一种智能化饮用电热开水器的设计

沧州市科技情报研究所 王宏云

随着人们物质生活水平的不断提高，饮水安全及便捷性成为主要任务。为了适应各类人群饮水需求环境而设计出一种利用电加热开水的开水器，为方便饮用采用了单片机的智能控制。按其容量大小来适用于不同群体的需求，大致功率范围有2KW、3KW、4.5KW、5KW等不同型号，适用于企业单位、酒店、部队、车站、机场、工厂、医院、学校等公共场合。相和传统的锅炉相比具有节省人力、安全，噪音小，无污染的优点，并且供应开水方便及时，随时都可提供饮用水。

1.电热开水器的种类及存在隐患

1.1 按内部结构划分

目前市面上饮用开水器大致可分为：浮子式开水器、分离式开水器、分层加热式开水器和即热式电热开水器。

第一种：浮子式开水器。浮子式开水器是应用最普遍的第一代产品，内部结构简单，主要有一个水箱构成，用来储水和烧水，而浮子用于控制水位，内部设置电发热管加热。由于在使用过程中，人们发现其只有一个水箱，不能把生水与开水分隔；只有一个浮子作为水位控制，不能控制人们取水时生水进入水箱中。造成阴阳水的产生，影响饮用水的质量和人们的健康。但由于浮子式开水器结构简单，造价低廉，目前被工厂、机关单位、酒店、等公共场合大量使用。

第二种：分离式开水器。针对第一代产品会产生阴阳水的缺点，人们进行的技术革新，研发出避免阴阳水产生的分离式开水器，其原理使用两个水箱，主要是把生水和开水分隔开，一个箱体里装有电热管，负责烧水，另一个箱体则负责储存开水。这样能有效避免生水与开水的混合，彻底解决了“阴阳水”问题。但最初由于实现结构较为复杂，成本较高，箱体密封而不能清洗所造成寿命不长等原因，没能得到大量推广，市场占有率很低。

第三种：分层加热式开水器，其原理是将水逐层加热，当最高温度大约达到95度左右时，即停止加热，但是因具有即烧即饮的特点，所以供水比较及时。由于结构复杂，成本较高，操作复杂，维修费用昂贵，耐用性也比较差，最高温度达不到水开温度（一般开水需大于98度左右），存在健康隐患。

第四种：即热式电热开水器，又叫快热式电热水器。即热式开水器是无储存无往复式水路瞬时电加热设备，大功率的电加热器使水在流动中被加热到沸点，做到了即用即开。不但具有能够即开即热，使用方便，且省时省电，节能环保等诸多优点，解决了健康饮水的问题。最早用于淋浴喷头，通过流量调节水温，但用于饮水加热技术要求高，人们最为担心的还是安全问题，并且电功率一般都很大，受到很多场合的限制，因此一直无法推广!。

1.2 目前电热开水器存在的问题

各类传统储水箱式电开水器、饮水机，因为保温必须重复烧而白白浪费大量的电能，不仅如此，实验证明，如果把水反覆地一再烧煮（俗称千滚水），会使水中的[硝酸盐]转变成[亚硝酸盐]，而[亚硝酸盐]对人体是有害的，它会让红血球失去了携带氧气的功能。

有些传统储水箱式电开水器内水量不足时，它就会自动加水。此时，如果接开水的人没有注意或是急等饮用，电热开水器就会流出冷热混合的水（俗称阴阳水）。阴阳水可能含有各种病原微生物，因此喝阴阳水可能引起各种肠道传染病。阴阳水多产生于单缸结构的浮子式开水器。

有鉴于此，本文介绍一种智能饮用电热开水器，可以解决上述电热开水器存在的问题。

2.智能饮用电热开水器主要结构、原理

整个智能化饮用电热开水器结构原理如图1所示。

图1 智能化饮用电热开水器结构原理

2.1 电热开水器主要结构

如图1所示，智能化自动电热饮用开水器包括两个主要部分：单片机控制系统和电热开水器部分。单片机可以选用内置8通道A/D转换器的芯片来设计即可，便于采集水位，温度等数据；电热开水器部分包括水箱和阀门、加热器、温度和水位探测器等。

