摘要

随着人们环保意识以及消费水平的提高，太阳能热水器作为一种便捷、环保、安全的产品已经进入千家万户，得到了广大人民的欢迎。然而现在太阳能热水器在使用时常常遇见这样的尴尬，当使用时先要扭开水龙头，放掉水管里面残留的冷水，直到热水流出来。在这个时候大量的水被浪费了。住在底层的住户尤其如此。我们的“一种太阳能热水器管道冷水回收利用的解决方案”就是针对这样的现象提出的。当使用者按下出水按钮时，控制器会控制电磁阀的通断从而将管道中的冷水回送到太阳能热水器中，从而达到回收利用的效果。本系统对原来太阳能热水器的改造难度小，使用方便，不但节省了宝贵的水资源，而且从长远看来，也为使用者节约了家庭与企业的支出。

Abstract

Following the improvement of people’s awareness of environmental protection and the level of consumption, being a convenient, environmentally friendly, safe product, solar water heaters have been introduced into thousands of families and are welcomed by the majority of the people. However, people often encounter such embarrassment that when using solar water heaters, people have to wait after they turn on the tap until the cold water in the pipe is totally released and the hot water come out. At the result a large amount of water is wasted. It is especially severe to the residents living the first floor. Our “solar water heater pipe-water-recycle solution” is to designed to solve such problem. When the user clicks on the water button, the controller will control the on-off solenoid valve so that to send the cold water in pipe back to the solar water heater,realizing the recycling of water. The solar water heater system dosen’t need much transformation to the original solar water heater. This system is convenient and can save valuable water resources. It will also the expenditure of families and enterprises in the long run.

关键词：冷水回收、温度检测、低成本、水温调节、电磁阀控制

Key words : Water recycling, temperature detection, low-cost, temperature regulation，Electromagnetic valve control

一、 方案论证与比较

方案一：

（1）简述：

如图所示，将太阳能热水器中的贮水箱分成两个部分，两个部分的水同时加热。在两个贮水箱底部分别放置两个压强传感器。在出水龙头处放置三个电磁阀，当用户按下出水按钮的时候，电磁阀1、2打开，电磁阀3关闭。由于左边与右边的水位存在高度差，液位一与液位二组成一个连通器，其中的冷水会进入水位较低的水箱中。当3处的温度达到规定的要求，或者流动的时间达到了用户所能容忍的极限的时候，开启水位较高的水箱所在的电磁阀（电磁阀1或2）以及电磁阀3，此时热水留出。当用户使用过一段时间，此时保证冷水已经全部回到水位较低的水箱的时候，电磁阀1与电磁阀2的开关状态交换，从而达到使低水位的水箱继续保持低水位的目的。

（2）方案评价

该方案实用性较强，不受进水管道的影响，而且可以保证在使用的过程中用户始终可以使用到热水。所用的材料较少，成本较低。但是因为需要将贮水箱改装，而一般的太阳能热水器的贮水箱价格比较昂贵，改造成本较大，最终放弃了这个方案。

方案二：

（1）简述：

采用如图所示的方法，在原来的太阳能热水器的上面加上一个小水箱B用来暂时贮存回收的冷水，水箱B与外界大气相通。另外加上一个电磁阀1用于控制贮水箱A通气孔的开闭。当用户按下用水开关的时候，首先电磁阀2、3开通，电磁阀1、4关闭，此时进水管道打开，自来水涌进水箱A中，使得水箱内的压强增大，将管道中的水顶入水箱B中。当检测到电磁阀3处的水温高于预定值或者时间超过用户所能容忍的极限的时候，电磁阀1、4打开，电磁阀2、3关闭，此时热水流出。

（2）方案评价：

此方案成功的解决了方案一中改造难度过大的问题，由于利用自来水的水压使得管道中的水循环流动，用户需要等待的时间很短。虽然存在当自来水停止供应的时候此设备不再管用的问题，但是该方案仍然明显的优于方案一，故我们最终决定采用此方案。

二、 电路设计与计算

1.检测电路

为了降低成本，我们采用干簧管作为液位检测的传感器。上水至水满之后在水箱中漂浮的包裹着一块小磁铁的浮子会将干簧管接通，从而将KEY3拉低，将信号传给单片机，单片机做出相应的处理。

2.处理电路

处理部件包括处理器、按键检测与应答部分、液晶显示部分等。我们采用SST89E58RD2作为核心处理器。SST89E58RD2是SST公司的一款具有IAP功能的单片机，具有体积小、功耗低、成本低、可靠性好、可扩展性强等特点，适用于作为本系统的核心处理器。

我们选择了存储了160个不同的点阵字符图形的1602液晶屏作为本系统的显示部件。1602液晶具有电路简单、故障率小、安全、实用、经济等优点，非常适合用在小型的、不需要复杂的人机界面的控制系统中。因此我们采用了该方案。

