家用饮水机智能设计与节能改进∗

朱奎林

（四川信息职业技术学院 广元 628017）

家用饮水机智能设计与节能改进∗

朱奎林

（四川信息职业技术学院 广元 628017）

饮水机是家庭及办公场所的常用电器，饮水机反复加热饮用水容易形成“千滚水”，长期饮用“千滚水”对身体极不健康。针对“千滚水”问题，分析了目前占多数温热型饮水机的电路原理，结合对饮水机的不同个性需求，考虑了三种模式，设计了家用饮水机智能控制系统。该系统以单片机为主控芯片，分析研究了系统构成及模块连接、软件流程图、系统调试等重要内容。目前的饮水机还存在热量浪费问题，在饮水机出气管上可连接一个密闭容器进行节能改进，提高热量的利用率。

饮水机；单片机；智能控制；节能改进

1 引言

水是人类的生命之源，清洁、纯净的饮用水是人体的基本需求，饮水机是家庭常用的必备电器。目前市场的饮水机主要分为温热型和冷热型两类，以温热型占大多数，分析现有的饮水机存在以下问题：

1）饮用水在饮水机内胆被反复“加热-冷却-再加热”后，形成“千滚水”［1～3］。“千滚水”虽看似干净，却因煮沸过久，水中不挥发性物质如钙、镁等重金属成分和亚硝酸盐含量很高，长期饮用，对我们的身体极不健康。

2）饮用水在内胆加热成开水的过程中，其出气管会冒出大量的高温水蒸汽未被有效的利用，热量被白白的浪费。

2 常见温热型家用饮水机的电路原理分析

常见温热型家用饮水机的电路原理图如图1所示。图中ST1是加热用温控器，ST2是保护用温控器，两温控器安装于饮水机内胆的外壳上，检测水的温度，常温下其内部双金属片上的触点处于闭合状态。当开关S1闭合，胆内加热管EH得电加热饮用水，当水温达到88℃左右时，ST1内的双金属片上的触点断开，表示水已烧开，可以饮用开水，当水温降到一定程度时，其内部的触点又闭合，重新加热，如此周而复始，如果水烧开后人没有喝仍滞留在内胆，或者人喝水后没有关S1，内胆的饮用水反复“加热-冷却-再加热”就形成了对人身体不利的“千滚水”。图1中ST1内部触点常常闭合后常常又断开，容易失效，当其水温超过88℃较多时仍未断开，温度达到95℃左右时，温控器ST2强制断开，起到保护作用，从而避免一直加热饮用水酿成事故。

图1 常见温热型家用饮水机的电路原理图

3 家用饮水机的智能设计与调试

由上面的分析可知，“千滚水”的形成是人为因素造成的，现在抛开“千滚水”的人为因素，从设计的角度考虑家用饮水机智能控制问题：在饮水机上设有传感器，实时感知屋内是否有人，如果在设定时间内感知无人，则自动断开饮水机加热器，防止反复加热饮用水形成“千滚水”。如果感知屋内有人，就根据人的个性需要选择不同的模式［4～6］，本系统设计了三种模式，即健康模式、加热模式和普通模式，根据个性需要进行选择。

3.1 家用饮水机智能控制系统的组成与电路连接关系

家用饮水机单片机智能控制系统［7～9］的组成与电路连接关系如图2所示。图2中，主控芯片选用单片机IAP15F2K61S2（40个管脚），采用按键复位，系统时钟为12MHz。

DS18B20数字温度传感器（TO-92封装）固定于饮水机内胆的管壁上，实时采集饮用水的温度，通过P2.1端口送入单片机内部。时钟/日历芯片为PCF8563，通过I2C总线与单片机的P1.6和P1.7串行通信。人体感应器采用人体热释红外感应模块HC-SR501，基于红外线自动控制技术，采用德国原装进口LHI778探头，灵敏度高，可靠性强，可感应5～7m的直线距离（无障碍时可感应大约7m距离，有障碍时可感应大约5m距离）。单片机P2.0端输出到继电器模块，继电器主触点的状态决定饮水机内胆的加热管是否工作。P1.4端输出到蜂鸣器，可以起到提醒或报警功能。独立键盘（4个按键：复位键、+键、-键、确定键）通过P1.0～P1.3作为控制信号输入到单片机。LCD1602液晶显示屏作为菜单显示，与单片机的P0.0～P0.7相连。系统电源提供5V的稳定直流电压供给单片机和其他各模块使用。

