一种智能净水加热热水器及加热方法与流程

本发明涉及热水器技术领域，尤其涉及一种智能净水加热热水器及加热方法。

背景技术：

在学校、医院等公众场合，通常会有体积容量较大的热水器，现有技术中对这种热水器进行加热时，通常需要先向热水箱注入自来水或过滤后的净水，再进行连续加热至沸腾，加热过程功耗较大，也容易损坏加热器，为此需要降低对这种热水器的功耗，以及提高热水器使用的安全性。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种智能净水加热热水器及加热方法，解决现有技术中热水器长时间连续加热带来的功耗大、发热量高、存在安全隐患的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种智能净水加热热水器，包括净水器、控制器、热水箱和加热器，所述净水器与热水箱之间通过水管相连接，所述净水器通过所述水管将净化水注入到所述热水箱，所述水管上设置有阀门和流量计，所述阀门的开关状态受控于所述控制器，所述控制器通过所述流量计对注入的净化水进行计量，所述热水箱内设置有用于测量水温的温度传感器和测量水位下限的低水位传感器，所述温度传感器和低水位传感器均与所述控制器电连接，所述加热器也与所述控制器电连接；

当所述低水位传感器测量热水箱内的水位低于水位下限后，所述控制器控制所述阀门打开，并通过流量计对注入到热水箱的单次注水量进行计量，当单次注水量达到设定的阈值后，所述控制器控制所述阀门关闭，完成单次注水；所述控制器控制加热器对所述热水箱的水进行加热，当温度传感器测量水温达到设定的温度值后，所述控制器控制加热器停止加热，完成单次加热；经过反复多次的所述单次注水和单次加热后，直至所述热水箱内水满且达到设定的温度值，完成注水加热过程。

优选的，所述热水箱内还设置有用于测量水位上限的高水位传感器，在向所述热水箱注水过程中，当所述高水位传感器探测到所述热水箱内的水位到达水位上限时，所述控制器控制所述阀门关闭则停止注水。

优选的，所述控制器包括注水阀控制电路、注水量检测电路、低水位检测电路、高水位检测电路、加热控制电路、水温探测电路和与这些电路分别电连接的单片机，以及为这些电路和单片机供电的电源电路,所述注水阀控制电路用于控制向热水箱开启或关闭注水的阀门，所述注水量检测电路用于检测流经所述流量计向热水箱注入的水量，所述低水位检测电路和所述高水位检测电路分别电连接低水位传感器和高水位传感器，用于检测热水箱内的低水位和高水位，所述加热控制电路用于控制加热器对热水箱中的水开启或关闭加热，所述水温探测电路与所述温度传感器电连接，用于探测热水箱中水的温度。

优选的，所述电源电路包括芯片XL1509-5V，所述芯片XL1509-5V的输入端接外部直流电源，输出端接一输出保护二极管的负极，所述输出保护二极管的正极接地，同时所述输出端还接一电感，所述电感的另一端接第一极性电容的正极，所述第一极性电容的负极接地，所述第一极性电容的正极还与所述芯片XL1509-5V的反馈端电连接，所述芯片XL1509-5V的开关端接地，所述芯片XL1509-5V的其他引脚端均接地；所述第一极性电容的正极接第一二极管的正极，所述第一二极管的负极接第二二极管的正极，所述第二二极管的负极连接电源限流电阻，所述电源限流电阻的另一端提供给单片机供电的+4V电源。

优选的，所述低水位检测电路与高水位检测电路组成相同，其中，所述高水位检测电路包括高水位检测第一分压电阻和高水位检测第二分压电阻，所述高水位检测第一分压电阻和高水位检测第二分压电阻之间的电连接处电连接高水位检测传感器，并且还电连接高水位检测限流电阻的一端，所述高水位检测限流电阻的另一端作为高水位检测信号输入端与单片机的一个输入输出端电连接；所述高水位检测第一分压电阻的另一端作为高水位检测控制端与单片机的另一个输入输出端电连接，当所述高水位检测控制端产生高电压时，所述单片机采集所述高水位检测信号输入端的信号电压，所述高水位检测第二分压电阻的另一端接地。

优选的，所述注水阀控制电路包括MOS管STU432，所述外部直流电源连接供电保护二极管的负极，所述供电保护二极管的正极与所述MOS管STU432的漏极连接，所述供电保护二极管的正极与负极之间还并联有电容；所述MOS管STU432的漏极作为注水阀控制端电连接注水阀的一个接线端，注水阀的另一个接线端与外部直流电源电连接；所述MOS管STU432的源极接地；所述MOS管STU432的栅极通过电连接注水控制限流电阻与单片机的一个输入输出端电连接。

