基于PIC32的太陽(yáng)能熱水器恒溫混水裝置

　　一、摘要

　　在太陽(yáng)能熱水器流出的熱水，與自來(lái)水管流出的冷水混合流出過(guò)程中，由于普通機(jī)械式混水閥具有物理缺陷，導(dǎo)致最終的水溫不易調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后不能穩(wěn)定，中斷后又要重新調(diào)節(jié)。本項(xiàng)目針對(duì)這一問(wèn)題，希望通過(guò)PIC32單片機(jī)，設(shè)計(jì)出能自動(dòng)調(diào)節(jié)，穩(wěn)定出水，水溫恒定的數(shù)字混水閥，讓太陽(yáng)能熱水器的使用更加便利舒適，同時(shí)還能減少水資源的浪費(fèi)。本項(xiàng)目具有很高的應(yīng)用價(jià)值與不錯(cuò)的市場(chǎng)潛力。

　　二、項(xiàng)目的立項(xiàng)依據(jù)

　　當(dāng)前，在國(guó)家大力發(fā)展新能源的大環(huán)境下，水能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等的開(kāi)發(fā)利用得到了格外的重視。在這些領(lǐng)域中，太陽(yáng)能熱水器則是太陽(yáng)能成果應(yīng)用中的一大產(chǎn)業(yè)，它以環(huán)保、安全、節(jié)能、衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)，迅速贏得了廣大消費(fèi)者的青睞。

　　2008年3月18日發(fā)布的《可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》明確提出，到2010年，太陽(yáng)能熱水器累計(jì)安裝量達(dá)到1.5億平方米。此外，在新農(nóng)村建設(shè)中，不少地方都給予了不同程度的補(bǔ)貼，每臺(tái)太陽(yáng)能熱水器多則補(bǔ)貼千元，少則一二百元。由此可以看出太陽(yáng)能熱水器未來(lái)的發(fā)展前景是非常好的。

　　自2001年到2006年太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)業(yè)取得快速發(fā)展至今，太陽(yáng)能熱水器的銷量每年都能略有增長(zhǎng)或保持穩(wěn)定。這期間，它的不少缺點(diǎn)也在持續(xù)的改進(jìn)中。

　　在太陽(yáng)能熱水器的諸多部件中，有一個(gè)是用戶們最經(jīng)常接觸的，那就是混水閥——在洗浴過(guò)程中使用的閥門(mén)。它的一些缺陷也是用戶們最能直接體會(huì)到的：

　　一、普通機(jī)械混水閥非常的難以調(diào)解：用手進(jìn)行的一個(gè)幅度很小的扭動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致很大的水溫變化。

　　二、水溫的確定依靠人的感覺(jué)：這方面的主要問(wèn)題在于用戶調(diào)節(jié)閥門(mén)后還要等很長(zhǎng)一段時(shí)間才能確定真正的水溫，因?yàn)檎{(diào)節(jié)后的水從混水點(diǎn)流至噴頭處還有不短的距離。如果不合適還要再進(jìn)行調(diào)整，不僅耗費(fèi)時(shí)間，還很浪費(fèi)水資源。

　　三、用戶如果中斷洗浴(例如需要涂抹浴液時(shí))則需要關(guān)閉閥門(mén)，繼續(xù)洗浴則要再次進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣一來(lái)，有不少用戶為了減少不便，甚至在不使用水的過(guò)程中也不關(guān)閉閥門(mén)，極大地浪費(fèi)了水資源。

　　四、目前的太陽(yáng)能熱水器，大多為落水式，即熱水管中的水壓完全由水在熱水器安置高度與用戶所在高度之間形成壓力提供。這樣的水壓提供方式往往不穩(wěn)定，并且如果樓層高則較小，再加之自來(lái)水管水壓的不穩(wěn)定，導(dǎo)致普通機(jī)械混水閥無(wú)法控制洗浴過(guò)程中水的壓力變化，最終的表現(xiàn)是：出水忽冷忽熱。

　　因此，研發(fā)“太陽(yáng)能熱水器恒溫混水閥”的十分必要。這項(xiàng)成果，不僅具有廣闊的市場(chǎng)前景，同時(shí)也能節(jié)約水資源。

　　當(dāng)前，雖然也有一些公司推出了“恒溫混水閥”，但多數(shù)都是使用熱應(yīng)變能力強(qiáng)的金屬做彈簧或杠桿驅(qū)動(dòng)閥門(mén)變化，這樣的改進(jìn)雖取得一些進(jìn)步，但仍然保留著機(jī)械式閥門(mén)的一些缺點(diǎn)，例如：不能實(shí)現(xiàn)精確地溫度控制，仍然需要用戶等待來(lái)測(cè)試水溫，并且對(duì)于水壓的調(diào)節(jié)能力也有限(體現(xiàn)在溫度調(diào)節(jié)范圍有限)。當(dāng)前，也有一些數(shù)字類產(chǎn)品克服了這些缺點(diǎn)，但集成度往往很高，通常與太陽(yáng)能熱水器搭配銷售。僅僅有幾款數(shù)字混水閥可以單獨(dú)銷售，但技術(shù)手段過(guò)于復(fù)雜，設(shè)備過(guò)于龐大(例如加裝水箱充當(dāng)削減水壓影響的緩沖裝置)，導(dǎo)致銷售價(jià)格卻出奇的高，難以被市場(chǎng)普遍接受，銷路很差。

