基于直热式新型饮水机的设计与实现

作者 / 王刚，四川信息职业技术学院



基于直热式新型饮水机的设计与实现

作者 / 王刚，四川信息职业技术学院

针对智能技术的应用和节能的目的，采用对现行家用饮水机和办公饮水机检测系统的调查和研究，设计一种直热式新型饮水机控制系统，采用STC89C52RC单片机为控制核心、以单线数字温度传感器DS18B20来完成温度信号的采集、PID算法智能控制温度、直热式石英加热器、重力传感器、霍尔水流传感器。实验应用表明，当有人要饮水时，直接先选择开水或温水或冷水，饮水机就会在3秒出水，该系统功能上更强，使用更方便，安全可靠性也更高，最重要的是更节省电能，提高了家用电器的品质。

直热式；新型；饮水机；设计

传统饮水机热胆一般采用侧进水结构，这种结构导致了每次制热水时热胆底部都会存在约30%的死水，这些死水反复加热，造成了严重的二次污染。由于热胆材质多为不锈钢和铝壳，本身也会构成“污染源”，在长时间加热下，水中的含铁、铝、铵的亚硝酸盐含量即会明显增加。内胆超过3个月不清洗，就会滋生大量细菌、残渣甚至红虫，附着在热胆的内壁上，成为饮用水的有毒“添加剂”。溶入这种“添加剂”的水进入人体后，会引起消化、神经、泌尿和造血系统病变，甚至引起早衰。

同时，饮用水在热胆内反复被“加热-冷却-再加热”后，就会形成千滚水。“千滚水”虽看似干净，却因煮沸过久，水中不挥发性物质如钙、镁等重金属成分和亚硝酸盐含量很高。久饮这种水，会干扰人的肠胃功能，出现暂时性腹泻、腹胀；有毒的亚硝酸盐是强氧化剂，进入血液后会与血红蛋白结合，使氧合血红蛋白变为高铁血红蛋白，从而使血红蛋白失去携氧能力，导致组织缺氧，并对周围血管有扩张作用。

1. 系统概述

为防止这种现象的出现，设计出了一种直热式新型饮水机，该饮水机从降低开发成本、扩大适用范围、系统运行的稳定性、可靠性、实用性、新颖性的设计目的出发，采用STC89C52RC单片机为控制核心、以单线数字温度传感器DS18B20来完成温度信号的采集，直热式石英加热器，重力传感器，霍尔水流传感器来检测水位。直热式新型饮水机与传统的饮水机相比，没有了千沸水的隐患，同时也减少了上水的麻烦，使得很容易就可以使用。

将饮水机接入220V 50HZ 市电中按下电源按钮（绿色指示灯）饮水机处于待机工作状态，根据所需水温分为三种模式冷水（室温）、温水（38℃）、开水（98℃～103℃）分别对应蓝色、黄色、红色指示灯。供水使用传统饮水机所用的塑料桶（18.9L）可正立放置于新式饮水机底部，水量不足10%时报警提示更换新水，每次更换新水自动对饮水机内部紫外线消毒2分钟。带过温（120℃及以上）保护系统，水流传感器，微电脑控制，不会产生水垢。具体的系统总体结构示意如图1所示。

图1 系统总体结构示意图

2. 系统硬件设计

■2.1 水温控制模块

（1）加热模块

采用直热式加热器，功率2200W，内置3根石英加热管。

（2） 温控模块

该模块采用BTA16-600B 双向可控硅控制电压来控制加热器加热的功率来控制温度。

■2.2 杀菌模块

为了对每次更换新水，新启动饮水机，保证饮水安全内置紫外线杀菌灯。紫外线波长在240～280nm范围内最具杀破坏细菌病毒中的DNA（脱氧核糖核酸）或RNA（核糖核酸）的分子结构，造成生长性细胞死亡和（或）再生性细胞死亡，达到杀菌消毒的效果。尤其在波长为253.7时紫外线的杀菌作用最强。紫外线灯启动时对灯管的寿命影响较大。对于低压灯管，一般每次启动需要3-6min的稳定时间，所以每次开机或者更换新水后自动进行紫外线杀菌8分钟，为了避免紫外线对人体的影响只有关闭水柜门才能进行杀菌。紫外杀菌电路如图2所示，单片机P3.0口控制继电器将杀菌灯接入电路。

图2 紫外杀菌电路

■2.3 保护模块

（1）水位报警模块

该部分电路主要是在饮水机水柜下方放置弹簧底座，水量不足时弹簧弹起接通报警电路。

（2）防干烧保护模块

加热器功率为2000W直热式加热器干烧会烧坏加热器。采用霍尔水流传感器（ES3144）检测是否有水流流经加热器，若有水流流过加热器才工作，反之则不工作。

（3） 防意外出水保护模块

本模块为了防止小孩因玩耍意外碰触出水按键，而造成不必要的烫伤和水资源浪费。采用LJC30A3-H-Z/BX 三线NPN常开电容式接近开关可以感应所有材质的杯子，放置于饮水机出水口下方。

3. 软件设计

主要包括水量检测、温度采集模块、键盘输入模块、LED指示模块和PID恒温控制模块。

（1）水量检测模块

水量：采用重量传感器小于1KG时提示更换新水 。

换水：自动启动紫外线杀菌灯杀菌2min，打开饮水机水柜更换新水，自动切换低压（6V），控制回路整机停止工作，闭合水柜门恢复工作且进行紫外线杀菌2min。

（2）温度采集模块

温水加热模块：采用DS18b20测取室温用于PID温水温度人性化智能补偿（38℃）。

热水加热模块：直接启动直热式加热系统（100℃）。

（3）键盘输入模块

按键采用轻触开关使用时，轻轻按开关按钮就可使开关接通，当松开手时，开关断开。

键盘输入电路主要是用来输入数据，从而实现人机交互。该系统的键盘设计是采用扫描方式实现的独立按键。

（4）LED指示模块

该部分主要用来的显示用户功能。在硬件设计中，共阳极LED ，要点亮LED则需让其IO口置低，熄灭置高。

4. 总结

基于直热式新型饮水机硬件设计已完成，各部分功能都已实现。STC89C52RC单片机片上资源比较丰富，这使得课题外围电路相对简单，还留有大部分I/O口以便今后扩展。温度采集模块用DS18B20来实现，电路简单，且价格便宜，精度与稳定度都比较高。造型及显示效果个性、新颖，解决了传统饮水机结构单一，对人类健康造成隐患的缺陷，更好了满足了人们对美好生活的追求。键盘模块电路，用户可以通过键盘直接选择所需温度的水，为用户提供了一个良好的人机接口。

图3 直热式新型饮水机流程图

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