基于PIC32的太陽能熱水器恒溫混水裝置

　　一、摘要

　　在太陽能熱水器流出的熱水，與自來水管流出的冷水混合流出過程中，由于普通機械式混水閥具有物理缺陷，導致最終的水溫不易調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后不能穩(wěn)定，中斷后又要重新調(diào)節(jié)。本項目針對這一問題，希望通過PIC32單片機，設計出能自動調(diào)節(jié)，穩(wěn)定出水，水溫恒定的數(shù)字混水閥，讓太陽能熱水器的使用更加便利舒適，同時還能減少水資源的浪費。本項目具有很高的應用價值與不錯的市場潛力。

　　二、項目的立項依據(jù)

　　當前，在國家大力發(fā)展新能源的大環(huán)境下，水能、太陽能、生物質(zhì)能等的開發(fā)利用得到了格外的重視。在這些領域中，太陽能熱水器則是太陽能成果應用中的一大產(chǎn)業(yè)，它以環(huán)保、安全、節(jié)能、衛(wèi)生等優(yōu)點，迅速贏得了廣大消費者的青睞。

　　2008年3月18日發(fā)布的《可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》明確提出，到2010年，太陽能熱水器累計安裝量達到1.5億平方米。此外，在新農(nóng)村建設中，不少地方都給予了不同程度的補貼，每臺太陽能熱水器多則補貼千元，少則一二百元。由此可以看出太陽能熱水器未來的發(fā)展前景是非常好的。

　　自2001年到2006年太陽能熱利用產(chǎn)業(yè)取得快速發(fā)展至今，太陽能熱水器的銷量每年都能略有增長或保持穩(wěn)定。這期間，它的不少缺點也在持續(xù)的改進中。

　　在太陽能熱水器的諸多部件中，有一個是用戶們最經(jīng)常接觸的，那就是混水閥——在洗浴過程中使用的閥門。它的一些缺陷也是用戶們最能直接體會到的：

　　一、普通機械混水閥非常的難以調(diào)解：用手進行的一個幅度很小的扭動可能會導致很大的水溫變化。

　　二、水溫的確定依靠人的感覺：這方面的主要問題在于用戶調(diào)節(jié)閥門后還要等很長一段時間才能確定真正的水溫，因為調(diào)節(jié)后的水從混水點流至噴頭處還有不短的距離。如果不合適還要再進行調(diào)整，不僅耗費時間，還很浪費水資源。

　　三、用戶如果中斷洗浴(例如需要涂抹浴液時)則需要關閉閥門，繼續(xù)洗浴則要再次進行調(diào)節(jié)。這樣一來，有不少用戶為了減少不便，甚至在不使用水的過程中也不關閉閥門，極大地浪費了水資源。

　　四、目前的太陽能熱水器，大多為落水式，即熱水管中的水壓完全由水在熱水器安置高度與用戶所在高度之間形成壓力提供。這樣的水壓提供方式往往不穩(wěn)定，并且如果樓層高則較小，再加之自來水管水壓的不穩(wěn)定，導致普通機械混水閥無法控制洗浴過程中水的壓力變化，最終的表現(xiàn)是：出水忽冷忽熱。

　　因此，研發(fā)“太陽能熱水器恒溫混水閥”的十分必要。這項成果，不僅具有廣闊的市場前景，同時也能節(jié)約水資源。

　　當前，雖然也有一些公司推出了“恒溫混水閥”，但多數(shù)都是使用熱應變能力強的金屬做彈簧或杠桿驅(qū)動閥門變化，這樣的改進雖取得一些進步，但仍然保留著機械式閥門的一些缺點，例如：不能實現(xiàn)精確地溫度控制，仍然需要用戶等待來測試水溫，并且對于水壓的調(diào)節(jié)能力也有限(體現(xiàn)在溫度調(diào)節(jié)范圍有限)。當前，也有一些數(shù)字類產(chǎn)品克服了這些缺點，但集成度往往很高，通常與太陽能熱水器搭配銷售。僅僅有幾款數(shù)字混水閥可以單獨銷售，但技術手段過于復雜，設備過于龐大(例如加裝水箱充當削減水壓影響的緩沖裝置)，導致銷售價格卻出奇的高，難以被市場普遍接受，銷路很差。

