一種基于單片機(jī)的熱水降溫盒研究設(shè)計(jì)*

吳興江，鄧 濤

（瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州 646000）

0 前言

自然環(huán)境下，一杯開(kāi)水冷卻至室溫需20 min左右，夏季則時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，對(duì)需要馬上飲用溫開(kāi)水或者涼開(kāi)水的人來(lái)說(shuō)，這一等待時(shí)間非常漫長(zhǎng)。目前，市面上的家用開(kāi)水降溫裝置非常少，只有少數(shù)幾種依靠材料降溫的保溫杯，它們能夠讓水快速降至55℃，但再次使用需要冷卻半小時(shí)。

在熱水降溫裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究方面，能查閱到一些相關(guān)專利，比較典型的結(jié)構(gòu)有以下幾種：1）尹帥設(shè)計(jì)了一種便捷冷水器[1]，在水杯口加裝設(shè)置有風(fēng)扇和排氣口的蓋體，通過(guò)風(fēng)扇使開(kāi)水冷卻，但冷卻速度慢。2）胡彥夫等人設(shè)計(jì)了一種飲用熱水降溫器[2]，設(shè)置涼水降溫和吹風(fēng)降溫兩個(gè)區(qū)域，通過(guò)熱水和石英螺旋管外的涼水熱交換以及吹風(fēng)降溫實(shí)現(xiàn)熱水降溫，但石英螺旋管外的涼水因熱交換變熱后后續(xù)冷卻效果變差，且出水溫度不能準(zhǔn)確控制。3）王偉健等人設(shè)計(jì)了一種熱水降溫裝置[3]，在水桶的外壁和內(nèi)壁之間設(shè)置冷卻腔，通過(guò)扇葉組合使冷卻腔中的熱空氣和外界冷空氣交換，達(dá)到加速開(kāi)水冷卻的目的且可以準(zhǔn)確控制熱水降溫至所需溫度，但冷卻腔和開(kāi)水接觸面積小，冷卻速度慢。為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的熱水降溫盒，采用物理風(fēng)冷的形式使熱水迅速循環(huán)降溫，且可以準(zhǔn)確控制出水溫度，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1 熱水降溫盒的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常用的散熱方式可分為風(fēng)冷、液冷、使用特殊材料冷卻和熱管冷卻四種[4]。當(dāng)液體作為傳熱介質(zhì)時(shí)，可按照液體與待散熱物體的接觸方式，分為直接接觸類和間接接觸類，但液體傳熱介質(zhì)再次使用時(shí)散熱性能會(huì)下降。使用特殊材料冷卻時(shí)，當(dāng)待散熱物體溫度增加到相變材料的相變溫度時(shí)，材料吸收待散熱物體表面的溫度，達(dá)到降溫效果。熱管作為高效的導(dǎo)熱元件，能夠快速且高效地將熱量從高產(chǎn)熱區(qū)域轉(zhuǎn)移至低產(chǎn)熱區(qū)域，但相變材料和金屬熱管的冷卻方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制困難。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)因?yàn)橄鄬?duì)于其他冷卻方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，且具有有害氣體可以及時(shí)排出等優(yōu)點(diǎn)，使其獲得的應(yīng)用范圍更廣?；诖?，本研究設(shè)計(jì)的熱水降溫盒總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由暫存室、散熱管、儲(chǔ)水室、回流管、水泵、小風(fēng)扇、控制裝置等部分組成。

圖1 熱水降溫盒總體結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

使用時(shí)，旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)機(jī)按鈕（18）開(kāi)機(jī)，用戶通過(guò)溫度加減按鍵（15）（16）預(yù)先設(shè)定出水溫度。熱水經(jīng)注水口（3）進(jìn)入暫存室（2）后，在重力作用下流過(guò)散熱管（5），進(jìn)氣風(fēng)扇（13）和排氣風(fēng)扇（6）產(chǎn)生的氣流會(huì)使熱水迅速降溫。當(dāng)溫度傳感器（12）檢測(cè)到當(dāng)前水溫高于設(shè)定溫度，且水位傳感器（9）檢測(cè)到儲(chǔ)水室（8）中有水時(shí)，水泵（11）啟動(dòng)，將水從儲(chǔ)水室（8）抽回暫存室（2），水在重力作用下再次流經(jīng)散熱管（5）進(jìn)行再次降溫，如此循環(huán)。直到溫度傳感器（12）檢測(cè)到當(dāng)前水溫等于或低于設(shè)定溫度，水泵（11）關(guān)閉，小風(fēng)扇（6）（13）停止。此時(shí)按下出水按鍵（17），出水閥（10）打開(kāi)，可以將溫水倒入容器中飲用。如圖2所示。

圖2 熱水降溫盒控制裝置面板示意圖

2 熱水降溫盒的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

熱水降溫盒的控制系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為控制核心，主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、LCD顯示模塊、溫度測(cè)量、水位測(cè)量、電機(jī)和水泵模塊等。其中主控模塊主要完成總體控制及運(yùn)算功能，LCD顯示模塊完成系統(tǒng)狀態(tài)的顯示，按鍵電路完成按鍵處理，溫度傳感器和水位傳感器完成溫度和水位測(cè)量，電機(jī)和水泵模塊控制電機(jī)和水泵的啟停，出水閥控制系統(tǒng)出水。熱水降溫盒控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 熱水降溫盒控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

熱水降溫盒控制系統(tǒng)的硬件電路主要包含時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、按鍵電路、報(bào)警電路、電機(jī)及水泵驅(qū)動(dòng)電路、LCD顯示電路，如圖4所示。

圖4 電路原理圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序從上電開(kāi)始，將LCD初始化，調(diào)用溫度設(shè)定函數(shù)設(shè)定出水溫度。如果當(dāng)前水溫小于等于設(shè)定溫度，則調(diào)用出水函數(shù)并在LCD上顯示當(dāng)前狀態(tài)；如果當(dāng)前水溫大于設(shè)定溫度，則調(diào)用降溫函數(shù)并在LCD上顯示當(dāng)前狀態(tài)。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

2.3.2 溫度設(shè)定函數(shù)設(shè)計(jì)

溫度設(shè)定通過(guò)中斷服務(wù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)檢測(cè)到相應(yīng)按鍵按下時(shí)，延時(shí)去抖后溫度設(shè)定值加0.5℃或者減0.5℃。溫度設(shè)定函數(shù)流程圖如圖6所示。

圖6溫度設(shè)定函數(shù)流程圖

2.3.3 出水函數(shù)設(shè)計(jì)

當(dāng)可以出水時(shí)，水泵和風(fēng)扇關(guān)閉，停止降溫，同時(shí)蜂鳴器響，提醒用戶可以出水。按下出水按鍵并延時(shí)去抖，出水閥打開(kāi)，水流出。出水函數(shù)流程圖如圖7所示。

圖7 出水函數(shù)流程圖

2.3.4 降溫函數(shù)設(shè)計(jì)

當(dāng)水位傳感器檢測(cè)到儲(chǔ)水室有水時(shí)，風(fēng)扇和水泵打開(kāi)，開(kāi)始降溫。降溫函數(shù)流程圖如圖8所示。

圖8 降溫函數(shù)流程圖

3 結(jié)論

該熱水降溫盒采用物理風(fēng)冷的形式使熱水迅速循環(huán)降溫，散熱管的面積和彎曲層數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，加快熱水和風(fēng)的接觸面積，從而提高散熱速度。同時(shí)，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的熱水降溫盒控制系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確控制出水溫度，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。