智能饮水机设计

智能饮水机设计（精选7篇）

智能饮水机设计 篇1

1 硬件设计

1.1 控制核心

采用Atmel公司的ATmega16L作为控制核心, 选用DS18b20作为温度传感器, 使用16*2点阵液晶进行温度显示。

ATmega16L是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器, 采用哈佛结构, 并具有32个寄存器、16k的可编程Flash、双向I/O口, 三个具有比较模式的计时器计数器, 内置看门狗。它的驱动能力较强, 输出电流为2 0 m A, 灌电流最大4 0 m A。以上特点使得avr相较于51系列单片机在可靠性及效率上明显的优势。其最小系统电路图如图1。

1.2 温度采集

DS18B20是Dalas公司出产的温度传感器, 有着广泛的应用, 封装较小, 可以方便的放入狭小的空间, 使用极为方便。内部进行了模数转换, 采用异步串行单总线 (1-wire) 通信进行数据传输。既可传输时钟, 又能传输数据, 而且数据传输是双向的, 因而这种单总线技术具有线路简单, 硬件开销少, 成本低廉, 便于总线扩展和维护等优点。

1.3 显示及按键控制

显示方面的常用方案是数码管或是液晶。数码管显示亮度高, 成本低, 但无法显示汉字字母等信息, 显示内容单一。因而选择了液晶作为显示方案。最终采用的是成本较低的1 6 0 2。L C D 1 6 0 2可以显示1 6*2个字符, 具有基本A S C I I码字库, 可以方便的显示数字, 符号等信息, 使得显示更为直观。在使用时, 我们利用了它的四位并行通信方式, 在保证速度的同时节省了端口, 为升级留下了空间 (图2) 。

为了方便设置, 设计了四个按键。

1.4 红外检测

为了实现使用检测, 可以有多种方案, 如在阀门处添加触点开关。但由于饮水机阀门作为一个控制水的开关, 液体喷溅引起的误触发或短路会增加系统的不可靠性。为此我们选择了红外对管作为使用检测的器件。红外对管的好处在于可以使检测脱离机械机构的触发, 并可以远离阀门等易出现电路短路情况的位置, 提高了检测的准确性和可靠性 (图3) 。

2 软件设计

2.1 控制策略

使用模糊控制策略实现闭环控制。温度加热的响应极慢, 反馈量属于非电信号, 为实现对温度的精确控制使用PID控制难度较大, 因而使用了模糊控制策略, 在系统接近给定量时采用间歇性加热的方式减小系统的超调。

加热方式采用秒周期的PWM波形控制继电器, 实现加热速度的控制。使用单片机的计时器进行生成以秒为周期的P W M信号。具体的函数如下 (图4) :

3 结语

本设计实现了温度取样显示以及精确温度控制, 实现了闲置断电功能, 具有智能, 节能的特点, 具有较好的应用前景。

智能饮水系统的设计 篇2

目前, 饮水机功能仍然停留在简单的加热功能中, 费电、水温不好控制、长时间反复加热, 没有考虑到聋哑人、老年人等特殊人群的需要。这样不仅耗电量大, 不符合绿色节能环保的要求, 而且反复烧水会产生亚硝酸盐, 对人体的危害很大, 也不符合人们对健康生活品质的追求。

2 系统的总体设计方案

本系统的操作流程如图1所示, 用户通过蓝牙模块实现手机端和主控制模块的连接, 发送指令打开系统电源, 使之正常工作, 然后精确设定水温, 等水温达到预设温度后, 系统自动语音提示。红外模块可以检测到用户水杯放到饮水机下, 实现感应取水, 水杯取出, 水阀自动关闭。

3 硬件设计

本系统主要包括MCU处理器、蓝牙模块, 红外光电开关传感器, 温度传感器, 语音芯片, 继电器模块, 电磁阀模块, LCD1602液晶显示屏。系统的硬件框图如图2所示。

3.1 MCU处理器

本设计中采用Atmel公司生产的STC89C51系列单片机。该类型单片机具有高集成度, 低电压, 低功耗, 高性能的特点。它有4KBFlash、128KBRAM、4个8位双向可寻址I/O口、2个16位定时/计数器等资源, 满足了控制多个器件的需求, 价格低廉。故此设计采用AT89C51。

3.2 红外感应模块

红外感应模块通过发射管发射出一定频率的红外线, 当检测方向遇到障碍物时, 红外线反射回来被接收管接收, 经过比较器电路处理后绿色指示灯亮起, 同时信号输出接口输出低电平。该模块检测角度35°, 检测距离2~30cm可调, 满足了设计要求。

3.3 电磁阀模块

电磁阀通电时, 电磁线圈产生电磁力把活塞提起, 阀门打开;断电时, 电磁力消失, 弹簧把活塞压在阀座上, 阀门关闭。该款电磁阀采用工业最高绝缘等级材料封装, 防水防潮, 适合用于饮水机。