　　所以，如果可以開發(fā)出成本相對較低而性能優(yōu)良的數(shù)字恒溫混水閥，必定有廣泛的市場前景與應用價值。

　　第二部分：簡要項目陳述

　　一、項目的研究內(nèi)容

　　1、出水溫度測量

　　理想情況下希望電磁閥開度的變化能實時體現(xiàn)在混水點處溫度的變化上。所以，電磁閥與溫度傳感器都要放置在距離混水點盡可能近的位置上。但是，若溫度傳感器與混水點距離過近，可能會測到在冷熱水混合不充分時的水溫。因此，二者間必須要有一定的距離，使水充分混合，這樣一來，傳感器只能測到真正流過電磁閥一段距離后的水溫，不能達到理想狀態(tài)。雖然中間距離比普通機械式混水閥小很多，但若要實現(xiàn)實時的反饋調(diào)節(jié)，這之間的誤差要盡可能減小。

　　2、閥門控制算法

　　通過DS18B20溫度傳感器可以獲得精度相對很高的溫度測量結(jié)果，并且直接以數(shù)字形式串行發(fā)送給PIC32單片機。單片機經(jīng)過計算后，可以根據(jù)當前用戶設定的水溫值來決定冷水閥和熱水閥開度變化的時刻，直至兩個閥門的開度調(diào)節(jié)到合適位置，流出噴頭的水溫恒定在設定值。

　　此外，若要使最終的出水量和水溫穩(wěn)定，必須要考慮的一個重要影響是水壓?，F(xiàn)在的太陽能熱水器普遍采用落水式安裝方法，水壓往往不穩(wěn)定，同時，如果用戶所住樓層較高，則熱水管自身的水壓太小，再加之自來水水壓不時的變化，最終導致了噴頭出水水溫的忽冷忽熱，忽大忽小，嚴重的還會導致熱水管道中水的回流。

　　3、閥門開度控制

　　調(diào)節(jié)出水量最直接的方法是通過控制閥門開度。本項目的混水裝置中涉及到兩個閥門的控制問題，進行流量調(diào)節(jié)時，不僅要能實現(xiàn)流量穩(wěn)定在設定值，更重要的是使出水溫度也穩(wěn)定在設定值。

　　4、整合項目，使測量單元，數(shù)據(jù)處理單元，控制單元能恰當配合。最后進行測試調(diào)整，達成預期的研究目標。　　二、項目的研究目標

　　1、利用PIC32設計出合適的計算方法，要使處理后的溫度數(shù)據(jù)能盡量減小由于混水點和溫度傳感器的距離而造成的測量延遲。

　　2、設計出合適的單片機程序，使其在溫度低于設定值的時候增大熱水管電磁閥的開度或減小涼水管電磁閥的開度;反之，在溫度高于設定值的時候增大涼水管電磁閥的開度或減小熱水管電磁閥的開度。

　　3、在達成上述條件的同時，不能對噴頭最終的出水量造成影響，使系統(tǒng)在調(diào)節(jié)溫度的同時，保持水流量的穩(wěn)定。例如，不能出現(xiàn)下述情況：因水溫過熱，熱水管電磁閥開度減小，而涼水管電磁閥開度不變，最終使溫度調(diào)整到設定值，但出水量卻減小。

