一种无线自动定量水温控制装置的制作方法

本发明涉及智能制造设备技术领域，特别涉及一种无线自动定量水温控制装置。

背景技术：

在食品物料的加工过程中，常常需要对物料进行给水混合加工，传统的加水工艺通常是先用桶或箱称量出一定数量的水，然后再将水加入食品工艺中，称量水与加水两步工作多为人工手动操作，工作强度大，工作效率低。并且加工过程中部分食品对水的温度有一定要求，传统使用的加水装置无法在水温上起到较好的调控，给制造工艺带来不便，影响产品质量。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

为了解决上述问题，本发明提供了一种无线自动定量水温控制装置，能够在食品加工过程中自动定量加水，合理控制给水温度，实现了智能化生产的需求。

(二)技术方案

一种无线自动定量水温控制装置，包括水箱，所述水箱底部设有出水口，所述出水口上安装第一直流电磁阀，所述水箱的内壳上固定安装有温度传感器和液位传感器，所述液位传感器与所述水箱底部相接；所述水箱顶部设有第一进水口和第二进水口，所述第一进水口与第一进水管一端密封连接，所述第一进水管另一端连接直流水泵，所述第二进水口与第二进水管密封连接，所述第二进水管上安装有第二直流电磁阀；所述水箱的外壳与内壳之间为空心结构，所述空心结构内固定安装有第一控制电路板，所述第一控制电路板包括第一控制单元、第一无线通信单元和第一电源单元，所述第一直流电磁阀、所述温度传感器、所述液位传感器、所述直流水泵、所述第二直流电磁阀和所述第一无线通信单元分别与所述第一控制单元电连接，所述第一电源单元为水箱的各功能单元提供工作电压；

还包括遥控器，所述遥控器表面上部设有液晶显示屏，所述遥控器表面下部设有键盘，所述液晶显示屏和所述键盘之间设有指示灯，所述遥控器内部设有第二控制电路板，所述第二控制电路板包括第二控制单元、按键输入单元、显示单元、指示灯单元、第二无线通信单元和第二电源单元，所述液晶显示屏与所述显示单元电连接，所述键盘与所述按键输入单元电连接，所述指示灯与所述指示灯单元电连接，所述按键输入单元、所述显示单元、所述指示灯单元和所述第二无线通信单元分别与所述第二控制单元电连接，所述第二电源单元为所述遥控器的各功能单元提供工作电压；

所述水箱与所述遥控器通过所述第一无线通信单元和所述第二无线通信单元进行数据交换。

进一步的，所述第一控制单元和所述第二控制单元均选用单片机MSP430F148。

进一步的，所述按键输入单元包括键盘驱动器、第一～第十六按键、第一电容和第一～第九电阻，其中所述键盘驱动器选用HD7279A。

进一步的，所述显示单元包括液晶模块和电位器，所述液晶模块选用LCD1602。

进一步的，所述指示灯单元包括第一发光二极管、第二发光二极管、第十电阻和第十一电阻，其中所述第一发光二极管为红光LED，所述第二发光二极管为绿光LED。

进一步的，所述第一无线通信单元和所述第二无线通信单元具有相同的电路结构，包括射频收发器、射频天线、石英晶振、第一～第三电感、第二～第八电容和第十二电阻，其中所述射频收发器选用2.4GHz标准射频收发器CC2420。

进一步的，所述温度传感器选用DS18B20，所述液位传感器选用静压投入式液位变送器。

进一步的，所述第一电源单元为DC5V电源，所述第二电源单元为锂电池。

(三)有益效果

本发明提供了一种无线自动定量水温控制装置，结合传感器技术、单片机控制技术和ZigBee无线传输技术，通过温度传感器和液位传感器对水箱内的液体温度和液位进行采样，控制直流水泵和直流电磁阀调解混合水的温度以及液面高度，能够在食品加工过程中自动定量加水，合理控制给水温度，降低了工人工作强度，提高了生产效率，对产品质量提供了有效保障，实现了智能化生产和无线操控的需求，其结构简单，使用方便，成本低廉，系统功耗低，检测精度高，稳定性和可靠性好，响应速度快，具有良好的可扩展性，可广泛应用于各种工业给水场合。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种无线自动定量水温控制装置的结构示意图。

图2为本发明所涉及的一种无线自动定量水温控制装置的系统功能框图。

图3为本发明所涉及的一种无线自动定量水温控制装置的按键输入单元电路原理图。

图4为本发明所涉及的一种无线自动定量水温控制装置的显示单元电路原理图。

图5为本发明所涉及的一种无线自动定量水温控制装置的指示灯单元电路原理图。

图6为本发明所涉及的一种无线自动定量水温控制装置的无线通信单元电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。

