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摘 要：文中介绍了一种具有检测、自我调节温度以及智能提示功能的水阀装置。分析了现有电控阀的发展状况，并在此基础上找到了市场短板，从而设计出一种满足普通百姓需求的智能控温水阀。此系统以STC89C51单片机为控制核心，用步进电机作为执行电机来实现其功能，用液晶显示屏来实时显示其所要向用户展示的数据以及对用户的智能提示，并降低了维修难度。此设计对进一步发展我国智能家居装置、推广节水政策有一定的帮助。
关键词：水阀；STC51单片机；步进电机；温度调节
中图分类号：TM924 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）08-00-02
0 引 言
电控阀作为执行元件在自动化越发普及的当代社会中应用十分广泛。随着智能用品的发展，其主要问题是降低产品成本以及迎合百姓需求。
目前较为常用的阀门主要有电动阀和电磁阀。对于采用电磁的电动阀来说，虽然可以用很短时间的脉冲电平完成开关动作，但其耗电量大，零功耗几乎不可能，且维护困难。市面在售的电控阀大多面向企业及工厂，少有适用于中小家庭和单位的设备。由于大多产品仅具有单一的电控功能，无法满足百姓的日常需求。因此解决产品面向对象、降低产品成本以及满足百姓所需就显得尤为重要。本文设计的这一控温智能阀门基本能够解决以上问题。
1 设计背景
水与人们的生活息息相关，在家庭中，小到洗菜做饭、洗衣养鱼，大到洗浴，各个方面都有水的身影，而随着四季变化，我们对水温的要求也不断改变。目前市场中的水龙头水温控制大多基于人为操作，根据人体对水温的感应，不断调整冷水和热水的阀门使水温达到自己感到适宜的温度。这一过程不仅浪费了水资源，也无法快速达到人们满意的程度。通过全自动控温水阀，人们可通过触摸屏设置固定的温度，使初始水温达到自己的理想预期。此设备积极响应国家对于节水政策的倡导，避免浪费，且造价低廉，适合中小家庭安装使用。
2 系统组成与功能
2.1 系统组成
本系统主要由STC89C51单片机、步进电机、温度传感器、液体涡轮流量计、阀位检测装置等模块及一些外设组成，系统结构如图1所示。系统还有显示及设置温度、智能温度助手等功能。
本系统采用STC公司的STC89C51单片机。该单片机的最高工作时钟频率为80 MHz，片内含有8 KB的可反复擦写1 000次的Flash只读程序储存器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序可将用户程序代码下载进单片机内部，不必购买通用编程器，且速度更快。
通过单片机STC89C51实现对水阀内两个独立阀门（冷水阀门、热水阀门）的控制，并结合WZP-PT100温度传感器、液体涡轮流量计分别对水温和两个独立出水口流量进行实时监控，使用户出水口流出的水的温度达到用户预先设置的温度，并且在关闭用户出水口一段时间后再打开时，水温仍然可以保持。串行通信采用RS-232接口。步进电机可以对位移量、旋转角度和转动速度等进行高精度控制，实现了水阀开度的自由控制。使用RS-232C接口的通信线路在15 m左右可以达到正常的通信要求。RS-485由于使用差分电平传输信号，传输距离比RS-232C更长，最多可达1 000 m，且其数据抗干扰能力增强，通信范围更广，而软件设计却不需要进行大的改动，可以考虑将其作为RS-232C多机网络的替代方案。系统简图如图2所示。
2.2 系统功能
该系统设计了三大功能，即智能温控功能、智能温度助手和串行通信功能。
2.2.1 智能温控功能
利用WZP-PT100温度传感器对两个独立出水口水温进行实时检测。使用时可通过显示屏设定期望温度，温度传感器将监测到的冷水、热水温度传输给单片机。单片机根据PID算法，启动步进电机使冷水、热水阀门以一定比例打开，使水温初步达到期望值。而流量计实时检测流量（现实生活中，水管中的水压是变化的），并反馈参数给单片机，温度传感器将检测到的实际水温反馈给单片机，并与期望水温相比，计算水温误差。单片机根据水温误差实时控制冷水、热水阀门的比例。
关于算法：设最终温度为T，冷水为T1，热水为T2，吸收热量等于放出热量（水的比热相等）。 Q=CM1（T-T1）=CM2（T2-T），解得M1/M2=（T2-T）/（T-T1），质量比转化为体积比，再根据流量传感器测得的流量比（体积比）求出阀门开启的范围大小（总流量一定），从而达到期望的温度。
2.2.2 智能温度助手
