基于單片機的自適應(yīng)電開水機設(shè)計

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

0 引言
電開水機具有清潔、高效、安裝簡便等特點，因此被廣泛應(yīng)用在學(xué)校、工廠、機關(guān)、賓館等場所，為人們飲水提供了便利。目前市售的電開水機，通常由儲水箱、加熱器、進水閥等部件組成，結(jié)構(gòu)簡單，功能單一。使用這些電開水機可能存在兩個嚴(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。
飲水機長時間開機，特別是在不用水的待機時間段，會反復(fù)地給熱膽中的水加熱，形成“干滾水”。同時，目前市場上銷售的大都是有膽飲水機，靠著熱膽對水進行加熱，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明顯升高，進而增加了“干滾水”中有害物質(zhì)的濃度。實驗表明，“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)，長期飲用會影響人的腸胃功能。

1 系統(tǒng)概述
本文設(shè)計的開水機在非用水階段如夜晚時間，開水機停止加熱，到早晨上班前，開水機自動排干水箱中剩余水，加入新水重新加熱，直到燒開。白天工作時間，能夠根據(jù)每個用戶的用水情況，調(diào)整各個時間段的燒水量，達到健康與節(jié)能雙重效果。由于每個用戶每個時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，確定燒水時間和燒水量，達到了較好的健康與節(jié)能效果。

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

3 硬件電路設(shè)計
圖2硬件電路結(jié)構(gòu)圖，硬件電路以微控制器為核心，包括兩個水位傳感器、兩個加熱管、一個進水閥、一個連接閥、一個排水閥和一個出水閥，還有一個直流電源、一個人機交換裝置和一個實時時鐘電路。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，可以自制分級的液位開關(guān)替代，進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)碼管或簡易液晶屏。
實時時鐘采用SD2058芯片，該芯片是一種具有標(biāo)準(zhǔn)IIC接口的實時時鐘芯片，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／報警中斷輸出，報警中斷時間最長可設(shè)至100年；內(nèi)置時鐘精度數(shù)字調(diào)整功能，可以在很寬的范圍內(nèi)校正時鐘的偏差(-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，實現(xiàn)在寬溫范圍內(nèi)高精度的計時功能；該芯片還具有獨立的32768Hz方波脈沖輸出腳。
在本系統(tǒng)中，微控制器的主要任務(wù)是記錄各個單位時間的用水量，并總結(jié)用水規(guī)律，確定下階段燒水量和燒水時間，因此在選型時主要考慮微控制器的存儲器空間。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
微控制器每十分鐘記錄一次用水量，每天需要144個字節(jié)存儲用水量，STC12C5A16S2單片機具有45k的EEPROM，約可記錄3個月每個時間段的用水量。
系統(tǒng)首次運行時，始終保持儲水箱2內(nèi)有充足的開水。當(dāng)運行至第二天時，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)已運行多日時，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)對用戶突然增加時的用水量，系統(tǒng)儲水保有一定余量，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，過大會造成開水浪費。系統(tǒng)還設(shè)計了手動強制燒水，用于特殊情況時的應(yīng)對，該情況的用水量也計入自適應(yīng)采樣數(shù)據(jù)。

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