CN114431714A - 一种可快速制热的智能饮水机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可快速制热的智能饮水机,饮水机主要结构包括第一水箱、热罐、冷罐、第二水箱以及集热器、主控MCU以及人体感应装置组成,其第一水箱储存经过滤后的纯净水,整个装置通过第二水箱以及集热器组成的真空回热系统使预热水箱中的水能保持在一个较恒定的温度,第二水箱根据所需,制冷过程则通过冷罐冷凝降温后流出,热罐是一个功率可变的加热装置,可控的取出不同温度的热水,两个过程的热量散失都可被集热器回收利于,给第二水箱预热保温;另外PIR人体感应装置可检测感应用户的人形,提前使系统处于活跃状态,本发明通过回收加热、制冷的剩余热量,余热的循环利用符合节能环保理念,结合人体提前智能感应技术,进一步缩短了加热的时间。
Description
技术领域
本发明涉及饮水机的智能化控制领域,尤其涉及一种智能饮水机设备的快速加热领域。
背景技术
目前市场上大部分饮水机采用热敏电阻进行温控,饮水机将水从室温加热到沸腾,温控开关断开,停止加热;之后温度缓缓下降,当温度下降到一定时,温控开关闭合,然后又继续加热到沸腾,如此周而复始。如果用户在喝完水之后忘记切断电源,就会使水反复烧开,不仅浪费能源,而且容易形成含有重金属、砷化物等有害物质的“千滚水”。因此该过程一方面耗电大,不利于节能减排的核心理念、可控性差,存在安全隐患。
其次,其中纯净水不用烧开即可饮用,而自来水则需要烧开后方可饮用。现在大多数家庭和公司中的饮水机都是结合净水器使用,所以说不必烧开而可以直接饮用。若出水温度可以为冷水和开水之间的任意温度,这就可以满足人们日益丰富的生活,比如冲奶粉、泡绿茶和冲咖啡所需的温度分别是50 ℃、80 ℃和 90 ℃,这是大多数饮水机所做不到的。本文设计可调温节能饮水机系统可以快速获得 15 ℃~100 ℃的饮用水,不仅可以满足人们日益丰富的高要求与快节奏的生活,还可以提高能源的综合利用率,体现出绿色环保的理念
故,针对目前现有技术中存在的上述缺陷,实有必要进行研究,以提供一种方案,解决现有技术中存在的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可快速制热的智能饮水机,有效地解决了现有的饮水机加热时间较长以及电能源浪费。
为了解决上述问题本发明采用的技术方案是:
在现有的饮水机结构上,分别引入基于PIR的人形检测以及由集热器和第二水箱组成的热量回收系统。PIR的人形检测可以提前使系统处于活跃状态,热量回收系统可以回收由于降温冷却过程中的剩余热量并用于加热第二水箱,从两个角度出发便捷巧妙地解决了加热时间长的问题。
一种可快速制热的智能饮水机,其特征在于,包括第一水箱、热罐、冷罐、第二水箱以及集热器构成回热系统、主控以及人体感应装置组成;所述第一水箱,储存经过前置消毒、过滤等操作后的自来水,与后置第二水箱直接相连,只有当第二水箱中水位不够才开启第一阀门补水,此过程只进不出;
所述的一种可快速制热的智能饮水机,其特征在于,所述第二水箱是一个真空的预热装置,与集热器构成热量回收系统,与后续的出水口与热罐、冷罐相连,只有在取水触发信号到达后才开启第二阀门供水。
优选地,所述的第二水箱的保温在本系统中可以采用工艺中广泛使用的PID控制等方法对水温进行控制实现,且在保温阶段采用双位调节控制对水温进行控制。双位调节控制规律是较常用的位置式控制,其作用是不连续的,调节机构只有开和关两个位置。
优选地,第二水箱中的水温采集可由DS18B20温度传感器完成,DS18B20采用单总线接口方式,仅需要一个引脚来发送或接受数据,单片机与DS18B20 之间仅需要一条数据线。该温度传感器测温范围为-55℃~+125℃,固有测温分辨率为0.5℃,工作电压为 3~5.5V/DC,在使用时不需要任何外围元件,能够采集被测物的温度并通过串行方式传送给单片机,因此十分适合嵌入式集成在第二水箱中,就能完成对第二水箱的水温控制。
优选地,智能饮水机引入的所述的热量回收系统的能量可以用与给第二水箱预热,结合上述的温度恒定系统能够缩短加热时间,其实现原理是通过缩短温度梯度差Δt实现,平均温度的提高能够极大的缩短制水时间。
优选地,智能饮水机引入的所诉PIR人形检测装置,是一个感应传感器,通过提前使系统处于活跃状态而进行加热,进一步缩短了用户等待的时间。
优选地,本发明采用了嵌入式微处理器,能够完成整个系统的动态逻辑功能。本系统的片上SOC单元需要完成水温的监测、水位的监测以及第一阀门的开关、PIR人形监测的数据处理、用户交互界面的数据处理以及第二阀门的开启等。
有益效果
