一种外置式智能饮水机节电器的研制与应用

陈忠仁，陈芳靖，朱雁锋

(中山职业技术学院，广东中山528404)

饮水机在我国广泛使用于家庭、办公场所，已经形成年销售额为30～40亿元的市场。在这个巨大的市场中，销售量最大的依然是普通饮水机。根据调查，普通饮水机每天消耗的电能在1.2～1.8度，年消耗电能在300度以上，如果乘以庞大的拥有量(数以千万计)，则消耗的电能十分惊人［1］。然而，在其消耗的电能中，大部分被白白浪费掉了，分析起来有以下几种原因:

(1)因疏于管理的原因，大部分饮水机，尤其是办公场所使用的饮水机处于日夜待机－工作的状态，在无人使用的情况下，饮水机循环反复加热，白白消耗电能。

(2)目前普通的饮水机电源开关装在背后，且在加热完成后，加热灯熄灭，饮水机没有声响，容易使人在离开时忘记关掉电源，造成电能浪费。

(3)即使在有人使用的情况下，在两次接水间隔期间，由于饮水机的循环反复加热，也会引起不必要的电能损耗。

饮水机的日夜待机工作及反复加热不仅造成了电能的浪费，而且产生所谓的“千滚水”，不利于身体健康，同时，容易在饮水机内产生水垢，对饮水机的寿命也相当不利。当前存在的饮水机节电器，一方面未能实现智能化，工作模式单一，不能适应大多数情况;另一方面采用可控硅作为开关，由于其导通损耗较大，节电效果并不明显;此外，也不能避免工作期间的反复加热，所形成的“千滚水”不利于人体的健康。因此，基于节电和健康的双重考虑，设计了一种外置式智能饮水机节电器。

1 节电器的结构及硬件设计

一台普通饮水机的价格为数百元，作为与之配套的节电器，其价格必须控制在一百元以内，这样才有价格优势和较好的市场前景。为此，应尽量简化一些不必要的硬件设计，以节约成本，但必须实现以下功能:

(1)具有定时开关功能，以实现智能化的要求。

(2)具有多种工作模式，以适应饮水机在不同场合工作的需要。

(3)具有加热检测功能，以判断加热是否结束。

(4)具有水沸报警功能，在加热结束(水沸)后及时发声提醒。

(5)具有功耗低的特点，节电器持续带电工作，要达到节电的目的，其自身的功耗必须要低。

节电器上装有插头和插座，其插头可以直接插到墙壁插座或插线板上取电，而饮水机的插头需要插到节电器的插座上取电。但饮水机的得电与否是受节电器内部的开关所控制。因节电器独立于饮水机之外，故称为外置式。其硬件结构如图1所示。

图1 节电器硬件结构图

在图1中，组成节电器的主要电路分述于下:

(1)单片机由AT89S51的最小系统组成，包括晶振电路和复位电路，是节电器的控制核心。

(2)加热检测电路主要由电流互感器(CT)和电压比较器LM393、全桥整流电路组成，如图2的虚线左侧所示。当继电器吸合进行加热时，流过CT的电流较大，经整流后在负载R6上的压降也较大，大于LM393反相端的参考电压，则比较器输出为高电平。加热完成后，流过CT的电流较小，则比较器输出为低电平。比较器的输出接至单片机的P3.3口，检测此口线的电平即可判断加热是否结束。

(3)开关控制电路主要由继电器和驱动电路组成，继电器的得电吸合与否由单片机的P1.7口控制，如图2的虚线右侧所示。当P1.7口输出高电平时，三极管Q1饱和导通，使得继电器K1线圈得电吸合，两对常开触点闭合，电源的火线由输入接头JPin到达输出接头JPout，接在JPout上的饮水机获得电源而开始加热烧水;反之，则继电器断开，饮水机处于失电不工作状态。在继电器吸合的同时，加热指示灯LED(红色)亦点亮，用以指示当前继电器(或饮水机)所处的加热状态。

