基于家用热水器的冷水回收利用与出水温度控制装置

刘栩源　翟娟　王典　徐玲　吴牧原

摘  要：以节能减排与便民生活为目标，文章设计的装置是基于STC89C52单片机的热水器冷水回收与出水控制系统。装载了测温模块，控温与冷水收集模块，报警模块，数码管显示模块，按键检测模块。该设计力求于凭借温度感应模块DS18B20和矩阵键盘共同作用，向STC89C52单片机输入信号，单片机将信号处理后再传输给步进电机，以达到热水器冷水回收再利用，自动出水、智能控温的效果。

关键词：STC89C52；温度传感器DS18B20；数码管显示；智能热水器；节能减排

中图分类号：TP273；TP368.1  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）12-0174-05

Cold Water Recycling and Water Discharge Temperature Control Device Based on Domestic Water Heater

LIU Xuyuan， ZHAI Juan， WANG Dian， XU Ling， WU Muyuan

（Guangling College of Yangzhou University， Yangzhou  225000， China）

Abstract： With the goal of energy saving and emission reduction， the device designed in this paper is a system with cold water recycling and water discharge control of water heater based on STC89C52 Single-Chip Microcontroller. It is loaded with temperature measurement module， temperature control and cold water collection module， alarm module， nixie tube display module， and key detection module. The design seeks to achieve the effect of cold water recycling， automatic water dispensing and intelligent temperature control of the water heater by the temperature sensing module DS18B20 and matrix keyboard working together to input signals to the STC89C52 Single-Chip Microcontroller， and then transmit the signals to the stepper motor.

Keywords： STC89C52; temperature sensor DS18B20; nixie tube display; intelligent water heater; energy saving and emission reduction

0  引  言

隨着人们生活水平的不断提高，热水器成为现代家庭中必备的电器，当人们在日常使用热水器时，打开热水龙头后，开始总会有很多冷水流出来，然后慢慢变热。不但给人们造成使用上的不便，同时这些冷水也会白白流失，造成资源的浪费。另外，现在的热水器中的热水口和冷水口通过混水阀相连接，冷、热水在混水阀处混合，通过出水口排出供洗浴者使用，出水温度由洗浴者通过旋转混水阀手柄实现。洗浴者在调节温度的过程中，需要花费较长时间，在使用时还会出现水温忽冷忽热的情况，特别是在低温天气时，因为水温的不恒定，非常容易导致洗浴者受凉，引起发烧感冒。并且在洗浴的过程中热水器中的热水并不会维持在一个恒定的温度，而是随时变化的。这就需要使用者不断通过混水阀调节，给使用者带来极大的不便。而且使用者在调节水温时无法直观地看到当前热水器流出的水温，需要不断通过触摸来感知，且通过这种方式感知到的水温与实际通过混水阀设定的水温相比具有一定的滞后性。在调节水温的过程中，出水口流出的水通常并不会被使用者用来洗浴，而是任由这些水流失，这又造成了水资源的浪费。

目前市面上的智能热水器主要分为电热水器和燃气热水器两种。电热水器工作原理为将进水管的水流量与出水管的水温转化成电信号输入主板处理器，经过处理器计算后，按结果控制发热管，调节发热功率，从而实现出水温度的恒定。而燃气热水器也是将进水口水流量转换为相应的电信号并将此信号输入控制器。控制器根据输入信号的频率来调整燃气阀的开合大小，使燃气大小与水流量成正比变化，从而使出水口的水温恒定。市面上的这两种热水器设定温度的热水从水龙头流出之前需要经过一段较长的水管，这就使得水温调节速度偏慢，不能使流出的水温迅速达到使用者设定的水温。同时这两种热水器也无法处理热水器开启时先流出的冷水与水温未达到设定水温时流出的水，仍会造成资源的浪费。

而针对冷水的回收利用，现在市面上也有热水器冷水收集器。但市面上现存的冷水收集器结构简单、功能单一，只是单纯利用温控开关控制出水口的开启或关闭。此收集器虽然可在一定程度上达到收集冷水的作用，但是收集冷水的温度上限是固定的，且人们在不同季节对水温的要求也不同，无法满足使用者的需要。

本文设计的装置可以收集打开热水器时最先流出的冷水，避免水资源的浪费。同时显示出水口流出的水温，可以让使用者更加直观地看到，并且可以智能控制混水阀以达到控制出水口温度并保持温度恒定。

1  系统总体框架

本文所设计的家用热水器的冷水回收利用与出水温度控制装置包括温度检测系统，冷水收集与温度控制系统，报警系统，显示系统等功能。其系统芯片采用STC89C52为控制核心[1]，系统工作时，温度检测系统通过外接的温度传感器实时将检测到的水温信号传送至单片机，单片机判定水温信号低于或超过设定的温度，进而控制步进电机工作，实现恒温出水或者冷水收集的功能。同时若设定温度高于进水口的最高温度或低于进水口的最低温度，蜂鸣器报警。系统设计框图如图1所示。