　　4、通過間接方法，消減水壓對于水溫和流量控制的影響。

　　三、有關方法

　　1、裝置的測量部分有：溫度測量部分和流量測量部分。溫度測量部分為DS18B20溫度傳感器，放置在混水口之后，冷熱水已經(jīng)充分混合均勻的位置處，測量水溫。此傳感器精度較高，并可直接將溫度數(shù)據(jù)串行發(fā)送至PIC32，數(shù)據(jù)處理起來非常方便。流量測量部分為葉輪式流量計，放置在溫度傳感器之后。它可將水的流量情況直接以脈沖信號傳送給單片機，根據(jù)簡單的公式計算后即可得到實際的液體流量。通過測定流量：其一，引入了一個已知數(shù)據(jù)量，可以使兩個電磁閥在調(diào)節(jié)水溫的同時，進行流量的調(diào)節(jié)，使二者全部穩(wěn)定在設定值;其二，水壓的影響在一定程度上體現(xiàn)在對水流量的影響上，通過測定液體流量，可以間接地消減水壓變化對裝置的影響。

　　1、裝置的測量部分有：溫度測量部分和流量測量部分。溫度測量部分為DS18B20溫度傳感器，放置在混水口之后，冷熱水已經(jīng)充分混合均勻的位置處，測量水溫。此傳感器精度較高，并可直接將溫度數(shù)據(jù)串行發(fā)送至PIC32，數(shù)據(jù)處理起來非常方便。流量測量部分為葉輪式流量計，放置在溫度傳感器之后。它可將水的流量情況直接以脈沖信號傳送給單片機，根據(jù)簡單的公式計算后即可得到實際的液體流量。通過測定流量：其一，引入了一個已知數(shù)據(jù)量，可以使兩個電磁閥在調(diào)節(jié)水溫的同時，進行流量的調(diào)節(jié)，使二者全部穩(wěn)定在設定值;其二，水壓的影響在一定程度上體現(xiàn)在對水流量的影響上，通過測定液體流量，可以間接地消減水壓變化對裝置的影響。

　　2、裝置的輸出部分為分別安置在冷水管道中和熱水管道中的兩個電磁閥。對于閥門的調(diào)整，為雙輸入(水溫，水流量)雙輸出(兩個電磁閥的開度)，較為復雜，可使用一下思路進行：

　　A、若水溫過高，則增大冷水閥開度，直至溫度降到預設值。之后按照實際水流量與設定流量的比值同時減小冷熱水閥的開度，直至流量達到預設值。如果在調(diào)整流量過程中水溫發(fā)生變化，則返回前一環(huán)節(jié)進行調(diào)節(jié)，直至穩(wěn)定。

　　B、若水溫過低，則以與A過程相反的方式進行調(diào)節(jié)。

　　C、若水流量過大，則按照實際水流量與設定流量的比值同時減小冷熱水閥的開度，直至流量達到預設值。這時再以過程A或B進行調(diào)節(jié)，直至穩(wěn)定。

　　D、若水流量過高，則以與C過程相反的方式進行。

　　這樣，可以在溫度調(diào)節(jié)好的基礎上，同時保持流量的恒定。

　　3、裝置的顯示部分采用七段數(shù)碼管。分別顯示當前的水溫、水溫預設值以及流量預設值。用戶可以通過按鍵調(diào)節(jié)預設值。這樣一來能使用戶直觀的了解當前太陽能熱水器的指標，非常人性化。

　　4、水壓影響是整個系統(tǒng)中最難處理的一部分。水壓對于水溫和流量的影響都是不小的，對于這一部分，現(xiàn)在的構想有兩步可以對其進行削弱：

　　A、流量傳感器：水壓的影響在一定程度上體現(xiàn)在對水流量的影響上，通過測定液體流量，可以間接地消減水壓變化對裝置的影響。

　　B、電磁閥采用單向電磁閥，抑制由于一方水壓過大而造成的回流情況。

　　六、預期成品結(jié)構

　　1、最上部分為兩根管道，熱水管接太陽能熱水器，冷水管接自來水管。

　　2、兩根管道分別安置一個單向電磁閥。

　　3、箱體內(nèi)部，按水流過的順序，封裝有DS18B20溫度傳感器，葉輪式流量計。

　　4、箱體內(nèi)部同時還封裝有PIC32，獨立按鍵以及其它必要的電子器件。

　　5、經(jīng)過混水后，從出水管道流出。