本實(shí)用新型涉及機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)控制領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種基于STM32的定時(shí)變量開水器。

背景技術(shù)：

在工礦企業(yè)、學(xué)校、圖書館、學(xué)生宿舍諸多單位均配備有開水器；市面上銷售的開水器有沸騰式開水器、步進(jìn)式開水器等多種開水器，但開水器或多或少均存在著以下不足:(1)日常供水量大于需求，始終處于滿水位運(yùn)行，從而導(dǎo)致電能損耗嚴(yán)重,存在耗電量大的情況；(2)由于其供水過(guò)多導(dǎo)致余量增多，而保溫性能不好，導(dǎo)致開水器需要對(duì)過(guò)多余量的水反復(fù)多次加熱，同時(shí)存在著冷熱水混合加熱的情況，產(chǎn)生不利于健康的因素；(3)開水器保溫效果較差，熱量散失嚴(yán)重，而且對(duì)這部分熱量沒(méi)有進(jìn)行有效地循環(huán)再利用。

目前，市面上存在一種新型的即熱式開水器，但這種開水器出水速度慢，不能滿足集中供水的需求；同時(shí)還有一種新型的磁能定時(shí)變量開水器，這種開水器采用磁能加熱，雖然省電，但是由于新的加熱技術(shù)在市場(chǎng)上普遍反映可靠性不夠高，同時(shí)售價(jià)昂貴，難以推廣；該開水器定時(shí)變量供水是人為設(shè)置時(shí)間段和高、中、低水位，時(shí)間和供水準(zhǔn)確性較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了避免現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，克服傳統(tǒng)熱水器全部時(shí)間內(nèi)滿水位運(yùn)行，從而造成耗電及熱量的浪費(fèi)問(wèn)題，本實(shí)用新型提出一種基于STM32的定時(shí)變量開水器。該開水器采用多個(gè)水箱體對(duì)散失或即將散失的熱量進(jìn)行二次利用，根據(jù)實(shí)際需要定時(shí)變量供水，精準(zhǔn)控制煮水量，減少功耗。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:包括涼水箱、煮水箱、自來(lái)水箱、儲(chǔ)水箱、水位傳感器、電磁閥、換熱器、浮球閥，其特征在于采用多個(gè)水箱固定在箱體框架內(nèi)，水箱之間通過(guò)電磁閥控制，箱體頂部有限壓閥，箱體側(cè)壁下部開有進(jìn)水口；所述煮水箱位于自來(lái)水箱的下面，煮水箱內(nèi)設(shè)有第一加熱管，第一水位傳感器固定在煮水箱內(nèi)頂部，煮水箱用于對(duì)水進(jìn)行煮沸，并將煮沸的開水注入儲(chǔ)水箱內(nèi)；煮水箱上部有兩個(gè)熱交換器固定在自來(lái)水箱內(nèi)，通過(guò)熱交換器將熱量傳導(dǎo)給自來(lái)水；所述儲(chǔ)水箱內(nèi)設(shè)有第二加熱管，兩個(gè)加熱管橫向排列間距為83mm，第二水位傳感器固定在儲(chǔ)水箱內(nèi)頂部，儲(chǔ)水箱用于儲(chǔ)存煮水箱煮沸的開水并對(duì)其保溫；所述涼水箱與所述儲(chǔ)水箱分別位于煮水箱的下面,涼水箱與儲(chǔ)水箱之間由單向電磁閥控制，涼水箱與儲(chǔ)水箱底部分別有第一排水口、第二排水口；涼水箱內(nèi)設(shè)有第一換熱器,第一換熱器一端與進(jìn)水口連接,另一端與自來(lái)水箱內(nèi)浮球閥連接,浮球閥用來(lái)控制閥門的開閉，自來(lái)水箱內(nèi)浮球閥控制水位不低于85mm；涼水箱用于儲(chǔ)存煮沸的開水，并對(duì)用戶提供涼開水；工作時(shí)STM32通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器設(shè)置時(shí)間使超聲波模塊HC-SR04對(duì)水箱的水位進(jìn)行采樣，STM32通過(guò)讀取超聲波模塊返回的高電平的持續(xù)時(shí)間，得出注水時(shí)間與注水量，并將數(shù)據(jù)通過(guò)SPI總線傳輸給W25Q64存儲(chǔ)器保存；STM32通過(guò)SPI總線讀取W25Q64的數(shù)據(jù)，在規(guī)定的時(shí)間給水箱注入規(guī)定的水量；STM32微控制器通過(guò)發(fā)出PWM波或電平信號(hào)，控制繼電器導(dǎo)通或斷開，控制電磁閥的導(dǎo)通或斷開，進(jìn)而控制注水與否；STM32微控制器輸出另一路PWM波或電平信號(hào)，控制繼電器導(dǎo)通或斷開，控制加熱與否；同時(shí)，溫度傳感器將讀出的溫度數(shù)據(jù)傳回至STM32微控制器，與設(shè)定的溫度進(jìn)行比對(duì)決定是否加熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度閉環(huán)控制；STM32通過(guò)內(nèi)部的靜態(tài)存儲(chǔ)控制器操作TFT-LCD，實(shí)時(shí)地顯示各模塊運(yùn)行狀態(tài)與溫度，水位參數(shù)；同時(shí)通過(guò)UASRT串口與PC端進(jìn)行通訊返回各狀態(tài)與參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行。