图2 加热检测电路和开关控制电路

(4)水沸报警电路主要由蜂鸣器及其驱动电路组成。如图3的虚线左侧所示，当单片机的P1.1口输出高电平时，三极管Q2饱和导通，蜂鸣器得电鸣响。

(5)工作模式指示电路主要由发光二级管组成，如图3虚线右侧所示。当对应的口线为低电平时，则相应的模式灯点亮，用以指示目前是哪一种工作模式。共有五种模式:常开模式，家庭模式1，家庭模式2，单位模式1，单位模式2，由用户按键(KEY)选择。

(6)实时时钟电路 主要由DS12C887组成。此芯片是由美国Dallas公司推出的一款专用的实时时钟芯片，它将晶振电路、写保护电路、可充电锂电等一起封装在一个24引脚的双列直插式芯片内组成一个加厚的集成电路模块，是一个完整的子系统。它充足一次电可供芯片运行半年之久，正常工作时可保证时钟数据十年内不会丢失［2］。具有功能丰富、需要外接的元件数极少、价格低廉和稳定可靠等特点，可满足节电器对实时时钟和日历数据的读取，以实现定时开关的要求。

(7)电源变换电路由6 W的电源变压器、桥式整流电路和稳压模块7805组成，目的是供给单片机及外围电路+5 V的直流源。

图3 水沸报警电路与工作模式指示电路

2 节电器的软件设计

节电器的软件应能在按键选择下，循环进入五个工作模式，在每个模式下，实现对应的加热检测、水沸报警、开关控制、工作模式指示等功能，以51汇编语言编制而成。其主程序框图如图4所示。

家庭模式，工作日7－8点和18－23点开，其他时间关;周六日8－23点开，其他时间关。单位模式，工作日8－18点开，其他时间关;周六日关。家庭模式1与家庭模式2的工作时间相同，其区别仅是后者的两次加热之间设置有较长的间隔时间，以适应喝水少的情况，更好地节约电能;单位模式1与单位模式2的情况亦类似。但不管在哪个模式运行，节电器均要进行加热检测，并在水沸腾后使蜂鸣器发声报警，提醒人们及时接水，避免水的反复加热，而形成“千滚水”，同时造成电能的浪费。常开模式主要为以上四种工作模式之外的特殊情况下需要运行饮水机时使用。

图4 节电器主程序框图

3 应用情况

节电器研制成功后，在一个有十人左右的办公室里的饮水机上进行了试用，饮水机功率为500 W，选用单位模式2运行。为了对比试用前后的电能消耗情况，安装了一只单相电能表进行电能的计量。电能消耗如表1所示。

表1 节电器使用前后电能消耗情况对比

在安装节电器之前，由于疏于管理的原因，往往在下班后忘记关掉饮水机的电源，造成反复加热、浪费电能的情况;而在安装节电器后，由于它能在下班后自动关闭饮水机的电源，从而节约了电能。从表1也可以看出，节约电能的比例在36%以上，照此计算，一年可节约电费约为0.64元/度×23.2度×36% ×365/7=279元。节电器的成本在百元以下，所节约的电费经半年即可收回成本。

4 结论

所研制的外置式饮水机节电器具有功耗低，成本低，智能化，使用灵活方便，多种工作模式、适应性强等特点;所具备的加热自动检测、水沸报警提示、定时开关等功能，不仅有效地避免了“千滚水”的形成，而且大大节约了电能，符合目前绿色、环保、健康、低碳的生活潮流。产品已经申请了专利，值得进一步推广使用。

［1］谢晋雄，张栋，韦宇颖，等.一种基于模糊控制的节能饮水机设计［J］.检验检疫学刊，2010，20(3):30－33.

［2］吴瑰丽，刘建华，崔玉洁.单片机与时钟芯片DS12C887的接口设计［J］.石家庄铁路工程职业技术学院学报，2004，3(2):15－19.