2  硬件电路设计

2.1  系统控制模块

本系统采用STC89C52单片机为核心，这是STC公司生产的一种CMOS8位微控制器，拥有低功耗、高性能的优点。内置16位计数器/定时器3个，外部中断4个，7向量4级中断结构1个，4 KB带电可擦可编程只读存储器，MAX810复位电路，全双工串行口；具有8 000字节的闪存、512字节的RAM存储器、32位I/O口线、看门狗定时器功能。此外STC89C52单片机可降到0 Hz静态逻辑操作，还可支持2种软件可选择节电模式。掉电保护方式下，存储器内容被保存，振荡器被冻结，单片机的所有工作全部停止，直到下一个中断或硬件复位为止。空闲模式下，中央处理器停止工作，允许计数器/定时器、串口、存储器、中断继续工作。最高运作频率为35 MHz，有6T和12T模式可供选择。STC89C52单片机实物图如图2所示，接线电路图如图3所示。

2.2  温度检测系统

温度传感器采用DS18B20[2]，它的优点在于可以直接将温度转换为数字信号传送给单片机，具有独特的单线接口方式。DS18B20在实现单片机与DS18B20的双向通信时仅需要一条口线与单片机连接即可，可实现高精度测温，可分辨温度分为0.5 ℃、0.25 ℃、0.125 ℃和0.062 5 ℃，对应的可编程的分辨率为9～12位，采用不锈钢封装式进行封装，具有良好的防水性，非常适合热水器测温[3]。

本文设计的装置中使用了三个DS18B20温度传感器，分别检测冷水入水口水温、热水入水口水温、出水口水温[4]。

DS18B20实物图如图4所示，原理图如图5所示。

DS18B20温度传感器1号引脚接地，3号引脚接+5 V高电平，2号引脚接到单片机的I/O口，同时外加上拉电阻。

2.3  冷水回收與温度控制系统

为了实现对流出水温的自动控制，本装置采用步进电机来控制混水阀[5]。将电脉冲信号转换成相应线位移或角位移的电动机就叫作步进电机。每向步进电机输入一个脉冲信号，步进电机的转子就前进一步或转动一个角度，其转速与脉冲频率成正比，输出线位移或角位移与输入的脉冲数成正比[6]。而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流控制系统相比，其成本明显减低，几乎不必进行系统调整。

本文设计的装置中使用了两个步进电机。步进电机1通过线位移来控制混水阀的左右移动，从而改变冷水热水的混合比例，以达到控制水温的效果。步进电机2通过角位移来控制出水口和集水口的开启关闭。在出水口水温达到设定温度之前，步进电机2控制出水口关闭、集水口开启，水流从集水口流出经导管进入准备好的储水箱中达到循环利用。出水口水温达到设定温度后，集水口关闭，出水口开启[7]。步进电机原理图如图6所示。

步进电机移动的距离计算公式如下：

i = （ φ.S ） / （ 360. Δ ）

式中φ表示步进电机的步距角（°/脉冲），S表示丝杆螺距（mm），Δ（mm /脉冲）。

步进电机角位移关系公式如下：

θ = θs×A

式中θ表示电机出力轴转动角度（度），θs表示步距角（度/步），A表示脉冲数（个）。

2.4  按键输入模块

本装置中采用了结构简单、电路配置灵活的独立按键。独立按键的每个按键都单独占用一根I/O口线，可以直接读取，检测占用时间较少，不受其他因素影响。本装置中的4个独立按键作用分别为冷水/热水入水口温度显示、设定/当前温度显示、温度加、温度减。为符合实际要求，本装置将热水入水口与冷水入水口的水温作为预设温度的限值。要求设定温度不得高于热水入水口水温，也不能低于冷水入水口水温。由于簧片弹性的影响，独立按键会出现抖动情况，所以在软件编程时还需要进行去抖动处理。独立按键原理图如图7所示。

2.5  显示模块

本装置采用的显示模块为LED显示器。LED显示器有两种显示结构：段显示和点阵显示。本装置使用段显示，一共使用了三只数码管，采用动态显示方式[8]，当显示水温时可精确到小数点后一位。在本文设计的装置中，数码管用来显示冷水/热水入水口温度、设定温度、当前温度，通过键盘实现显示数据的切换。数码管还用来显示装置准备就绪的代码，以及出现错误时代表相应错误的错误编号[9]。如当数码管显示E1，表示预设温度超出限值。单个数码管原理如图8所示。

2.6  报警模块

本装置使用蜂鸣器作为报警模块，输出方式为使用脉冲宽度调制直接控制蜂鸣器。通过编程，在预设的出水口温度超出限值温度的情况下，实现报警效果。当传感器超过正常值的量程时，单片机输出为低电平，蜂鸣器与电源截止，从而引发报警提示。报警时显示模块显示相应的错误代码。