所述第一加熱管為多個(gè)，每個(gè)加熱管為750W,每?jī)蓚€(gè)加熱管間距為75mm。

自來(lái)水箱、煮水箱、涼水箱與儲(chǔ)水箱外部包覆聚氨酯材料，隔絕各水箱之間與外部環(huán)境的熱交換。

所述第二換熱器采用紫銅材料。

有益效果

本實(shí)用新型提出的一種基于STM32的定時(shí)變量開水器，采用多個(gè)水箱體進(jìn)行熱量再利用，根據(jù)實(shí)際需要定時(shí)變量供水，精準(zhǔn)控制煮水量，避免了耗電及熱量的浪費(fèi)現(xiàn)象。

本實(shí)用新型定時(shí)變量開水器可減少熱量散失并回收熱量；開水器采用雙聚能加自來(lái)水雙重預(yù)熱設(shè)計(jì)，在自來(lái)水注入自來(lái)水箱的過(guò)程中，管道經(jīng)過(guò)涼水箱，吸收涼水箱內(nèi)的余熱，預(yù)熱自來(lái)水并加速?zèng)鏊鋬?nèi)水的降溫。煮水期間，蒸汽通過(guò)自來(lái)水箱內(nèi)的熱交換器對(duì)自來(lái)水進(jìn)行預(yù)熱；水箱體包覆保溫材料保證熱量的散失減小到最低。

本實(shí)用新型定時(shí)變量開水器可提供健康用水；開水器分時(shí)段變量供水有效地避免千滾水的產(chǎn)生，多箱體的設(shè)計(jì)將熱水和涼水完全隔離開，避免了陰陽(yáng)水的產(chǎn)生。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型一種基于STM32的定時(shí)變量開水器作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

圖1為本實(shí)用新型定時(shí)變量開水器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型定時(shí)變量開水器結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。

圖3為本實(shí)用新型定時(shí)變量熱水器結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖4a、圖4b為本實(shí)用新型定時(shí)變量開水器的自來(lái)水箱換熱器示意圖。

圖5a、圖5b為本實(shí)用新型定時(shí)變量開水器的水位測(cè)量電路圖。

圖6為本實(shí)用新型定時(shí)變量開水器的水位信息存儲(chǔ)電路圖。

圖7a、圖7b為本實(shí)用新型定時(shí)變量開水器的電磁閥控制電路圖。

圖8a、圖8b為本實(shí)用新型定時(shí)變量開水器的加熱控制電路圖。

圖9a、圖9b為本實(shí)用新型定時(shí)變量開水器的溫度采集電路圖。

圖10為本實(shí)用新型定時(shí)變量開水器的顯示模塊電路圖。

圖中

1.第一排水口 2.進(jìn)水口 3.第一換熱器 4.涼水箱 5.保溫層 6.第一加熱管7.煮水箱 8.浮球閥 9.自來(lái)水箱 10.第二換熱器 11.限壓閥 12.第一電磁閥13.第一水位傳感器 14.第二電磁閥 15.第二水位傳感器 16.儲(chǔ)水箱 17.第二加熱管18.第二排水口

