基于PIC32的太阳能热水器恒温混水装置

第一部分：前言

一、摘要

在太阳能热水器流出的热水，与自来水管流出的冷水混合流出过程中，由于普通机械式混水阀具有物理缺陷，导致最终的水温不易调节，调节后不能稳定，中断后又要重新调节。本项目针对这一问题，希望通过PIC32单片机，设计出能自动调节，稳定出水，水温恒定的数字混水阀，让太阳能热水器的使用更加便利舒适，同时还能减少水资源的浪费。本项目具有很高的应用价值与不错的市场潜力。

二、项目的立项依据

当前，在国家大力发展新能源的大环境下，水能、太阳能、生物质能等的开发利用得到了格外的重视。在这些领域中，太阳能热水器则是太阳能成果应用中的一大产业，它以环保、安全、节能、卫生等优点，迅速赢得了广大消费者的青睐。

2008年3月18日发布的《可再生能源发展“十一五”规划》明确提出，到2010年，太阳能热水器累计安装量达到1.5亿平方米。此外，在新农村建设中，不少地方都给予了不同程度的补贴，每台太阳能热水器多则补贴千元，少则一二百元。由此可以看出太阳能热水器未来的发展前景是非常好的。

自2001年到2006年太阳能热利用产业取得快速发展至今，太阳能热水器的销量每年都能略有增长或保持稳定。这期间，它的不少缺点也在持续的改进中。

在太阳能热水器的诸多部件中，有一个是用户们最经常接触的，那就是混水阀——在洗浴过程中使用的阀门。它的一些缺陷也是用户们最能直接体会到的：

一、普通机械混水阀非常的难以调解：用手进行的一个幅度很小的扭动可能会导致很大的水温变化。

二、水温的确定依靠人的感觉：这方面的主要问题在于用户调节阀门后还要等很长一段时间才能确定真正的水温，因为调节后的水从混水点流至喷头处还有不短的距离。如果不合适还要再进行调整，不仅耗费时间，还很浪费水资源。

三、用户如果中断洗浴（例如需要涂抹浴液时）则需要关闭阀门，继续洗浴则要再次进行调节。这样一来，有不少用户为了减少不便，甚至在不使用水的过程中也不关闭阀门，极大地浪费了水资源。

四、目前的太阳能热水器，大多为落水式，即热水管中的水压完全由水在热水器安置高度与用户所在高度之间形成压力提供。这样的水压提供方式往往不稳定，并且如果楼层高则较小，再加之自来水管水压的不稳定，导致普通机械混水阀无法控制洗浴过程中水的压力变化，最终的表现是：出水忽冷忽热。

因此，研发“太阳能热水器恒温混水阀”的十分必要。这项成果，不仅具有广阔的市场前景，同时也能节约水资源。

当前，虽然也有一些公司推出了“恒温混水阀”，但多数都是使用热应变能力强的金属做弹簧或杠杆驱动阀门变化，这样的改进虽取得一些进步，但仍然保留着机械式阀门的一些缺点，例如：不能实现精确地温度控制，仍然需要用户等待来测试水温，并且对于水压的调节能力也有限（体现在温度调节范围有限）。当前，也有一些数字类产品克服了这些缺点，但集成度往往很高，通常与太阳能热水器搭配销售。仅仅有几款数字混水阀可以单独销售，但技术手段过于复杂，设备过于庞大（例如加装水箱充当削减水压影响的缓冲装置），导致销售价格却出奇的高，难以被市场普遍接受，销路很差。

所以，如果可以开发出成本相对较低而性能优良的数字恒温混水阀，必定有广泛的市场前景与应用价值。

第二部分：简要项目陈述

一、项目的研究内容

1、出水温度测量

理想情况下希望电磁阀开度的变化能实时体现在混水点处温度的变化上。所以，电磁阀与温度传感器都要放置在距离混水点尽可能近的位置上。但是，若温度传感器与混水点距离过近，可能会测到在冷热水混合不充分时的水温。因此，二者间必须要有一定的距离，使水充分混合，这样一来，传感器只能测到真正流过电磁阀一段距离后的水温，不能达到理想状态。虽然中间距离比普通机械式混水阀小很多，但若要实现实时的反馈调节，这之间的误差要尽可能减小。

2、阀门控制算法

通过DS18B20温度传感器可以获得精度相对很高的温度测量结果，并且直接以数字形式串行发送给PIC32单片机。单片机经过计算后，可以根据当前用户设定的水温值来决定冷水阀和热水阀开度变化的时刻，直至两个阀门的开度调节到合适位置，流出喷头的水温恒定在设定值。

此外，若要使最终的出水量和水温稳定，必须要考虑的一个重要影响是水压。现在的太阳能热水器普遍采用落水式安装方法，水压往往不稳定，同时，如果用户所住楼层较高，则热水管自身的水压太小，再加之自来水水压不时的变化，最终导致了喷头出水水温的忽冷忽热，忽大忽小，严重的还会导致热水管道中水的回流。