在触控面板内置有温度传感器，可实时监测装置所处环境的温度，然后根据单片机预置资料库程序，给予用户合适的水温建议，让用户省去了自己尝试水温的过程。
2.2.3 串行通信功能
串行通信接口采用RS-232接口。由于RS-232C标准采用负逻辑，一般单片机均为0～5 V的正逻辑，故在电路上采用电平转换芯片MAX232，实现正电压、负电压的转换。本设计采用一个主机对多个从机的通讯方式。
软件流程主要包括系统初始化、温度检测及显示、阀门控制及阀位检测、RS-232通信、中断处理（包括无水中断、手动中断及USART双向通信中断）。单片机的时钟频率为4 MHz，通信波特率设定为19 200波特。该系统的智能温控流程如图3所示。
3 与普通控水阀门的区别
全自动控温智能水阀与普通控水阀门相比有如下优点：
（1）用温度传感器检测出冷水和热水的温度，根据一定比例调制出自己期望的水温。
（2）可以自动检温，实时显示水温。
（3）阀门自动检测功能。阀门、检测阀门实际位置的电位器及步进电机三者相连，将阀门位置转换成电位器的电压。
（4）通过触摸屏人为设定固定水温，并根据温差反馈自动调整水温使水温达到满意值。
（5）手动控制功能。当手动切换控制开关按下时，手动中断发生，阀门将处于手动控制状态。
4 后期扩展
可以安装蓝牙射频模块，并编写控制面板App，实现室内对系统的无线控制。也可加载WiFi模块，在室外实现远程控制，比如可以用手机端设置好理想的水温及出水量，回家后就可以在第一时间泡热水澡。
5 结 语
水是生命之源，中国水资源已严重短缺，节约水资源刻不容缓，因此大力推广节水新产品、应用节水新技术势在必行。文中在分析了现有电控阀功能及面向对象的基础上，给出了一种控温智能水阀的设计方案并简析了其工作原理。这种控温阀能够使水温快速达到用户预想的温度，从而减少尝试的次数与时间，减少对水资源的浪费。设计选择了合适的组件，降低了造价成本，适合广大中小单位及家庭安装使用。结构简易，便于维修。
参考文献
[1]郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.
[2]杨欣，王玉凤，刘湘黔.电子设计从零开始[M].北京：清华大学出版社，2005.
[3]朱贝贝，施展.智能电动水阀设计[J].仪表技术，2007（7）：18-19.
[4]崔成旺，刘杰，曹伟.电磁水阀的可用方案设计讨论[J].煤炭技术，2012，31（6）：255-257.
[5]高新硕，左玉虎，郭春凤.智能数字混水阀的设计[J].科技创新，2014（9）：25.
关键词：水阀；STC51单片机；步进电机；温度调节
中图分类号：TM924 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）08-00-02
0 引 言
电控阀作为执行元件在自动化越发普及的当代社会中应用十分广泛。随着智能用品的发展，其主要问题是降低产品成本以及迎合百姓需求。
目前较为常用的阀门主要有电动阀和电磁阀。对于采用电磁的电动阀来说，虽然可以用很短时间的脉冲电平完成开关动作，但其耗电量大，零功耗几乎不可能，且维护困难。市面在售的电控阀大多面向企业及工厂，少有适用于中小家庭和单位的设备。由于大多产品仅具有单一的电控功能，无法满足百姓的日常需求。因此解决产品面向对象、降低产品成本以及满足百姓所需就显得尤为重要。本文设计的这一控温智能阀门基本能够解决以上问题。
1 设计背景
水与人们的生活息息相关，在家庭中，小到洗菜做饭、洗衣养鱼，大到洗浴，各个方面都有水的身影，而随着四季变化，我们对水温的要求也不断改变。目前市场中的水龙头水温控制大多基于人为操作，根据人体对水温的感应，不断调整冷水和热水的阀门使水温达到自己感到适宜的温度。这一过程不仅浪费了水资源，也无法快速达到人们满意的程度。通过全自动控温水阀，人们可通过触摸屏设置固定的温度，使初始水温达到自己的理想预期。此设备积极响应国家对于节水政策的倡导，避免浪费，且造价低廉，适合中小家庭安装使用。
2 系统组成与功能
2.1 系统组成
本系统主要由STC89C51单片机、步进电机、温度传感器、液体涡轮流量计、阀位检测装置等模块及一些外设组成，系统结构如图1所示。系统还有显示及设置温度、智能温度助手等功能。
本系统采用STC公司的STC89C51单片机。该单片机的最高工作时钟频率为80 MHz，片内含有8 KB的可反复擦写1 000次的Flash只读程序储存器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序可将用户程序代码下载进单片机内部，不必购买通用编程器，且速度更快。