图2 系统组成与电路连接关系图

3.2 家用饮水智能机控制系统软件流程图

图3 家用饮水机智能控制系统软件流程图

家用饮水机单片机控制系统软件流程图如图3所示。图3中，需要先配置单片机IAP15F2K61S2中断相关寄存器，初始化液晶LCD1602、时钟/日历芯片PCF8563和DS18B20数字温度传感器，液晶显示屏上才能读出当前日期、时间和饮用水的实际温度值。系统设有三种模式，在模式一（即健康模式）下，可设定人喝水的杯数和喝水的时间，时间到了之后可提醒您喝水；在模式二（即加热模式）可设定加热的时间；在模式二（即普通模式）则可手动控制饮水机的工作状态。

在饮水机上设有人体热释红外传感器，实时感知屋内是否有人，如果在设定时间（10分钟）内感知无人，则自动断开饮水机加热器，防止反复加热饮用水形成“千滚水”。

3.3 家用饮水机智能控制系统软件的调试

3.3.1 初始画面的调试

将时钟/日历芯片中的数据传入到单片机中，单片机经处理后显示到液晶上；将温度模块的数据传输到单片机中，单片机将数据处理成十进制数后，也显示到液晶上，与时间同时显示，共同完成了初始画面的显示，如图4所示。

图4 液晶初始界面

3.3.2 模式选择调试

系统有三种模式，每个模式对应一个子画面，可通过键盘上的+键、-键选择需要的模式，图5为健康模式（模式一）选择画面，在选择画面下按下确定键即可健康模式的操作。

图5 模式选择画面

3.3.3 子菜单界面调试

每一种模式下都有自己的子菜单，图6显示的是模式一选项下设置每天喝几杯水的子画面，可通过键盘加减键设置喝水杯数。

图6 喝水杯数子画面

4 家用饮水机的节能改进

针对饮水机出气管热量浪费问题作节能改进［10］，在出气管上连接一个密闭容器，利用出气管排入到密闭容器内高温水蒸汽进行加热。经过这样的改进，饮水机既有饮水的功能，又有加热的功能，实现了一举两得。如在冬天，需要单独加热袋装牛奶或少量的食物，用微波炉或其他的加热工具极不方便，同时费时；使用这样的饮水机不仅可以喝上开水，还可以喝上热的牛奶或吃上热的食物。经过这样的改进，提高了对饮水机热量的利用效率，达到了节能的目的。

5 结语

人人要饮水如同人人要吃饭一样必不可少，饮水机成为加热或制冷饮用水的主要电器，现饮水机已成为千家万户的必备家用电器。但是，目前市场的饮水机，存在“千滚水”危害健康问题和出气管热量浪费问题。

文章从分析饮水机的常规电路图入手，结合“千滚水”问题和人们对家用饮水机的个性不同需求，设计了家用饮水机智能控制系统，从系统组成及模块连接、软件流程图、系统调试进行了深入分析与研究。针对热量浪费问题，在饮水机出气管上可连接一个密闭容器，利用排入到密闭容器内高温水蒸汽对其他物品加热，由此提高了热量的利用效率。

两种方案真实可行，具有前瞻性，又符合节能环保的时代主题，值得深入研究并加以推广利用。

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Household Water Machine Intelligent Design and Energy Saving Improvement

ZHU Kuilin
（Sichuan Vocational College of Information Technology，Guangyuan 628017）

Drinking water machine is a common household appliances and office places，drinking water machine repeated heating drinking water is easy to form the“thousands of boiling water”，long-term drinking“thousands of boiling water”not exactly healthy.According to the“thousands of boiling water”problem，analysis of the current accounts for most of the drinking water ma⁃chine principle，combination of the drinking water machine of different individual needs，consider three models，the design of household drinking machine intelligent control system.This system takes the MCU as the main control chip，an important content to analyze the system structure and module connection，the software flow chart，system debug etc.Drinking water machine at present still exists the problem of heat waste，can be connected to a closed container to improvement of energy saving in the outlet pipe of the drinking water machine，improves the utilization rate of heat.

water dispenser，microcomputer，intelligent control，energy saving improvement

Class Number TP273

TP273

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.12.044

2017年6月9日，

2017年7月26日

朱奎林，男，教授，高级工程师，研究方向：运动控制及网络通信。