一種恒溫淋浴器溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常廣志

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

一種恒溫淋浴器溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常廣志

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

目前，淋浴器出水溫度受很多因素的影響，不能保持恒定。在儲水式電熱水器的基礎(chǔ)上，通過單片機(jī)控制對混水閥進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，并在噴頭上進(jìn)行二次加熱，從而實(shí)現(xiàn)淋浴頭直接恒溫出水。

淋浴器；混水閥；流量；單片機(jī)

隨著科技的不斷進(jìn)步，人們對家電使用中的舒適度要求也越來越高，但目前的淋浴器還存在很多不盡如人意的地方，比如太陽能熱水器溫度受天氣影響較大；即熱式電熱水器功率過大，電線負(fù)荷較重；儲水式電熱水器溫度不穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)就是在儲水式電熱水器的基礎(chǔ)上，在噴頭處加入溫度及流量傳感器，通過單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集和處理，對帶有步進(jìn)電機(jī)的混水閥進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，并控制噴頭內(nèi)加熱器進(jìn)行二次加熱，實(shí)現(xiàn)淋浴頭直接恒溫出水。

1 總體設(shè)計(jì)

該恒溫淋浴器溫控系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，通過其實(shí)現(xiàn)溫度、流量的檢測，以及閥門的自動調(diào)節(jié)和淋浴頭二次加熱?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在混水閥的出口處裝有1個(gè)溫度傳感器，可以實(shí)時(shí)感應(yīng)冷熱水混合后的溫度。從混水閥到淋浴頭還有一段距離，在開關(guān)和調(diào)溫、調(diào)流量的過程中，水溫會產(chǎn)生一定的變化。為了最直接地了解出水口溫度，在噴頭出水口處還設(shè)計(jì)了1個(gè)溫度傳感器和1個(gè)壓力開關(guān)。流量傳感器設(shè)置在混水閥出口處。此系統(tǒng)設(shè)置了4個(gè)按鍵，分別為溫度加、減和流量加、減，當(dāng)流量減為0時(shí)系統(tǒng)關(guān)閉。顯示輸出部分采用鎖存器來驅(qū)動LED數(shù)碼管和發(fā)光兩極管，可以明亮、清晰地顯示參數(shù)，且驅(qū)動電路簡單。為了準(zhǔn)確控制流量，采用2個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別控制冷熱水閥門，步進(jìn)電機(jī)需要通過驅(qū)動電路來供電。加熱器采用電磁熱水器，通過高頻軟開關(guān)技術(shù)，利用單片機(jī)輸出不同占空比的PWM波來控制其輸出功率。

圖1 溫控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 各部分組成

本設(shè)計(jì)的微處理器采用通用型AT89S52單片機(jī)。溫度測量采用2個(gè)DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它測溫范圍大，測量精度可達(dá)0.5℃，它外圍電路非常簡單，只需要1根帶上拉電阻的數(shù)據(jù)線與單片機(jī)相連，就可以通過程序讀出溫度值。流量檢測器采用磁性渦輪開關(guān)與霍爾元件配合，將流量轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，通過串行A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)。噴頭加熱時(shí)不能干燒，所以，在噴頭內(nèi)設(shè)置1個(gè)壓力開關(guān)，當(dāng)噴頭有水時(shí)閉合，加熱器才能啟動。本系統(tǒng)按鍵與顯示輸出合成在電路板上，按鍵采用薄膜按鍵，兩路溫度指示分別用2個(gè)兩位的LED數(shù)碼管顯示、流量指示另外用8個(gè)并排的發(fā)光二極管表示。閥門驅(qū)動采用步進(jìn)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制，不受水壓、溫度等干擾。加熱器選用電磁式，可以快速、準(zhǔn)確地控制加熱量。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵，該系統(tǒng)采用匯編語言編程以達(dá)到快速、高效的目的。單片機(jī)資源有限，各端口的分配和寄存器定義是編程的基礎(chǔ)。表1給出了本系統(tǒng)端口和寄存器的分配情況。按鍵采用外中斷方式，溫度、流量采用查詢方式。顯示輸出采用外部鎖存器靜態(tài)驅(qū)動方式，當(dāng)參數(shù)有變化時(shí)只要改寫相應(yīng)鎖存器數(shù)據(jù)即可，這樣顯示穩(wěn)定，不受延時(shí)程序影響?？偭髁枯敵鰪?～7分為8個(gè)檔位，由冷熱水2個(gè)輸出量疊加組成。加熱器功率輸出設(shè)置了8個(gè)檔位，以適應(yīng)不同需要。

