基于單片機的自適應電開(kāi)水機設計

摘要：本電開(kāi)水機采用自適應的方式，模擬人工總結用戶(hù)的用水規律，合理確定燒水時(shí)間與燒水量，在非用水時(shí)間段停止加熱，解決了混合水和干滾水的問(wèn)題，較好的達到了健康與節能的雙重效果。
關(guān)鍵詞：自適應；電路設計；電開(kāi)水機；單片機

0 引言
電開(kāi)水機具有清潔、高效、安裝簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，因此被廣泛應用在學(xué)校、工廠(chǎng)、機關(guān)、賓館等場(chǎng)所，為人們飲水提供了便利。目前市售的電開(kāi)水機，通常由儲水箱、加熱器、進(jìn)水閥等部件組成，結構簡(jiǎn)單，功能單一。使用這些電開(kāi)水機可能存在兩個(gè)嚴重的后果，一是存在陰陽(yáng)水(生水與開(kāi)水混合后的水)，二是存在干滾水(反復燒開(kāi)的水)。陰陽(yáng)水的問(wèn)題在大多數開(kāi)水機中通過(guò)一些特殊的分離結構已經(jīng)得到解決，但干滾水問(wèn)題目前尚無(wú)較好的解決辦法。
飲水機長(cháng)時(shí)間開(kāi)機，特別是在不用水的待機時(shí)間段，會(huì )反復地給熱膽中的水加熱，形成“干滾水”。同時(shí)，目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的大都是有膽飲水機，靠著(zhù)熱膽對水進(jìn)行加熱，而熱膽的材質(zhì)又多為不銹鋼或鋁殼，如果反復加熱，水中的鐵、鋁、銨等亞硝酸鹽含量會(huì )明顯升高，進(jìn)而增加了“干滾水”中有害物質(zhì)的濃度。實(shí)驗表明，“干滾水”的化學(xué)成分已經(jīng)發(fā)生了很大變化，滋生出重金屬等有害物質(zhì)，長(cháng)期飲用會(huì )影響人的腸胃功能。

1 系統概述
本文設計的開(kāi)水機在非用水階段如夜晚時(shí)間，開(kāi)水機停止加熱，到早晨上班前，開(kāi)水機自動(dòng)排干水箱中剩余水，加入新水重新加熱，直到燒開(kāi)。白天工作時(shí)間，能夠根據每個(gè)用戶(hù)的用水情況，調整各個(gè)時(shí)間段的燒水量，達到健康與節能雙重效果。由于每個(gè)用戶(hù)每個(gè)時(shí)間段的用水情況不盡相同，但通常存在一定的規律性，所以本文設計的電開(kāi)水系統采用自適應方式，模擬人工總結用戶(hù)用水規律，確定燒水時(shí)間和燒水量，達到了較好的健康與節能效果。

2 機械結構
圖1電開(kāi)水機機械結構圖，為徹底解決陰陽(yáng)水的問(wèn)題，本裝置采用了兩個(gè)儲水箱和加熱管，儲水箱1用于燒水，儲水箱2用于保存開(kāi)水，加熱管2用于保溫作用。進(jìn)水閥開(kāi)啟可以將自來(lái)水放入儲水箱1，當儲水箱1水燒開(kāi)后，通過(guò)連接閥將水注入儲水箱2，出水閥用于向用戶(hù)供水，排水閥用于將儲水箱2中的剩水排盡。

3 硬件電路設計
圖2硬件電路結構圖，硬件電路以微控制器為核心，包括兩個(gè)水位傳感器、兩個(gè)加熱管、一個(gè)進(jìn)水閥、一個(gè)連接閥、一個(gè)排水閥和一個(gè)出水閥，還有一個(gè)直流電源、一個(gè)人機交換裝置和一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。水位傳感器采用高溫投入式液位傳感器，如果為了降低成本，可以自制分級的液位開(kāi)關(guān)替代，進(jìn)水和排水閥用高溫電磁閥，顯示屏使用帶漢字庫的12864型液晶屏，如果考慮成本，還可使用數碼管或簡(jiǎn)易液晶屏。
實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用SD2058芯片，該芯片是一種具有標準IIC接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，CPU可使用該接口通過(guò)6位地址尋址來(lái)讀寫(xiě)片內64字節寄存器的數據。SD2058內置單路定時(shí)／報警中斷輸出，報警中斷時(shí)間最長(cháng)可設至100年；內置時(shí)鐘精度數字調整功能，可以在很寬的范圍內校正時(shí)鐘的偏差(-189ppm～+189ppm，分辨率3．05ppm)，并且通過(guò)外置的溫度傳感器可設定適應溫度變化的調整值，實(shí)現在寬溫范圍內高精度的計時(shí)功能；該芯片還具有獨立的32768Hz方波脈沖輸出腳。
在本系統中，微控制器的主要任務(wù)是記錄各個(gè)單位時(shí)間的用水量，并總結用水規律，確定下階段燒水量和燒水時(shí)間，因此在選型時(shí)主要考慮微控制器的存儲器空間。本系統選用宏晶科技有限公司最新產(chǎn)品STC12C5A16S2，該芯片具有16k Flash程序存儲器，1280字節SRAM，45k的EEPROM，有8路10位A／D轉換器，LQFP44封裝，只需人民幣5元。

4 軟件設計
微控制器每十分鐘記錄一次用水量，每天需要144個(gè)字節存儲用水量，STC12C5A16S2單片機具有45k的EEPROM，約可記錄3個(gè)月每個(gè)時(shí)間段的用水量。
系統首次運行時(shí)，始終保持儲水箱2內有充足的開(kāi)水。當運行至第二天時(shí)，控制系統首先根據前一天的用水情況，初步確定當日的燒水情況，當系統已運行多日時(shí)，控制琴根據前階段每日的用水曲線(xiàn)，結合前一日的用水情況確定燒水時(shí)間和燒水量。系統嘗試以周為周期總結用水規律。為應對用戶(hù)突然增加時(shí)的用水量，系統儲水保有一定余量，該余量可以自適應生產(chǎn)，也可以人為設定，余量應適中，過(guò)大會(huì )造成開(kāi)水浪費。系統還設計了手動(dòng)強制燒水，用于特殊情況時(shí)的應對，該情況的用水量也計入自適應采樣數據。

5 結語(yǔ)
本系統運行初期可能會(huì )留有較大的用水余量，造成較大的水資源浪費，運行穩定后，浪費將減小到較低限度。本系統在規律性越強的場(chǎng)所使用效果越好，在突變性較大的場(chǎng)所會(huì )有一定的資源浪費，但同樣具有健康與節能的效果。