健康節能型飲水機設計

陳健寧

摘 要：針對傳統飲水機對飲用水反復加熱，導致水中的硝酸鹽分解變成的亞硝酸鹽超標，對人體健康極為不利的問題，提出了改進方案。通過采用51單片機、繼電器、液晶顯示器等低成本元件組建控制系統來限制飲水機中水到達沸點的次數，當超過設定到達沸點次數且中間無人使用時自動切斷電源，以避免“千滾水”現象發生，利于人體健康和節能。

關鍵詞：單片機 節電 健康飲水

中圖分類號：TM925 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（a）-0040-03

1 設計背景

使用廣泛的傳統飲水機存在健康隱患，其反反復復加熱的“千滾水”，對人體健康十分不利。近年來因飲用飲水機的“千滾水”導致患病的事件頻繁見諸報端。目前市場上飲水機雖然種類繁多，花樣齊全，但工作原理大致相同。當飲水機處于保溫狀態時保溫電阻起到是分壓的作用，使飲水機的有用功降低，而并沒有使輸出的總功減少。導致保溫狀態下也與加熱狀態一樣消耗同等大量電能。據設計者實驗測得該新佳美牌普通飲水機的熱膽功率0.42 kW，水溫在85°～93°徘徊，當低于85°時，會自動開始加熱，大概在20 min一次，一次加熱2 min，每天可反復加熱約80次，在不喝一滴水的情況下，飲水機白白費電1°，電費約0.6元左右，一月下來就20元左右，一年下來就接近250元。

可見傳統的飲水機加熱膽中的水一直處于持續加熱保溫的循環狀態當中。據有關專家檢測連續加熱3次的水產生的亞硝酸鹽含量將超于人體本身能凈化的量.而加熱80次的水，其亞硝酸鹽含量是人體的十倍左右，人飲用后對身體的危害極大，長期飲用容易得癌癥。

2 傳統飲水機的改進方案

下面以新佳美牌普通飲水機改造為例，提出改進方案。通過引入51單片機，1602液晶顯示器，繼電器等（其成本約為40元）組建控制系統，實現在無人飲水是水燒開3次后自動斷電；保溫時節省大量電量。經計算得在不喝一滴水的情況下，改造過的飲水機耗電約為0.02°，電費約為0.01元多，綜合考慮一臺飲水機一年能節省300塊錢。而且其加熱后的水亞硝酸鹽含量不超標，人飲用后不會產生不良影響。系統框架如圖1所示。

3 系統工作原理

3.1 智能節電及防止反復加熱工作原理

該部分由單片機控制系統連接溫控開關，顯示器與繼電器。其工作原理為：采集溫控開關通斷信號，當溫度低于85°時，開關閉合，給單片機一高平信號，這時讓控制固態繼電器的I/O口輸出高電平，繼電器受輸出電平控制，處于一直導通狀態。并且單片機控制發光二極管使紅燈發光，此時加熱電阻兩端電壓值為220 V。飲水機處于加熱狀態。當溫度高于85°時，開關斷開，單片機模擬PWM輸出矩形波形，驅動固態繼電器使其轉換于導通，斷開狀態。單片機控制發光二極管，使紅色LED熄滅，黃色LED發光，從而使電源輸出功率減小，飲水機處于保溫狀態。這樣就有效避免了飲水機在保溫狀態時電源也大功率輸出地弊端。

通過采集開關的通與斷的信號來確定飲水機處于加熱與保溫狀態的，進而使單片機做出相應的控制。并且用單片機采集溫控開關斷開或接通的次數（接通與斷開算一次）并將其顯示在顯示器當中；當顯示器記錄次數達到3次時單片機輸出低電平，即加熱3次時單片機控制電磁繼電器，使其停止工作，并在顯示器上輸出水燒開后開始計時的時間，同時熄滅紅黃色LED。而按鈕開關的設置。這樣既節省電能，又有效地避免了水多次燒開而產生對人體有害物質的情況發生。

3.2 保溫工作原理

當單片機判斷出飲水機處于保溫狀態時，單片機輸出如圖2所示方波其中高電平占總周期的十分之一（經過計算所得的比例），將其輸入的電平經驅動電路后接入固態集電器，使得保溫時一秒內有0.1 s加熱水，0.9 s處于切斷狀態。（保溫時比傳統的節省大約9/10的電量）從而達到即保溫又節能的效果。

3.3 信息顯示原理

為了方便用戶了解更多的信息放心使用加熱后的水，增加了具有人性化的信息顯示模塊。該模塊是基于51單片機用1602液晶顯示器顯示加熱水的次數及從最近沸點到現在的時間。顯示器第一行顯示的是加熱次數，第二行顯示從最近沸點開始計時的時間。

4 節能測試

經對改造過的飲水機和普通飲水機的節能測試，可以大大降低電能損耗如圖3所示，而改造成本約40元左右。同時實現了健康飲水減少疾病發生率，不再擔心飲入含過高的亞硝酸鹽的水。

參考文獻

[1] 戴佳，戴衛恒.51單片機C語言應用程序設計實例精講[M].電子工業出版社，2006.

[2] 王為青，程國鋼.單片機Keil Cx51應用開發技術[M].人民郵電出版社，2007.

[3] 戴佳，戴衛恒.51單片機c語言應用程序設計實例精講[M].電子工業出版社，2006.