4 总结

在现代智能家居快速发展的的大背景下, 本设计考虑到聋哑人, 老年人等特殊人群的需要, 体现了人文关怀。经试验证明, 该系统能够完成设计要求, 满足应用要求, 运行良好。

摘要：普通饮水机缺乏人性化的设计, 对于饮水和安全存在诸多的不便。在这种背景之下, 本设计可以通过手机蓝牙实现智能控制, 红外线感应实现智能取水, 附加语音提示和水温实时显示等多种功能, 极大方便了人们的使用。

关键词：单片机,蓝牙,感应出水

参考文献

[1]任海萍.光电传感器的应用与发展[J].科技风

[2]高玉芹.单片机原理与应用及C51编程技术[M].机械工业出版社

智能饮水机设计 篇3

1.1 健康、节能的生活要求使得传统饮水机受到挑战

近年来，饮水机、电热水器等已经成为现代办公室与家庭的必备用品。冬天里，我们经常把饮水机开到加热状态，那样随时都能喝上热水，但是在我们没注意的时候，饮水机里的水在不断的重复着沸腾、冷却、沸腾、冷却。无形中成为我们人体的杀手——“千滚水”。除了千滚水，饮水机内还会有“阴阳水”。当饮水机内水量不足时，它就会自动加水。此时，如果接开水的人没有注意或是急等饮用，电开水器就会流出阴阳水。生水与开水混合后，若是没烧开就喝了，有害的细菌等物质有可能会引发肠道疾病。

所以使用饮水机给人们的健康带来了危害，致使相当一部分人不得不采取原始的烧水方式，给人们带来的很大的不便。

因此，研究制造出能避免反复加热的饮水机就显得很重要。

1.2 新型智能饮水机解决“千滚水”问题

在对饮水机结构、工作原理做了详细研究，找出了产生“千滚水”的原因是纯净水桶与热水箱直接相连。针对这一问题，研究出了利用阀门控制水流进热水箱，而且利用传感器进行实时监控，结合单片机精确控制，

2. 整体设计

2.1 采用两个水箱

在传统饮水机的基础上再增加一个水箱，呈上下布置。上面的水箱用来加热水，下面的用来装加热过未接完的开水，里面的水可以选择喝或者定期排出。热水箱出口接到出热水开关处，冷水箱有两个出口，一个与饮水机聪明座引出的冷水管接在一起接到冷水开关处，另一个出口用来定期排水。

2.2 常闭电磁阀和水位传感器控制热水箱进水管

用一个常闭电磁阀连接纯净水桶与热水箱。通常状态下，电磁阀关闭，在需要烧水时打开电源，电磁阀通电打开，热水箱进水，利用液位传感器控制进水量，在水量达到设定值时反馈给单片机，单片机控制常闭电磁阀关闭，使得冷水不能流进热水箱。

2.3 用温度传感器和水位传感器控制热水箱水量，用常开电磁阀控制热水箱的水流入冷水箱

热水箱里面的水加热后，用户接水，液位传感器和温度传感器同时检测水箱里面的水位和温度，开水箱和冷水箱之间用常开电磁阀连接，通常状况下，常开电磁阀处于打开状态，在用户准备烧水、按下开关时，常开电磁阀通电闭合。在温度低于40℃或者水位低于出水口时，传感器检测到数据，传给单片机，单片机内部电路控制整个系统断电，其控制的常开电磁阀也断电打开，剩余水流进冷水箱。

2.4 单片机精确控制

单片机是现代机电一体化生产、实践过程中非常重要的控制装置，其控制精度高、快速、体积小、能耗低等特点，使其应用颇为广泛。上述各元件都是与单片机相连，实现完全杜绝“千滚水”的产生。

2.5 整体工作过程

2.5.1 连接电源，选择一次烧水的量，按下延时开关后，磁铁打开，关闭，开始向开水箱进水，利用液位传感器检测水的高度反馈到单片机中与初输入量对比，达到初设量的时候，通过液位开关控制磁铁关闭，热水箱开始加热水。到开水箱的水加热到80℃，此时延时开关断开，温控开关闭合，继续控制继电器使其处于闭合状态;

2.5.2 一段时间后，如果开水箱里面剩余的水小于一定值，而温度高于80℃，由液位开关控制磁铁打开，开水箱内剩余的水流入剩水箱;如果开水箱里的慢慢冷却，温度低于80℃，温控开关断开，使磁铁打开，开水箱中的温水流入剩水箱中，这样使开水箱能尽快进行下一次烧水。下一次需要烧水时，选择烧水量，按下延时开关，使、关闭，来进行下一次的烧开水过程。该过程与上述的过程相同。

