一種全自動控溫智能水閥的設計

王天偉

摘 要：文中介紹了一種具有檢測、自我調節溫度以及智能提示功能的水閥裝置。分析了現有電控閥的發展狀況，并在此基礎上找到了市場短板，從而設計出一種滿足普通百姓需求的智能控溫水閥。此系統以STC89C51單片機為控制核心，用步進電機作為執行電機來實現其功能，用液晶顯示屏來實時顯示其所要向用戶展示的數據以及對用戶的智能提示，并降低了維修難度。此設計對進一步發展我國智能家居裝置、推廣節水政策有一定的幫助。

關鍵詞：水閥；STC51單片機；步進電機；溫度調節

中圖分類號：TM924 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）08-00-02

0 引 言

電控閥作為執行元件在自動化越發普及的當代社會中應用十分廣泛。隨著智能用品的發展，其主要問題是降低產品成本以及迎合百姓需求。

目前較為常用的閥門主要有電動閥和電磁閥。對于采用電磁的電動閥來說，雖然可以用很短時間的脈沖電平完成開關動作，但其耗電量大，零功耗幾乎不可能，且維護困難。市面在售的電控閥大多面向企業及工廠，少有適用于中小家庭和單位的設備。由于大多產品僅具有單一的電控功能，無法滿足百姓的日常需求。因此解決產品面向對象、降低產品成本以及滿足百姓所需就顯得尤為重要。本文設計的這一控溫智能閥門基本能夠解決以上問題。

1 設計背景

水與人們的生活息息相關，在家庭中，小到洗菜做飯、洗衣養魚，大到洗浴，各個方面都有水的身影，而隨著四季變化，我們對水溫的要求也不斷改變。目前市場中的水龍頭水溫控制大多基于人為操作，根據人體對水溫的感應，不斷調整冷水和熱水的閥門使水溫達到自己感到適宜的溫度。這一過程不僅浪費了水資源，也無法快速達到人們滿意的程度。通過全自動控溫水閥，人們可通過觸摸屏設置固定的溫度，使初始水溫達到自己的理想預期。此設備積極響應國家對于節水政策的倡導，避免浪費，且造價低廉，適合中小家庭安裝使用。

2 系統組成與功能

2.1 系統組成

本系統主要由STC89C51單片機、步進電機、溫度傳感器、液體渦輪流量計、閥位檢測裝置等模塊及一些外設組成，系統結構如圖1所示。系統還有顯示及設置溫度、智能溫度助手等功能。

本系統采用STC公司的STC89C51單片機。該單片機的最高工作時鐘頻率為80 MHz，片內含有8 KB的可反復擦寫1 000次的Flash只讀程序儲存器，器件兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，具有在系統可編程（ISP）特性，配合PC端的控制程序可將用戶程序代碼下載進單片機內部，不必購買通用編程器，且速度更快。

通過單片機STC89C51實現對水閥內兩個獨立閥門（冷水閥門、熱水閥門）的控制，并結合WZP-PT100溫度傳感器、液體渦輪流量計分別對水溫和兩個獨立出水口流量進行實時監控，使用戶出水口流出的水的溫度達到用戶預先設置的溫度，并且在關閉用戶出水口一段時間后再打開時，水溫仍然可以保持。串行通信采用RS-232接口。步進電機可以對位移量、旋轉角度和轉動速度等進行高精度控制，實現了水閥開度的自由控制。使用RS-232C接口的通信線路在15 m左右可以達到正常的通信要求。RS-485由于使用差分電平傳輸信號，傳輸距離比RS-232C更長，最多可達1 000 m，且其數據抗干擾能力增強，通信范圍更廣，而軟件設計卻不需要進行大的改動，可以考慮將其作為RS-232C多機網絡的替代方案。系統簡圖如圖2所示。

2.2 系統功能

該系統設計了三大功能，即智能溫控功能、智能溫度助手和串行通信功能。

2.2.1 智能溫控功能

利用WZP-PT100溫度傳感器對兩個獨立出水口水溫進行實時檢測。使用時可通過顯示屏設定期望溫度，溫度傳感器將監測到的冷水、熱水溫度傳輸給單片機。單片機根據PID算法，啟動步進電機使冷水、熱水閥門以一定比例打開，使水溫初步達到期望值。而流量計實時檢測流量（現實生活中，水管中的水壓是變化的），并反饋參數給單片機，溫度傳感器將檢測到的實際水溫反饋給單片機，并與期望水溫相比，計算水溫誤差。單片機根據水溫誤差實時控制冷水、熱水閥門的比例。

關于算法：設最終溫度為T，冷水為T1，熱水為T2，吸收熱量等于放出熱量（水的比熱相等）。 Q=CM1（T-T1）=CM2（T2-T），解得M1/M2=（T2-T）/（T-T1），質量比轉化為體積比，再根據流量傳感器測得的流量比（體積比）求出閥門開啟的范圍大?。偭髁恳欢ǎ?，從而達到期望的溫度。

2.2.2 智能溫度助手

在觸控面板內置有溫度傳感器，可實時監測裝置所處環境的溫度，然后根據單片機預置資料庫程序，給予用戶合適的水溫建議，讓用戶省去了自己嘗試水溫的過程。

2.2.3 串行通信功能

串行通信接口采用RS-232接口。由于RS-232C標準采用負邏輯，一般單片機均為0～5 V的正邏輯，故在電路上采用電平轉換芯片MAX232，實現正電壓、負電壓的轉換。本設計采用一個主機對多個從機的通訊方式。

軟件流程主要包括系統初始化、溫度檢測及顯示、閥門控制及閥位檢測、RS-232通信、中斷處理（包括無水中斷、手動中斷及USART雙向通信中斷）。單片機的時鐘頻率為4 MHz，通信波特率設定為19 200波特。該系統的智能溫控流程如圖3所示。

3 與普通控水閥門的區別

全自動控溫智能水閥與普通控水閥門相比有如下優點：

（1）用溫度傳感器檢測出冷水和熱水的溫度，根據一定比例調制出自己期望的水溫。

（2）可以自動檢溫，實時顯示水溫。

（3）閥門自動檢測功能。閥門、檢測閥門實際位置的電位器及步進電機三者相連，將閥門位置轉換成電位器的電壓。

（4）通過觸摸屏人為設定固定水溫，并根據溫差反饋自動調整水溫使水溫達到滿意值。

（5）手動控制功能。當手動切換控制開關按下時，手動中斷發生，閥門將處于手動控制狀態。

4 后期擴展

可以安裝藍牙射頻模塊，并編寫控制面板App，實現室內對系統的無線控制。也可加載WiFi模塊，在室外實現遠程控制，比如可以用手機端設置好理想的水溫及出水量，回家后就可以在第一時間泡熱水澡。

5 結 語

水是生命之源，中國水資源已嚴重短缺，節約水資源刻不容緩，因此大力推廣節水新產品、應用節水新技術勢在必行。文中在分析了現有電控閥功能及面向對象的基礎上，給出了一種控溫智能水閥的設計方案并簡析了其工作原理。這種控溫閥能夠使水溫快速達到用戶預想的溫度，從而減少嘗試的次數與時間，減少對水資源的浪費。設計選擇了合適的組件，降低了造價成本，適合廣大中小單位及家庭安裝使用。結構簡易，便于維修。

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