基于Seebeck效應的高效型節水閥的設計

秦欣鑫 王起鑫 劉世豪 周琦 合苗

摘要：基于Seebeck（塞貝克）效應的高效型節水閥應運而生，本項目設有兩個冷熱水進水口和一個溫水出水口，以單片機為主控系統，配合按鍵輸入模塊、溫度采集模塊、電機驅動模塊、溫差發電模塊、液晶顯示模塊和報警模塊等協調運行，實現恒溫出水。用戶通過按鍵設置出水溫度，主控系統根據接收到的預設溫度信息和溫度傳感器測得的冷熱水溫度信息，通過內部程序算法控制步進電機帶動蝶閥轉動來調節冷熱進水比例，以達到設定的出水溫度。其間溫差發電模塊將冷熱水溫差轉化為電力，經過PID穩壓模塊穩定驅動系統正常運行，實現能源自給。液晶顯示模塊實時更新出水溫度。出水口的溫度檢測裝置對出水溫度進行檢測，將信息實時反饋至主控系統，若出水溫度與預設溫度存在誤差，則調整蝶閥的混合比，使出水溫度趨于穩定。若出現冷水突然斷供等突發狀況，導致出水水溫相對預設溫度過高，則緊急切斷出水并報警，嘗試重新啟動裝置。若重啟三次仍出水溫度異常，則不再自動重啟。

關鍵詞：恒溫節水;Seebeck效應;液晶顯示

1 研制背景及意義

1.1 研制背景

隨著人們生活水平的提高以及家用電器的普及，熱水器的應用已經十分廣泛。目前家庭浴室所用的混水閥大多為機械水閥，其水溫調節方法是手動調整閥門的機械位置，控制冷熱水管道的出水比例。每次開啟時出水溫度都不穩定，用戶需要用肢體感知出水溫度來調節冷熱水進水比例，需要進行反復調節，即使調好的水溫也會受到水壓變化的影響發生變化，降低了使用的舒適性，甚至出現水溫突變，燙傷身體的極端情況。由于機械水閥的功能不完善、精度低、可靠性差等問題，浪費了大量的時間和水資源。

2 工作原理及性能分析

2.1工作原理

2.1.1溫差發電

溫差發電的基本原理是熱電材料的Seebeck（塞貝克）效應：處在溫差環境中的兩種具有不同自由電子密度（或載流子密度）的金屬導體（或半導體 ）相互接觸時，接觸面上的電子從高濃度向低濃度擴散，且電子的擴散速率與接觸區的溫度差成正比[3]。因此，只要保持兩接觸導體間的溫差，電子就能持續擴散，兩導體另兩個端點之間就會形成穩定的電壓。

2.1.2調節水溫

比熱容是單位質量的某種物質，在溫度升高時吸收的熱量與它的質量和升高的溫度乘積之比。根據此定理，有以下公式： ，其中，Q為吸收的熱量;m是物體的質量，?T是吸熱（放熱）后溫度所上升（下降）值。將冷水和熱水混合的過程可近似為絕熱過程，水的比熱容為常數，根據式（1），通過蝶閥控制冷熱水流量，可以得到任意溫度的溫水。例如，預設出水溫度為32℃，系統檢測到熱水為80℃，冷水為20℃。根據式（1），有：

根據式（1）可以得到，主控系統通過步進電機控制蝶閥，使冷熱水出水比例達到4：1時，可得到32℃的溫水。

3 設計方案

3.1控制系統

STC89C51單片機為主控制芯片，處理反饋信息?？偪刂齐娐分饕芍骺刂菩酒?、溫度采集模塊、鍵盤輸入模塊、溫度顯示模塊、步進電機驅動模塊和溫差發電模塊組成，當用戶通過按鍵設置好相應參數時，利用溫度傳感器檢測出水口水溫，將溫度信號傳送至51單片機，經單片機分析處理后，反饋給各功能模塊做出相應指令，系統各傳感器之間的搭配組合高效節能，且具有較高的穩定性。

3.1.2主要控制模塊：

（1）溫度采集模塊

采用DS18b20溫度傳感器，放置于準備緩沖區和出水檢測區，用戶設置出水溫度并按下確認鍵后，溫度傳感器將測量的溫度反饋至控制中心，通過內部程序算法控制步進電機帶動蝶閥轉動調節冷熱進水比例，以達到設定水溫。

（2）液晶顯示模塊

通過51單片機控制，將檢測到的水溫顯示到液晶屏上，為用戶提供水溫設置界面。

（3）鍵盤輸入模塊

通過矩陣按鍵設置按鍵輸入系統，用戶通過按鍵輸入設定出水溫度，單片機內部接收按鍵信息，保存預定水溫值。

（4）電機驅動模塊

溫度傳感器檢測水溫并將溫度信號傳送至51單片機后，比較出水溫度與設定的水溫值，控制步進電機帶動混水閥的轉向及轉角，精確的控制冷熱水的混合比例，直到混合水溫值在設定溫度范圍內時電機停止轉動，實現恒溫出水。

（5）溫差發電模塊

在冷熱水交界處設置有半導體溫差發電片，利用Seebeck效應，當溫差發電片兩側出現溫差時，將產生一定的電壓，從而將冷熱水的溫差轉化為電能，PID穩壓調控系統穩定溫差發電產生的電壓并為單片機供電[6]，使裝置擺脫外接電源，實現能源自給。

（6）報警模塊

在出水口處設蜂鳴器電路，實現報警系統，當位于出水區的溫度傳感器檢測到水溫不正常時，則觸發報警，若水溫差值在±3℃以內，則將反常信息反饋給上一級步進電機驅動模塊，快速重新調節水溫至正常值，若水溫差值較大，則報警器運行以提醒用戶，同時停止出水，直到水溫正常則停止報警，正常出水。

3.2 機械部分

可調式恒溫節水閥主要有三部分組成，第一部分為準備緩沖區，頂部大圓孔為冷熱水進水口，小圓孔放置溫度傳感器，底部的大圓孔為出水孔，中間放置半導體溫差發電片。此結構可以使溫差發電片充分利用溫差，以最高效率工作。出水口與蝶閥相連，使測得的水溫與通過蝶閥的水溫保持一致，避免了水流過程中由于溫度變化造成的混合誤差[8]。

第二部分為混水區，水流從準備緩沖區流入蝶閥，主控系統根據接收到的預設水溫信息和進水溫度信息進行算法分析，通過步進電機控制蝶閥中的水流量使冷熱水以特定比例混合，最終得到預設溫度的溫水。

第三部分為出水檢測區，仿照輸管緩沖區的設計，出水口的溫度傳感器將水溫反饋至主控系統，主控系統根據反饋信息實時調整蝶閥水流量維持恒溫出水[9]。

4 創新點

4.1 創新點

（1）智能電子電路相比機械水閥能夠更精確的調溫，解決了傳統混水閥調溫時浪費時間、浪費水資源的問題;

（2）利用Seebeck原理，通過半導體溫差發電，PID穩壓調控系統為主控制系統提供穩定的供電電壓，擺脫外接電源，實現能源自給，提高用戶體驗度。

參考文獻

[1]歐陽山西，董越，金玉章.熱水器出水恒溫技術研究[J].家電科技，2013（11）：87-89.

[2]張洗玉，賀錦瑜，黃琦，高旭，喬帥.基于塞貝克效應的熱電轉換實驗裝置的設計.低溫物理學報，2018

[3]李建紅.基于價值工程的恒溫混水閥研發及國產化.華南理工大學，2010

[4]周大量，胡申華，吳馥郁，汪遠泉.溫差發電實驗設計與性能分析.電工技術，2019.