電子坐便器中清洗器的性能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

翁曉偉 曹 睿 江曉紅 鄭丙輝

(1 臺(tái)州市產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)研究院 浙江 臺(tái)州 318000)(2 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027)

前言

隨著當(dāng)今生活水平的日益提高，人們對(duì)于生活品質(zhì)的要求也越來越高。近年來坐便器作為日常生活中重要的一環(huán)，發(fā)展也十分迅速。日本智能馬桶蓋在國(guó)內(nèi)的紅極一時(shí)，表明了人們對(duì)于高性能坐便器的需求正在日益高漲。此后國(guó)內(nèi)大量的電子坐便器類產(chǎn)品也開始如雨后春筍一般紛紛涌出。

而在電子坐便器產(chǎn)業(yè)欣欣向榮的同時(shí)，由于檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不一而導(dǎo)致的合格判定問題也應(yīng)該引起重視。而導(dǎo)致該問題的主要原因是因?yàn)殡娮幼闫鞯纳a(chǎn)過程中涉及到材料科學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣自動(dòng)化等多種相關(guān)科技，而國(guó)家并未出臺(tái)統(tǒng)一規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。在這樣的局面下，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局于2018年2月啟動(dòng)了“全國(guó)智能馬桶產(chǎn)品質(zhì)量攻堅(jiān)計(jì)劃”，其中的重要組成部分之一便是“打好關(guān)鍵零部件質(zhì)量提升的攻堅(jiān)戰(zhàn)”。

清洗器是電子坐便器的重要組成部分之一，其主要職能是將經(jīng)過加熱器加熱的溫水噴出來清洗人體，因此其電氣絕緣性以及清洗水流的壓力和流量等指標(biāo)至關(guān)重要，對(duì)于用戶的體驗(yàn)影響極大。筆者設(shè)計(jì)提出了一套能夠?qū)η逑雌髁悴考阅苓M(jìn)行評(píng)估的檢測(cè)系統(tǒng)，能夠迅速有效地反應(yīng)出被測(cè)清洗器的相關(guān)性能指標(biāo)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)的電子坐便器的標(biāo)準(zhǔn)不一，既有各個(gè)企業(yè)自己制定的標(biāo)準(zhǔn)，也有行業(yè)內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。而上述2種標(biāo)準(zhǔn)都偏向于整機(jī)的性能檢測(cè)，對(duì)于零部件的檢測(cè)要求以及相關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)卻沒有一個(gè)完整的方案。在查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及文獻(xiàn)后，筆者針對(duì)清洗器的性能指標(biāo)提出了相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目以及指標(biāo)。

清洗器的主要檢測(cè)項(xiàng)目有如下9項(xiàng)：高水壓泄露檢查、清洗水流量測(cè)量、清洗力測(cè)量、清洗面積測(cè)量、噴頭自潔功能、噴嘴伸出和回收時(shí)間、斷水與斷電位置恢復(fù)、絕緣電阻與電氣強(qiáng)度、耐久老化可靠性試驗(yàn)。為了獲取穩(wěn)定精確的數(shù)據(jù)，測(cè)試項(xiàng)目中所有的測(cè)量均使用現(xiàn)有的高精度測(cè)量?jī)x器。

清洗器檢測(cè)系統(tǒng)由3個(gè)部分組成：檢測(cè)控制器、上位機(jī)以及水管管路工裝夾具。清洗器性能檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 清洗器性能檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，核心部件檢測(cè)控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)以及接口轉(zhuǎn)換，通過接受上位機(jī)的相關(guān)測(cè)試指令設(shè)置，對(duì)清洗器進(jìn)行操作，然后接受儀器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)，最后由上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出性能評(píng)價(jià)。

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路的核心部分是由主控單片機(jī)系統(tǒng)和多個(gè)輔助電路組成的檢測(cè)控制器，檢測(cè)控制器作為典型的嵌入式系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 檢測(cè)控制器的電路結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 主控單片機(jī)的選擇

在主控單片機(jī)的選擇上，主要的限制因素是通用異步收發(fā)傳輸器UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 接口的個(gè)數(shù)。通過圖2可知，主控單片機(jī)需要通過RS232接口連接總共6個(gè)部件，因此至少需要6個(gè)UART接口的單片機(jī)，通過端口復(fù)用功能可以使用價(jià)格低廉的芯片，從而取代價(jià)格較為昂貴的多UART接口單片機(jī)。通過調(diào)研，最終決定選擇單片機(jī)STM32F103RCT6，因?yàn)樗哂?個(gè)UART接口，64個(gè)引腳，經(jīng)過串口復(fù)用設(shè)計(jì)后，能夠滿足檢測(cè)控制器的硬件設(shè)計(jì)的需求。

2.2 電源電路

圖3 檢測(cè)控制器的供電關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖

檢測(cè)控制器由市電交流220 V作為輸入電源，220 V分別給繼電器所控制的對(duì)象和AC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊供電，AC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊將市電交流的220 V電壓轉(zhuǎn)換為直流電24 V。接著將直流24 V通過降壓開關(guān)電源電路轉(zhuǎn)換得到12 V的直流電源，其中24 V到12 V的降壓開關(guān)電源電路使用了常用的LM2596開關(guān)電源芯片，保證電源轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)也不會(huì)發(fā)熱過于嚴(yán)重。12 V直流電通過線性穩(wěn)壓芯片78M05轉(zhuǎn)換為5 V的直流電壓，最后由線性穩(wěn)壓芯片AMS1117轉(zhuǎn)換為直流電3.3 V。在監(jiān)測(cè)控制器的供電系統(tǒng)中，12 V直流電主要給繼電器的驅(qū)動(dòng)供電；5 V直流電給清洗器的通信控制部分供電；3.3 V直流電主要給單片機(jī)和外部輔助電路供電。檢測(cè)控制器的供電關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