相对于现有技术,本发明提供的一种可快速制热的智能饮水机,利用集热器回热系统进行余热回收,一方面可以降低加热装置的能耗,缩短煮水时间,增大出水流量; 另一方面又提前预判了用户操作使系统提前活跃,且只需根据特定需求可不断完备丰富算法功能,可扩展性强,有助于真正实现智能家居的理念,实用性强,使用效果好,便于推广使用。
附图说明
图1是本发明一种可快速制热的智能饮水机组成结构原理框图;
图2是本发明一种可快速制热的智能饮水机中控制系统主要组成部分说明图;
图3是本发明一种可快速制热的智能饮水机工作流程图;
图4是本发明一种可快速制热的智能饮水机中PIR人形监测工作监测区域示意图;
图5是本发明一种可快速制热的智能饮水机中所涉及主要硬件电路图;
图中:第一水箱1、第一阀门2、第二水箱3、集热器4、第二阀门5、人形监测模块6、控制模块7、可调温热罐8、制冷罐9、水位、水温控制监测模块10、回热系统11、PIR人形检测12、交互界面13、MCU 14、PIR红外传感器15、第一区域16、第二区域 17、第三区域18、第四区域19、T5L单片机引脚20、DS18B20测温电路21、采样数模转换电路22、串口通信电路23、ADC引脚部分24、GPIO口部分25、串口通信部分26。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例并结合附图说明本发明的实施方式,对本发明的技术方案作进一步的描述,但本发明并不限于这些实施例。熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效,应理解,这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围,实例中所采用的实施条件可以根据不同实际环境的具体条件做进一步调整。
实施例I:
本实施例主要应用于家庭以及企业等客户人群,所述的一种可快速制热的智能饮水机组成主要包括第一水箱1、热罐8、冷罐9、第二水箱3以及集热器4构成回热系统11、主控MCU14以及PIR人体感应装置12;所述第一水箱1,储存经过前置消毒、过滤等操作后的自来水,与后置第二水箱3直接相连,只有当测温以及水位传感器10反馈第二水箱3中水位不够才开启第一阀门2 补水,此过程只进不出;所述的一种可快速制热的智能饮水机中所述二次水箱3是一个真空的预热装置,与集热器4构成热量回收系统,后续的出水口与可调温热罐8、制冷罐9相连,只有在取水触发信号到达后才开启第二阀门5供水,根据用户所需可以快速制取一定量的水。
本发明主要针对现有的热水制取时间较长进行改进,缩短了相同水量下的制水时间并通过热量回收节约了电能的利用率,一般地,传统的饮水机衡量取水的指标的是热水加热时间和取水流量,热水的出水量较小导致时间较长,根据计算电加热管(热罐8)直接将20 ℃的自来水加热到 100 ℃的最大出水流量为8.4 mL /s,则制取 500 mL 开水需要59s 左右。
本发明提出的热量回收系统11回收的热量用于提供预热第二水箱3的纯净水,吸收了来自换热器4放出的热量,则水温度将升高并恒定在某一温度,其具体工作过程如下:第二水箱3中的DS18B20测温电路21经过采样模数转换电路22通过串口通信电路23与主控MCU14之间通信,本实施例中主控MCU14采用迪文科技T5L1单片机,T5L 系列 ASIC 是迪文科技针对 AIoT 应用设计的低功耗、高性价比、GUI 和应用高度整合的单芯片双核 ASICIC,由于其具有丰富的外设资源,自定义功能模块可以通过OS核完成,T5L系列ASIC控制信号通过控制数模转换电路22、串口通信电路23、ADC引脚部分24、GPIO口部分25、串口通信部分26输出高低电平完成;选择该系列芯片另外一大优势就是可以简化开发,显示控制部分的交互界面13可以通过GUI设计完成,根据用户的实际需求完成GUI交互界面的设计,从而实现了单芯片双核控制迪文屏,而不需在引入其他系统模块。
当主控MCU14接收到来自测温电路21的温度、水位检测信号时,即当第二水箱低于设定值T0阈值后则上位机发送控制信号,采用的PID调节算法使第二水箱3处于某一设定温度;并且加热的热量来源于系统中集热器4回收的热量,集热器4的热量输出也受控于主控MCU14,只有温度下降时才会加热第二水箱3,故此过程不会消耗电能,经计算碳纤维电加热管是将高于 20 ℃的自来水加热至 100 ℃,故开水实际最大出水流量将大于 8.4 mL /s,则制取 500 mL 开水实际所需时间远少于 1 min。对比传统的饮水机加热制水时间有了明显提升。
