基于单片机的自适应电开水机设计

摘要：本电开水机采用自适应的方式，模拟人工总结用户的用水规律，合理确定烧水时间与烧水量，在非用水时间段停止加热，解决了混合水和干滚水的问题，较好的达到了健康与节能的双重效果。
关键词：自适应；电路设计；电开水机；单片机

0 引言
    电开水机具有清洁、高效、安装简便等特点，因此被广泛应用在学校、工厂、机关、宾馆等场所，为人们饮水提供了便利。目前市售的电开水机，通常由储水箱、加热器、进水阀等部件组成，结构简单，功能单一。使用这些电开水机可能存在两个严重的后果，一是存在阴阳水(生水与开水混合后的水)，二是存在干滚水(反复烧开的水)。阴阳水的问题在大多数开水机中通过一些特殊的分离结构已经得到解决，但干滚水问题目前尚无较好的解决办法。
    饮水机长时间开机，特别是在不用水的待机时间段，会反复地给热胆中的水加热，形成“干滚水”。同时，目前市场上销售的大都是有胆饮水机，靠着热胆对水进行加热，而热胆的材质又多为不锈钢或铝壳，如果反复加热，水中的铁、铝、铵等亚硝酸盐含量会明显升高，进而增加了“干滚水”中有害物质的浓度。实验表明，“干滚水”的化学成分已经发生了很大变化，滋生出重金属等有害物质，长期饮用会影响人的肠胃功能。

1 系统概述
    本文设计的开水机在非用水阶段如夜晚时间，开水机停止加热，到早晨上班前，开水机自动排干水箱中剩余水，加入新水重新加热，直到烧开。白天工作时间，能够根据每个用户的用水情况，调整各个时间段的烧水量，达到健康与节能双重效果。由于每个用户每个时间段的用水情况不尽相同，但通常存在一定的规律性，所以本文设计的电开水系统采用自适应方式，模拟人工总结用户用水规律，确定烧水时间和烧水量，达到了较好的健康与节能效果。

2 机械结构
    图1电开水机机械结构图，为彻底解决阴阳水的问题，本装置采用了两个储水箱和加热管，储水箱1用于烧水，储水箱2用于保存开水，加热管2用于保温作用。进水阀开启可以将自来水放入储水箱1，当储水箱1水烧开后，通过连接阀将水注入储水箱2，出水阀用于向用户供水，排水阀用于将储水箱2中的剩水排尽。

3 硬件电路设计
    图2硬件电路结构图，硬件电路以微控制器为核心，包括两个水位传感器、两个加热管、一个进水阀、一个连接阀、一个排水阀和一个出水阀，还有一个直流电源、一个人机交换装置和一个实时时钟电路。水位传感器采用高温投入式液位传感器，如果为了降低成本，可以自制分级的液位开关替代，进水和排水阀用高温电磁阀，显示屏使用带汉字库的12864型液晶屏，如果考虑成本，还可使用数码管或简易液晶屏。
    实时时钟采用SD2058芯片，该芯片是一种具有标准IIC接口的实时时钟芯片，CPU可使用该接口通过6位地址寻址来读写片内64字节寄存器的数据。SD2058内置单路定时／报警中断输出，报警中断时间最长可设至100年；内置时钟精度数字调整功能，可以在很宽的范围内校正时钟的偏差(-189ppm～+189ppm，分辨率3．05ppm)，并且通过外置的温度传感器可设定适应温度变化的调整值，实现在宽温范围内高精度的计时功能；该芯片还具有独立的32768Hz方波脉冲输出脚。
    在本系统中，微控制器的主要任务是记录各个单位时间的用水量，并总结用水规律，确定下阶段烧水量和烧水时间，因此在选型时主要考虑微控制器的存储器空间。本系统选用宏晶科技有限公司最新产品STC12C5A16S2，该芯片具有16k Flash程序存储器，1280字节SRAM，45k的EEPROM，有8路10位A／D转换器，LQFP44封装，只需人民币5元。

4 软件设计
    微控制器每十分钟记录一次用水量，每天需要144个字节存储用水量，STC12C5A16S2单片机具有45k的EEPROM，约可记录3个月每个时间段的用水量。
    系统首次运行时，始终保持储水箱2内有充足的开水。当运行至第二天时，控制系统首先根据前一天的用水情况，初步确定当日的烧水情况，当系统已运行多日时，控制琴根据前阶段每日的用水曲线，结合前一日的用水情况确定烧水时间和烧水量。系统尝试以周为周期总结用水规律。为应对用户突然增加时的用水量，系统储水保有一定余量，该余量可以自适应生产，也可以人为设定，余量应适中，过大会造成开水浪费。系统还设计了手动强制烧水，用于特殊情况时的应对，该情况的用水量也计入自适应采样数据。

5 结语
    本系统运行初期可能会留有较大的用水余量，造成较大的水资源浪费，运行稳定后，浪费将减小到较低限度。本系统在规律性越强的场所使用效果越好，在突变性较大的场所会有一定的资源浪费，但同样具有健康与节能的效果。