基于單片機(jī)的自適應(yīng)電開水機(jī)設(shè)計(jì)

摘要：本電開水機(jī)采用自適應(yīng)的方式，模擬人工總結(jié)用戶的用水規(guī)律，合理確定燒水時(shí)間與燒水量，在非用水時(shí)間段停止加熱，解決了混合水和干滾水的問題，較好的達(dá)到了健康與節(jié)能的雙重效果。
關(guān)鍵詞：自適應(yīng)；電路設(shè)計(jì)；電開水機(jī)；單片機(jī)

0 引言
電開水機(jī)具有清潔、高效、安裝簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在學(xué)校、工廠、機(jī)關(guān)、賓館等場(chǎng)所，為人們飲水提供了便利。目前市售的電開水機(jī)，通常由儲(chǔ)水箱、加熱器、進(jìn)水閥等部件組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能單一。使用這些電開水機(jī)可能存在兩個(gè)嚴(yán)重的后果，一是存在陰陽水(生水與開水混合后的水)，二是存在干滾水(反復(fù)燒開的水)。陰陽水的問題在大多數(shù)開水機(jī)中通過一些特殊的分離結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到解決，但干滾水問題目前尚無較好的解決辦法。
飲水機(jī)長時(shí)間開機(jī)，特別是在不用水的待機(jī)時(shí)間段，會(huì)反復(fù)地給熱膽中的水加熱，形成“干滾水”。同時(shí)，目前市場(chǎng)上銷售的大都是有膽飲水機(jī)，靠著熱膽對(duì)水進(jìn)行加熱，而熱膽的材質(zhì)又多為不銹鋼或鋁殼，如果反復(fù)加熱，水中的鐵、鋁、銨等亞硝酸鹽含量會(huì)明顯升高，進(jìn)而增加了“干滾水”中有害物質(zhì)的濃度。實(shí)驗(yàn)表明，“干滾水”的化學(xué)成分已經(jīng)發(fā)生了很大變化，滋生出重金屬等有害物質(zhì)，長期飲用會(huì)影響人的腸胃功能。

1 系統(tǒng)概述
本文設(shè)計(jì)的開水機(jī)在非用水階段如夜晚時(shí)間，開水機(jī)停止加熱，到早晨上班前，開水機(jī)自動(dòng)排干水箱中剩余水，加入新水重新加熱，直到燒開。白天工作時(shí)間，能夠根據(jù)每個(gè)用戶的用水情況，調(diào)整各個(gè)時(shí)間段的燒水量，達(dá)到健康與節(jié)能雙重效果。由于每個(gè)用戶每個(gè)時(shí)間段的用水情況不盡相同，但通常存在一定的規(guī)律性，所以本文設(shè)計(jì)的電開水系統(tǒng)采用自適應(yīng)方式，模擬人工總結(jié)用戶用水規(guī)律，確定燒水時(shí)間和燒水量，達(dá)到了較好的健康與節(jié)能效果。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)
圖1電開水機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，為徹底解決陰陽水的問題，本裝置采用了兩個(gè)儲(chǔ)水箱和加熱管，儲(chǔ)水箱1用于燒水，儲(chǔ)水箱2用于保存開水，加熱管2用于保溫作用。進(jìn)水閥開啟可以將自來水放入儲(chǔ)水箱1，當(dāng)儲(chǔ)水箱1水燒開后，通過連接閥將水注入儲(chǔ)水箱2，出水閥用于向用戶供水，排水閥用于將儲(chǔ)水箱2中的剩水排盡。

3 硬件電路設(shè)計(jì)
圖2硬件電路結(jié)構(gòu)圖，硬件電路以微控制器為核心，包括兩個(gè)水位傳感器、兩個(gè)加熱管、一個(gè)進(jìn)水閥、一個(gè)連接閥、一個(gè)排水閥和一個(gè)出水閥，還有一個(gè)直流電源、一個(gè)人機(jī)交換裝置和一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。水位傳感器采用高溫投入式液位傳感器，如果為了降低成本，可以自制分級(jí)的液位開關(guān)替代，進(jìn)水和排水閥用高溫電磁閥，顯示屏使用帶漢字庫的12864型液晶屏，如果考慮成本，還可使用數(shù)碼管或簡(jiǎn)易液晶屏。
實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用SD2058芯片，該芯片是一種具有標(biāo)準(zhǔn)IIC接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，CPU可使用該接口通過6位地址尋址來讀寫片內(nèi)64字節(jié)寄存器的數(shù)據(jù)。SD2058內(nèi)置單路定時(shí)／報(bào)警中斷輸出，報(bào)警中斷時(shí)間最長可設(shè)至100年；內(nèi)置時(shí)鐘精度數(shù)字調(diào)整功能，可以在很寬的范圍內(nèi)校正時(shí)鐘的偏差(-189ppm～+189ppm，分辨率3．05ppm)，并且通過外置的溫度傳感器可設(shè)定適應(yīng)溫度變化的調(diào)整值，實(shí)現(xiàn)在寬溫范圍內(nèi)高精度的計(jì)時(shí)功能；該芯片還具有獨(dú)立的32768Hz方波脈沖輸出腳。
在本系統(tǒng)中，微控制器的主要任務(wù)是記錄各個(gè)單位時(shí)間的用水量，并總結(jié)用水規(guī)律，確定下階段燒水量和燒水時(shí)間，因此在選型時(shí)主要考慮微控制器的存儲(chǔ)器空間。本系統(tǒng)選用宏晶科技有限公司最新產(chǎn)品STC12C5A16S2，該芯片具有16k Flash程序存儲(chǔ)器，1280字節(jié)SRAM，45k的EEPROM，有8路10位A／D轉(zhuǎn)換器，LQFP44封裝，只需人民幣5元。

4 軟件設(shè)計(jì)
微控制器每十分鐘記錄一次用水量，每天需要144個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)用水量，STC12C5A16S2單片機(jī)具有45k的EEPROM，約可記錄3個(gè)月每個(gè)時(shí)間段的用水量。
系統(tǒng)首次運(yùn)行時(shí)，始終保持儲(chǔ)水箱2內(nèi)有充足的開水。當(dāng)運(yùn)行至第二天時(shí)，控制系統(tǒng)首先根據(jù)前一天的用水情況，初步確定當(dāng)日的燒水情況，當(dāng)系統(tǒng)已運(yùn)行多日時(shí)，控制琴根據(jù)前階段每日的用水曲線，結(jié)合前一日的用水情況確定燒水時(shí)間和燒水量。系統(tǒng)嘗試以周為周期總結(jié)用水規(guī)律。為應(yīng)對(duì)用戶突然增加時(shí)的用水量，系統(tǒng)儲(chǔ)水保有一定余量，該余量可以自適應(yīng)生產(chǎn)，也可以人為設(shè)定，余量應(yīng)適中，過大會(huì)造成開水浪費(fèi)。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了手動(dòng)強(qiáng)制燒水，用于特殊情況時(shí)的應(yīng)對(duì)，該情況的用水量也計(jì)入自適應(yīng)采樣數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語
本系統(tǒng)運(yùn)行初期可能會(huì)留有較大的用水余量，造成較大的水資源浪費(fèi)，運(yùn)行穩(wěn)定后，浪費(fèi)將減小到較低限度。本系統(tǒng)在規(guī)律性越強(qiáng)的場(chǎng)所使用效果越好，在突變性較大的場(chǎng)所會(huì)有一定的資源浪費(fèi)，但同樣具有健康與節(jié)能的效果。