該系統(tǒng)程序由1個(gè)主程序和溫度檢測子程序、流量檢測子程序、按鍵中斷子程序、顯示輸出子程序、加熱驅(qū)動子程序組成。主程序簡化流程如圖2所示。開機(jī)初始化設(shè)定默認(rèn)溫度為38℃，流量為0，初始化后通過溫度檢測子程序，分別讀取混水閥溫度和出水口溫度，并將出水口溫度和設(shè)定溫度值顯示輸出；讀取流量值，并顯示輸出。溫度和流量設(shè)定由中斷程序完成，一旦設(shè)置改變，設(shè)定溫度實(shí)時(shí)顯示輸出，流量設(shè)定值顯示3 s后轉(zhuǎn)為實(shí)測值輸出。

表1 系統(tǒng)的端口和寄存器分配

當(dāng)流量設(shè)定為0時(shí)，用戶不需要供水，系統(tǒng)只進(jìn)行檢測、顯示；當(dāng)流量大于0時(shí)，用戶開始用水。為了解決現(xiàn)有淋浴器開始總要放一定量冷水的問題，本系統(tǒng)采取先加熱再出水的方案，即在噴頭處加熱水后再開始放水，這會產(chǎn)生一定的延時(shí)和流量漸變。噴頭加熱前要檢測壓力開關(guān)狀態(tài)，看噴頭處是否有水，如果沒水，則執(zhí)行預(yù)出水程序，然后根據(jù)設(shè)定溫度與出口溫度差來決定加熱量，直到溫差相近時(shí)混水閥才逐步開啟到設(shè)定值?；焖y開關(guān)量由預(yù)設(shè)值決定總量，先平分總出水量，在保持總量不變的情況下，根據(jù)出水閥處的溫度值重新調(diào)節(jié)冷熱水閥開啟度，直到設(shè)定溫度。同時(shí)，噴頭處隨時(shí)根據(jù)噴頭溫度和流量確定加熱量。

圖2 主程序簡化流程圖

DS18B20和ADC0832都是常用芯片，用通用程序讀取即可。流量控制程序相對復(fù)雜一些，因?yàn)殚y門的開啟度與真實(shí)流量存在一定的非線性，而且冷熱水壓力也會出現(xiàn)偶然性變化，所以，需要在經(jīng)驗(yàn)值的基礎(chǔ)上，根據(jù)溫度再做修正。加熱驅(qū)動子程序需要根據(jù)混水閥溫度、出水口溫度、設(shè)定溫度以及實(shí)測流量，綜合計(jì)算選擇輸出功率。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)還在實(shí)驗(yàn)階段，還存在許多問題和不足，比如對加熱器的控制還需要考慮溫差和流量的各種過渡曲線，這需要借助大量實(shí)驗(yàn)取得的經(jīng)驗(yàn)值加以調(diào)整。此外，如何使預(yù)加熱過程更加合理，也需要在使用中不斷體驗(yàn)再加以改進(jìn)。此外，還可以引入遙控功能，使操作更加便捷。

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TU822

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.01.133

2095－6835（2018）01－0133－02

常廣志（1973—），男，河南輝縣人，大學(xué)講師，碩士學(xué)歷，從事電子儀器與測量研究工作。

〔編輯：張思楠〕