优选的，所述注水量检测电路包括流量检测接口，其中，第一接线端连接+4V电源，用于向流量计供电；第二接线端电连接一个流量检测限流电阻的一端，所述流量检测限流电阻另一端作为注水量检测信号输入端与单片机的一个输入输出端电连接，所述注水量检测信号输入端还并联一电容后接地；第三接线端也接地。

优选的，所述加热控制电路包括加热继电器，所述加热继电器的正极控制端电连接外部直流电源，负极控制端电连接加热控制三极管的集电极，所述加热控制三极管的发射极接地，基极电连接第一加热限流电阻后接入所述单片机的一个输入输出端，所述加热控制三极管的基极和发射极之间还连接有第二加热限流电阻；所述加热继电器的一个受控端电连接外部交流电的火线端，另一个受控端电连接加热器的交流电的火线端。

本发明还提供了一种智能净水加热方法，包括步骤：第一步，单次注水，当热水箱中的低水位检测传感器检测到水位低于设定的水位下限时，控制器控制阀门开启，净水流入所述热水箱内，同时流量计对注入的水量进行计量，当本次注水量达到预设的单次注水量值后，所述控制器控制阀门关闭；第二步，单次加热，控制器控制加热器对注入到热水箱中的净水进行加热，同时设置在热水箱内的温度传感器对水温进行探测，当水温达到设定的温度上限值后，所述控制器控制加热器停止加热；第三步，多次注水和加热，多次重复第一步和第二步，直至热水箱中的高水位检测传感器检测到水位到达设定的水位上限时，所述控制器控制注水阀门关闭，然后控制器控制加热器对注入到热水箱中的净水加热至设定的温度上限值后停止加热；第四步，温度监控，热水箱内部的温度传感器对水温温度进行持续监控，当水温下降到设定的温度下限值后，控制器控制加热器对热水箱中的净水加热至设定的温度上限值后停止加热；第五步，水位监控，对热水箱内的水位进行持续监控，当水位下降到设定的水位下限时，控制热水箱停止对外出水，然后返回到第一步循环工作。

优选的，所述单次注水量值为所述所述热水箱容积的十分之一，所述温度上限值与所述温度下限值相差5摄氏度。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种智能净水加热热水器及加热方法。包括净水器、控制器、热水箱和加热器，净水器通过水管将净水注入到热水箱，水管上设置有阀门和流量计，控制器通过流量计对注入的净水进行计量，热水箱内设置有温度传感器和低水位传感器，当低水位传感器测量热水箱内的水位低于水位下限后，阀门打开，流量计对注入到热水箱的单次注水量进行计量，当单次注水量达到设定的阈值后，阀门关闭，完成单次注水；加热器对热水箱的水进行加热，当温度传感器测量水温达到设定的温度值后，加热器停止加热，完成单次加热；经过反复多次的单次注水和单次加热后，直至热水箱内水满且达到设定的温度值。本发明降低了热水器的功耗，提高了热水器使用的安全性。

附图说明

图1是根据本发明智能净水加热热水器一实施例的组成框图；

图2是根据本发明智能净水加热热水器一实施例的控制器的组成框图；

图3是根据本发明智能净水加热热水器另一实施例中的电源电路；

图4是根据本发明智能净水加热热水器另一实施例中的单片机芯片电路；

图5是根据本发明智能净水加热热水器另一实施例中的高水位检测电路；

图6是根据本发明智能净水加热热水器另一实施例中的注水阀控制电路；

图7是根据本发明智能净水加热热水器另一实施例中的注水量检测电路；

图8是根据本发明智能净水加热热水器另一实施例中的加热控制电路；

图9是根据本发明智能净水加热热水器另一实施例中的水温探测电路；

图10是根据本发明智能净水加热热水器另一实施例中的报警电路；

图11是根据本发明智能净水加热方法一实施例的流程图；

图12是根据本发明智能净水加热方法另一实施例中对水位检测的控制时序图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，智能净水加热热水器包括净水器S1、控制器S2、热水箱S4和加热器S3，所述净水器S1与热水箱S4之间通过水管相连接，所述净水器S1通过所述水管将净化水注入到所述热水箱S4，所述水管上设置有阀门S5和流量计S6，所述阀门S5的开关状态受控于所述控制器S2，所述控制器S2通过所述流量计S6对注入的净化水进行计量，所述热水箱S4内设置有用于测量水温的温度传感器S7和测量水位下限的低水位传感器S8，低水位传感器S8设置在靠近热水箱S4内靠近热水箱底面的侧壁上，所述温度传感器S7和低水位传感器S8均与所述控制器S2电连接，所述加热器S3也与所述控制器S2电连接。

