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，由于普通機械式混水閥具有物理缺陷，導致最終的水溫不易調節，調節后不能穩定，中斷后又要重新調節。本項目針對這一問(wèn)題，希望通過(guò)PIC32單片機，設計出能自動(dòng)調節，穩定出水，水溫恒定的數字混水閥，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。本項目具有很高的應用價(jià)值與不錯的市場(chǎng)潛力。

　　二、項目的立項依據

　　當前，在國家大力發(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)能成果應用中的一大產(chǎn)業(yè)，它以環(huán)保、安全、節能、衛生等優(yōu)點(diǎn)，迅速贏(yíng)得了廣大消費者的青睞。

　　2008年3月18日發(fā)布的《可再生能源發(fā)展“十一五”規劃》明確提出，到2010年，太陽(yáng)能熱水器累計安裝量達到1.5億平方米。此外，在新農村建設中，不少地方都給予了不同程度的補貼，每臺太陽(yáng)能熱水器多則補貼千元，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(xiāo)量每年都能略有增長(cháng)或保持穩定。這期間，它的不少缺點(diǎn)也在持續的改進(jìn)中。

　　在太陽(yáng)能熱水器的諸多部件中，有一個(gè)是用戶(hù)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(hù)們最能直接體會(huì )到的：

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

　　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(hù)調節閥門(mén)后還要等很長(cháng)一段時(shí)間才能確定真正的水溫，因為調節后的水從混水點(diǎn)流至噴頭處還有不短的距離。如果不合適還要再進(jìn)行調整，不僅耗費時(shí)間，還很浪費水資源。

　　三、用戶(hù)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)，繼續洗浴則要再次進(jìn)行調節。這樣一來(lái)，有不少用戶(hù)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(hù)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定，并且如果樓層高則較小，再加之自來(lái)水管水壓的不穩定，導致普通機械混水閥無(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。這項成果，不僅具有廣闊的市場(chǎng)前景，同時(shí)也能節約水資源。

　　當前，雖然也有一些公司推出了“恒溫混水閥”，但多數都是使用熱應變能力強的金屬做彈簧或杠桿驅動(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(zhù)機械式閥門(mén)的一些缺點(diǎn)，例如：不能實(shí)現精確地溫度控制，仍然需要用戶(hù)等待來(lái)測試水溫，并且對于水壓的調節能力也有限(體現在溫度調節范圍有限)。當前，也有一些數字類(lèi)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(xiāo)售。僅僅有幾款數字混水閥可以單獨銷(xiāo)售，但技術(shù)手段過(guò)于復雜，設備過(guò)于龐大(例如加裝水箱充當削減水壓影響的緩沖裝置)，導致銷(xiāo)售價(jià)格卻出奇的高，難以被市場(chǎng)普遍接受，銷(xiāo)路很差。

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

　　第二部分：簡(jiǎn)要項目陳述

　　一、項目的研究?jì)热?/p>

　　1、出水溫度測量

　　理想情況下希望電磁閥開(kāi)度的變化能實(shí)時(shí)體現在混水點(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)，傳感器只能測到真正流過(guò)電磁閥一段距離后的水溫，不能達到理想狀態(tài)。雖然中間距離比普通機械式混水閥小很多，但若要實(shí)現實(shí)時(shí)的反饋調節，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很高的溫度測量結果，并且直接以數字形式串行發(fā)送給PIC32單片機。單片機經(jīng)過(guò)計算后，可以根據當前用戶(hù)設定的水溫值來(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)度調節到合適位置，流出噴頭的水溫恒定在設定值。

　　此外，若要使最終的出水量和水溫穩定，必須要考慮的一個(gè)重要影響是水壓?，F在的太陽(yáng)能熱水器普遍采用落水式安裝方法，水壓往往不穩定，同時(shí)，如果用戶(hù)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，最終導致了噴頭出水水溫的忽冷忽熱，忽大忽小，嚴重的還會(huì )導致熱水管道中水的回流。

　　3、閥門(mén)開(kāi)度控制

　　調節出水量最直接的方法是通過(guò)控制閥門(mén)開(kāi)度。本項目的混水裝置中涉及到兩個(gè)閥門(mén)的控制問(wèn)題，進(jìn)行流量調節時(shí)，不僅要能實(shí)現流量穩定在設定值，更重要的是使出水溫度也穩定在設定值。

　　4、整合項目，使測量單元，數據處理單元，控制單元能恰當配合。最后進(jìn)行測試調整，達成預期的研究目標。　　二、項目的研究目標

　　1、利用PIC32設計出合適的計算方法，要使處理后的溫度數據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量延遲。

　　2、設計出合適的單片機程序，使其在溫度低于設定值的時(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、在達成上述條件的同時(shí)，不能對噴頭最終的出水量造成影響，使系統在調節溫度的同時(shí)，保持水流量的穩定。例如，不能出現下述情況：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，最終使溫度調整到設定值，但出水量卻減小。

　　4、通過(guò)間接方法，消減水壓對于水溫和流量控制的影響。

　　三、有關(guān)方法

　　1、裝置的測量部分有：溫度測量部分和流量測量部分。溫度測量部分為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，測量水溫。此傳感器精度較高，并可直接將溫度數據串行發(fā)送至PIC32，數據處理起來(lái)非常方便。流量測量部分為葉輪式流量計，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傳送給單片機，根據簡(jiǎn)單的公式計算后即可得到實(shí)際的液體流量。通過(guò)測定流量：其一，引入了一個(gè)已知數據量，可以使兩個(gè)電磁閥在調節水溫的同時(shí)，進(jìn)行流量的調節，使二者全部穩定在設定值;其二，水壓的影響在一定程度上體現在對水流量的影響上，通過(guò)測定液體流量，可以間接地消減水壓變化對裝置的影響。

　　1、裝置的測量部分有：溫度測量部分和流量測量部分。溫度測量部分為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，測量水溫。此傳感器精度較高，并可直接將溫度數據串行發(fā)送至PIC32，數據處理起來(lái)非常方便。流量測量部分為葉輪式流量計，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傳送給單片機，根據簡(jiǎn)單的公式計算后即可得到實(shí)際的液體流量。通過(guò)測定流量：其一，引入了一個(gè)已知數據量，可以使兩個(gè)電磁閥在調節水溫的同時(shí)，進(jìn)行流量的調節，使二者全部穩定在設定值;其二，水壓的影響在一定程度上體現在對水流量的影響上，通過(guò)測定液體流量，可以間接地消減水壓變化對裝置的影響。

　　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。對于閥門(mén)的調整，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，直至溫度降到預設值。之后按照實(shí)際水流量與設定流量的比值同時(shí)減小冷熱水閥的開(kāi)度，直至流量達到預設值。如果在調整流量過(guò)程中水溫發(fā)生變化，則返回前一環(huán)節進(jìn)行調節，直至穩定。

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

　　C、若水流量過(guò)大，則按照實(shí)際水流量與設定流量的比值同時(shí)減小冷熱水閥的開(kāi)度，直至流量達到預設值。這時(shí)再以過(guò)程A或B進(jìn)行調節，直至穩定。

　　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，可以在溫度調節好的基礎上，同時(shí)保持流量的恒定。

　　3、裝置的顯示部分采用七段數碼管。分別顯示當前的水溫、水溫預設值以及流量預設值。用戶(hù)可以通過(guò)按鍵調節預設值。這樣一來(lái)能使用戶(hù)直觀(guān)的了解當前太陽(yáng)能熱水器的指標，非常人性化。

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

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

　　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、預期成品結構

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

　　4、箱體內部同時(shí)還封裝有PIC32，獨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。