淋浴器自動混水控制器設(shè)計與實現(xiàn)

李玉全 王代強(qiáng)*

（1、貴州大學(xué)，貴州 貴陽550000 2、貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽550000 3、貴州民族大學(xué)，貴州 貴陽550000）

1 概述

目前住宅淋浴器多為機(jī)械式控制淋浴器，即通過手動調(diào)節(jié)溫度控制器來改變淋浴出口的溫度。人們必須不斷調(diào)整混合閥調(diào)整冷熱自來水的基準(zhǔn)比率保持適當(dāng)?shù)乃疁兀绻疁夭荒軡M足自己的需求，有必要手動調(diào)整冷熱水的基準(zhǔn)比率，通過這種方式，用戶將體驗很多不便，水溫可能對用戶引起不適。同時，電淋浴器也存在漏水、過熱等隱患。為解決上述問題，本文設(shè)計了一種自動混水控制器。

2 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)采用STM32 處理器為控制核心，借助R61509V 的3.2 寸TFT LCD控制器和觸摸屏輸入，通過輸入控制信號，在步進(jìn)電機(jī)的作用下，調(diào)節(jié)混水閥開度，從而達(dá)到控制水溫的目的。整個水溫調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的框架原理如圖1 所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 溫度采集電路

在系統(tǒng)的溫度采集電路中使用DS18B20 溫度傳感器來測量混合閥的出水溫度值。DS18B20 是一種數(shù)字單總線溫度傳感器，使用串行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。它將溫度測量和A/D轉(zhuǎn)換功能集成到芯片中。它采用單總線結(jié)構(gòu)，可直接與微機(jī)連接并直接輸出數(shù)字量。它可用于形成單路測溫電路或多路測溫電路。由于本系統(tǒng)探測的溫度為水溫，因此采用帶探頭的DS18B20 測量混合水的溫度值，只采集混水閥的溫度值，故選擇單通道測溫方式。

在硬件電路方面，DS18B20 與MCU的連接方式有兩種。一是將VCC 連接到外部電源，CND 連接到地面，DQ 引腳連接到MCU的I/O端口線；另一種電源采用的是寄生模式，VCC和CND接地，并且DQ 引腳與單片機(jī)的I/O 端相連，此時，無論電源屬于內(nèi)部寄生還是外部寄生，I/O端口線為5KΩ，因為如果寫內(nèi)存模式和溫度傳感器DS18B20 的A/D轉(zhuǎn)換步驟，必須有一個強(qiáng)烈的上拉過程，最大上拉時間是10us。系統(tǒng)外接3.3V電源，電路如圖2 所示。

圖2 DS18B20 溫度采集電路

本次DS18B20 設(shè)計的測溫電路具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接舒適、連接線利用率低等優(yōu)點。

3.2 各模塊電源設(shè)計

整個系統(tǒng)的電源供應(yīng)由三部分組成：12V、5V 和3.3V 的電源。3.3V 的電源主要供電給STM32 處理器、LCD 顯示屏和背光電路；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片5V電源蜂鳴器、觸摸按鈕電路和L298 控制端子；步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動選用12V電源。開關(guān)采用12V/30W的電源控制，L78M05 穩(wěn)壓芯片來控制5V電壓的穩(wěn)定性，3.3V電壓主要是通過電壓轉(zhuǎn)換芯片來得到。

3.3 步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計

由于混合閥的控制精度要求，采用步進(jìn)電機(jī)控制混合閥的開啟；同時，通過步進(jìn)電機(jī)芯片L298P 放大用于混合閥開關(guān)功能的單片機(jī)控制信號，控制電磁閥。

混水控制閥的溫度范圍通常為20℃-50℃；而溫度控制器的角度通常不超過360 度，大概為210°左右；因此，步進(jìn)電機(jī)控制器可以實現(xiàn)高精度；同時，從恒溫混合閥的控溫精度來看，一般需要用戶設(shè)定的溫度值為±2℃，這樣步進(jìn)電機(jī)可以使用步進(jìn)角度為1.8°；為了便于控制混水閥的旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩容器約為2.0N/m。