当所述低水位传感器S8测量热水箱S4内的水位低于水位下限后，所述控制器S2控制所述阀门S5打开，并通过流量计S6对注入到热水箱S4的单次注水量进行计量，当单次注水量达到设定的单次注水量值后，所述控制器S2控制所述阀门S5关闭，完成单次注水；所述控制器S2控制加热器S3对所述热水箱S4的水进行加热，当温度传感器S8测量水温达到设定的温度上限值后，所述控制器S2控制加热器S3停止加热，完成单次加热；经过反复多次的所述单次注水和单次加热后，直至所述热水箱S4内水满且达到设定的温度上限值，完成注水加热过程。

可以看出，上述智能净水加热热水器通过控制单次注水量和单次加热的方式，可以使得该热水器进行加热时不会使得加热器长时间连续工作，而是每次加热时长无需较长就可以使得单次注水的温度被加热至设定的温度值。而当再注入净水后，新注入的净水与热水箱的热水进行混合后，水温也不会下降太多，这样也可以使得热水器再次加热的时长不会很长，并且随着热水箱内水量增多，单次注水造成的水温下降越小，进而使得热水器的加热时长也变短。优选的，为了使得对水温检测更趋合理，可以在热水箱的底部、上部和中间部位设置多个温度传感器，这样可以对水温测量更加准确。

优选的，所述热水箱S4内还设置有用于测量水位上限的高水位传感器S9，高水位传感器S9设置在靠近热水箱S4内靠近热水箱顶面的侧壁上。在向所述热水箱S4注水过程中，当所述高水位传感器探测S9到所述热水箱S4内的水位到达水位上限时，所述控制器S2控制所述阀门S5关闭则停止注水。

进一步优选的，也可以在热水箱的中间部位设置一个中间水位传感器，当热水箱在注满水后使用过程中，随着水位下降，当水位下降到该中间水位传感器所在的位置时，该中间水位传感器即可探知水位情况，然后可以启动单次注水和单次加热过程，这样可以保证热水箱内的热水始终处于半个水箱容量之上。

如图2所示，所述控制器包括注水阀控制电路2、注水量检测电路3、低水位检测电路4、高水位检测电路9、加热控制电路5、水温探测电路6和与这些电路分别电连接的单片机1，以及为这些电路和单片机供电的电源电路7,所述注水阀控制电路2用于控制向图1中热水箱S4开启或关闭注水的阀门S5，所述注水量检测电路3用于检测流经图1中所述流量计S6向热水箱S4注入的水量，所述低水位检测电路4和所述高水位检测电路9分别电连接图1中低水位传感器S7和高水位传感器S9，用于检测热水箱S4内的低水位和高水位，所述加热控制电路5用于控制图1中加热器S3对热水箱S4中的水开启或关闭加热，所述水温探测电路6与所述温度传感器S8电连接，用于探测热水箱S4中水的温度。电源电路7连接外部电源8。

如图3和图4所示，所述电源电路包括芯片XL1509-5V，单片机为芯片STC8A4K32S2A12，所述芯片XL1509-5V的输入端IN接外部直流电源+24V，输出端OUT接一输出保护二极管D6的负极，所述输出保护二极管D6的正极接地，同时所述输出端OUT还接一电感L1，所述电感L1的另一端接第一极性电容C3的正极，所述第一极性电容C3的负极接地，所述第一极性电容C3的正极还与所述芯片XL1509-5V的反馈端FB电连接，所述芯片XL1509-5V的开关端ON/OFF接地，所述芯片XL1509-5V的其他引脚端均接地；所述第一极性电容C3的正极接第一二极管D1的正极，所述第一二极管D1的负极接第二二极管D2的正极，所述第二二极管D2的负极连接电源限流电阻R6，所述电源限流电阻R6的另一端提供给单片机供电的+4V电源。

优选的，芯片XL1509-5V的输入端IN连接热敏电阻RT1后接入保护二极管D4的负极，保护二极管D4的正极接入外部电源+24V，同时芯片XL1509-5V的输入端IN还连接极性电容C1的正极，极性电容C1的负极接地，芯片XL1509-5V的输入端IN还连接电容C2后接地。第一极性电容C3的正极还连接极性电容C4的正极，极性电容C4的负极接地，保护二极管D4对芯片芯片XL1509-5V起保护作用。