檢測(cè)控制器上配備了多達(dá)6路的磁保持繼電器，分別用于控制水路電磁閥、清洗器及儀器設(shè)備等的通斷。因?yàn)槠渎窋?shù)較多，并且驅(qū)動(dòng)需要正向和反向一共2個(gè)，因此本系統(tǒng)使用了2片復(fù)合晶體管陣列芯片作為磁保持繼電器的驅(qū)動(dòng)器。如圖4所知，由1片晶體管陣列芯片、UL2003驅(qū)動(dòng)、3個(gè)磁保持繼電器及1個(gè)磁保持繼電器組成的電路連接情況。

圖4 磁保持繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路圖

2.4 通信電路

檢測(cè)控制器通過串口和外部的儀器設(shè)備通信，并且讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過分配設(shè)計(jì)后，采用時(shí)分復(fù)用的接口方式來最大化利用UART。本系統(tǒng)將3個(gè)UART接口采用接口分兩路的方法，分時(shí)復(fù)用為6路RS232通信接口。每一個(gè)單片機(jī)UART接口的時(shí)分復(fù)用結(jié)構(gòu)如圖5所示，先將TTL電平的串口信號(hào)經(jīng)由RS232電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口通信信號(hào)，然后通過切換信號(hào)繼電器，在指定的RS232接口上實(shí)現(xiàn)串口通信。

圖5 單片機(jī)1路UART接口時(shí)分2路RS232接口

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

整個(gè)清洗器性能檢測(cè)系統(tǒng)的軟件包含2大部分，它們分別是上位機(jī)的電腦軟件和檢測(cè)控制器的嵌入式控制軟件。上位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互和數(shù)據(jù)處理，檢測(cè)控制器軟件則主要負(fù)責(zé)控制所有儀器設(shè)備和，并讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)向上位機(jī)進(jìn)行上傳。

3.1 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件使用了C#開發(fā)，能在Windows操作系統(tǒng)下便捷地進(jìn)行開發(fā)測(cè)試相關(guān)工作。上位機(jī)的操作方法為先選擇待檢測(cè)清洗器的編碼，然后進(jìn)入測(cè)試項(xiàng)目選擇界面，選擇需要進(jìn)行測(cè)試的項(xiàng)目，然后檢測(cè)控制器開始該項(xiàng)目的檢測(cè)，期間上位機(jī)會(huì)不斷地接收，并且顯示出檢測(cè)控制器返回的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，直到測(cè)試完成，處理接收到的數(shù)據(jù)并顯示最終的性能測(cè)試結(jié)果。上位機(jī)的具體工作流程如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件的工作流程圖

3.2 檢測(cè)控制器軟件的設(shè)計(jì)

檢測(cè)控制器根據(jù)上位機(jī)的指令，做出相應(yīng)的控制操作。檢測(cè)控制器需要協(xié)調(diào)好清洗器和其它儀器設(shè)備的開啟順序及數(shù)據(jù)收集上報(bào)工作。每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的控制內(nèi)容都不一樣，圖7給出了功率測(cè)試項(xiàng)目的工作流程圖。

3.3 通信數(shù)據(jù)格式

上位機(jī)和檢測(cè)控制器之間通過RS232串口通信，使用指定的數(shù)據(jù)幀格式，每個(gè)數(shù)據(jù)幀包括同步頭碼、數(shù)據(jù)內(nèi)容和校驗(yàn)字節(jié)，能夠簡(jiǎn)單有效地完成通信工作。上位機(jī)的指令數(shù)據(jù)幀和檢測(cè)控制器返回的數(shù)據(jù)幀定義分別如表1與表2所示。

圖7 功率測(cè)試項(xiàng)目檢測(cè)控制器的工作流程圖

表1 上位機(jī)的指令數(shù)據(jù)幀格式

表2 檢測(cè)控制器返回的數(shù)據(jù)幀格式

4 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

電子坐便器中清洗器性能的檢測(cè)系統(tǒng)，已成功地應(yīng)用于國(guó)家智能馬桶產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，能夠較好地完成和清洗器零部件相關(guān)的測(cè)試項(xiàng)目。表3列舉了某清洗器的檢測(cè)結(jié)果。

表3 某清洗器的測(cè)試結(jié)果

該清洗器的最終檢測(cè)結(jié)果為基本合格，在清洗水量方面表現(xiàn)欠佳，建議廠家進(jìn)行節(jié)水性能優(yōu)化，提升對(duì)進(jìn)水水量及水壓變化的適應(yīng)能力。

5 結(jié)論

筆者介紹了用于電子坐便器中負(fù)責(zé)清洗人體的清洗器零部件性能檢測(cè)系統(tǒng)的主要軟硬件設(shè)計(jì)方案，成功地搭建了一套檢測(cè)系統(tǒng)并做了相關(guān)性能的測(cè)試。該檢測(cè)系統(tǒng)為清洗器零部件的性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)提供了標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)，能準(zhǔn)確客觀地評(píng)價(jià)清洗器零部件的質(zhì)量，為電子坐便器行業(yè)的品質(zhì)提升提供了幫助。