2.5.3 在设计的结构中，剩水箱下端连接有冷水出口，用户可以通过这个接口来使用冷水。且冷水出口装有三通阀，相当于一个双向开关，由用户自己选择开关方向，从而选择是要喝凉开水还是冷水。

饮水机的诞生及发展，很好地解决了人们的日常生活饮水问题，我们也越来越离不开它。饮水机不但方便、快捷，最重要的是它相对于其他设备更经济，也更安全一点，这也使得饮水机成了现代家庭的必备品。但是，由于过多地依赖和使用饮水机，使得饮水机的缺点也一一暴露出来，越来越引起人们的关注。

我的设计解决了传统饮水机带来的“千滚水”和“阴阳水”问题，而这个问题正是现在饮水机行业面临的难题。使用了单片机和电磁阀，既有单片机体积小，成本低，控制精确的特点，又有电磁阀快开、快关以及广泛应用于小流量和小压力场合的优势，使得推广设计方案会比较容易，有很好的发展前景。

3. 结论

本文深入讨论了传统饮水机存在的问题，阐述了“千滚水”对人体的危害，并研究设计出了相应的解决方案，实现了饮水机杜绝反复加热，避免产生“千滚水”的功能，满足了设计要求。在家庭、办公室等场所，使用这种新型饮水机可以使我们喝的水更加放心，更加健康

参考文献

【1】于永, 戴佳, 常江51单片机C语言常用模块与综合系统设计实例精讲北京:电子工业出版社, 2007

【2】戴仙金51单片机及其C语言程序开发实例北京:清华大学出版社, 2008.2

【3】赵建领, 薛园园51单片机开发与应用技术详解北京:电子工业出版社, 2009

【4】单成祥, 朱彦文, 张春传感器原理与应用北京:国防工业出版社, 2006.09

【5】赵负图新型传感器集成电路应用手册北京:人民邮电出版社, 2009.9

【6】王秀娟、陆弋, 电磁阀拨动符号及工程应用浅析, 医药工程设计, 2009年30卷30期

【7】王敏电磁阀的原理及其在工程设计中的应用探讨电气传动自动化2010.2

【8】王鸿明电工技术与电子技术北京清华大学出版社2001

【9】毕淑娥电工学哈尔滨哈尔滨工业大学出版社2001

智能饮水机设计 篇4

家庭和办公场所的普通饮水机,日消耗的电能为1.2~1.8k Wh,年消耗电能在300k Wh以上,如果乘以庞大的拥有量(数以千万计),则消耗的电能十分惊人。然而,由于饮水机自身设计的缺陷以及疏于管理等原因,在其消耗的电能中,大部分被白白浪费掉了。此外,饮水机的日夜待机工作及反复加热不仅造成了电能的浪费,而且产生所谓的“千滚水”,不利于身体健康,并且容易在饮水机内产生水垢,对饮水机的寿命也相当不利[1]。这就给饮水机节电器带来了广阔的市场前景。

当前饮水机节电器存在的问题为:1)功能不够完善,不能适用于各种应用场合;2)自身的功耗较高,从而使得整体的节能效果不佳;3)智能控制不够完善,使用不够方便。

因此,文中提出了一种新的基于自学习模糊控制的智能化饮水机节电器。

1 智能饮水机节电器的硬件结构及低功耗设计

1.1 智能饮水机节电器的硬件结构

从结构上来讲,节电器独立于饮水机之外,属于外置式,二者之间的联系,仅仅是饮水机的取电来自于节电器。节电器通过其内部复合开关的智能投切来控制饮水机的电源,从而控制其加热与否。外置式的结构使得节电器的适用性强,不受饮水机的型号限制[2]。二者之间的控制关系如图1所示。

饮水机节电器的硬件结构如图2所示。

由图2可知,节电器由7个单元电路组成,对各单元电路分述如下。

1)电源变换电路。由电源变压器、桥式整流电路和稳压模块组成,目的是供给单片机及外围电路所需要的直流稳压电源。

2)单片机电路。由单片机AT89S52的最小系统组成,包括晶振电路和复位电路。是节电器的控制核心。

3)蜂鸣提醒电路。主要由蜂鸣器及其驱动电路组成。蜂鸣提醒电路用于加热结束(水开)提醒、上班(家庭)以及下班(办公)时间到来的提醒。在后者情况下,用户可关掉节电器,实现最彻底的节能。

4)工作模式指示及按键电路。主要由发光二级管组成。对应的模式灯点亮,用以指示当前的工作模式。共有5种模式,即:常开模式、家庭模式1、家庭模式2、办公模式1、办公模式2,由用户根据自己的实际情况按键循环进行选择。

5)日历时钟电路。主要由DS12C887组成。此芯片是由美国Dallas公司推出的一款专用的实时时钟芯片,它将晶振电路、写保护电路、可充电锂电等一起封装在一个24引脚的双列直插式芯片内组成一个加厚的集成电路模块,是一个完整的子系统。它充足一次电可供芯片运行半年之久,正常工作时可保证时钟数据10a内不会丢失[3]。具有功能丰富、需要外接的元件数极少、价格低廉和稳定可靠等特点,可满足节电器对实时时钟和日历数据的读取,以实现定时开关的要求。

