用于熱源溫度非穩(wěn)定的熱水器智能恒溫閥設(shè)計

張家豪　王利紅

摘 要：現(xiàn)階段，淋浴一般采用手動機械調(diào)溫閥進(jìn)行調(diào)溫，該類調(diào)溫閥在熱水源不穩(wěn)定的環(huán)境中使用時存在調(diào)溫時間長、恒溫難、水資源浪費嚴(yán)重和用戶沐浴體驗較差等問題。該類問題在太陽能熱水器中表現(xiàn)尤為嚴(yán)重。為此，本文設(shè)計了一款基于比例微調(diào)算法的可自動調(diào)溫的家用智能淋浴控溫閥，可實現(xiàn)一鍵恒溫。樣機的調(diào)試結(jié)果顯示，該淋浴智能自動控溫閥具有人機交互性強、調(diào)控響應(yīng)速度快、水溫水量恒定的特點，具有一定的應(yīng)用推廣價值。

關(guān)鍵詞：淋浴混水閥;智能自動控溫閥;智能調(diào)溫

中圖分類號：TU822;TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）32-0046-05

Design?of?Intelligent?Thermostat?Valve?for?Water?Heater?with

Unstable?Heat?Source?Temperature

ZHANG?Jiahao WANG?Lihong

（School?of?Materials?Science?and?Engineering，?Zhengzhou?University?of?Aeronautics，Zhengzhou?Henan?450046）

Abstract：?At?this?stage，?the?shower?is?usually?tempered?by?a manual?mechanical?thermostat.?When?the?temperature?regulating?valve?is?used?in?an?environment?with?unstable?hot?water?source，?there?are?problems?such?as?long?temperature?adjustment?time，?difficulty?in?constant?temperature，?serious?waste?of?water?resources，?and?poor?user?bathing?experience.?This?type?of?problem?is?particularly?severe?in?solar?water?heaters.?To?this?end，?this?paper?designed?a?home?smart?shower?temperature?control?valve?based?on?proportional?fine-tuning?algorithm?that?could?automatically?adjust?temperature，?which?could?achieve?one-button?constant?temperature.?The?debugging?results?of?the?prototype?show?that?the?shower?intelligent?automatic?temperature?control?valve?has?the?characteristics?of?strong?human-computer?interaction，?fast?response?response，?constant?water?temperature?and?water?volume，?and?has?certain?application?promotion?value.

Keywords：?shower?mixing?valve;intelligent?automatic?temperature?control?valve;intelligent?temperature?control

現(xiàn)階段，太陽能熱水器的調(diào)溫方式主要為手動調(diào)節(jié)，熱源溫度因太陽光照時長不同而不同，出水口的水溫受進(jìn)水量和熱源溫度波動的影響而不斷變化。用戶在使用時需要不斷調(diào)節(jié)來保證較為恒定的水溫，這不僅浪費了大量的水資源，還帶來不良的沐浴體驗，甚至存在燙傷的風(fēng)險。針對市場上目前廣泛使用的太陽能熱水器混水閥存在的問題，采用現(xiàn)代智能控制技術(shù)對原有手動機械閥進(jìn)行改造，實現(xiàn)自動恒溫出水是非常必要的。

1 恒溫閥國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有的恒溫閥主要有三種[1-3]。一是手動機械式混水閥，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，但每次調(diào)溫全憑用戶感覺，需要不斷嘗試。二是檔位調(diào)溫閥，其原理決定了只有當(dāng)熱水入水口與涼水入水口水溫為某一固定值且水壓恒定時，其溫度刻度才有意義，否則依然需要用戶憑感覺去調(diào)節(jié)溫度，依舊解決不了太陽能熱水器等熱水源水溫不穩(wěn)定場所水溫難調(diào)的問題。三是明裝電子恒溫閥，該閥可初步滿足大多數(shù)用戶的需求，但其價格過高，很多用戶望而卻步。

通過對國內(nèi)外恒溫閥現(xiàn)狀的分析可知，智能化家居是未來社會發(fā)展的趨勢，但由于價格過高或技術(shù)不很成熟等原因，現(xiàn)階段市場上絕大多數(shù)使用的依舊是手動機械式混水閥，在熱水源水溫不穩(wěn)定的情況下，該類閥門需要用戶在沐浴過程中不斷手動調(diào)溫，使得用戶沐浴感受差并造成水資源的浪費。因此，采用現(xiàn)代技術(shù)實現(xiàn)閥門的自動恒溫是非常必要的。

針對現(xiàn)有的調(diào)溫方式，結(jié)合實際的生活需求，本文設(shè)計了用于熱源溫度非穩(wěn)定的熱水器智能恒溫閥。設(shè)計以成本低廉、調(diào)溫響應(yīng)速度快和調(diào)溫精度高為原則。

