用于热源温度非稳定的热水器智能恒温阀设计

张家豪　王利红

摘 要：现阶段，淋浴一般采用手动机械调温阀进行调温，该类调温阀在热水源不稳定的环境中使用时存在调温时间长、恒温难、水资源浪费严重和用户沐浴体验较差等问题。该类问题在太阳能热水器中表现尤为严重。为此，本文设计了一款基于比例微调算法的可自动调温的家用智能淋浴控温阀，可实现一键恒温。样机的调试结果显示，该淋浴智能自动控温阀具有人机交互性强、调控响应速度快、水温水量恒定的特点，具有一定的应用推广价值。

关键词：淋浴混水阀;智能自动控温阀;智能调温

中图分类号：TU822;TP273 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）32-0046-05

Design of Intelligent Thermostat Valve for Water Heater with

Unstable Heat Source Temperature

ZHANG Jiahao WANG Lihong

（School of Materials Science and Engineering， Zhengzhou University of Aeronautics，Zhengzhou Henan 450046）

Abstract： At this stage， the shower is usually tempered by a manual mechanical thermostat. When the temperature regulating valve is used in an environment with unstable hot water source， there are problems such as long temperature adjustment time， difficulty in constant temperature， serious waste of water resources， and poor user bathing experience. This type of problem is particularly severe in solar water heaters. To this end， this paper designed a home smart shower temperature control valve based on proportional fine-tuning algorithm that could automatically adjust temperature， which could achieve one-button constant temperature. The debugging results of the prototype show that the shower intelligent automatic temperature control valve has the characteristics of strong human-computer interaction， fast response response， constant water temperature and water volume， and has certain application promotion value.

Keywords： shower mixing valve;intelligent automatic temperature control valve;intelligent temperature control

現阶段，太阳能热水器的调温方式主要为手动调节，热源温度因太阳光照时长不同而不同，出水口的水温受进水量和热源温度波动的影响而不断变化。用户在使用时需要不断调节来保证较为恒定的水温，这不仅浪费了大量的水资源，还带来不良的沐浴体验，甚至存在烫伤的风险。针对市场上目前广泛使用的太阳能热水器混水阀存在的问题，采用现代智能控制技术对原有手动机械阀进行改造，实现自动恒温出水是非常必要的。

1 恒温阀国内外研究现状

现有的恒温阀主要有三种[1-3]。一是手动机械式混水阀，结构简单，价格便宜，但每次调温全凭用户感觉，需要不断尝试。二是档位调温阀，其原理决定了只有当热水入水口与凉水入水口水温为某一固定值且水压恒定时，其温度刻度才有意义，否则依然需要用户凭感觉去调节温度，依旧解决不了太阳能热水器等热水源水温不稳定场所水温难调的问题。三是明装电子恒温阀，该阀可初步满足大多数用户的需求，但其价格过高，很多用户望而却步。

通过对国内外恒温阀现状的分析可知，智能化家居是未来社会发展的趋势，但由于价格过高或技术不很成熟等原因，现阶段市场上绝大多数使用的依旧是手动机械式混水阀，在热水源水温不稳定的情况下，该类阀门需要用户在沐浴过程中不断手动调温，使得用户沐浴感受差并造成水资源的浪费。因此，采用现代技术实现阀门的自动恒温是非常必要的。

针对现有的调温方式，结合实际的生活需求，本文设计了用于热源温度非稳定的热水器智能恒温阀。设计以成本低廉、调温响应速度快和调温精度高为原则。

2 控温原理设计

2.1 设计思路

温度传感器读取热水入口、冷水入口以及出水口温度数据，并传给主控模块，主控模块通过解析数据，先比较此时出水口水温与设定温度值的误差范围，进行比例式调节或进行微调[4-6]。经过相关算法产生特定占空比的PWM波，驱动舵机，调节混水阀处热水入水口与冷水入水口的开启比例，使得不同体积的热水与冷水同时进入混水阀混合后得到设定的出水温度。另外，利用阀口调节水温时进行按键扫描操作，监测是否按下按键进行水温设定;液晶屏也显示相应的提示信息，如热水温度、凉水温度及出水口温度等。

