18b20測取室溫用于PID溫水溫度人性化智能補償（38℃）。

熱水加熱模塊：直接啟動直熱式加熱系統（100℃）。

（3）鍵盤輸入模塊

按鍵采用輕觸開關使用時，輕輕按開關按鈕就可使開關接通，當松開手時，開關斷開。

鍵盤輸入電路主要是用來輸入數據，從而實現人機交互。該系統的鍵盤設計是采用掃描方式實現的獨立按鍵。

（4）LED指示模塊

該部分主要用來的顯示用戶功能。在硬件設計中，共陽極LED ，要點亮LED則需讓其IO口置低，熄滅置高。

4. 總結

基于直熱式新型飲水機硬件設計已完成，各部分功能都已實現。STC89C52RC單片機片上資源比較豐富，這使得課題外圍電路相對簡單，還留有大部分I/O口以便今后擴展。溫度采集模塊用DS18B20來實現，電路簡單，且價格便宜，精度與穩定度都比較高。造型及顯示效果個性、新穎，解決了傳統飲水機結構單一，對人類健康造成隱患的缺陷，更好了滿足了人們對美好生活的追求。鍵盤模塊電路，用戶可以通過鍵盤直接選擇所需溫度的水，為用戶提供了一個良好的人機接口。

圖3 直熱式新型飲水機流程圖

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