基于STM32和高精度傳感器的智能水溫調節(jié)系統(tǒng)

胡家豪 王橋 崔忠偉 林潔 徐亞艷 王璇 張振東

摘 要：采用傳統(tǒng)沐浴器洗澡時，人們總是會花費些許時間來調節(jié)水溫。由于水的比熱容偏大，用傳統(tǒng)的水閥調節(jié)水溫不僅效率低，浪費水，還存在忽冷忽熱現(xiàn)象。而水溫的調節(jié)時長、穩(wěn)定與否，對沐浴的舒適度和用水量具有重要的影響，因此對水溫的調控尤為重要。系統(tǒng)主控是STM32，通過傳感器對當前水溫環(huán)境進行實時監(jiān)控，采集數(shù)據(jù)。然后根據(jù)用戶設定的目標溫度及傳感器所采集到的溫度信息，通過PID自適應調節(jié)輸出溫度，若輸出溫度與用戶輸入的目標溫度相同則水輸出。

關鍵詞：沐浴裝置;智能;穩(wěn)定;節(jié)約;高效;PID控制算法

中圖分類號：TP391;TN609文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-02

0 引 言

目前，國內外沐浴均使用傳統(tǒng)的熱水器裝置，發(fā)現(xiàn)存在以下問題[1]：

（1）當人們使用這種裝置時，會花費較多時間去調節(jié)水的溫度，水溫太高可能會導致燙傷，水溫太低導致效率低下，可能會引起使用者感冒;

（2）使用時需要自己動手調節(jié)水溫，花費時間較長，浪費水資源;

（3）當使用者需要用水時，所需要的水溫不易調節(jié)。

綜上所述，傳統(tǒng)沐浴裝置過于浪費時間，也達不到節(jié)約用水目標。為了解決上述問題，我團隊將研發(fā)一款面向家庭浴室、公共澡堂、美容店等場所的智慧恒溫節(jié)水裝置。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)以STM32F103C8T6為主控芯片，由DS18B20/LM35高精度溫度傳感器、防水按鍵、OLED128128高分辨率節(jié)能顯示模塊、水泵、電磁閥等組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

該裝置可用于家庭、酒店、美容院等場所，具有節(jié)水省時、精準調節(jié)水溫的功能，屬于節(jié)能科技沐浴方式[2]。

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)的硬件設備分三部分，即主控芯片、輸入設備、輸出設備。其中主控芯片采用STM32;輸入設備采用DS18B20和防水按鍵;輸出設備包括OLED128128、水泵、電磁閥、止回閥。系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

在輸入設備部分，本系統(tǒng)所選用的高精度溫度傳感器DS18B20/LM35用于實時采集溫度數(shù)據(jù)，并傳給主控分析處理。用戶根據(jù)自身的需求通過防水按鍵設置目標溫度[3]。

STM32主控芯片主要負責處理實時數(shù)據(jù)、控制算法。其工作流程為：STM32主控芯片根據(jù)用戶設定的目標溫度，及DS18B20/LM35所采集到的溫度信息，通過PID自適應調節(jié)輸出溫度，若輸出溫度與用戶輸入的目標溫度相同則將有水輸出[4-5]。

使用過程中，OLED128128高分辨率節(jié)能顯示模塊顯示可調節(jié)的最高溫度和最低溫度，更好地實現(xiàn)人機交互。在收到主控芯片發(fā)出的開發(fā)請求以后，水泵、電磁閥、止回閥協(xié)調工作，調整各自出水量，實現(xiàn)溫度控制。采用電源適配器供電，具有功率小、可以大幅減少安全隱患的特點;采用回流結構，節(jié)約水資源[6]。

止回閥和電磁閥對外部結構的優(yōu)化起到重要作用，其工作流程為：止回閥控制水流單向流動，當輸出溫度與目標溫度相同時輸出管的電磁閥打開，有水輸出[7]。優(yōu)化結構如圖3所示。

3 軟件設計

本系統(tǒng)以STM32為核心處理器，通過STM32控制傳感器完成數(shù)據(jù)采集，并通過串口實時顯示數(shù)據(jù)[8]。三者通信示意如圖4所示。

該裝置的核心算法是PID自適應調節(jié)算法。通過STM32進行數(shù)據(jù)操控，當被控過程參數(shù)未知時，在每個采樣周期，利用加權遞推最小二乘算法顯式辨識過程模型;再以PID控制器傳遞函數(shù)中的零極點對消被控過程傳遞函數(shù)中的部分極零點，由此計算出各時刻的PID控制量，以使得閉環(huán)系統(tǒng)良好運行[9-10]。PID自適應調節(jié)算法模型如下：

STM32核心參數(shù)程序如下：

void PidInit（void）

{

Printfch（“Pid? initing...”，1）;

pid.Kp = 0.01;

pid.Sv = 100;//目標300

pid.Td = 1500;

pid.Ti =2000 ;

pid.T = 200;

pid.S_Ek =0;

pid.uout0 = 50;

pid.Ek=0;

pid.Ek_1=0;

pid.flg=0;

}

PID曲線如圖5所示。

本系統(tǒng)運行步驟如圖6所示。一方面通過溫度傳感器采集水溫信息并將其傳給主控，通過OLED顯示當前溫度可調范圍，用戶根據(jù)自身要求調節(jié)水溫，然后主控芯片STM32通過PID自適應調節(jié)算法得出溫度值，并傳給出水模塊執(zhí)行，水溫達標則輸出;另一方面裝置可檢測輸出水溫是否達標，若水溫不在用戶要求范圍內，出水口電磁閥關閉，水溫信息反饋到主控芯片調節(jié)水溫，節(jié)約能源，保護用戶用水安全。

4 結 語

通過硬件設計、軟件設計研發(fā)的這款基于STM32主控芯片的智能水溫調節(jié)系統(tǒng)，一方面成功解決了傳統(tǒng)沐浴裝置調節(jié)效率低、浪費水和時間的問題;另一方面延伸出智能調節(jié)水溫OLED屏，不僅避免了水溫忽冷忽熱的問題，還實現(xiàn)了用戶自主調節(jié)水溫的功能。經過實際測試，用戶調節(jié)適合的水溫用時約20 s;采用電源適配器供電，功率小，減少安全隱患;采用回流結構，節(jié)約水資源。本系統(tǒng)能夠完全滿足用戶需求，為用戶提供一種智慧恒溫、省時省力、便捷舒適的沐浴方式。

參考文獻

[1]申付俊.淺析水泵節(jié)能技術途徑[J].科技創(chuàng)新與應用，2013，3（16）：124.

[2]石志國，王志良，丁大偉.物聯(lián)網技術與應用[M].北京：清華大學出版社，2012.

[3]張?zhí)禊i，魏蔚.“一線式”數(shù)字溫度計DS18B20原理與應用[J].辦公自動化，2009，15（2）：24-26.

[4]鐘衛(wèi)連.基于單片機的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設計[J].電子世界，2019，41（12）：191-192.

[5]趙景玉，趙琳.PID算法及其演變[C]// 西安：2001中國控制與決策學術年會，2001：234-236.

[6]段煉，邱勇.OLED照明及OLED有源顯示材料與器件[J].新材料產業(yè)，2011，13（2）：20-26.

[7]金煒.電磁閥的控制原理與圖符解析[J].貴州電力技術，2011，35（2）：67-70.

[8]趙亮，侯國銳.單片機C語言編程與實例[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[9]李蒙.基于STM32單片機的實驗教學系統(tǒng)[M].天津：天津大學出版社，2008.

[10]吳功宜，吳英.物聯(lián)網工程導論[M].北京：機械工程出版社，2012.