6)加热检测电路。主要由电流互感器(CT)和电压比较器LM393、全桥整流电路组成,如图3所示。当复合开关闭合进行加热时,流过CT的电流较大,经整流后在负载R6上的压降也较大,大于LM393反相端的参考电压,则比较器输出为高电平。加热完成后,流过CT的电流较小,则比较器输出为低电平。比较器的输出接至单片机的P1.2口,检测此口线的电平即可判断加热是否结束。

7)复合开关及控制电路。主要由继电器及其驱动电路、双向可控硅及其驱动电路组成。继电器选用G2R-2,其两对常开触点并联后通流能力可达到10A(AC),可满足绝大多数饮水机的需要。双向可控硅选用BTA20,其工作电流可达20A。采用MOC3081作为驱动电路,MOC3081是带有过零检测的光电耦合器,可使可控硅在交流电压过零时进行投切,极大地减少了复合开关在投切时产生的浪涌电流,避免了投切时产生的火花对触头的烧损,延长了复合开关的寿命。复合开关及控制电路如图4所示。

1.2 智能饮水机节电器的低功耗设计

智能饮水机节电器作为一款节电产品,由于它的工作时间长,因此在满足系统功能要求的前提下,尽量减少其自身损耗,以达到整体节电目标。文中采取了下列措施以减少其自身功耗。

1)在节电器中应用复合开关,使其既满足加热切合之需要,又能满足降低导通损耗之要求。单纯的电力电子开关存在一定的导通损耗,在工作时间长的情况下,所引起的损耗不可小觑,而单纯的硬开关如应用在频繁切合的节电器中,容易引起触头的烧损,影响开关的寿命。而将电力电子开关和硬开关结合在一起的复合开关,则可避免上述问题,既降低导通损耗接近于零,同时又延长了开关的寿命。因此,复合开关在节电器中的应用具有大幅度提升整体性能的效果。

2)在整个硬件系统的设计时,尽量选用CMOS电路,因CMOS电路的功耗比传统的TTL电路的功耗要低很多[4]。

3)减掉不必要的I/O设备,如液晶显示器。液晶显示器耗电量较大,且增加较多的成本,故在设计时减掉此项配置。

4)选用低功耗、高速、高性能、超强抗干扰的CMOS型单片机AT89S52。由于AT89S52具有唤醒功能,在饮水机无使用的情况下,可将节电器工作在停止模式下,复合开关断开。在停止模式下,系统时钟也将停止,由外部事件中断重新启动系统时钟,进而唤醒CPU继续工作,此时CPU消耗电流可降到μA级。在停止模式下,CPU本身实际上已经不消耗什么电流,为进一步减小系统功耗,尽量将单片机的各个I/O模块关掉[5,6]。

2 饮水机节电器的软件系统设计及自学习模糊控制

为使饮水机节电器能够适应绝大多数场合,在功能设计上,设置了几种工作模式,用户根据自己的实际情况,按键进行选择。另外,为实现智能化控制,采用了自学习与模糊控制相结合的控制策略,以满足饮水机节电器适应各种场合的需要。

2.1 软件系统设计

根据饮水机节电器的应用场合,设置5种工作模式:常开模式、家庭模式1、家庭模式2、办公模式1、办公模式2。各种工作模式对应的饮水机开关机时间不同,家庭模式在工作日的7:00~8:00和18:00~23:00开,其他时间关;周末8:00~23:00开,其他时间关;办公模式,工作日8:00~18:00开,其他时间关;周末关。家庭模式1(办公模式1)与家庭模式2(办公模式2)的区别在于每周工作日天数不同,前者定义5天工作制,后者定义为6天工作制。但无论在哪个模式下运行,节电器均要进行加热检测,并在水沸腾后使蜂鸣器发声报警,提醒人们及时接水,避免水的反复加热浪费电能,同时也避免形成“千滚水”。常开模式为以上4种工作模式之外的特殊情况下需要运行饮水机时应用。按键采用中断模式,其主程序框图如图5所示。

2.2 节电器的自学习模糊控制

模糊控制主要是模拟人的思维、推理和判断的一种控制方法,它将人的经验、常识等用自然语言的形式表达出来,建立一种适用于计算机处理的输入输出过程模型,是智能控制的一个重要研究领域[7]。