按功能部件分为两个部分：包含主机和智能龙头两个部分，主机包含控制芯片、水箱、水位探测器、温度传感器等主要部件，智能龙头包括控制芯片、冷/热水龙头等主要部件。

2.2 智能饮用开水器工作原理

自来水通过三通分成两路，一路可以提供凉水使用，另一路则通过进水电磁水阀进入水箱，当水箱内的水位低于预设高度时，进水电磁水阀打开，给水箱加水。因为水箱内设置有两个水位传感器，分别设置在不同的高度，当水箱的水位低于低位的水位传感器时，加水，而当水位达到位于高位的水位传感器时，进水电磁水阀关闭，停止加水。同时水箱温度传感器检测到的水温低于第一预设温度时，加热器通电工作。且在开启热水龙头时，出水热水阀门不工作即无热水提供。只有当温度传感器检测到的水温达到第二预设温度时，加热器断电停止加热，且在开启热水龙头时，出水热水阀门才能打开提供热水。水箱的顶端设有换气管便于水箱内水蒸汽排出和水的流出而设计的。

由此可见，只有在水箱内的水达到预设低水位后，才加水。从而杜绝了冷热水混合，接开水时冷水不会混入，有效杜绝“阴阳水”而由于设置了温度传感器检测水温，并设置加热温度而有效杜绝了反复加热造成的“千滚水”。

3.单片机控制系统硬件设计

结构图如图2所示。

图2 单片机控制系统硬件结构

3.1 温度采集电路

采用负温度系数的热敏电阻与10KΩ电阻串联分压得到采样电压，电容的作用是抗干扰和平滑电压曲线的作用，减少误动作。

3.2 水位采集电路

利用水的导电特性，制成水敏探头分别放在高低不同的水位上，由于上水时水的波动加大使信号可能误动作，此时需加大滤波电容的容量，一般在4.7至47μF之间。

4.控制系统软件设计

单片机开发实现功能设计编程，调试。

4.1 主要功能

根据如下功能来开发编程控制程序，控制开水器的进出水阀、电加热器、蜂鸣器和显示屏等，实现智能控制，主要功能如下：

1）系统自检：系统各部件的数据好坏判断，报警、保护措施；

2）预防干烧：首次使用或自来水停水或水箱内水被用光；

3）定时开关机设置，避免夜间等休息时间时加热，待机24小时用电量大幅降低；

4）加热功率设计，首次使用3-4分钟即可饮用开水；

5）高低水位控制，使冷热水分离，有效杜绝“千滚水”；

6）水位探测器控制注水避免冷热水混合，产生“阴阳水”，分段加热，保证即时使用开水，温度设计开水98℃。

4.2 利用单板机的编程功能，编入定时开关机功能

具体可通过控制装置进行设置，避免家中无人时加热，待机24小时，用电仅为0.75度，节能优势明显。热速度快，首次使用3-4分钟即可饮用开水，每小时提供8升开水，用电0.88度冷热水分离，自动睡眠模式，杜绝反复加热；高密度隔热泡沫，保温效果好。水温自动测定，水温过低停送热水；智能液晶显示技术，体贴运行。

图3 温度采集电路

图4 水位采集电路

5.小结

经试验运行表明，系统运行可靠、功能齐全，实现了杜绝冷热水混合的“阴阳水”和重复加热造成的“千滚水”功能。是一种健康型的饮水机，具有节能、环保的特点，适用于企业单位、酒店、部队、车站、机场、工厂、医院、学校等公共场合使用。

[1] 徐军普等.智能化全自动电开水器控制系统的设计[J].测控技术,2002(05).

[2] 张继辉.基于单片机控制的大功率开水器智能监控电路[J].电子制作,2007(08).

[3] 金立田等.微电脑电热水器控制器设计[J].南京农专学报,2001(04).