2 控溫原理設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

溫度傳感器讀取熱水入口、冷水入口以及出水口溫度數(shù)據(jù)，并傳給主控模塊，主控模塊通過解析數(shù)據(jù)，先比較此時出水口水溫與設(shè)定溫度值的誤差范圍，進(jìn)行比例式調(diào)節(jié)或進(jìn)行微調(diào)[4-6]。經(jīng)過相關(guān)算法產(chǎn)生特定占空比的PWM波，驅(qū)動舵機，調(diào)節(jié)混水閥處熱水入水口與冷水入水口的開啟比例，使得不同體積的熱水與冷水同時進(jìn)入混水閥混合后得到設(shè)定的出水溫度。另外，利用閥口調(diào)節(jié)水溫時進(jìn)行按鍵掃描操作，監(jiān)測是否按下按鍵進(jìn)行水溫設(shè)定;液晶屏也顯示相應(yīng)的提示信息，如熱水溫度、涼水溫度及出水口溫度等。

2.2 調(diào)溫原理

設(shè)熱水溫度為[Tr]，涼水溫度為[Tl]，出水口溫度為[Tw]，熱水熱量為[Qr]，涼水熱量為[Ql]，出水口溫水熱量為[Qw]，單位時間內(nèi)流出的熱水質(zhì)量為[mr]，涼水質(zhì)量為[ml]，則溫水質(zhì)量為[mr+ml]，單位時間內(nèi)流出的熱水體積為[Vr]，涼水體積為[Vl]，熱水?dāng)嗨娣e為[Ar]，涼水?dāng)嗨娣e為[Al]。熱力學(xué)公式為：

（1）

式中，[Q]為熱量;[c]為比熱容;[m]為質(zhì)量;[ΔT]為溫度差。

由式（1）和能量守恒定理可知，出水口溫水熱量[Qw]、熱水熱量[Qr]和涼水熱量[Ql]滿足以下條件：

（2）

式（2）可以改寫為：

（3）

由此可得：

（4）

當(dāng)設(shè)備剛工作時，冷水溫度傳感器和熱水溫度傳感器將對應(yīng)冷水管和熱水管水溫[Tr]、[Tl]采集出來并傳回主控芯片，主控芯片根據(jù)內(nèi)部程序?qū)錈崴疁囟群驮O(shè)定溫度[T]進(jìn)行比較，此時使[T]=[Tw]，并用基于以上公式的算法進(jìn)行計算，得到混成設(shè)定溫度溫水所需要冷熱水的最優(yōu)質(zhì)量比。因為[Tw]、[Tl]和[Tr]都為已知值，所以質(zhì)量比[mrml]也就已知。同理，當(dāng)[Tr]和[Tl]不變時，改變其質(zhì)量比即可改變[Tw];當(dāng)[Tr]或[Tl]發(fā)生改變時，改變質(zhì)量比[mrml]即可使[Tw]穩(wěn)定不變。因為冷熱水密度差可忽略不計，所以由[m=ρV]可知，質(zhì)量比[mrml]即為體積比[VrVl]。因為單位時間內(nèi)出水體積等于流水速度乘以斷水面積，經(jīng)穩(wěn)壓后的冷熱進(jìn)水口流水速度可認(rèn)為相等，所以[VrVl]=[ArAl]，即通過控制其斷水面積之比來調(diào)節(jié)水溫。

3 閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 閥座的設(shè)計

由小節(jié)2可知，該設(shè)計通過控制冷熱閥口斷水面積之比來調(diào)節(jié)水溫。為達(dá)到通過閥體轉(zhuǎn)動來改變冷熱閥口斷水面積之比且轉(zhuǎn)動角度與面積之比呈線性變化的目的，固熱水管和冷水管的閥口斷水面設(shè)計為半圓環(huán)形，其兩邊邊緣也為圓弧形;混合水管斷水面為橢圓形;三個斷水面位于同一平面內(nèi)，且呈三角分布在閥腔底面，冷熱水管斷水面積小于混合水?dāng)嗨娣e，整個閥腔沿中軸線對稱分布;三個斷水面通過扇狀水道與冷水管、熱水管和混合水管相連，如圖1所示。

3.2 閥體的設(shè)計

閥體結(jié)構(gòu)如圖2所示，為“T”型結(jié)構(gòu)，閥體上半部分為外齒輪結(jié)構(gòu)，接齒輪傳動;閥體下半部分底面采用扇形凹槽結(jié)構(gòu)，為混水區(qū)，扇區(qū)圓弧度與冷熱水管斷水面弧度相等，以便更好貼合。混水原理如圖3所示，通過旋轉(zhuǎn)閥門，閥體混水區(qū)與閥座的進(jìn)出水口配合有三種狀態(tài)：圖3（b）為熱水進(jìn)水量和冷水進(jìn)水量相等的位置;當(dāng)閥體順時針旋轉(zhuǎn)一定角度時[見圖3（a）]，熱水進(jìn)水量變大而冷水進(jìn)水量變小;當(dāng)閥體逆時針旋轉(zhuǎn)時[見圖3（c）]，冷水進(jìn)水量變大而熱水進(jìn)水量變小，從而達(dá)到調(diào)節(jié)水溫的目的?；旌虾蟮臏厮ㄟ^出口3流出。