节电器是一个典型的模糊控制系统。由于节电器独立于饮水机之外,相互之间仅有电的联系,仅能通过检测饮水机通过电流的大小来判断饮水机是否处于加热状态。但可以通过模糊控制,来实现节电器的智能化,减少无效的加热,以节省电能。如前所述,通过设置工作模式,可以实现定时开关饮水机,以避免在无人使用的情况下白白加热浪费电能,这个控制是明确的、清晰的。而在有人使用饮水机的情况下,可以根据使用人数多少和喝水频率的高低来控制饮水机加热,采用模糊控制技术。

节电器有4个参数需要设定:1)开机时的初次加热时间,设为t1;2)开水放空(开水接走)后的再次加热时间,设为t2;3)开水未放空(无人接水),温度下降达到加热条件后再次加热的时间,设为t3;4)如果水开后无人接水,则温度下降达到加热条件重新加热,从此次水开到下一次加热所间隔的时间,设为t4。

即使对于同一台饮水机,由于季节不同,气温高低不同,水的初温也不同,则加热时间t1~t3以及间隔时间t4在每天都是不同的。由于温度的不确定性,导致了加热时间t1~t3以及间隔时间t4的不确定性。而对于不同型号的饮水机来说,这些时间参数也是不同的。这就需要节电器具有自学习功能。

每天节电器合上饮水机开始工作后,可以记录下初次加热时间t1以及再次加热时间t2。在判断无人接水的情况下,再记录下t3和t4,则当天的4个参数得到记录,通过模糊处理后,存入数据库。次日节电器启动饮水机之初,可调用这些参数作为初始值。通过不断的自学习,数据库不断扩大和更新,只要数据库足够大,则参数可以做到每天更新,这就是节电器的自学习功能。模糊控制与自学习算法相结合,使得节电器的控制鲁棒性好,适应性更强。

以无放空开水情况下加热间隔时间t4为例,可设t4的隶属度函数为,

其中,h为模糊量,可以根据自学习的情况进行调整。

自学习模糊控制的程序框图如图6所示。

3 实验情况

智能化饮水机节电器研制成功后,分别在2人办公室和10人办公室里的饮水机上进行了实验,饮水机的功率为500W,选用办公模式1(工作制5d,工作时间8:00~18:00)运行,实验时长为1个月。为了对比试用节电器前后的电能消耗情况,安装了1只单相电能表进行电能的计量。实验得到饮水机节电器电能的消耗如表1所示。

在安装节电器之前,由于疏于管理的原因,往往在下班后忘记关掉饮水机的电源,造成反复加热、浪费电能的情况;而在安装节电器后,由于它能在下班后自动关闭饮水机的电源,从而节约了电能。从表1也可以看出,10人办公室饮水机节电器节约电能比例在47.3%,而2人办公室的饮水机节电器节约电能比例在63.1%,后者效果更为显著。这是因为2人办公室喝水人数少,在上班时间内,节电器的智能控制使得饮水机的有效加热次数相应减少,因减少了绝大多数无效的加热,故节电效果更为显著。而10人办公室由于喝水人数多,在上班时间内,有效的加热次数也多,故消耗电能也相应增加。不管喝水人数多少,定时开关减少了电能的浪费,自学习模糊控制减少了无效的加热次数,避免了“千滚水”的产生,对于节约电能和健康饮水都大有裨益。

4结语

文中研制的一种基于自学习模糊控制的智能饮水机节电器具有自身功耗低、成本低、使用灵活方便、适应性强等特点,具有加热自动检测、蜂鸣提醒、复合开关控制、定时开关等功能。由于采用了自学习模糊控制,大大地减少了无效加热次数,不仅有效地避免了“千滚水”的产生,而且显著地节约了电能,符合当前绿色、环保、健康、低碳的生活潮流。目前,该产品已经申请了专利,可进一步推广使用。

参考文献

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[2]陈忠仁,陈芳靖,朱雁锋.一种外置式智能饮水机节电器的研制与应用[J].山西电子技术,2012,(2):10-15.

[3]吴瑰丽,刘建华,崔玉洁.单片机与时钟芯片DS12C887的接口设计[J].石家庄铁路工程职业技术学院学报,2004,3(2):15-19.

[4]赵贺.单片机系统设计中低功耗的探讨[J].自动化与仪器仪表,2009,(6):66-68.

[5]陈萌萌,邵贝贝.单片机系统的低功耗设计策略[J].单片机与嵌入式系统应用,2006,(3):5-7.

[6]徐晓磊,姜波,薛锦诚,等.单片机系统的低功耗设计与应用[J].电测与仪表,2000,37(10):28-31.