3、阀门开度控制

调节出水量最直接的方法是通过控制阀门开度。本项目的混水装置中涉及到两个阀门的控制问题，进行流量调节时，不仅要能实现流量稳定在设定值，更重要的是使出水温度也稳定在设定值。

4、整合项目，使测量单元，数据处理单元，控制单元能恰当配合。最后进行测试调整，达成预期的研究目标。

二、项目的研究目标

1、利用PIC32设计出合适的计算方法，要使处理后的温度数据能尽量减小由于混水点和温度传感器的距离而造成的测量延迟。

2、设计出合适的单片机程序，使其在温度低于设定值的时候增大热水管电磁阀的开度或减小凉水管电磁阀的开度；反之，在温度高于设定值的时候增大凉水管电磁阀的开度或减小热水管电磁阀的开度。

3、在达成上述条件的同时，不能对喷头最终的出水量造成影响，使系统在调节温度的同时，保持水流量的稳定。例如，不能出现下述情况：因水温过热，热水管电磁阀开度减小，而凉水管电磁阀开度不变，最终使温度调整到设定值，但出水量却减小。

4、通过间接方法，消减水压对于水温和流量控制的影响。

三、有关方法

1、装置的测量部分有：温度测量部分和流量测量部分。温度测量部分为DS18B20温度传感器，放置在混水口之后，冷热水已经充分混合均匀的位置处，测量水温。此传感器精度较高，并可直接将温度数据串行发送至PIC32，数据处理起来非常方便。流量测量部分为叶轮式流量计，放置在温度传感器之后。它可将水的流量情况直接以脉冲信号传送给单片机，根据简单的公式计算后即可得到实际的液体流量。通过测定流量：其一，引入了一个已知数据量，可以使两个电磁阀在调节水温的同时，进行流量的调节，使二者全部稳定在设定值；其二，水压的影响在一定程度上体现在对水流量的影响上，通过测定液体流量，可以间接地消减水压变化对装置的影响。

 

1、装置的测量部分有：温度测量部分和流量测量部分。温度测量部分为DS18B20温度传感器，放置在混水口之后，冷热水已经充分混合均匀的位置处，测量水温。此传感器精度较高，并可直接将温度数据串行发送至PIC32，数据处理起来非常方便。流量测量部分为叶轮式流量计，放置在温度传感器之后。它可将水的流量情况直接以脉冲信号传送给单片机，根据简单的公式计算后即可得到实际的液体流量。通过测定流量：其一，引入了一个已知数据量，可以使两个电磁阀在调节水温的同时，进行流量的调节，使二者全部稳定在设定值；其二，水压的影响在一定程度上体现在对水流量的影响上，通过测定液体流量，可以间接地消减水压变化对装置的影响。

2、装置的输出部分为分别安置在冷水管道中和热水管道中的两个电磁阀。对于阀门的调整，为双输入（水温，水流量）双输出（两个电磁阀的开度），较为复杂，可使用一下思路进行：

A、若水温过高，则增大冷水阀开度，直至温度降到预设值。之后按照实际水流量与设定流量的比值同时减小冷热水阀的开度，直至流量达到预设值。如果在调整流量过程中水温发生变化，则返回前一环节进行调节，直至稳定。

B、若水温过低，则以与A过程相反的方式进行调节。

C、若水流量过大，则按照实际水流量与设定流量的比值同时减小冷热水阀的开度，直至流量达到预设值。这时再以过程A或B进行调节，直至稳定。

D、若水流量过高，则以与C过程相反的方式进行。

这样，可以在温度调节好的基础上，同时保持流量的恒定。

3、装置的显示部分采用七段数码管。分别显示当前的水温、水温预设值以及流量预设值。用户可以通过按键调节预设值。这样一来能使用户直观的了解当前太阳能热水器的指标，非常人性化。

4、水压影响是整个系统中最难处理的一部分。水压对于水温和流量的影响都是不小的，对于这一部分，现在的构想有两步可以对其进行削弱：

A、流量传感器：水压的影响在一定程度上体现在对水流量的影响上，通过测定液体流量，可以间接地消减水压变化对装置的影响。

B、电磁阀采用单向电磁阀，抑制由于一方水压过大而造成的回流情况。

六、预期成品结构

1、最上部分为两根管道，热水管接太阳能热水器，冷水管接自来水管。

2、两根管道分别安置一个单向电磁阀。

3、箱体内部，按水流过的顺序，封装有DS18B20温度传感器，叶轮式流量计。

4、箱体内部同时还封装有PIC32，独立按键以及其它必要的电子器件。

5、经过混水后，从出水管道流出。