本发明提出的人形监测模块6实际是一个PIR红外传感器,现广泛应用于摄像监控设备,其实现算法是人形+步测,其工作原理如下:PIR装置能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。当人体进入检测区时,因人体温度与环境温度有差别,产生ΔT,则有信号输出;若人体进入监测区后不动,则温度没有变化,传感器也没有输出,所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。PIR的工作区域划分如图4所示,当用户在朝着饮水机方向走来,先经过第四区域19后进入第一区域16,故可根据灵敏度设置某一区域为触发使能信号,因此可以使系统提前处于活跃状态,主控MCU14自动使系统进行上电加热,从而省去了待用户按下加热按键后等待的时间,进一步缩短了取水时间,便捷快速的理念很契合当下快节奏的生活方式。
综上两个角度出发,提供一种可快速制热的智能饮水机解决了现有的饮水机存在的热水制取时间较长的问题,所提出的热量回收系统11节约了电能的使用,PIR人体监测模块6进一步缩短了制水等待时间,且考虑成本在现有的结构上改进经济便捷、适宜推广,具有广泛的应用前景。
实施例II:
本发明对于温水甚至冷水同样也有应用前景,类似热水取水机理,同理,冷罐9的水也是来自第二水箱3,从预热设定温度T0进行冷凝。假设第二水箱3内水温为 40 ℃,那么制冷装置冷罐9将从40℃冷却到 15℃,冷凝所需的能耗根据所需制冷的温度不同,该饮水机系统设置的换热器回热系统11进行余热回收,集热器4吸收冷凝过程的放热回收重新用于第二水箱3的预热,具体的工作过程同实施例I,主控MCU14负责整个系统的运行。
以上提供两个具体实施例,经过简单的计算,该饮水机系统整体上比同类型没有热量回收装置的常规饮水机可节能20%且出水流量大,在制热过程中,第二水箱3的预热作用以及PIR人形监测算法缩短了取水时间;在制冷过程,集热器4吸收冷凝过程的放热,有效将剩余热量可循环,能量循环的利用十分节能可靠,根据能量守恒原则可知加热核和制冷两个逆过程的能耗有所减少,一方面可以降低加热装置的能耗,缩短煮水时间,增大出水流量; 另一方面又可以大大降低制冷系统的制冷能耗。
以上所述,仅是本发明的常用实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的,本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下在其它实施例中实现。
Claims (8)
1.一种可快速制热的智能饮水机,其特征在于,包括第一水箱、热罐、冷罐、第二水箱以及集热器构成回热系统、主控MCU以及人体感应装置组成;
所述第一水箱,储存经过前置消毒、过滤等操作后的自来水,与后置第二水箱直接相连,只有当第二水箱中水位不够才开启第一阀门补水,此过程只进不出。
2.根据权利要求1所述的一种可快速制热的智能饮水机,其特征在于,所述第二水箱是一个真空的预热装置,与集热器构成热量回收系统,与后续的出水口与热罐、冷罐相连,只有在取水触发信号到达后才打开第二阀门供水。
3.根据权利要求2所述的一种可快速制热的智能饮水机,其特征在于,饮水机第二水箱中的水温可由DS18B20 等温度传感器检测并转换成数字量通过串行方式传送给单片机控制,当温度低于预热设定值后开启余热加热系统,使系统处于恒定的温度值,因此长时间的真空循环预热使得第二水箱中的水得以保温。
4.根据权利要求3所述的一种可快速制热的智能饮水机,其特征在于,所述的集热器是一个热量收集转化装置,将制冷冷凝过程以及加热后降温的剩余热量回收用与第二水箱预热,组成的热量回收系统减小了温度梯度可缩短加热时间,节省了电能的消耗。
5.根据权利要求2所述的一种可快速制热的智能饮水机,其特征在于,所述的人形检测装置是一个PIR红外感应器,如果检测到人形的移动,则触发继电器直接发送取水信号,使系统提前处于活跃状态,并且能够根据PIR算法的计算精度调整得到不同程度的跟踪效果。
6.根据权利要求5所述的一种可快速制热的智能饮水机,其特征在于,所述控制信号有两个来源:根据PIR人形检测和用户通过交互界面取水信号均可发送取水信号,使系统处于活跃状态,但PIR可提前使第二水箱处于工作状态。
7.根据权利要求4所述的一种可快速制热的智能饮水机,其特征在于,所述的智能饮水机的整体逻辑狗功能的处理由控制系统完成,所述控制系统可选取具有一个基于ARM架构的一个简单单片机系统,片上资源只需有UART串口通信、GPIO口、ADC数据分析以及看门狗复位系统等外设功能,可完成采样处理、信号传输、功能模式选择等。
8.据权利要求4所述的一种可快速制热的智能饮水机,其特征在于,所述人形检测中的PIR触发灵敏度和距离有关也和人形的触发方式有关,比如需要判断人形是否持续朝着某一方向进入监测区域,即通过算法可一定程度的减少误差,而引起的系统错误进入活跃状态。
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