智能饮水机设计 篇5

随着我国新版GMP的实施, 新标准对各方面的要求都更为严格。目前国内多效蒸馏水机的厂家在蒸馏水机控制过程中都离不开压力、液位、温度、流量、电导率、p H计等一次仪表的数据采集, 根据一次仪表采集到的信号, 可以对水质和产量进行控制, 确保生产安全、稳定、可靠。

目前, 宝鸡百事得研发出的DPI系列仪表能够长期可靠地应用于制药设备, 主要用于蒸馏水机的压力、液位、温度检测, 特别是最新研制的DPI41高温压力变送器, 从根本上解决了硅传感器无法解决测量高温的问题。

1 DPI系列智能测量仪表的组成

DPI系列智能测量仪表主要由3个部分组成。

1.1 第1部分:敏感元器件

敏感元器件 (图1) 采用BAISSDE航空级的压力、温度敏感原件, 制造工艺控制严格, 采用耐高温、耐高压、高绝缘材料确保产品可靠稳定。敏感元器件也是测量仪表的关键部位, 精密的机械配合, 半导体集成, 多种材料 (硅晶体、玻璃、陶瓷、金丝、不锈钢、高温烧结、填充硅油、厚膜电阻、特殊粘合剂等) 封装。该敏感元件具有高线性、超低温漂、高稳定性的特点。

其中, 世界上最早研制成功硅敏感元器件的是美国霍尼韦尔公司, 中国最早研制成功的是原航空部下属机构, 当时的硅晶体作为基础材料进行试验性使用, 每只硅敏感元器件只能使用1次, 且造价很高。随着工业自动化水平的提高, 相关行业对一次仪表的需求也越来越多, 因此, 美国BAISSDE、IC公司、洛娃公司、福克斯波罗ICT公司对硅晶体进行各种保护和封装, 研制出可长期重复性使用的硅敏感元器件。通过几万次试验和30年不断改进, 已经能够完善提供长期稳定可靠运行的硅敏感元器件。但是硅敏感元器件仍有2个不足: (1) 过载性只能达到1.5倍 (量程过载性, 即压力、液位) ; (2) 使用温度范围有限, 只能在-25~+85℃之间工作。宝鸡百事得公司通过对硅基础材料进行改良, 将过载性能提高到6倍, 温度范围不加外部机械结构可提高到150℃, 适用于更多不同环境条件的需求。

1.2 第2部分:压力变送器

敏感元器件是无法在工业过程中使用的, 它只是一个元器件, 需要把一个元器件转化为一个产品。百事得设计的压力变送器采用不同的测试方法, 经过合理排列和电子元器件的筛选, 采集电路部分与敏感元器件的数据, 可进行数据分析、数据修正、正反向保护, 把敏感元器件输出的不标准信号转换为可接收的直流模拟量电信号m A, 以便于传输到控制室或显示设备上。

隔膜压力变送器、隔膜液位变送器、隔膜差压变送器分别如图2、图3、图4所示。

压力变送器具有如下特点:

(1) 调整敏感元器件不同的性能, 使每个标准信号输出的变送器都要归一化, 并达到测量精度。

(2) 能够长期、安全使用。

1.3 第3部分:结构部分

根据GMP要求, 测量仪表的结构部分材质要符合生产标准。百事得生产的测量仪表其结构上采用平膜片, 无死角, 接液材质选用316L不锈钢, 外套管选用304不锈钢, 电子腔选用铸铝合金, 并为IP66卫生等级防护。

测量仪表结构部分具有如下特点:

(1) 电器连接完毕紧固后, 能够确保在喷淋、粉尘、短期水淹等环境下变送器正常运行, 完全符合GMP要求。

(2) 可根据客户不同需求进行个性化方案设计, 包括产品结构、产品特性。

2 安装环境

DPI系列测量仪表具体使用条件和环境需要与用户详细沟通, 在安装过程中还需要注意过程压力和极限压力, 测量仪表的安装如图5所示。

在很多系统, 特别是水压测量和加工处理中, 有峰值和持续不规则的上下波动, 这种瞬间的峰值容易导致较高的过载压力, 变送器受冲击损坏, 而在外观上无法检测, 所以在选型时尤其不能忽视极限压力。

在蒸馏水机进口压力的温度高于出口压力温度的选型上, 需要标注温度范围, 以免过高的温度损坏硅晶体上的电阻桥臂乃至损坏变送器。

敞口罐和密闭罐的液位测量分别如图6、图7所示。

3 结语

智能饮水机设计 篇6

关键词：农村饮水安全工程,射频卡智能流量计,应用,河北海兴

海兴县地处河北东部滨海平原, 水资源严重短缺, 全县80%的浅层地下水为咸水或苦咸水, 深层水含氟量较高, 一般为3.0～5.0 mg/L, 水质较差。近年来, 由于干旱少雨, 地表无水, 人饮困难加剧, 直接影响了人民群众的生活, 也制约了经济社会的发展。自2008年实施饮水安全集中供水工程以来, 有效解决了饮水安全问题, 工程安装了大口径预付费式射频卡智能流量计。海兴县农村人口饮水安全工程以大浪淀水库、杨埕水库为基点, 以地下水源为备用补充, 以净水厂为水处理中心, 最终形成“两库、五厂”的供水网络, 将地下水源改为地上水源、单村供水工程改为联村集中供水工程。工程于2008年正式开工建设, 于2012年8月底全部完工通水。按照“海兴县农村饮水安全工程总体规划”的总体要求, 对全县197个村、3个农场全面实施用水计量, 设计每个村、场、队设置预付费式射频卡智能流量计1块, 规格按所供水的村、场、队人口设定, 设计Φ65 mm流量计18块, Φ80 mm流量计100块, Φ100 mm流量计77块, Φ150 mm流量计2块, 有效解决了饮水问题。