3.3 傳動的設(shè)計

該智能恒溫閥采用伺服電機為原動件，通過齒輪驅(qū)動閥體回轉(zhuǎn)。設(shè)計閥體轉(zhuǎn)動60°，即可完成冷熱閥口過水?dāng)嗝娣e之比從0∶100到100∶0的變化，因此閥體每轉(zhuǎn)動0.6°，冷水?dāng)嗝鏈p少（增加）1%，同時熱水?dāng)嗝嬖黾樱p少）1%。設(shè)計舵機轉(zhuǎn)動145°，控制閥體轉(zhuǎn)動60°，固主動齒輪與從動齒輪齒數(shù)比設(shè)為20∶45。閥的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

本裝置選用了STM32F103C8T6作為控制器;為了獲取溫度信息，配備3個DS18B20溫度傳感器;為了增強人機交互性，配備LCD12864液晶顯示器;為了方便設(shè)定溫度，配備了按鍵模塊;最后配合1個舵機和電源構(gòu)成了整個控制系統(tǒng)[7，8]。

當(dāng)系統(tǒng)上電后先進(jìn)行一系列初始化，然后溫度傳感器將三處水溫的溫度值傳回主控芯片，主控芯片對比其與按鍵設(shè)定的溫度值，通過相關(guān)算法計算出舵機應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度，生成相應(yīng)PWM驅(qū)動舵機轉(zhuǎn)至指定位置。其控制系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。

4.2 溫度采集模塊設(shè)計

考慮到控制要求、尺寸大小和成本造價，本模塊采用三路DS18B20溫度傳感器，分別監(jiān)測熱水、涼水以及混合后的溫水溫度。安裝位置如圖4所示。

4.3 液晶顯示電路設(shè)計

為增強該設(shè)備的人機交互性，本設(shè)計采用LCD12864液晶來顯示系統(tǒng)狀態(tài)和溫度信息，使得該設(shè)備操作起來更加直觀方便，更加人性化。

4.4 按鍵模塊電路設(shè)計

為方便設(shè)定溫度，按鍵模塊使用4個按鍵開關(guān)，分別賦予按鍵S1、S2、S3和S4溫度+、溫度-、確定和復(fù)位四個功能。按下“溫度+”，液晶屏顯示的設(shè)定溫度加一;按下“溫度-”，液晶屏顯示的設(shè)定溫度減一;按下“確定”，相關(guān)程序啟動，根據(jù)相關(guān)算法，達(dá)到出水溫度等于設(shè)定溫度的目的;按下“復(fù)位”，舵機至中位（維修時使用）。該模塊與液晶顯示模塊相結(jié)合，起到人機交互的作用，使得該設(shè)備更加人性化。

4.5 系統(tǒng)總電路設(shè)計

綜上所述，用STM32F103C8T6作為控制器，溫度傳感器型號選用DS18B20，液晶顯示器選用LCD12864，LD-2701舵機作為執(zhí)行部件。此系統(tǒng)電路原理如圖6所示。

5 結(jié)論

該智能淋浴控溫閥操作方便快捷，給定用戶3個按鍵，通過“溫度+”“溫度-”兩個按鍵可自由更改預(yù)設(shè)溫度值，按下“確認(rèn)”鍵，即可根據(jù)預(yù)設(shè)溫度值啟動相關(guān)程序恒溫出水。同時，其溫度信息實現(xiàn)可視化，配有LCD液晶顯示屏，進(jìn)出水溫度以及設(shè)定溫度可以清楚地展現(xiàn)在用戶眼前，而且調(diào)溫快速精準(zhǔn)。

樣機調(diào)試結(jié)果顯示，按鍵按動，相應(yīng)功能即被觸發(fā)，其反應(yīng)較為靈敏。當(dāng)設(shè)定好所需要的溫度值后，打開出水閥門，系統(tǒng)針對溫度數(shù)據(jù)迅速做出反應(yīng)，很短時間（目前樣機實測4s左右）內(nèi)出水溫度與設(shè)定溫度值大致相一致（誤差±2℃）。當(dāng)設(shè)定溫度，入水口溫度發(fā)生改變（測試采用溫度變化幅度為12℃）時，閥門調(diào)節(jié)系統(tǒng)迅速響應(yīng)，在相關(guān)算法的驅(qū)動下，出水口水溫在2s后恢復(fù)入水口溫度變化前的水平。

創(chuàng)新點主要有二。一是控溫算法創(chuàng)新，采用閉環(huán)反饋式實時調(diào)節(jié)，基于比例與微調(diào)算法控制舵機，響應(yīng)速度快，控溫精度高;二是技術(shù)原理創(chuàng)新，使用舵機驅(qū)動閥芯轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)水溫微調(diào)。該智能恒溫閥可以自動調(diào)溫、恒溫，能夠與太陽能熱水器、電熱水器等絕大多數(shù)品牌的熱水器結(jié)合使用，有較強的適應(yīng)性，易于市場推廣和應(yīng)用。

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