蜂鸣器实物图如图9所示，电路原理图如图10所示。

3  软件程序设计

主程序流程如图11所示。本文所设计的基于家用热水器的冷水回收利用与出水温度控制装置主程序采用循环结构（do while语句）来进行设计，并使用了KielC51编程软件进行了模块化编程。接通电源后，各模块首先分别进行初始化，之后通过扫描独立按键LED显示屏开启显示准备就绪代码，之后通过独立按键设定预定出水温度。然后DS18B20温度传感器分别感应冷水入水口、热水入水口水温并将相应信号经A/D转换读取后发送给单片机，判断设定温度是否超出温度限值。如超出，蜂鸣器报警，数码管显示对应的错误代码。如果设定水温在温度限值之内，判断出水口温度是否等于设定温度，如相等，步进电机2控制出水口开启；如果不等，步进电机2控制出水口关闭，集水口开启，步进电机1控制混水阀调节水温至出水口温度与设定温度一致。

4  系统测试

本设计利用KeilC51编程软件进行编程并，在Protues软件进行仿真测试[10]。经过测试，装置能够正常运行。将装置需要的各个硬件模块连接在开发板上，开发板包括STC89C52单片机，步进电机，DS18B20温度传感器，LED显示器，蜂鸣器等模块。开发板连接实物图如图12所示。

系统测试主要对DS18B20温度传感器进行测试。通过事先编写好的程序，使得温度传感器感应到的温度值在数码管显示屏上进行显示，并与实际温度进行对比。经过测试，数码管显示温度与实际温度一致，DS18B20温度传感器能够正常使用。测试情况如图13所示。

5  结  论

本文设计的装置以STC89C52为核心，针对传统热水器出水温度不稳定、出水温度不可控、出水温度无法直观显现、使用上不够方便、造成水资源浪费的问题，利用步进电机、DS18B20温度传感器、LED数码管逐一解决其缺点，再通过KielC51软件编程仿真调试，证实了本装置在理论上的可行性，实现本文设计中预期的功能。

本装置结构小巧、安装简单，使用便捷，可搭载在任何家用热水器上，可用范围极广，不需要用户更换新的热水器，也省去了拆卸上的麻烦，更容易被社会接受，具有广阔的市场前景和极大的发展空间。

本装置在设计上还存在可以优化的地方。比如在冷水收集循环利用方面不够便捷，还需要另外的储水装置用于收集冷水，而储水装置储满后还需使用者及时更换或转移储水装置中的冷水。这一方面若是使用中央供热的大型热水器，便可直接将集水口流出的冷水通过导管导入热水器，直接实现冷水循环利用。此时可以在本装置中添加IC卡自动扣款功能，用于商业用途或学校、工厂公共浴室。家用上可以添加蓝牙模块或者Wi-Fi模块，通过蓝牙或者Wi-Fi与手机连接，可以实现通过手机直接进行远程操控，达到预设洗浴温度的功能。也可以搭载语音输入模块，直接通过语音控制，让本装置逐渐完善功能，从而更便捷、更智能。

参考文献：

[1] 潘凌锋.基于STM32的恒温混水阀控制器的设计与实现 [D].杭州：杭州电子科技大学，2012.

[2] 李钢，赵彦峰.1-Wire总线数字温度传感器DS18B20原理及应用 [J].现代电子技术，2005，28（21）：77-79.

[3] 周鹏.基于STC89C52单片机的温度检测系统设计 [J].现代电子技术，2012，35（22）：10-13.

[4] 潘勇，孟庆斌.基于DS18B20的多点温度测量系统设计 [J].电子测量技术，2008（9）：91-93+116.

[5] 刘宝志.步进电机的精确控制方法研究 [D].济南：山东大学，2010.

[6] 古志坚.基于单片机的步进电机控制系统研究 [D].广州：华南理工大学，2013.

[7] 丁伟雄，杨定安，宋晓光.步进电机的控制原理及其单片机控制实现 [J].煤矿机械，2005（6）：127-129.

[8] 樊梅香，崔琳.單片机控制LED显示屏动态显示的设计 [J].河北工业科技，2011，28（5）：306-308.

[9] 江霞，张海霞.一款基于单片机的LED动态显示模块方案设计 [J].现代工业经济和信息化，2015，5（4）：47-49.

[10] 孙凌燕，黄允千.Proteus与Keil软件的整合在单片机实验开发中的应用 [J].实验室研究与探索，2008（4）：59-61+68.

作者简介：刘栩源（1999—），男，汉族，江苏南通人，本科

在读，研究方向：控制理论与控制系统；通讯作者：翟娟（1990—），女，汉族，江苏扬州人，讲师，硕士，研究方向：控制理论与控制系统。

收稿日期：2023-01-04

基金项目：2021年教育部产学合作协同育人项目（202102269008）；扬州大学广陵学院大学生创新创业训练项目（YJ202238）