1 功能与特点

射频卡智能流量计是一种智能化自来水流量计费仪表, 由控制器、计量传感器、电磁阀、后备电源、射频卡组成。采用微处理器实现预付式阶梯计量计费, 具有电源模式先进、人机界面优良、功耗低、精度高、抗干扰能力强、可靠性高、使用方便等多方面优点, 是供水部门实现智能化管理的理想选择。其特点为:高频卡、读卡速度快、性能可靠、容量大;免抄表, 提高供水部门管理水平, 提高人工效率;预付费, 加快资金回笼速度, 杜绝费用拖欠, 控制费用流失;阶梯计费, 按人按月限量用水, 用价格杠杆促进节约用水;分布式售水管理系统, 操作简便, 财务结构完善, 安全性高, 大小模式皆宜;内置声音、汉字、背光阀门动作等多种提示方式;水量、电量不足时提前关阀, 并有文字提示;防强磁攻击功能, 历史数据可保持100年;采用滴水计量技术, 使用防锈死阀门[1,2,3]。

2 主要技术参数

主要技术参数见表1。性能误差曲线见图1。

注:执行标准为CJ/T133-2007、GB/T778.1-2007。

3 安装要求

3.1 仪表井空间要求

流量计之间和周围应有足够的间距以便于安装、读数、维护、现场拆卸和任一流量计的拆除, 而不致于与流量计群中其他任一流量计的运行发生相互干扰[4]。安装空间位置见图2。

3.2 注意事项

安装位置要避免曝晒、冰冻、污染和水淹, 并便利拆装和抄表;供水管线过长或水质不好以及其他原因的需加装专用过滤网;压力不稳、地势较高、非24 h供水的需加装止回阀门;在长期使用后, 应配合技术监督局进行重新校准;安装前应冲洗管道, 清除砂石、麻丝等异物;水平方向安装, 表盘向上, 水流方向与流量计标示箭头方向一致;安装时先切断表前水源以及控制器前电源, 以便安装。

4 施工方案

4.1 管道连接

进水管道位于仪表井的前侧, 若与原泵房管道的管径不同, 需要通过变径、连接管等与原泵房管道相连。先通过变径与进水管相连, 然后接90°的弯头, 改变进水管的方向, 并与泵房管道调整至同一高度, 保持同心[5]。

4.2 阀门安装

弯头连接以后, 需要在前端安装控制阀门, 便于以后流量计及其他设备的检修。止回阀安装在阀门之后, 与阀门相连接, 止回阀开合与水流方向呈90°垂直, 可以及时防止水倒流至进水管道。

4.3 流量计连接、控制系统安装及保温防护

流量计按水流方向与进水管相连, 另一端与泵房相连接。控制系统安装严格按安装工艺, 包括传感器、计量装置、控制器, 并做好和配电部分的衔接。为了系统安全, 加装断路器、保险器和防雷接地体。以袋装珍珠岩对仪表井进行填充保温。

5 使用操作

持卡到购水点交费, 待刷卡后妥善保存, 以备购水时使用。刷卡方法为将卡放在控制盒读卡区, 数秒后读卡完成。剩余金额小于一定数额时, 会提示尽快交费同时发出报警声。剩余金额为0时, 关闭阀门, 直到购水交费并刷卡输入为止。电力不足提示时会暂关闭阀门, 提示尽快恢复电力。

参考文献

[1]苏彦勋.流量计量与测试[M].2版.北京:中国计量出版社, 2007.

[2]常用计量技术法规汇编—流量计和流量装置[M].北京:北京联合出版公司, 2010.

[3]施仁, 刘文江, 郑辑光, 等.自动化仪表与过程控制[M].5版.北京:电子工业出版社, 2011.

[4]《农村饮水安全论文集》编委会.农村饮水安全论文集[M].北京:水利水电出版社, 2009.

