燃气热水器智能节水装置研究与设计

尹丹桂 王 琼

（湖南文理学院物理与电子科学学院，湖南 常德 415000）

燃气热水器智能节水装置研究与设计

尹丹桂 王 琼

（湖南文理学院物理与电子科学学院，湖南 常德 415000）

为充分利用热水器和水龙头之间的冷水，文章提出一个新颖独创的节水装置的设计思路，利用单片机及电磁阀实现了冷水的自动智能回收，顺应了燃气热水器节能减排的发展趋势。

燃气热水器；节水；冷水回收

1 引言

燃气热水器就是采用燃气作为主要能源材料，通过燃气燃烧产生高温热量，传递到流经热交换器的冷水中，将冷水加热来制备热水的一种热水器。随着科学技术的发展，燃气热水器本身的适用性越来越好，使得燃气热水器走进千家万户，成为居家生活的必需品。燃气热水器的安装需要遵循安全原则，需要将热水器安装得远离浴室，就使得热水管道较长，而每次使用热水时，需要将管道中存留的冷水放完，才能有热水流出。由于燃气热水器在热水阀开启后至水温达到恒定状态的这个过程中，会流失大量冷水，这将不可避免的造成水资源的浪费，随着使用人群的日益增加，带来的浪费也与日俱增。相关数据表明，全国的燃气热水器用户每年因燃气热水器管道浪费的自来水高达数百万吨，因此有必要对燃气热水器的节水设计进行深入研究，从而达到改善其节水性能的目的。

本文提供了一个新颖独创的设计思路，不改变燃气热水器本身的系统，增加节水装置，采用冷水循环的方法，将出水管道中的冷水送回到热水器中，继续进行加热使用，弥补传统节水设计的不足，有效的回收冷水，顺应了燃气热水器节能减排的发展趋势，在燃气热水器节水创新领域具有一定的研究与参考价值。

2 智能节水装置总体设计方案

本文设计一个智能节水装置，利用单片机、传感器、数字转化器元件等构成基本电路，利用C语言编写温度采集及自动转化程序，从而实现温度的自动采集和识别，用来控制电磁阀的开关，自动识别实现“冷”“热”水的流通管道，让电磁换向阀将没有达到预设温度的水和达到预设温度的水分离，将留在热水器和淋浴喷头之间管道中的冷水回流至燃气热水器，将冷水回收循环利用，解决了水资源大量浪费的问题，实现燃气热水器节水的智能化、自动化。

总体设计方案如图1所示。各部件说明：

温度检测装置：由温度传感器、单片机及辅助电子线路构成。温度传感器接触水温，将水的温度值转化为电信号，但是在燃气热水器温度采集模块中，传感器采集的是模拟信号，要实现温度控制的智能化，需要将传统的电信号转化为单片机能够识别的数字信号。单片机根据所接收到的温度传感器的信号，单片机会发出指令，控制两位三通电磁阀处于得电还是失电状态。

电磁阀：为了达到智能控制水的流向的目的，需要选择一个能被电信号控制的开关，电磁阀正好是由电信号控制的阀门，当电磁阀得电时右边阀门打开，电磁阀失电，左边阀门打开，根据电流的情况，左右阀门不同，从而控制水流流入不同的管道。

单向阀：因为在实际使用过程中，达到温度的水只能流向喷头，未达到温度的水才能流回热水器，需要选择一个单向阀，用于控制冷水流向进水口，防止冷水倒流，流向喷头。利用水的重力实现单向的流向，选用直通式单向阀，依靠阀内弹簧的作用开启或者闭合阀口。

图1　设计方案图

3 智能节水装置原理及实现

智能节水装置的核心在于温度检测装置，主要介绍温度检测装置电路具体的实现，本文分为硬件部分和软件两部分介绍。

3.1 智能节水装置硬件设计原理

该智能节水装置的基本原理为：当用户打开进水口，燃气热水器运行时，温度传感器检测水温后，将温度作为单片机的输入信号，单片机发出指令，用来控制电磁换向阀的电磁铁得电或者失电，使换向阀不同的阀门打开。若水未达到设定的温度，即“冷水”，单片机发出指令，使电磁阀接通阀门右位，水重新流回进水口，热水器重新加热。若水达到设定的温度，即“热水”，单片机发出指令，使电磁阀接通阀门左位，水直接流向喷头，供用户使用。