图5为高水位检测电路的电路组成，所述低水位检测电路与高水位检测电路组成相同，在图5中，所述高水位检测电路包括高水位检测第一分压电阻R63和高水位检测第二分压电阻R67，所述高水位检测第一分压电阻R63和高水位检测第二分压电阻R67之间的电连接处电连接高水位检测传感器，并且还电连接高水位检测限流电阻R42的一端，所述高水位检测限流电阻R42的另一端gyh_in作为高水位检测信号输入端与单片机的一个输入输出端电连接；所述高水位检测第一分压电阻R63的另一端gy_vcc作为高水位检测控制端与单片机的另一个输入输出端电连接，当所述高水位检测控制端产生高电压时，所述单片机采集所述高水位检测信号输入端的信号电压，所述高水位检测第二分压电阻R67的另一端接地。优选的，在所述高水位检测第二分压电阻R67的两端还并联有电容C23。低水位检测电路与高水位检测电路组成相同，这里不再赘述。

优选的，当水位检测传感器为金属探针时，该金属探针在没有浸水时相当于断路，而当该金属探针在浸水后，由于水质的纯净度较高，该金属探针呈现为电容的特性。如果在水位检测控制端施加固定电压值时，则在水位检测信号输入端始终是由水位检测第一分压电阻和水位检测第二分压电阻对该固定电压值的分压值，无法识别出金属探针是浸水还是没有浸水。而优选的，在水位检测控制端施加脉冲信号，当脉冲信号为高电压时，相当于对具有电容特性的金属探针进行充电，当脉冲信号为低电压时，相当于对具有电容特性的金属探针进行放电，形成一个连续的充放电过程，而水位检测信号输入端对电压信号的采集时刻正好处于高电压脉冲持续时间的某一时刻进行采集。这样，如果金属探针没有浸水，水位检测信号输入端采集的电压是由水位检测第一分压电阻和水位检测第二分压电阻对该固定电压值的分压值，如果金属探针浸水，水位检测信号输入端采集的电压值则是基于对金属探针充电过程中一个电压值，通过合理选择采样时刻或者多选取几个采样时刻的电压值，可以明显区分出该值与前述的固定分压值不同。另外，通过施加这种脉冲信号而不是施加固定的电压值也有利于节省能耗。

如图6所示，所述注水阀控制电路包括MOS管STU432，所述外部直流电源+24V连接供电保护二极管D8的负极，所述供电保护二极管D8的正极与所述MOS管STU432的漏极连接，所述供电保护二极管D8的正极与负极之间还并联有电容C15；所述MOS管STU432的漏极作为注水阀控制端电连接注水阀的一个接线端，注水阀的另一个接线端与外部直流电源+24V电连接；所述MOS管STU432的源极接地；所述MOS管STU432的栅极通过电连接注水控制限流电阻R48与图4中单片机的输入输出端P7.2电连接。

如图7所示，注水量检测电路包括流量检测接口J6，其中，第一接线端连接+4V电源，用于向流量计供电，第一接线端还连接电容C10后接地；第二接线端电连接一个流量检测限流电阻R33的一端，所述流量检测限流电阻R33另一端作为注水量检测信号输入端与图4中单片机的流量输入输出端P3.4/T0电连接，所述注水量检测信号输入端还并联一电容C11后接地；第三接线端也接地。

可以看出，该流量计由+4V电源一直处于供电状态，当有注水流经该流量计时，经过第二接线端就可以向单片机的流量输入输出端P3.4/T0输入脉冲信号，单片机对该脉冲信号中的脉冲进行计数，M脉冲的单次数量表明了单次注水量，而脉冲的累积的数量则表明了注水量的多少。通过流量计检测可以对热水箱中的注水进行测量累积。

如图8所示，所述加热控制电路包括加热继电器，所述加热继电器的正极控制端电连接外部直流电源+24V，负极控制端电连接加热控制三极管Q3的集电极，所述加热控制三极管Q3的发射极接地，基极电连接第一加热限流电阻R47后接入图4中单片机的输入输出端P7.3，所述加热控制三极管Q3的基极和发射极之间还连接有第二加热限流电阻R53；所述加热继电器的一个受控端电连接外部交流电的火线端L，另一个受控端电连接加热器的交流电的火线端L_OUT。

优选的，所述加热继电器的正极控制端还电连接加热保护二极管D7的正极，所述加热保护二极管D7的负极连接所述加热控制三极管Q3的集电极，加热保护二极管D7的负极与正极之间还连接电容C14。

可以看出，当单片机的输入输出端P7.3输出高电压信号后，通过第一加热限流电阻R47后使加热控制三极管Q3导通，进而使加热继电器的两个受控端电连接，加热器接入交流电压开始加热。