3.伺服电路

由于我们在系统中使用了四个电磁阀，为了简便只画了其中一个电磁阀控制电路。我们通过NPN型三极管9013搭建了简易的非门，通过9013带动继电器从而达到控制电磁阀开关的目的。

三、 算法与软件流程

系统上电复位初始化。初始化之后蜂鸣器响一声表示系统正常启动，程序可以正常的运行。随后进行一系列的初始化：液晶显示屏初始化清空液晶的缓存以及点阵数据、电磁阀的初始化关闭所有的电磁阀、在液晶上显示相应的说明等。

初始化完毕之后读取温度传感器Ds18B20检测到的温度值并扫描按键值。如果检测到用户按下了用水的按键则根据当前Ds18B20测得的水温判断水管里是不是有冷水。如果没有冷水则直接打开电磁阀，释放热水。如果有冷水则开通电磁阀2、3，关闭电磁阀1、4。如果达到了用户设定的等待时间的极限的时候温度还没有达到用户的要求，则发出警报，由用户来选择是不是仍然释放热水。如果用户选择了继续使用，则调整电磁阀的通断，水龙头放水。

如果水龙头处于关闭状态一段时间之后，电磁阀1将会开启，此时水箱B中的剩余的水流进水箱A中继续加热，同时如用户不再使用水箱里的水，电磁阀1将会一直处于开启状态，防止在因为水箱A中水温升高或者达到100℃之后产生的水蒸气使得水箱A内的压力过大而造成整个水箱的炸裂。

同时我们还设置了一个中断，当检测到KEY3由高电平变成低电平时引发中断，此时电磁阀2关闭，电磁阀1开启，防止继续上水导致水箱A内的水溢出。

四、 系统调试与指标测试

1.系统安装：

2．测试方案

供电电源：12V

使用测试：开机之后蜂鸣器响，随后打开水龙头之后，屏幕上显示“using water”字幕提示。同时过5.12秒之后热水从水龙头里流出。按下任意一个按键之后水流终止。屏幕上显示“canceled”。当间隔很短时间再次按下出水按键之后水流立即流出。

3．测试仪器

数字万用表，数字示波器Tektronix TDS210，函数发生器CA1640P-20，稳压电源DF1731SL1ATA，秒表。

五、功能与特色：

1.功能：

   当使用者按下出水按钮时，如果检测到管道中有冷水，控制器会控制电磁阀的通断从而将管道中的冷水回送到太阳能热水器中，从而达到冷水回收利用的效果。

2.特色：

1.低成本，低功耗。

2.实现了太阳能热水器下水管中冷水循环，节约用水。

3.操作简便，安装简单。

4.温度检测即时，等待时间短。连续用水时间间隔越短，等待时间越短。

5.采用无铅工艺的传感器，防止器件中的铅污染太阳能热水器中的水。

六、可行性分析与应用前景

1.因为无需改装太阳能热水器贮水箱的内部结构，改造方便，改造成本低。

2.经过实际调查与网上查资料得知，对于一般的六层的建筑，三层以下的住户每次使用太阳能热水器的时候需释放大约十升的冷水。对于大部分的用户来说，这些水不能用来洗菜、洗碗，更不能用于饮用，因此很大一部分人就只好将这部分水倒掉。

3.本系统功耗低，除去瞬间电磁阀工作地时候的大电流之外，SST单片机的工作电流为3mA左右，液晶显示屏若不开背光大约1mA，若开启背光电流大约50mA，共6个LED指示灯，每个指示灯大约5mA，最坏的情况下也只有30mA。

最坏的情况下功耗为：

（3mA+50mA+30mA）×5V=0.415W

最好的情况下功耗为：

3mA×5V=0.015W

4.市场分析与成本-收益分析：根据上面的分析，改造难度很低，所以改造所需的人工费用很低，投入生产之后，整个设备加起来大约：

50（水箱B）+20（控制电路部分）+60（电磁阀）+?（水管，视长度而定）=130+？

而平时最好的情况下电路的功耗为：

0.015W×3600s×24=0.00036度

最坏的情况下电路的功耗为：

0.415W×3600s×24=0.00996度

按照最坏的情况计算，若每天因为太阳能热水器管道里的冷水浪费20升，则每年浪费：

0.020立方米×365天×3元/立方米=21.90元

按照一般品牌的太阳能热水器15年保修，在这15年里省下的钱共计：

21.90×15 – 0.00996×0.70（电费）×365×15 – 130=160.328（元）

因此从长远角度看来，不管是从节约用水这种意识看来还是从成本-收益的角度看来，使用这个系统都是一个不错的选择。

参考文献

略。