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例是一種基于STM32的定時(shí)變量開水器。

1.信息處理過(guò)程

本實(shí)施例中,選用STM32系列的STM32F103ZET6微控制器作為控制電路的核心部件。

如圖5、圖6所示，工作時(shí)STM32通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器設(shè)置時(shí)間使超聲波模塊HC-SR04對(duì)水箱的水位進(jìn)行采樣。STM32通過(guò)讀取超聲波模塊返回的高電平的持續(xù)時(shí)間，分析計(jì)算得出合理的注水時(shí)間與注水量，并將結(jié)果通過(guò)SPI總線傳輸給W25Q64存儲(chǔ)器保存，確保不因意外斷電而丟失數(shù)據(jù)。

如圖7、圖8、圖9所示，工作時(shí)，STM32通過(guò)SPI總線讀取W25Q64的數(shù)據(jù)，在規(guī)定的時(shí)間給水箱注入規(guī)定的水量。STM32微控制器通過(guò)發(fā)出PWM波或電平信號(hào)，控制繼電器導(dǎo)通或斷開，最終控制電磁閥的導(dǎo)通或斷開，進(jìn)而控制注水與否；STM32微控制器輸出另一路PWM波或電平信號(hào)，控制繼電器導(dǎo)通或斷開，控制加熱與否；同時(shí)，溫度傳感器DS18B20通過(guò)“一線總線”形式將讀出的溫度傳回至STM32微控制器，與設(shè)定的溫度進(jìn)行比對(duì)決定是否加熱，對(duì)溫度實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

如圖10所示，STM32通過(guò)內(nèi)部的靜態(tài)存儲(chǔ)控制器操作TFT-LCD，實(shí)時(shí)地顯示各模塊運(yùn)行狀態(tài)與溫度，水位相關(guān)參數(shù)；同時(shí)通過(guò)UASRT串口與PC端進(jìn)行通訊返回各狀態(tài)與參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.工作過(guò)程

本實(shí)施例中,開水器工作過(guò)程為測(cè)量過(guò)程，供水過(guò)程，校準(zhǔn)過(guò)程。

在測(cè)量過(guò)程，開水器自動(dòng)測(cè)量用戶的用水習(xí)慣，包括周期，用水量，建立用戶用水的數(shù)學(xué)模型；在供水過(guò)程，開水器根據(jù)數(shù)學(xué)模型確定供水量并提前煮水，在需用時(shí)間段內(nèi)注入儲(chǔ)水箱；在供水過(guò)程同時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)過(guò)程，在校準(zhǔn)過(guò)程，系統(tǒng)自動(dòng)記錄各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的用水量，并與先前的數(shù)據(jù)相結(jié)合，完善之前數(shù)學(xué)模型。

用戶可根據(jù)日常實(shí)際用水情況選擇測(cè)量單位供水時(shí)間和供水周期，選定之后，在其后的一個(gè)供水周期內(nèi)開水器采用滿水位運(yùn)行狀態(tài)，然后每一個(gè)單位供水時(shí)間內(nèi)根據(jù)距離傳感器測(cè)量用戶的用水量，并記錄。

測(cè)量期間，儲(chǔ)水箱和煮水箱滿水位運(yùn)行，用戶使用過(guò)程中第一電磁閥12,第二電磁閥14始終保持關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)儲(chǔ)水箱水位低于預(yù)設(shè)的臨界水位時(shí)，第二電磁閥14打開，將儲(chǔ)水箱注滿水，期間保證第一電磁閥12處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)?shù)诙姶砰y14關(guān)閉時(shí)，若煮水箱水位達(dá)到臨界水位，打開第一電磁閥12將煮水箱注滿水并煮開。在單位供水時(shí)間，傳感器測(cè)量并記錄下煮水箱和儲(chǔ)水箱的水位，計(jì)算用戶的用水量。