3.3.1 步進(jìn)電機(jī)選型。整個淋浴器水溫控制系統(tǒng)需要保證水溫的恒定以及溫度的控制精度，因此步進(jìn)電機(jī)的選用為57 混合式2相步進(jìn)電機(jī)57BYGH7630，性能參數(shù)如表1 所示。

表1 57BYGH7630 性能參數(shù)表

3.3.2 步進(jìn)電機(jī)電路。電機(jī)電路與電機(jī)連接，帶動電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，放大電機(jī)功率。在電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計中，其影響著淋浴器的控制性能和電機(jī)的可操控性。這里我們使用特殊的雙極電機(jī)驅(qū)動芯片L298。L298 是一種高電壓、高工作電流的雙全橋驅(qū)動器。其輸出電流為4A，工作電壓達(dá)到了46V。并且該電路還具有超溫保護(hù)功能，能夠控制電平信號與TTL兼容。整個驅(qū)動電路硬件連接圖如圖3 所示。

圖3 L298P 應(yīng)用電路圖

驅(qū)動電路需要配備兩種不同數(shù)值的電壓源，一種是5V電源，另一種是驅(qū)動電源，考慮到電機(jī)電壓和電流，淋浴器水溫控制系統(tǒng)采用12V/1.5A的步進(jìn)電機(jī)控制，直接與L298P 的系統(tǒng)電源連接。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個水溫控制系統(tǒng)采用多任務(wù)路徑進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，在STM32處理器的控制下，能夠?qū)崿F(xiàn)出口水溫恒定、溫度設(shè)定、時鐘設(shè)定等功能。整個控制順序如圖4。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

初始化包括：（1）系統(tǒng)時鐘設(shè)置、STM32 端口初始化配置、LCD初始化配置、中斷矢量設(shè)置、電機(jī)復(fù)位等。（2）觸摸屏觸點是否自校準(zhǔn)。（3）觸摸屏自標(biāo)定。（4）在觸摸屏校準(zhǔn)前或校準(zhǔn)后，系統(tǒng)會在電磁閥關(guān)閉的情況下進(jìn)入畫面程序。畫面主要顯示用戶設(shè)置的水溫值和時間信息。

系統(tǒng)實時識別電磁閥開關(guān)狀態(tài)的設(shè)置，如果電磁閥關(guān)閉，整個控制系統(tǒng)將進(jìn)入畫面1 程序。畫面1 的程序控制流程圖如圖5 所示。

圖5 畫面1 控制程序流程圖

在畫面1 中，通過設(shè)定打開電磁閥，這個時候系統(tǒng)進(jìn)入畫面2狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)所設(shè)定的溫度值和所記錄的溫度值進(jìn)行恒溫控制。同時，用戶可以在此畫面狀態(tài)下校準(zhǔn)時鐘，校準(zhǔn)觸摸屏，設(shè)置水溫值。整個控制流程見圖6。

圖6 畫面2 控制程序流程圖

本系統(tǒng)程序采用多任務(wù)的設(shè)計形式，主要包括有：任務(wù)啟動、電磁閥開關(guān)過程以及信息采集等。通過啟動任務(wù)，開始對出水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后在電磁閥的開和關(guān)過程中，維護(hù)水溫的恒定，這個時候?qū)Τ隹谒疁剡M(jìn)行采集，然后與設(shè)定水溫進(jìn)行比對，如果在設(shè)定水溫范圍內(nèi)，則電磁閥關(guān)閉，維持隨溫度的恒定；反之，電磁閥開啟，在步進(jìn)電機(jī)的作用下繼續(xù)調(diào)節(jié)水溫。

5 結(jié)論

本文主要設(shè)計了基于STM32 微處理器的淋浴器自動混水控制器，主要完成工作如下：（1）基于行業(yè)和技術(shù)背景，本文分析了混水控制器系統(tǒng)的方案，提出了一系列有效可行的方案，完成了整個硬件電路和軟件的構(gòu)建。（2）控制器硬件電路已完成。硬件電路以STM32 處理器為核心處理器，擴(kuò)展了一些實現(xiàn)控制器功能所需的外圍電路，包括LCD電路、電機(jī)驅(qū)動電路、觸摸屏電路、溫度傳感電路等。（3）通過出水溫度與初始水溫設(shè)定值的對比，來控制步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，從而保持水溫的恒定。