基于Seebeck效应的高效型节水阀的设计
秦欣鑫 王起鑫 刘世豪 周琦 合苗
摘要：基于Seebeck（塞贝克）效应的高效型节水阀应运而生，本项目设有两个冷热水进水口和一个温水出水口，以单片机为主控系統，配合按键输入模块、温度采集模块、电机驱动模块、温差发电模块、液晶显示模块和报警模块等协调运行，实现恒温出水。用户通过按键设置出水温度，主控系统根据接收到的预设温度信息和温度传感器测得的冷热水温度信息，通过内部程序算法控制步进电机带动蝶阀转动来调节冷热进水比例，以达到设定的出水温度。其间温差发电模块将冷热水温差转化为电力，经过PID稳压模块稳定驱动系统正常运行，实现能源自给。液晶显示模块实时更新出水温度。出水口的温度检测装置对出水温度进行检测，将信息实时反馈至主控系统，若出水温度与预设温度存在误差，则调整蝶阀的混合比，使出水温度趋于稳定。若出现冷水突然断供等突发状况，导致出水水温相对预设温度过高，则紧急切断出水并报警，尝试重新启动装置。若重启三次仍出水温度异常，则不再自动重启。
关键词：恒温节水;Seebeck效应;液晶显示
1 研制背景及意义
1.1 研制背景
随着人们生活水平的提高以及家用电器的普及，热水器的应用已经十分广泛。目前家庭浴室所用的混水阀大多为机械水阀，其水温调节方法是手动调整阀门的机械位置，控制冷热水管道的出水比例。每次开启时出水温度都不稳定，用户需要用肢体感知出水温度来调节冷热水进水比例，需要进行反复调节，即使调好的水温也会受到水压变化的影响发生变化，降低了使用的舒适性，甚至出现水温突变，烫伤身体的极端情况。由于机械水阀的功能不完善、精度低、可靠性差等问题，浪费了大量的时间和水资源。
2 工作原理及性能分析
2.1工作原理
2.1.1温差发电
温差发电的基本原理是热电材料的Seebeck（塞贝克）效应：处在温差环境中的两种具有不同自由电子密度（或载流子密度）的金属导体（或半导体 ）相互接触时，接触面上的电子从高浓度向低浓度扩散，且电子的扩散速率与接触区的温度差成正比[3]。因此，只要保持两接触导体间的温差，电子就能持续扩散，两导体另两个端点之间就会形成稳定的电压。
2.1.2调节水温
比热容是单位质量的某种物质，在温度升高时吸收的热量与它的质量和升高的温度乘积之比。根据此定理，有以下公式：
，其中，Q为吸收的热量;m是物体的质量，?T是吸热（放热）后温度所上升（下降）值。将冷水和热水混合的过程可近似为绝热过程，水的比热容为常数，根据式（1），通过蝶阀控制冷热水流量，可以得到任意温度的温水。例如，预设出水温度为32℃，系统检测到热水为80℃，冷水为20℃。根据式（1），有：
根据式（1）可以得到，主控系统通过步进电机控制蝶阀，使冷热水出水比例达到4：1时，可得到32℃的温水。
3 设计方案
3.1控制系统
STC89C51单片机为主控制芯片，处理反馈信息。总控制电路主要由主控制芯片、温度采集模块、键盘输入模块、温度显示模块、步进电机驱动模块和温差发电模块组成，当用户通过按键设置好相应参数时，利用温度传感器检测出水口水温，将温度信号传送至51单片机，经单片机分析处理后，反馈给各功能模块做出相应指令，系统各传感器之间的搭配组合高效节能，且具有较高的稳定性。
3.1.2主要控制模块：
（1）温度采集模块
采用DS18b20温度传感器，放置于准备缓冲区和出水检测区，用户设置出水温度并按下确认键后，温度传感器将测量的温度反馈至控制中心，通过内部程序算法控制步进电机带动蝶阀转动调节冷热进水比例，以达到设定水温。
（2）液晶显示模块
通过51单片机控制，将检测到的水温显示到液晶屏上，为用户提供水温设置界面。
（3）键盘输入模块
通过矩阵按键设置按键输入系统，用户通过按键输入设定出水温度，单片机内部接收按键信息，保存预定水温值。
（4）电机驱动模块
温度传感器检测水温并将温度信号传送至51单片机后，比较出水温度与设定的水温值，控制步进电机带动混水阀的转向及转角，精确的控制冷热水的混合比例，直到混合水温值在设定温度范围内时电机停止转动，实现恒温出水。
（5）温差发电模块
在冷热水交界处设置有半导体温差发电片，利用Seebeck效应，当温差发电片两侧出现温差时，将产生一定的电压，从而将冷热水的温差转化为电能，PID稳压调控系统稳定温差发电产生的电压并为单片机供电[6]，使装置摆脱外接电源，实现能源自给。
（6）报警模块
在出水口处设蜂鸣器电路，实现报警系统，当位于出水区的温度传感器检测到水温不正常时，则触发报警，若水温差值在±3℃以内，则将反常信息反馈给上一级步进电机驱动模块，快速重新调节水温至正常值，若水温差值较大，则报警器运行以提醒用户，同时停止出水，直到水温正常则停止报警，正常出水。
3.2 机械部分
可调式恒温节水阀主要有三部分组成，第一部分为准备缓冲区，顶部大圆孔为冷热水进水口，小圆孔放置温度传感器，底部的大圆孔为出水孔，中间放置半导体温差发电片。此结构可以使温差发电片充分利用温差，以最高效率工作。出水口与蝶阀相连，使测得的水温与通过蝶阀的水温保持一致，避免了水流过程中由于温度变化造成的混合误差[8]。
第二部分为混水区，水流从准备缓冲区流入蝶阀，主控系统根据接收到的预设水温信息和进水温度信息进行算法分析，通过步进电机控制蝶阀中的水流量使冷热水以特定比例混合，最终得到预设温度的温水。
第三部分为出水检测区，仿照输管缓冲区的设计，出水口的温度传感器将水温反馈至主控系统，主控系统根据反馈信息实时调整蝶阀水流量维持恒温出水[9]。
4 创新点
4.1 创新点
（1）智能电子电路相比机械水阀能够更精确的调温，解决了传统混水阀调温时浪费时间、浪费水资源的问题;
（2）利用Seebeck原理，通过半导体温差发电，PID稳压调控系统为主控制系统提供稳定的供电电压，摆脱外接电源，实现能源自给，提高用户体验度。
参考文献
[1]欧阳山西，董越，金玉章.热水器出水恒温技术研究[J].家电科技，2013（11）：87-89.
[2]张洗玉，贺锦瑜，黄琦，高旭，乔帅.基于塞贝克效应的热电转换实验装置的设计.低温物理学报，2018
[3]李建红.基于价值工程的恒温混水阀研发及国产化.华南理工大学，2010
[4]周大量，胡申华，吴馥郁，汪远泉.温差发电实验设计与性能分析.电工技术，2019.
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