在測(cè)量完用戶在一個(gè)周期內(nèi)用水量之后，開水器按照上一周期內(nèi)的供水狀況，在每個(gè)單位時(shí)間內(nèi)供應(yīng)上一周期內(nèi)對(duì)應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)的用水量的1.2倍，以保證偶然用水量增大的情況下用水的供應(yīng)。

當(dāng)準(zhǔn)備單位時(shí)間內(nèi)供水時(shí)，煮水箱內(nèi)注入相應(yīng)的供水量，并根據(jù)水量計(jì)算時(shí)間，確保在供水前規(guī)定時(shí)間內(nèi)燒好，以確保儲(chǔ)水箱內(nèi)的水不足時(shí)仍然有水可以供應(yīng)。在下一次開始時(shí)，將煮水箱內(nèi)的水注入儲(chǔ)水箱。若在秋冬季節(jié)，涼水需求量少，可在儲(chǔ)水箱連續(xù)燒水后，在單位供水時(shí)間之初，將儲(chǔ)水箱內(nèi)的剩余水量注入涼水箱；在春夏季節(jié)，可在每個(gè)設(shè)定時(shí)間將儲(chǔ)水箱內(nèi)的水注入涼水箱內(nèi)，以保證涼水的需求。

在采集用戶用水?dāng)?shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)需要進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證單位時(shí)間內(nèi)用水量正常供應(yīng)。在每單位時(shí)間供水之后，開水器會(huì)記錄下該單位時(shí)間內(nèi)用水量，并與上一周期內(nèi)該時(shí)間段用水量進(jìn)行比較，保存較大的用水量。

安裝過(guò)程

本實(shí)施例中,定時(shí)變量開水器箱體外殼采用不銹鋼材料加工，厚度為1.5mm，外殼體尺寸長(zhǎng)*寬*高為460mm*560mm*670mm，箱體固定安裝在框架上，各水箱箱體之間以及水箱與外殼體之間包覆有厚度為30mm的聚氨酯發(fā)泡材料作為保溫層5。各水箱箱體尺寸長(zhǎng)*寬*高分別為:自來(lái)水箱為400mm*450mm*100mm，煮水箱為400mm*450mm*170mm，儲(chǔ)水箱為400mm*250mm*300mm，涼水箱為400mm*150mm*300mm。

煮水箱7內(nèi)設(shè)置四個(gè)750W的第一加熱管6，第一加熱管6豎直安裝、橫向排列，相鄰兩加熱管間距為75mm，第一水位傳感器13固定在煮水箱7內(nèi)頂部壁面上。儲(chǔ)水箱16內(nèi)安裝有兩個(gè)750W第二加熱管17，兩個(gè)橫向排列的第二加熱管之間間距為83mm，第二水位傳感器15安裝在儲(chǔ)水箱16內(nèi)頂部壁面上。煮水箱7上部有兩個(gè)第二換熱器10固定在自來(lái)水箱9內(nèi)，兩個(gè)第二換熱器對(duì)稱安裝，第二換熱器10內(nèi)徑為12.5mm，外徑為14mm，材料為紫銅；自來(lái)水箱9內(nèi)安裝浮球閥8控制水位不低于85mm。煮水箱7與儲(chǔ)水箱16、自來(lái)水箱9水箱之間分別通過(guò)第一電磁閥12、第二電磁閥14連接，儲(chǔ)水箱16和涼水箱4之間通過(guò)單向電磁閥連接，采用DC24V控制；涼水箱4和儲(chǔ)水箱16底部分別設(shè)有第一排水口1、第二排水口18,第一排水口1、第二排水口18分別與水龍頭螺紋連接。