2.2 调温原理

设热水温度为[Tr]，凉水温度为[Tl]，出水口温度为[Tw]，热水热量为[Qr]，凉水热量为[Ql]，出水口温水热量为[Qw]，单位时间内流出的热水质量为[mr]，凉水质量为[ml]，则温水质量为[mr+ml]，单位时间内流出的热水体积为[Vr]，凉水体积为[Vl]，热水断水面积为[Ar]，凉水断水面积为[Al]。热力学公式为：

（1）

式中，[Q]为热量;[c]为比热容;[m]为质量;[ΔT]为温度差。

由式（1）和能量守恒定理可知，出水口温水热量[Qw]、热水热量[Qr]和凉水热量[Ql]满足以下条件：

（2）

式（2）可以改写为：

（3）

由此可得：

（4）

当设备刚工作时，冷水温度传感器和热水温度传感器将对应冷水管和热水管水温[Tr]、[Tl]采集出来并传回主控芯片，主控芯片根据内部程序对冷热水温度和设定温度[T]进行比较，此时使[T]=[Tw]，并用基于以上公式的算法进行计算，得到混成设定温度温水所需要冷热水的最优质量比。因为[Tw]、[Tl]和[Tr]都为已知值，所以质量比[mrml]也就已知。同理，当[Tr]和[Tl]不变时，改变其质量比即可改变[Tw];当[Tr]或[Tl]发生改变时，改变质量比[mrml]即可使[Tw]稳定不变。因为冷热水密度差可忽略不计，所以由[m=ρV]可知，质量比[mrml]即为体积比[VrVl]。因为单位时间内出水体积等于流水速度乘以断水面积，经稳压后的冷热进水口流水速度可认为相等，所以[VrVl]=[ArAl]，即通過控制其断水面积之比来调节水温。

3 阀的结构设计

3.1 阀座的设计

由小节2可知，该设计通过控制冷热阀口断水面积之比来调节水温。为达到通过阀体转动来改变冷热阀口断水面积之比且转动角度与面积之比呈线性变化的目的，固热水管和冷水管的阀口断水面设计为半圆环形，其两边边缘也为圆弧形;混合水管断水面为椭圆形;三个断水面位于同一平面内，且呈三角分布在阀腔底面，冷热水管断水面积小于混合水断水面积，整个阀腔沿中轴线对称分布;三个断水面通过扇状水道与冷水管、热水管和混合水管相连，如图1所示。

3.2 阀体的设计

阀体结构如图2所示，为“T”型结构，阀体上半部分为外齿轮结构，接齿轮传动;阀体下半部分底面采用扇形凹槽结构，为混水区，扇区圆弧度与冷热水管断水面弧度相等，以便更好贴合。混水原理如图3所示，通过旋转阀门，阀体混水区与阀座的进出水口配合有三种状态：图3（b）为热水进水量和冷水进水量相等的位置;当阀体顺时针旋转一定角度时[见图3（a）]，热水进水量变大而冷水进水量变小;当阀体逆时针旋转时[见图3（c）]，冷水进水量变大而热水进水量变小，从而达到调节水温的目的。混合后的温水通过出口3流出。

3.3 传动的设计

该智能恒温阀采用伺服电机为原动件，通过齿轮驱动阀体回转。设计阀体转动60°，即可完成冷热阀口过水断面积之比从0∶100到100∶0的变化，因此阀体每转动0.6°，冷水断面减少（增加）1%，同时热水断面增加（减少）1%。设计舵机转动145°，控制阀体转动60°，固主动齿轮与从动齿轮齿数比设为20∶45。阀的整体结构如图4所示。

4 控制系统设计

4.1 控制系统的总体设计

本装置选用了STM32F103C8T6作为控制器;为了获取温度信息，配备3个DS18B20温度传感器;为了增强人机交互性，配备LCD12864液晶显示器;为了方便设定温度，配备了按键模块;最后配合1个舵机和电源构成了整个控制系统[7，8]。