通过单片机STC89C51实现对水阀内两个独立阀门（冷水阀门、热水阀门）的控制，并结合WZP-PT100温度传感器、液体涡轮流量计分别对水温和两个独立出水口流量进行实时监控，使用户出水口流出的水的温度达到用户预先设置的温度，并且在关闭用户出水口一段时间后再打开时，水温仍然可以保持。串行通信采用RS-232接口。步进电机可以对位移量、旋转角度和转动速度等进行高精度控制，实现了水阀开度的自由控制。使用RS-232C接口的通信线路在15 m左右可以达到正常的通信要求。RS-485由于使用差分电平传输信号，传输距离比RS-232C更长，最多可达1 000 m，且其数据抗干扰能力增强，通信范围更广，而软件设计却不需要进行大的改动，可以考虑将其作为RS-232C多机网络的替代方案。系统简图如图2所示。
2.2 系统功能
该系统设计了三大功能，即智能温控功能、智能温度助手和串行通信功能。
2.2.1 智能温控功能
利用WZP-PT100温度传感器对两个独立出水口水温进行实时检测。使用时可通过显示屏设定期望温度，温度传感器将监测到的冷水、热水温度传输给单片机。单片机根据PID算法，启动步进电机使冷水、热水阀门以一定比例打开，使水温初步达到期望值。而流量计实时检测流量（现实生活中，水管中的水压是变化的），并反馈参数给单片机，温度传感器将检测到的实际水温反馈给单片机，并与期望水温相比，计算水温误差。单片机根据水温误差实时控制冷水、热水阀门的比例。
关于算法：设最终温度为T，冷水为T1，热水为T2，吸收热量等于放出热量（水的比热相等）。 Q=CM1（T-T1）=CM2（T2-T），解得M1/M2=（T2-T）/（T-T1），质量比转化为体积比，再根据流量传感器测得的流量比（体积比）求出阀门开启的范围大小（总流量一定），从而达到期望的温度。
2.2.2 智能温度助手
在触控面板内置有温度传感器，可实时监测装置所处环境的温度，然后根据单片机预置资料库程序，给予用户合适的水温建议，让用户省去了自己尝试水温的过程。
2.2.3 串行通信功能
串行通信接口采用RS-232接口。由于RS-232C标准采用负逻辑，一般单片机均为0～5 V的正逻辑，故在电路上采用电平转换芯片MAX232，实现正电压、负电压的转换。本设计采用一个主机对多个从机的通讯方式。
软件流程主要包括系统初始化、温度检测及显示、阀门控制及阀位检测、RS-232通信、中断处理（包括无水中断、手动中断及USART双向通信中断）。单片机的时钟频率为4 MHz，通信波特率设定为19 200波特。该系统的智能温控流程如图3所示。
3 与普通控水阀门的区别
全自动控温智能水阀与普通控水阀门相比有如下优点：
（1）用温度传感器检测出冷水和热水的温度，根据一定比例调制出自己期望的水温。
（2）可以自动检温，实时显示水温。
（3）阀门自动检测功能。阀门、检测阀门实际位置的电位器及步进电机三者相连，将阀门位置转换成电位器的电压。
（4）通过触摸屏人为设定固定水温，并根据温差反馈自动调整水温使水温达到满意值。
（5）手动控制功能。当手动切换控制开关按下时，手动中断发生，阀门将处于手动控制状态。
4 后期扩展
可以安装蓝牙射频模块，并编写控制面板App，实现室内对系统的无线控制。也可加载WiFi模块，在室外实现远程控制，比如可以用手机端设置好理想的水温及出水量，回家后就可以在第一时间泡热水澡。
5 结 语
水是生命之源，中国水资源已严重短缺，节约水资源刻不容缓，因此大力推广节水新产品、应用节水新技术势在必行。文中在分析了现有电控阀功能及面向对象的基础上，给出了一种控温智能水阀的设计方案并简析了其工作原理。这种控温阀能够使水温快速达到用户预想的温度，从而减少尝试的次数与时间，减少对水资源的浪费。设计选择了合适的组件，降低了造价成本，适合广大中小单位及家庭安装使用。结构简易，便于维修。
参考文献
[1]郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.
[2]杨欣，王玉凤，刘湘黔.电子设计从零开始[M].北京：清华大学出版社，2005.
[3]朱贝贝，施展.智能电动水阀设计[J].仪表技术，2007（7）：18-19.
[4]崔成旺，刘杰，曹伟.电磁水阀的可用方案设计讨论[J].煤炭技术，2012，31（6）：255-257.
[5]高新硕，左玉虎，郭春凤.智能数字混水阀的设计[J].科技创新，2014（9）：25.