基于PT100热敏电阻的温控水龙头设计

胡新文

摘要：基于PT100热敏电阻设计了一个低成本、高精度的温控电磁阀门开关，将之运用在普通热水水龙头上，以实现智能化控制水龙头可出热水的温度。研究过程中对水龙头出水口管道进行了改进以提高分离冷水的能力。最后进行实验来检测分析使用时水龙头口的热水温度误差，并利用软件模拟从锅炉到水龙头的水管内水温变化，来验证可节约的凉水的体积。本设计结构精简、功能可靠，在日常生活中可以有效地控制水龙头“筛选”热水的能力，起到了节约水源的作用。

关键词：温度检测;热敏电阻;电压比较器;智能温控水龙头;

引言

目前，我国还是一个极度缺水的发展中国家，但经济建设和环保节约都不容忽视，二者兼顾发展变得日渐重要。经调查发现，在学校、高速服务区等一些提供热水服务的地方，人们想要使用热水时，总会先打开水龙头让水流一会，等出口水温较高后再接水，而等待过程中的凉水就会流入下水道，这样就造成了水资源的大量浪费。基于节约用水的理念，本设计利用现有成熟的电子元件产品，将之和传统的家用热水龙头结合，使改造后的水龙头可以流出满足需求温度的热水，而且让原管内的冷水回流并回收到储水器中。在满足需求的同时又实现节约用水的功能，做到了生产低成本、节水高效益的实用价值。

1、设计方案

1.1设计原理

“智能温控回水龙头”是基于温度传感器进行一系列操控的。

测温触头被放置于出水管内部，测量待出水的温度。如果测得的温度低于提前设置的期望温度，则单片机接受信号后判定为“凉水”，此时由电磁阀门控制的温控开关则打开，判定的“凉水”回流到储水器中。凉水的流通路径如图2;如果测得的温度超过预设的期望温度，则单片机接受信号后判定为人们所需的“热水”，此时由电磁阀门控制的温控开关则关闭，“热水”从水龙头流出。热水的流通路径如图3。

1.2设备的各部分原理

1.2.1、温度传感器

温度传感器是基于热电阻的反馈电路，其核心部分有PT100热电阻、LM339电压比较器、2N5551三极管以及Songle继电器。它的功能是根据温度是否大于期望温度从而判断是否给电磁阀门220V的电压。

1.2.2、PT100热电阻

由于智能温控回水龙头的应用对象是水，所以我们的热电阻选用的温度应用范围是在-30°C-100°C，考虑到精确度与成本等因素，我们选用的是PT100热电阻，其阻值随温度升高而增大。部分电阻温度与电阻值对照表如下表1：

1.2.3、LM339电压比较器

LM339芯片具有以下特点：

（1）电压失调小，一般是2mV;

（2）Vcc电压范围宽，单电源为2-36V;

（3）输出端电位可灵活方便地选用;

只要两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，所以我们选择其作为我们的电压比较器。其功能是将热电阻PT100的阻值变化转化成高低电平的变化，即随温度变化，热电阻阻值也发生改变：当热电阻阻值大于120Ω时，输出高电平;当热电阻阻值小于120Ω时，输出低电平。（这里应当注意的是（1）LM339芯片的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，要想输出高低电平，在输出端到正电源一般须接一只电阻，称为上拉电阻，选3-15K欧姆（2）LM339芯片的最大驱动电流为16mA。）

1.2.4、Songle继电器

型号为SRD-05VDC-SL-C，额定功率为0.45W，工作电压为5V，工作电流为90mA。其功能是当输入线圈的电压大于5V，电流大于90mA即功率大于0.45W时，继电器中线圈通电，带有磁性，使触点吸合;否则继电器触点处于断开状态，从而实现开关功能。

1.2.5、2N5551三极管

三极管选用的是2N5551三极管，其封装为TO92;极性为NPN;主要参数有最大工作电压160-180V，最大工作电流0.6A，最大功率625mW，最高截止频率100-300MHz，直流电流放大系数80-250。其功能是放大电压比较器输出的电流。

由于电压比较器的输出电流较小（最大为16mA），无法直接驱动继电器（工作电流90mA）使其工作，所以需要附加一个三极管放大电流，使用方式为将三极管的基极接电压比较器输出端，集电极接地，发射极接继电器。

1.2.6、最终电路的确定

为了更好地确定其电路，我们在电脑上使用电路仿真软件Proteus 8 对电路进行测试，最终得到了满足需求的电路。具体电路如图4。

（1）其中各部分电阻阻值和元件分别为：

RV1：使用滑动电阻器代替热电阻;

R16：基准电阻，其阻值为120Ω，因为期望温度为60℃，热电阻在60℃时对应的阻值为123.24Ω;

R1和R2：12kΩ，因为滑动变阻器和基准电阻相比R1和R2较小，对电路的电流没有影响，所以该支路电流不会随着热电阻阻值的变化而变化，始终为0.5mA;

R3：作为电压比较器的正反馈，用作缓冲器以消除温度波动带来的振荡。

R4：4.7kΩ，作为上拉电阻，因为LM339芯片的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，要想输出高低电平，在输出端到正电源之间一般须接一只上拉电阻，选择范围是3-15KΩ。