智能饮水机设计 篇7

速热式饮水机能在瞬间(3-8秒)把从饮水机里所出的饮用水烧开,即出即开即饮,较传统的饮水机而言,大大提高了简约性,由于所需加热时间短,因此更节能更省电[1]。速热式饮水机控制器主要由水温检测电路、加热元件、水温控制电路组成,目前市场上销售的速热式饮水机一般采用分档控制电机转速调节加热,使用的是开环控制系统,通过恒定电机的功率控制水温,此种加热方式出水温度容易受水压以及室温的影响[2]。某些速热式饮水机为了达到稳定的水温输出效果,采用了一种简单的闭环控制系统,通过温度传感器对水温进行监控,以简单的PID调节反馈控制出水温度,此控制系统较开环控制系统对水温的稳定控制效果有所改善,但对于温差比较大的环境下,出水温度仍存在较大误差[3][4]。对此,本文对PID闭环控制系统进行改进,通过分析温度控制过程,设计了一种包括水箱水温、热水水温、电源电压和水流量作为反馈量的PID控制系统,并基于STC15F204单片机搭建了硬件电路。

1. 控制系统设计原理及分析

针对控制系统对加热后的水温的控制受加热前水温、水压、水流量以及电源电压的影响,本文设计的闭环控制系统以出水温度为反馈量,以水箱水温、电源电压和水流量为前馈量,减小上述外界的干扰因素的影响[5]。本文的控制系统原理如图1所示。

2. 硬件电路设计

速热式饮水机控制器选用STC15F204单片机作为处理器,该单片机由宏晶公司设计生产,是一款以51为内核的8位高速低耗8051单片机,拥有8路高速10位A/D转换,大大简化了本控制器硬件电路的设计[6]。硬件电路包括功率电路、显示电路、数据采集电路、键盘电路和加热控制电路。

2.1 功率电路

功率电路 用于给控 制电路提 供电源 ,STC15F204芯片电源电压为5V直流电压,本文采用整流桥电路较220V交流电转换为直流电压,用AP8022开关电源控制器,将220V电压转换为5V电压,功率电路图如图2所示。

2.2 数据采集电路

数据采集电路包括对水温、电压和水流量的数据采集。温度采集通过热敏电阻与分压电阻串联,接入单片机接口,由于STC15F204单片机拥有高速A/D转换接口,单片机可直接进行A/D转换,因此无需再设A/D转换电路。热敏电阻的阻值与温度值的关系函数应用最下二乘法求得,因此水箱温度和加热后水温的数值直接根据热敏电阻采样值求出。电压采集电路为二极管半波整流电路,通过电阻分压和电容滤波直接采集得到。水流量采集电路通过采集涡轮式流量计的转速求得。如图3所示,左图为温度采集电路,右图为电压采集电路。

2.3 显示电路和键盘电路

为方便用户对速热式饮水器的使用,本文设计了控制器的显示电路,显示电路主要由LED数码管和LED灯组成,两对LED数码管用于显示用户的目标温度和实际的出水温度,LED灯用于指示电源、儿童锁、警报等信号。

为简化硬件电路,本设计的键盘电路的四个按键共用一个单片机接口,四个按键通过串联不同阻值的电阻共同接于单片机A/D接口,单片机A/D通过检测不同电压值判断按下的按键。

2.4 加热控制电路

加热控制电路由继电器、直流电机、三极管开关电路等组成,继电器控制加热板电热膜的开关,三极管开关电路与单片机接口相连,通过单片机输出不同频率的脉冲信号控制直流电机的转速,从而控制水箱中的饮用水进入加热板电热膜的水流量,进而控制出水温度。加热控制电路原理图如图4所示。

3 温度控制算法实现

温度控制算法程序主要包括主程序和中断控制程序,其中主程序包括数据采集子程序、LED显示子程序、按键程序、PID控制子程序等。数据采集子程序主要对水温、电压和水流量进行采集;LED显示子程序负责在LED数码管和LED等上显示当前的水温、目标水温、加热状态、出水量和报警信号;按键程序的四个按键包括电源开关、温度选择、儿童锁和出水按键;PID控制子程序负责调节电机的转速,保持温度稳定在用户的设定值。温度控制流程图如图5所示。

温度控制依据所采集的实际水温和目标温度之差来调节电机的转速,从而控制饮用水流经加热板的速度,调节出水温度。温度控制系统的核心是PID控制,如图所示,控制系统通过采集出水温度与目标温度值进行比较,然后依据入水温度、水流量和电源电压值进行比例积分微分运算。这里被控对象传递函数为,去目标温度为50oC,T=50,τ=0.3,经计算,增益系数K=8,比例参数kp=5,积分参数ki=0.1,微分参数kd=2;为了验证系统的可行性,在MATLAB/Simulink软件中进行仿真实验,其中,闭环控制环节可以用一阶滞后环节来近似代替,如图6所示为仿真框图,得到如图7所示的仿真结果,图7中图a)为目前市场上所用的控制器的仿真结果,图b)为基于本文所设计的PID算法的控制器。

从仿真结果可以看出,对于给定的控制对象,

本文所设计的PID温度控制器能更快地得到稳定的出水温度,较常规的单反馈量PID控制算法,能更有效地实现快速稳定地控制速热式饮水机的加热工作。

4 结束语