　　所以，如果可以開(kāi)發(fā)出成本相對(duì)較低而性能優(yōu)良的數(shù)字恒溫混水閥，必定有廣泛的市場(chǎng)前景與應(yīng)用價(jià)值。

　　第二部分：簡(jiǎn)要項(xiàng)目陳述

　　一、項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容

　　1、出水溫度測(cè)量

　　理想情況下希望電磁閥開(kāi)度的變化能實(shí)時(shí)體現(xiàn)在混水點(diǎn)處溫度的變化上。所以，電磁閥與溫度傳感器都要放置在距離混水點(diǎn)盡可能近的位置上。但是，若溫度傳感器與混水點(diǎn)距離過(guò)近，可能會(huì)測(cè)到在冷熱水混合不充分時(shí)的水溫。因此，二者間必須要有一定的距離，使水充分混合，這樣一來(lái)，傳感器只能測(cè)到真正流過(guò)電磁閥一段距離后的水溫，不能達(dá)到理想狀態(tài)。雖然中間距離比普通機(jī)械式混水閥小很多，但若要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的反饋調(diào)節(jié)，這之間的誤差要盡可能減小。

　　2、閥門(mén)控制算法

　　通過(guò)DS18B20溫度傳感器可以獲得精度相對(duì)很高的溫度測(cè)量結(jié)果，并且直接以數(shù)字形式串行發(fā)送給PIC32單片機(jī)。單片機(jī)經(jīng)過(guò)計(jì)算后，可以根據(jù)當(dāng)前用戶設(shè)定的水溫值來(lái)決定冷水閥和熱水閥開(kāi)度變化的時(shí)刻，直至兩個(gè)閥門(mén)的開(kāi)度調(diào)節(jié)到合適位置，流出噴頭的水溫恒定在設(shè)定值。

　　此外，若要使最終的出水量和水溫穩(wěn)定，必須要考慮的一個(gè)重要影響是水壓?，F(xiàn)在的太陽(yáng)能熱水器普遍采用落水式安裝方法，水壓往往不穩(wěn)定，同時(shí)，如果用戶所住樓層較高，則熱水管自身的水壓太小，再加之自來(lái)水水壓不時(shí)的變化，最終導(dǎo)致了噴頭出水水溫的忽冷忽熱，忽大忽小，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致熱水管道中水的回流。

　　3、閥門(mén)開(kāi)度控制

　　調(diào)節(jié)出水量最直接的方法是通過(guò)控制閥門(mén)開(kāi)度。本項(xiàng)目的混水裝置中涉及到兩個(gè)閥門(mén)的控制問(wèn)題，進(jìn)行流量調(diào)節(jié)時(shí)，不僅要能實(shí)現(xiàn)流量穩(wěn)定在設(shè)定值，更重要的是使出水溫度也穩(wěn)定在設(shè)定值。

　　4、整合項(xiàng)目，使測(cè)量單元，數(shù)據(jù)處理單元，控制單元能恰當(dāng)配合。最后進(jìn)行測(cè)試調(diào)整，達(dá)成預(yù)期的研究目標(biāo)。　　二、項(xiàng)目的研究目標(biāo)

　　1、利用PIC32設(shè)計(jì)出合適的計(jì)算方法，要使處理后的溫度數(shù)據(jù)能盡量減小由于混水點(diǎn)和溫度傳感器的距離而造成的測(cè)量延遲。

　　2、設(shè)計(jì)出合適的單片機(jī)程序，使其在溫度低于設(shè)定值的時(shí)候增大熱水管電磁閥的開(kāi)度或減小涼水管電磁閥的開(kāi)度;反之，在溫度高于設(shè)定值的時(shí)候增大涼水管電磁閥的開(kāi)度或減小熱水管電磁閥的開(kāi)度。

　　3、在達(dá)成上述條件的同時(shí)，不能對(duì)噴頭最終的出水量造成影響，使系統(tǒng)在調(diào)節(jié)溫度的同時(shí)，保持水流量的穩(wěn)定。例如，不能出現(xiàn)下述情況：因水溫過(guò)熱，熱水管電磁閥開(kāi)度減小，而涼水管電磁閥開(kāi)度不變，最終使溫度調(diào)整到設(shè)定值，但出水量卻減小。