结合图1和图2，一种无线自动定量水温控制装置，包括水箱1，水箱1底部设有出水口2，出水口2上安装第一直流电磁阀3，水箱1的内壳上固定安装有温度传感器4和液位传感器5，液位传感器5与水箱1底部相接；水箱1顶部设有第一进水口6和第二进水口7，第一进水口6与第一进水管8一端密封连接，第一进水管8另一端连接直流水泵10，第二进水口7与第二进水管8密封连接，第二进水管9上安装有第二直流电磁阀11；水箱1的外壳与内壳之间为空心结构，空心结构内固定安装有第一控制电路板12，第一控制电路板12包括第一控制单元、第一无线通信单元和第一电源单元，第一直流电磁阀3、温度传感器4、液位传感器5、直流水泵10、第二直流电磁阀11和第一无线通信单元分别与第一控制单元电连接，第一电源单元为水箱1的各功能单元提供工作电压。

还包括遥控器13，遥控器13表面上部设有液晶显示屏14，遥控器14表面下部设有键盘15，液晶显示屏14和键盘15之间设有指示灯16，遥控器13内部设有第二控制电路板，所第二控制电路板包括第二控制单元、按键输入单元、显示单元、指示灯单元、第二无线通信单元和第二电源单元，液晶显示屏14与显示单元电连接，键盘15与按键输入单元电连接，指示灯16与指示灯单元电连接，按键输入单元、显示单元、指示灯单元和第二无线通信单元分别与第二控制单元电连接，第二电源单元为遥控器13的各功能单元提供工作电压；

水箱1与遥控器13通过第一无线通信单元和第二无线通信单元进行数据交换。

按键输入单元通过键盘15开启或关闭遥控器13、设定水箱1内液体需要达到的温度和高度、控制第一直流继电器3的开关等。如图3所示，按键输入单元包括键盘驱动器U1、按键S1～S16、电容C1和电阻R1～R9，其中键盘驱动器U2选用HD7279A。按键S1～S16与键盘15相对应。四只下拉电阻R4～R7通过键盘连接HD7279A位选线DIG4～DIG7的四只位选电阻R8～R11，下拉电阻的取值范围是10～100K，位选电阻的取值范围是1～10K，下拉电阻应大于位选电阻的5倍而小于50倍，典型值为10倍。下拉电阻应尽可能地取较小的值，这样可以提高键盘的抗干扰能力。当有键按下时，KEY脚输出变为低电平，利用指令可读出所按键值。

第二控制单元对按键输入单元设定的参数及接收的水箱1内液体当前参数进行缓存，第二控制单元选用单片机MSP430F148，其工作电压为5V，是一款带10位A/D转换的单片机芯片，具有超强抗干扰的特性，并且具有超低的功耗，正常工作时电流仅为4～7mA，空闲时电流＜1mA。它的工作周期仅为一个时钟周期，可以大大降低使用的外部晶振的频率，从而降低电磁干扰。MSP430F148具有引脚少、体积小、价格低、使用方便等特点，可降低开发成本，缩短开发周期。

显示单元显示水箱1内的液体温度和液位的设定值及当前值，如图4所示，显示单元包括液晶模块U2和电位器Rw1，液晶模块U2选用LCD1602。调节电位器Rw1可改变LCD1602的显示亮度。

遥控器13的第二电源单元选用锂电池，指示灯单元用于指示锂电池的电量，如图5所示，指示灯单元包括发光二极管LED1、发光二极管LED2、电阻R10和电阻R11，其中发光二极管LED1为红光LED，发光二极管LED2为绿光LED。当锂电池电量充足的时候，MSP430F148的P2.3脚输出高电平点亮发光二极管LED2，遥控器13表面的指示灯16亮绿色，而当锂电池电量不足时，MSP430F148的P2.4脚输出高电平点亮发光二极管LED1，遥控器13表面的指示灯16亮红色。

遥控器13通过第二无线通信单元将水箱1内液体温度和液位的设定值及第一直流电磁阀3的控制命令发送给水箱1，同时接收水箱1发送的水箱1内液体温度和液位的当前值。如图6所示，第二无线通信单元包括射频收发器U3、射频天线E1、石英晶振X1、电感L1～L3、电容C2～C8和电阻R12，其中射频收发器U3选用2.4GHz标准射频收发器CC2420。射频能量消耗是装置能量消耗的主要方面，因此选择一款低功耗、高性能的射频芯片对延长装置寿命至关重要。CC2420是Chipcon AS公司推出的首款符合2.4GHz、IEEE802.15.4标准的射频收发器，只需极少的外部元器件，性能稳定且功耗极低。支持数据传输率最高可达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。CC2420为信息包处理提供广泛的硬件支持，数据缓冲器、发射数据加密、数据证明、空闲信道评估、链路质量指示和信息包实时资料等，这些特点减少了MSP430F148的工作量，使CC2420可与低成本MSP430F148相接。CC2420与MSP430F148的连接非常方便，通过8条I/O线就可以实现对CC2420的控制，简化了传感器节点的硬件设计。