当系统上电后先进行一系列初始化，然后温度传感器将三处水温的温度值传回主控芯片，主控芯片对比其与按键设定的温度值，通过相关算法计算出舵机应转动的角度，生成相应PWM驱动舵机转至指定位置。其控制系统原理框图如图5所示。

4.2 温度采集模块设计

考虑到控制要求、尺寸大小和成本造价，本模块采用三路DS18B20温度传感器，分别监测热水、凉水以及混合后的温水温度。安装位置如图4所示。

4.3 液晶显示电路设计

为增强该设备的人机交互性，本设计采用LCD12864液晶来显示系统状态和温度信息，使得该设备操作起来更加直观方便，更加人性化。

4.4 按键模块电路设计

为方便设定温度，按键模块使用4个按键开关，分别赋予按键S1、S2、S3和S4温度+、温度-、确定和复位四个功能。按下“温度+”，液晶屏显示的设定温度加一;按下“温度-”，液晶屏显示的设定温度减一;按下“确定”，相关程序启动，根据相关算法，达到出水温度等于设定温度的目的;按下“复位”，舵机至中位（维修时使用）。该模块与液晶显示模块相结合，起到人机交互的作用，使得该设备更加人性化。

4.5 系统总电路设计

综上所述，用STM32F103C8T6作为控制器，温度传感器型号选用DS18B20，液晶显示器选用LCD12864，LD-2701舵机作为执行部件。此系统电路原理如图6所示。

5 结论

该智能淋浴控温阀操作方便快捷，给定用户3个按键，通过“温度+”“温度-”两个按键可自由更改预设温度值，按下“确认”键，即可根据预设温度值启动相关程序恒温出水。同时，其温度信息实现可视化，配有LCD液晶显示屏，进出水温度以及设定温度可以清楚地展现在用户眼前，而且调温快速精准。

样机调试结果显示，按键按动，相应功能即被触发，其反应较为灵敏。当设定好所需要的温度值后，打开出水阀门，系统针对温度数据迅速做出反应，很短时间（目前样机实测4s左右）内出水温度与设定温度值大致相一致（误差±2℃）。当设定温度，入水口温度发生改变（测试采用温度变化幅度为12℃）时，阀门调节系统迅速响应，在相关算法的驱动下，出水口水温在2s后恢复入水口温度变化前的水平。

创新点主要有二。一是控温算法创新，采用闭环反馈式实时调节，基于比例与微调算法控制舵机，响应速度快，控温精度高;二是技术原理创新，使用舵机驱动阀芯转动，从而实现水温微调。该智能恒温阀可以自动调温、恒温，能够与太阳能热水器、电热水器等绝大多数品牌的热水器结合使用，有较强的适应性，易于市场推广和应用。

参考文献：

[1]Ting Wang，Hao Wang.Design of Water Heating and Temperature Control System Based on STC89C52[J].Applied Mechanics and Materials，2015（734）：255-259..

[2]周琦.基于STM32F103C8T6单片機的LCD显示系统设计[J].科技风，2019（7）：54.

[3]罗小敏，麻淑婉，金长华，等.基于DS18B20温度传感器测温系统的研究与设计[J].轻工科技，2019（1）：50-51.

[4]薛晓珍.基于DS18B20温度控制器的设计[J].机械管理开发，2018（12）：201-202.

[5]赵汝和，黄晖，李小平，等.一种基于DS18B20传感器的温度测量系统的设计[J].科学技术创新，2018（31）：132-133.

[6]史士曼，高兴超，宋廷玉，等.太阳能沐浴恒温装置的设计[J].河北农机，2018（11）：66-68.

[7]徐大鹏，喻秋山，刘志勇.自动控温混水阀的设计与制作[J].物理实验，2017（9）：40-43.

[8]喻秋山，徐大鹏，刘志勇，等.一种自动控温混水阀系统的设计[J].长江大学学报（自科版），2017（9）：69-73.