　　4、通過(guò)間接方法，消減水壓對(duì)于水溫和流量控制的影響。

　　三、有關(guān)方法

　　1、裝置的測(cè)量部分有：溫度測(cè)量部分和流量測(cè)量部分。溫度測(cè)量部分為DS18B20溫度傳感器，放置在混水口之后，冷熱水已經(jīng)充分混合均勻的位置處，測(cè)量水溫。此傳感器精度較高，并可直接將溫度數(shù)據(jù)串行發(fā)送至PIC32，數(shù)據(jù)處理起來(lái)非常方便。流量測(cè)量部分為葉輪式流量計(jì)，放置在溫度傳感器之后。它可將水的流量情況直接以脈沖信號(hào)傳送給單片機(jī)，根據(jù)簡(jiǎn)單的公式計(jì)算后即可得到實(shí)際的液體流量。通過(guò)測(cè)定流量：其一，引入了一個(gè)已知數(shù)據(jù)量，可以使兩個(gè)電磁閥在調(diào)節(jié)水溫的同時(shí)，進(jìn)行流量的調(diào)節(jié)，使二者全部穩(wěn)定在設(shè)定值;其二，水壓的影響在一定程度上體現(xiàn)在對(duì)水流量的影響上，通過(guò)測(cè)定液體流量，可以間接地消減水壓變化對(duì)裝置的影響。

　　1、裝置的測(cè)量部分有：溫度測(cè)量部分和流量測(cè)量部分。溫度測(cè)量部分為DS18B20溫度傳感器，放置在混水口之后，冷熱水已經(jīng)充分混合均勻的位置處，測(cè)量水溫。此傳感器精度較高，并可直接將溫度數(shù)據(jù)串行發(fā)送至PIC32，數(shù)據(jù)處理起來(lái)非常方便。流量測(cè)量部分為葉輪式流量計(jì)，放置在溫度傳感器之后。它可將水的流量情況直接以脈沖信號(hào)傳送給單片機(jī)，根據(jù)簡(jiǎn)單的公式計(jì)算后即可得到實(shí)際的液體流量。通過(guò)測(cè)定流量：其一，引入了一個(gè)已知數(shù)據(jù)量，可以使兩個(gè)電磁閥在調(diào)節(jié)水溫的同時(shí)，進(jìn)行流量的調(diào)節(jié)，使二者全部穩(wěn)定在設(shè)定值;其二，水壓的影響在一定程度上體現(xiàn)在對(duì)水流量的影響上，通過(guò)測(cè)定液體流量，可以間接地消減水壓變化對(duì)裝置的影響。

　　2、裝置的輸出部分為分別安置在冷水管道中和熱水管道中的兩個(gè)電磁閥。對(duì)于閥門(mén)的調(diào)整，為雙輸入(水溫，水流量)雙輸出(兩個(gè)電磁閥的開(kāi)度)，較為復(fù)雜，可使用一下思路進(jìn)行：

　　A、若水溫過(guò)高，則增大冷水閥開(kāi)度，直至溫度降到預(yù)設(shè)值。之后按照實(shí)際水流量與設(shè)定流量的比值同時(shí)減小冷熱水閥的開(kāi)度，直至流量達(dá)到預(yù)設(shè)值。如果在調(diào)整流量過(guò)程中水溫發(fā)生變化，則返回前一環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至穩(wěn)定。

　　B、若水溫過(guò)低，則以與A過(guò)程相反的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　C、若水流量過(guò)大，則按照實(shí)際水流量與設(shè)定流量的比值同時(shí)減小冷熱水閥的開(kāi)度，直至流量達(dá)到預(yù)設(shè)值。這時(shí)再以過(guò)程A或B進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至穩(wěn)定。

　　D、若水流量過(guò)高，則以與C過(guò)程相反的方式進(jìn)行。

　　這樣，可以在溫度調(diào)節(jié)好的基礎(chǔ)上，同時(shí)保持流量的恒定。

　　3、裝置的顯示部分采用七段數(shù)碼管。分別顯示當(dāng)前的水溫、水溫預(yù)設(shè)值以及流量預(yù)設(shè)值。用戶可以通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)值。這樣一來(lái)能使用戶直觀的了解當(dāng)前太陽(yáng)能熱水器的指標(biāo)，非常人性化。

　　4、水壓影響是整個(gè)系統(tǒng)中最難處理的一部分。水壓對(duì)于水溫和流量的影響都是不小的，對(duì)于這一部分，現(xiàn)在的構(gòu)想有兩步可以對(duì)其進(jìn)行削弱：

　　A、流量傳感器：水壓的影響在一定程度上體現(xiàn)在對(duì)水流量的影響上，通過(guò)測(cè)定液體流量，可以間接地消減水壓變化對(duì)裝置的影響。

　　B、電磁閥采用單向電磁閥，抑制由于一方水壓過(guò)大而造成的回流情況。

　　六、預(yù)期成品結(jié)構(gòu)

　　1、最上部分為兩根管道，熱水管接太陽(yáng)能熱水器，冷水管接自來(lái)水管。

　　2、兩根管道分別安置一個(gè)單向電磁閥。

　　3、箱體內(nèi)部，按水流過(guò)的順序，封裝有DS18B20溫度傳感器，葉輪式流量計(jì)。

　　4、箱體內(nèi)部同時(shí)還封裝有PIC32，獨(dú)立按鍵以及其它必要的電子器件。

　　5、經(jīng)過(guò)混水后，從出水管道流出。