3.2 智能节水装置硬件实现电路

温度检测装置设计电路如图二所示，温度检测装置电路中选取89C51系列单片机作为核心部件，因89C51在片内含4 KB 的 EEpROM，不再需要单独外接扩展存储器，可简化系统整体结构。利用89C51串口输出，也简化外部电路，串行输出数据时，频率可达1MHz，满足系统的测控要求。

温度测量选取集成温度传感器 AD590，该传感器具有较高的精度，另外不需辅助电源，电路结构简单易实现，采集结果线性度好。

因温度传感器信号采集的电压信号较小，只有几百毫伏，需要选取合适的放大电。考虑其失调电压及精度，一般选取单片集成运放，OP07温漂很小，一般应用于精密加法、检波、微弱信号精密放大。而且一般不需调零，如要调零，可直接外接调零电位器，阻值一般选择200KΩ。

日常生活，燃气热水器的温度变化范围不会太大，最小温度分辨率为1℃，水温的变化范围为0～100℃，所以整个智能温控系统的温度采集点应为200个，8位AD转换器分辨率为1/256，满足燃气热水器温度转换精度的要求。逐次逼近式A/DC具有较高的转换速度、转换程序固定和精度高的特点，所以本系统选取8位逐次逼近式A/D转换器ADC0809。

单片机89C51的输出P3.1引脚为高电平时，经反相驱动器7406后变为低电平，使发光二极管导通，从而光敏三极管导通，使三极管T9031工作，继电器线圈通电，触点闭合，220V电压接通，即电磁阀换向阀得电，水流出花洒。

图2　温度检测装置电路图

电磁阀是用来控制流体的自动化基础原件，通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。为了控制的方便性和准确性，本装置在设计时，通过一条指令控制所有的电磁阀，降低了程序的复杂性和故障率。

花洒阀门打开，节水装置自动开机，单片机控制系统开始检索温度传感器送入的信号，当温度未达到设定温度，控制系统控制电磁阀，冷水回流；当温度达到设定温度时，单片机输出控制指令，热水器进入正常工作状态，而节水装置进入待机。

3.3 智能节水装置软件设计

本系统选取的是89C51系列单片机，其指令集同标准8052指令集完全兼容。片内资源非常丰富，应用时系统只需外接少量的元器件，就能实现智能温控系统的功能需求。利用专门的μCOS-II的多任务操作系统开发平台上，采用C语言和汇编语言编写了系统的具体程序。因为C语言等高级语言具有丰富的库函数，编程简单，程序可读性强，修改方便。而且与Linux一样，μC/OS－II源代码也是开放的，这极大地提高了效率，降低了成本。

与CPU相关的代码部分包含OS-CPU.h、OS-CPU-A.ASM和OS-CPU-C.C，其中OS-CPU.h定义了两个函数，分别为OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()，函数用来实现关/开中断，OS-CPU-A.ASM完成任务栈的初始化，OS-CPU-C.C定义定时器相关函数和相应的接口空函数，移植过程中只需要修改这3个文件。与CPU无关的代码部分包含μ COS-II.h、μCOS-II.h这2个系统函数。

4 结语

本文利用单片机、温度检测装置分离达到和未达到设定温度的水，自动识别实现“冷”“热”水的流通管道，让电磁换向阀将没有达到预设温度的水和达到预设温度的水分离，使留在热水器和淋浴喷头之间管道中的冷水能回收循环利用，能够起到节约用水的作用，解决了水资源大量浪费的问题，实现了智能化、自动化。

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[5] 马志燕.家用热水器冷水自动节水装置设计及应用设计与研究[J].机械与电子,2014(9):23-25.

The research and design of gas water heaters intelligent water-saving devices

In this paper, we propose a novel design ideas original water-saving device about gas water heater to make full use of cold water. The use of the micro-controller and the solenoid valve to achieve the automatic intelligent recycling cold water, conforms to the development trend of energy saving.

gas water heater; water-saving; recycling cold water

TM92

A

1008-1151(2016)09-0043-02

2016-08-11

国家自然科学基金青年项目(批准号：61605019),湖南省自然科学基金青年项目(批准号：2016JJ3015)；湖南省教育厅一般项目(批准号:15C0937)；湖南省光电信息技术校企联合人才培养基地资助(湘教通[2012]434号)。

尹丹桂（1994－），女，湖南常德人，湖南文理学院物理与电子科学学院学生，研究方向为物理学。

王琼（1983－），男，湖南衡阳人，湖南文理学院物理与电子科学学院讲师，博士研究生。