D1：电路中与继电器并联的1N5408二极管是续流二极管，其作用是防止直流线圈断电时，产生自感电势形成的高电压对三极管造成损害。

B1：6V直流电源。

（2）電路的两种工作状态：

I：当热电阻的探头温度小于60°C时，热电阻阻值小于基准电阻120Ω，其上的分压也较小，那么电压比较器输出低电平，三极管的基极没有电流输入，此时继电器触点断开。电路如图5：

II：当热电阻的探头温度大于60°C时，热电阻阻值大于基准电阻120Ω，其上的分压也变大，那么电压比较器输出电势为高电平，此时三极管的基极有电流输入，经过三极管放大后使继电器触点闭合。电路如图6：

1.3回水龙头外观的确定

最初设计时选择使用6分（内直径240.5 mm）的PPR水管以及接头与之匹配的电磁阀门组成回水龙头，如下图7。 但是，在实际实验中我们发现水流动的实际情况与最初想象的不一样：当凉水流入水龙头时，因为在电磁阀门处受到较大的局部阻力，部分凉水会从水龙头的热水出口流出。经过讨论我们决定增加热水出口部分的管道阻力，将水龙头的热水出口的管道改成4分管（内径19.5?0.3 mm）并增加一个弯道，来阻断冷水的流出，具体形状如下图8

2、试验模拟

我们对实际的锅炉供水方式进行了简化和模拟。我们首先使用画图软件Gambit 2.4.6绘制了简化的锅炉（2m*3m）、管道（0.06m*10m）以及使锅炉内的水维持在373k的热源（2m*3m的高温金属）。为了绘制和计算方便，我们忽略了水的压力和管道阻力等对结果影响不大的因素。并使用仿真软件Fluent 15.0进行了模拟，得到了验证所需的数据。

2.1 回水龙头方案的可行性验证

为了证明我们的方案具有实施价值，即输水管道中的热水确实会不断与外界进行换热变冷，我们进行了仿真模拟。我们设置的初始条件为：管道内水的初温为373k，管壁与外界的换热为自然对流换热且计算得到换热系数为10，外界环境温度依次设置为263k、273k、283k、293k。下图是外界温度为273k时，将温度显示区间设置为273-373k后模型管道中水的温度分布情况。

我们记录并处理了模拟所得数据，最后发现输水管道中的热水确实在不断变冷，且外界温度越低，管内水温变化越快，热水温度低到期望温度60℃以下所需时间越短。外界温度不同时，管道出口处水温随时间的变化如下图11，并据此，我们认为智能温控回水龙头的研发是有价值的，它的使用可以节约水资源。

2.2 回水龙头方案的必要性验证

我们在前文中对回水龙头方案的可行性进行了验证，但是是否只有水龙头处的水会变凉，我们仍需进一步的模拟计算。我们设置的初始条件为：管道内水的初温为373k，管壁与外界的换热为自然对流换热且计算得到换热系数为10，外界环境温度设置为273k。经过了不同时间后，管内水温沿着管程的变化如下图12：

我们可以看出，由于管道两端与管道中间部分水的换热条件不同，两端水温与管道中间部分有较大差异，但是两端换热条件对管道中间部分水的温度影响不大，其绝大部分管程水的温度都是相同的。

例如，在经过10800s（3h）后，其绝大部分管程温度约为324.16k，其中温度高于324k的为接近锅炉的一端长度仅为0.105m，温度低于324k的为接近水龙头的一端长度仅为0.17m，因此为了计算方便可以近似认为此时管道内水的温度均为324.16k。所以我们认为在外界温度为273k时，只要热水房在三小时内没有人接热水的话，整个管道内的水就会散发热量并变凉从而被浪费掉，那么一次提供热水服务即可节约用水为一所高校内通常会配备3到4个热水房，若这些热水房从锅炉到水龙头都配有30m长的输水管，并且每天至少早、中、晚期间提供三次热水服务，那么使用我们的智能温控回水龙头则能够在一年内节约的水源量约为300。以北京市为例，其高校林立、人口众多，但是水资源匮乏，如果市内的93所院校水房都使用智能温控回水龙头，一年可以节约近30000的水资源，可以供约两万人的一个月生活用水，其数量及其可观。

3、结论

经过多个仿真软件的模拟以及最后实际试验所得到的数据可以表明，虽然使用了PT100热敏电阻等成本较低的电子元件，但是经过完善的结构组合设计，智能温控回水龙头可以有效地实现水温的检测与水流的开关控制。在我国一些水源稀缺地区推广智能温控回水龙头可以节约大量的水资源，有利于缓解水资源匮乏的现状，它的研发与推广对水资源的可持续发展起到有效的促进作用。

参考文献

[1]秦曾煌，电工学（第七版）（下册）[M]电子技术.高等教育出版社，2011.

[2]黄贤武，郑筱霞，传感器原理与应用[M].电子科技大学出版社，1999.

[3]PT100铂电阻温度对照表[EB/OL].（2020-01-02）[2020-01-30] http：//www.szsmyg.com/news/news_show/nid-1256.

[4]张静秋，韩玉玮.基于Multisim的滞回电压比较器的设计及其应用[J].电子制作，2016（21）：10-12+17.

[5]刘宇琦，樊丁，彭凯.Pt100热敏電阻传感器的数字仿真模块设计[J].科学技术与工程，2013，13（22）：6641-6645.

[6]陶文铨，杨世铭，传热学（第五版）[M].高等教育出版社，2019.