基于单片机的恒温水龙头设计

    水龙头是水的“指挥家”，是人们生活中必不可少的用水设备。现有的双联式水龙头可同时接冷热两根管道，其水温调节的方法是手动调整阀门的机械位置，控制冷热水管道的出水比例，其调节复杂，且调节过程中浪费的水量多。即使调好的水温也会受到水压变化的影响，降低了使用的舒适性。甚至出现水温突变，烫伤身体的极端情况。单片机作为一种智能化的控制器已经广泛应用于各种家用电器中，为用户提供更优质的服务。本文主要介绍了采用单片机控制的方法，实现水龙头的出水温度的精确调节，避免用水浪费，是基于单片机的水龙头智能化改造。

1 设计方案及工作原理
    系统设计方案及工作原理如图1所示。热水和冷水分别流入后在0中混合，实现温度中和。当混水温度达到设定值后，开启3供水。当水温未达设定值时，开启4将混水腔0中的水排出至加热装置(如燃气热水器)的入水口，以循环利用，减少不必要的浪费。

    1，2进水口由电动调节碟阀控制，3，4出水口由电动快速切断蝶阀控制。在热水进入口1、冷水进入口2和混水腔0中设置DS18820温度监测点，根据采集到的现场温度由单片机驱动电动执行机构控制电动调节阀的开度，从而控制1，2的进水量，以及快速开启或切断3，4的出水。

2 硬件电路设计
    水龙头控制是以宏晶科技的STC12C5A08PWM单片机为核心，检测DS18820采集的现场温度信号，分析后做出相应控制处理。用水温度的设定和显示分别由键盘输入和数码管显示。冷、热水进入口水量的调节由单片机输出通过继电器驱动调节阀实现，采用脉宽调制(PWM)变频技术智能调控水流大小，实现精确配比。系统设计框图如图2所示。

2．1 单片机控制模块
    采用STC12C5A08PWM单片机实现，它是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，看门狗，两路PWM，片内有8 KB FLASH ROM，1 280 B RAM，支持ISP。
2．2 温度传感器模块
    采用DALLAS公司生产的单总线式数字温度传感器DS18820测量水温，可直接输出9～12位(二进制)温度读数，便于单片机处理。DS18820测量温度范围为-55～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度为±0．5℃。可在750 ms(最小值)内把温度转换成12位二进制数字值，温度采集具有准确性和及时性。DS18820采用单总线的数据传输方式，多个DS18820可挂接在一条总线上，实现多点温度测量，轻松组建传感网络。该系统中分别检测热水进入口温度T1，冷水进入口温度T2和水龙头出水口温度T3。
2．3 显示模块
    该系统设计了两位八段数码管，由单片机I／O口直接驱动，采用动态显示方法，显示用户设定的温度值。
2．4 键盘模块
    本系统需要三个按键，采用三键独立式键盘，直接接单片机I／O口，采用软件去抖。三个按键分别实现的功能如表1所示。

2．5 水流控制模块
    如图1所示，热水和冷水进入口1，2采用电动调节蝶阀，单片机通过控制调节蝶阀的开度来控制进水量的大小。使用单片机内部2路PWM逻辑产生高频PWM信号，通过电动执行机构驱动电动调节蝶阀，从而减轻了软件的工作，提高了软件的效率。水龙头出水口3和循环水出水口4采用电动快速切断蝶阀，在单片机的控制下实现快速开关水。

3 软件设计
    本控制系统是以单片机为中心的控制系统，单片机结合一定的外围电路完成系统数据输入、温度采集、输出控制信号以及实时显示等功能，它是一个完整的智能控制系统。图3为系统程序流程图，表明亍整个过程的控制思想。

    根据温度对电动蝶阀的控制算法为：首先将系统设定温度T与冷水温度T2和热水温度T1比较，分为以下三种情况：
    第一种：若T-T2>T1-T，将冷水进入口蝶阀全开，热水进入口蝶阀开一半；
    第二种：若T-T2<T1-T，将热水进入口蝶阀全开，冷水进入口蝶阀开一半；
    第三种：若T-T2=T1-T，将热水进入口蝶阀全开，冷水进入口蝶阀也全开；
    系统水龙头出水口温度T3随系统工作时间逐渐升高，当T3<T时，开循环水电控蝶阀，且稳定不变后，第一种情况下，将热水蝶阀开3／4；第二种情况将冷水蝶阀开为1／4；第三种情况将冷水蝶阀开为3／4。采用逐步次逼近的方法，直到T3=T时，关循环水电控蝶阀，开水龙头电控蝶阀。

4 结 语
    该系统提出了一种利用单片机、温度传感器、蝶阀以及其他控制电路实现水龙头出水恒温控制的方法，解决了传统手动调温的不便，避免了在调温过程中的用水浪费。方便用户使用，实现用水温度的精确设定以及恒温用水。具有较高的实用价值。