水箱1通过第一无线通信单元接收遥控器13发送的水箱内1液体温度和液位的设定值及第一直流电磁阀3的控制命令，同时将水箱1内温度和液位的当前值发送给遥控器13。第一无线通信单元和第二无线通信单元具有相同的电路结构。水箱1和遥控器13通过第一无线通信单元和第二无线通信单元之间的ZigBee网络进行数据交换，ZigBee是一种低速无线个域网技术，它适用于通信数据量不大、数据传输速率相对较低、分布范围较小，但对数据的安全可靠有较高要求，而且要求成本和功耗非常低，并容易安装使用的场合。其具有极低的功耗和固态组网能力，且经济性好，安全可靠，复杂度低。

温度传感器4检测水箱1内液体的温度，温度传感器4选用DS18B20。DS18B20是DALLAS公司生成的一线式数字温度传感器，具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号(按9位二进制数字)给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，具有三引脚TO-92小体积封装形式，温度测量范围为-55～+125℃，可编程为9～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到三根或两根线上，单片机只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用单片机的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路，非常适用于远距离多点温度检测系统。

由于水箱1的面积固定，因此需要的给水量可非常方便的转为液面的高度。液位传感器5检测水箱1内液体的高度，液位传感器5选用静压投入式液位变送器，是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号(一般为4～20mV/1～5VDC)。

第二控制单元对接收的水箱内1液体温度和液位的设定值及第一直流电磁阀3的控制命令进行缓存，同时对温度传感器4和液位传感器5的输出信号进行处理，将其电信号分别转换为温度和高度值，并与设定值进行比较，输出控制信号给直流水泵10和第二直流电磁阀11。温度传感器4直接输出数字信号，而液位传感器5输出的标准电信号为模拟信号，需要进行模数转化，为了简化电路，降低成本，第一控制单元也选用带有A/D转换功能的单片机MSP430F148。

第一直流电磁阀3控制出水口的开关，直流水泵10控制第一进水管8的进水量，第二直流电磁阀11控制第二进水管9的进水量。第一进水管8和第二进水管9其中之一为热水管，另一个则为冷水管。由于当水箱1内液体温度非常接近设定值时凉水和热水的流量要求非常低，水泵不可能达到要求；而电磁阀本身的特性只有全开和全关两个量，这样只能根据不同的水温对两种水的流量比例进行计算，很难达到预设水温的要求，即使达到了水温的要求也达不到液位的要求。因此水箱1采用水泵和电磁阀协同配合的工作模式。由于水箱1容积不大，要求精度较高，选择采用功率相对较低，既可进行变压变速调节，又可实现微调的直流水泵10。电磁阀的选择与水泵一致，同样选择直流控制的第一直流控制阀3和第二直流电磁阀11，第一电源单元为DC5V电源，实现了统一电源。单片机MSP430F148根据温度传感器4和液位传感器5的输出信号控制直流水泵10和第二直流电磁阀11的工作状态。当液位和水温与设定值相差很大的时候，直流水泵10和第二直流电磁阀11全开；当水温接近设定值时，MSP430F148输出PWM脉冲信号控制直流水泵10工作，使得第一进水管8的进水量为断续的涓流，而第二直流电磁阀11根据液位的要求，在开关之间进行切换，实现直流水泵10和第二直流电磁阀11的动态闭环调节。当水箱1内液体的液位和水温都达到设定值时，直流水泵10和第二直流电磁阀11自动停止工作。

装置工作的时候，通过遥控器13表面的键盘15开启电源，继续通过键盘设定水箱1内液体需要达到的温度和液位，按确认键后设定值通过ZigBee网络发送给水箱1，直流水泵10和第二直流电磁阀11全开，第一进水管8和第二进水管9分别进冷热水，温度传感器4和液位传感器5检测液体温度和液位的当前值，并通过ZigBee网络传送回遥控器13，液晶显示屏14显示设定值和当前值，当水箱1内液体的温度和液位都达到设定值时，直流水泵10和第二直流电磁阀11停止工作，通过键盘15控制第一直流电磁阀3打开出水口2进行加工过程给水。

本发明提供了一种无线自动定量水温控制装置，结合传感器技术、单片机控制技术和ZigBee无线传输技术，通过温度传感器和液位传感器对水箱内的液体温度和液位进行采样，控制直流水泵和直流电磁阀调解混合水的温度以及液面高度，能够在食品加工过程中自动定量加水，合理控制给水温度，降低了工人工作强度，提高了生产效率，对产品质量提供了有效保障，实现了智能化生产和无线操控的需求，其结构简单，使用方便，成本低廉，系统功耗低，检测精度高，稳定性和可靠性好，响应速度快，具有良好的可扩展性，可广泛应用于各种工业给水场合。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。