如图9所示，所述水温探测电路包括温度传感器J2，所述温度传感器的一端接+4V电源，另一端作为温度探测信号采集端与图3中单片机的输入输出端P0.0电连接，所述温度探测信号采集端wd_ad还电连接一个温度探测分压电阻R21后接地。

可以看出，该温度传感器由+4V电源一直处于供电状态，用于检测热水箱中的水温，经过温度探测信号采集端wd_ad就可以向单片机的输入输出端P0.0输入温度信号，并通过单片机控制热水箱每次注水后的加热功率。

如图10所示，还包括与单片机电连接的报警电路，所述报警电路包括蜂鸣器B1，所述蜂鸣器B1的第一接线端通过第一报警限流电阻R45电连接外部直流电源+24V，所述蜂鸣器B1的第二接线端还电连接报警控制三极管Q4的集电极，所述报警控制三极管Q4的发射极接地，所述报警控制三极管Q4的发射极和基极之间还电连接第二报警限流电阻R62，所述报警三极管Q4的基极连接第三报警限流电阻R52后接入图4中单片机的报警输入输出端P6.5。

优选的，所述蜂鸣器B1的第一接线端连接报警保护二极管D12的负极，所述蜂鸣器B1的第二接线端连接所述报警保护二极管D12的正极。

当加热器中的水位处于低水位时，单片机的报警输入输出端P6.5输出高电压，使报警控制三极管Q4导通，蜂鸣器B1获得+24V电压开始报警提示。

基于同一构思，本发明还提供了一种智能净水加热方法实施例，如图11所示，该加热方法包括步骤：

第一步S101，单次注水，当热水箱中的低水位检测传感器检测到水位低于设定的水位下限时，控制器控制阀门开启，净水流入所述热水箱内，同时流量计对注入的水量进行计量，当本次注水量达到预设的单次注水量值后，所述控制器控制阀门关闭；

第二步S102，单次加热，控制器控制加热器对注入到热水箱中的净水进行加热，同时设置在热水箱内的温度传感器对水温进行探测，当水温达到设定的温度上限值后，所述控制器控制加热器停止加热；

第三步S103，多次注水和加热，多次重复第一步和第二步，直至热水箱中的高水位检测传感器检测到水位到达设定的水位上限时，所述控制器控制注水阀门关闭，然后控制器控制加热器对注入到热水箱中的净水加热至设定的温度上限值后停止加热；

第四步S104，温度监控，热水箱内部的温度传感器对水温温度进行持续监控，当水温下降到设定的温度下限值后，控制器控制加热器对热水箱中的净水加热至设定的温度上限值后停止加热；

第五步S105，水位监控，对热水箱内的水位进行持续监控，当水位下降到设定的水位下限时，控制热水箱停止对外出水，然后返回到第一步循环工作。相关细节内容参考前述，这里不再赘述。

优选的，所述单次注水量值为所述所述热水箱容积的十分之一，所述温度上限值与所述温度下限值相差5摄氏度。

优选的，结合图5所示的高水位检测电路，图12进一步显示了水位检测方法的时序图。这里，水位检测传感器优选为金属探针，结合前述内容，在所述高水位检测控制端由单片机产生输出如图12中所示的控制脉冲信号TS1，这样在水位检测信号输入端就可以获得图12中所示的检测信号TS2，为了在水位检测信号输入端获得最佳的检测采样值，可以在控制脉冲信号TS1的高电压脉冲持续期间合理选择采样时刻，如图12中的采样时刻TS2-1,单片机对水位检测信号输入端的电压信号进行采样，由此识别判断水位情况。这种施加连续脉冲的方式，还有利于多次进行采样比较，以及进行平均运算，能够获得准确稳定的采样信号，有利于提高水位检测的准确度。

优选的，在图11所示的实施例中还可以设置中间水位检测传感器，通过中间水位检测传感器进行中间水位检测，当水位下降到中间水位时，也可以进行重复多次进行单次注水和单次加热过程。

由此可见，本发明公开了一种智能净水加热热水器及加热方法。包括净水器、控制器、热水箱和加热器，净水器通过水管将净水注入到热水箱，水管上设置有阀门和流量计，控制器通过流量计对注入的净水进行计量，热水箱内设置有温度传感器和低水位传感器，当低水位传感器测量热水箱内的水位低于水位下限后，阀门打开，流量计对注入到热水箱的单次注水量进行计量，当单次注水量达到设定的阈值后，阀门关闭，完成单次注水；加热器对热水箱的水进行加热，当温度传感器测量水温达到设定的温度值后，加热器停止加热，完成单次加热；经过反复多次的单次注水和单次加热后，直至热水箱内水满且达到设定的温度值。本发明降低了热水器的功耗，提高了热水器使用的安全性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。