一种全自动控温智能水阀的设计

引 言

电控阀作为执行元件在自动化越发普及的当代社会中应用十分广泛。随着智能用品的发展，其主要问题是降低产品成本以及迎合百姓需求。

目前较为常用的阀门主要有电动阀和电磁阀。对于采用电磁的电动阀来说，虽然可以用很短时间的脉冲电平完成开关动作，但其耗电量大，零功耗几乎不可能，且维护困难。市面在售的电控阀大多面向企业及工厂，少有适用于中小家庭和单位的设备。由于大多产品仅具有单一的电控功能，无法满足百姓的日常需求。因此解决产品面向对象、降低产品成本以及满足百姓所需就显得尤为重要。本文设计的这一控温智能阀门基本能够解决以上问题。

1 设计背景

水与人们的生活息息相关，在家庭中，小到洗菜做饭、洗衣养鱼，大到洗浴，各个方面都有水的身影，而随着四季变化， 我们对水温的要求也不断改变。目前市场中的水龙头水温控制大多基于人为操作，根据人体对水温的感应，不断调整冷水和热水的阀门使水温达到自己感到适宜的温度。这一过程不仅浪费了水资源，也无法快速达到人们满意的程度。通过全自动控温水阀，人们可通过触摸屏设置固定的温度，使初始水温达到自己的理想预期。此设备积极响应国家对于节水政策的倡导，避免浪费，且造价低廉，适合中小家庭安装使用。

2 系统组成与功能

2.1 系统组成

本系统主要由STC89C51 单片机、步进电机、温度传感器、液体涡轮流量计、阀位检测装置等模块及一些外设组成，系统结构如图 1 所示。系统还有显示及设置温度、智能温度助手等功能。

本系统采用STC 公司的STC89C51 单片机。该单片机的最高工作时钟频率为 80 MHz，片内含有 8 KB 的可反复擦写1 000 次的Flash 只读程序储存器，器件兼容标准MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和ISP Flash 存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC 端的控制程序可将用户程序代码下载进单片机内部，不必购买通用编程器，且速度更快。

通过单片机 STC89C51 实现对水阀内两个独立阀门（冷水阀门、热水阀门）的控制，并结合 WZP-PT100 温度传感器、液体涡轮流量计分别对水温和两个独立出水口流量进行实时监控，使用户出水口流出的水的温度达到用户预先设置的温度，并且在关闭用户出水口一段时间后再打开时，水温仍然可以保持。串行通信采用RS-232 接口。步进电机可以对位移量、旋转角度和转动速度等进行高精度控制，实现了水阀开度的自由控制。使用RS-232C 接口的通信线路在 15 m 左右可以达到正常的通信要求。RS-485 由于使用差分电平传输信号，传输距离比 RS-232C 更长，最多可达 1 000 m，且其数据抗干扰能力增强，通信范围更广，而软件设计却不需要进行大的改动， 可以考虑将其作为RS-232C 多机网络的替代方案。系统简图如图 2所示。

2.2 系统功能

该系统设计了三大功能，即智能温控功能、智能温度助手和串行通信功能。

2.2.1 智能温控功能

利用WZP-PT100 温度传感器对两个独立出水口水温进行实时检测。使用时可通过显示屏设定期望温度，温度传感器将监测到的冷水、热水温度传输给单片机。单片机根据PID 算法，启动步进电机使冷水、热水阀门以一定比例打开，使水温初步达到期望值。而流量计实时检测流量（现实生活中，水管中的水压是变化的），并反馈参数给单片机，温度传感器将检测到的实际水温反馈给单片机，并与期望水温相比，计算水温误差。单片机根据水温误差实时控制冷水、热水阀门的比例。

关于算法 ：设最终温度为 T，冷水为 T1，热水为 T2，吸收热量等于放出热量（水的比热相等）。 Q=CM1（T － T1）=CM2（T2－ T），解得 M1/M2=（T2－ T）/（T － T1），质量比转化为体积比，再根据流量传感器测得的流量比（体积比）求出阀门开启的范围大小（总流量一定），从而达到期望的温度。

2.2.2 智能温度助手

在触控面板内置有温度传感器，可实时监测装置所处环境的温度，然后根据单片机预置资料库程序，给予用户合适的水温建议，让用户省去了自己尝试水温的过程。

2.2.3串行通信功能

串行通信接口采用RS-232 接口。由于RS-232C 标准采用负逻辑，一般单片机均为 0 ～ 5 V 的正逻辑，故在电路上采用电平转换芯片MAX232，实现正电压、负电压的转换。本设计采用一个主机对多个从机的通讯方式。

软件流程主要包括系统初始化、温度检测及显示、阀门控制及阀位检测、RS-232 通信、中断处理（包括无水中断、手动中断及USART 双向通信中断）。单片机的时钟频率为 4 MHz，通信波特率设定为 19 200 波特。该系统的智能温控流程如图 3 所示。

3 与普通控水阀门的区别

全自动控温智能水阀与普通控水阀门相比有如下优点：

（1）用温度传感器检测出冷水和热水的温度，根据一定 比例调制出自己期望的水温。

（2）可以自动检温，实时显示水温。

（3）阀门自动检测功能。阀门、检测阀门实际位置的电位 器及步进电机三者相连，将阀门位置转换成电位器的电压。

（4）通过触摸屏人为设定固定水温，并根据温差反馈自 动调整水温使水温达到满意值。

（5）手动控制功能。当手动切换控制开关按下时，手动 中断发生，阀门将处于手动控制状态。

4 后期扩展

可以安装蓝牙射频模块，并编写控制面板 App，实现室 内对系统的无线控制。也可加载 WiFi 模块，在室外实现远程 控制，比如可以用手机端设置好理想的水温及出水量，回家 后就可以在第一时间泡热水澡。

5 结 语

水是生命之源，中国水资源已严重短缺，节约水资源刻 不容缓，因此大力推广节水新产品、应用节水新技术势在必行。 文中在分析了现有电控阀功能及面向对象的基础上，给出了一 种控温智能水阀的设计方案并简析了其工作原理。这种控温 阀能够使水温快速达到用户预想的温度，从而减少尝试的次 数与时间，减少对水资源的浪费。设计选择了合适的组件，降 低了造价成本，适合广大中小单位及家庭安装使用。结构简易， 便于维修。