基于智能控制的新型SPA浴缸系統(tǒng)設計與研究

關鍵詞：PIC24FJ256單片機；智能控制；傳感器檢測；過零檢測；電機控制中圖分類號： TP271⁺.5 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）13-0043-05D0l：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.011

0 引言

隨著社會不斷發(fā)展與進步，人們對生活質量的追求日益提高，浴缸產品已經從簡單的機械浴缸轉變?yōu)殡娮釉「?，得益于科技的飛速發(fā)展，浴缸也邁入了智能化時代，從生活的必備品一躍成為追求高生活質量的產品。目前，智能化SPA型多功能浴缸已經成為高端消費群體的寵兒，也越來越多地被引入高級的SPA場所、高檔酒店和私人別墅，成為人們休閑放松時不可缺少的一種產品。

子浴缸的進水方式一般是采用機械式的龍頭直接放水，無法與浴缸形成聯(lián)動，這樣就大大限制了洗澡前遠程或定時放水功能的實現(xiàn)，更勿論說一些可以增加氛圍的場景化功能和水流按摩功能的實現(xiàn)。

鑒于此，本文介紹了一款多功能SPA型浴缸系統(tǒng)，該系統(tǒng)把電子落水、溢流按摩、香薰、燈光等功能集成在一起，可以用遙控器和App分別或同時控制，為用戶提供更加智能化、個性化的SPA享受。

1系統(tǒng)總體方案設計

傳統(tǒng)的電子浴缸只考慮到滿足基本的洗浴功能，只有電子落水、溫度顯示等簡單功能，這部分電

本浴缸系統(tǒng)的總體設計如圖1所示，控制系統(tǒng)以PIC24FJ256單片機為核心，通過對多類型電機的控制實現(xiàn)浴缸的電子落水功能、多水路通道切換功能，通過對水泵系統(tǒng)的控制實現(xiàn)水流溢流按摩功能，通過RS485總線通信實現(xiàn)對霧化塔、燈光系統(tǒng)的控制，營造不同場景的氛圍。本系統(tǒng)采用的是遙控器和App兩種控制方式，既可以單獨控制浴缸，又可以同步控制信息，方便用戶對浴缸的功能控制及多種場景模式的選擇。

2 硬件系統(tǒng)設計

在整個SPA浴缸系統(tǒng)中，硬件方案是整個系統(tǒng)的基礎，因此，針對浴缸SPA系統(tǒng)的需求，設計出一套穩(wěn)定、節(jié)能、適用的硬件方案尤為重要。在本系統(tǒng)中，采用了模塊化的設計理念，最終選用各模組的最優(yōu)方案集成為整體系統(tǒng)方案。

2.1 溢流系統(tǒng)設計

溢流系統(tǒng)的硬件架構如圖2所示。

溢流系統(tǒng)主要采用水位系統(tǒng)、水泵系統(tǒng)、運動組件來控制調節(jié)溢流，由溫度傳感器和加熱器組件來保證溢流過程中的水溫。遙控器和App是用戶和浴缸交互的通道，當主控芯片接收到遙控器或App的溢流指令時，會根據(jù)水位信息來確定是否滿足溢流條件，當開始溢流時，按照系統(tǒng)設置的默認速度運行，在溢流過程中浴缸可以自動調節(jié)溫度，使之穩(wěn)定在用戶設置的溫度。

2.1.1 水位系統(tǒng)

實時監(jiān)控浴缸內和底盤內的水位信息，浴缸內采用的是壓電式水位傳感器，根據(jù)水位傳感器放置的初始位置和AD讀出的電壓信號可以基于水位傳感器所在位置的水壓計算出該位置的相對水位，從而得出當前水位。根據(jù)水位傳感器的規(guī)格書所述，此水位傳感器的量程為 P_min=0kPa，P_max=10kPa ，輸出的電壓與水位壓強的關系公式如下：

（PressureApplied-P_min）+0.1×V_supply

式中： V_output 為當前水位對應的電壓值； V_supply 為水位傳感器的供電電壓，本系統(tǒng)為3.3V供電， V_supply=3.3V;P_max 為最大壓強， P_max=10kPa;P_min 為最小壓強， P_min=0kPa PressureApplied為當前水位對應的壓強值。

將各個參數(shù)值代入后，得出本系統(tǒng)中 V_output 和水位壓強的關系為：

V_ouput=（0.8×3.3/10）×PressureApplied+0.1×3.3

當前水位對應的電壓值與 AD 的關系為：

可以得出，當前水位對應的電壓值與A 1D 的關系為：

AD=81.92×PressureApplied+102.4

下面可以根據(jù)液體壓強公式 來計算對應的水位高度。已知水的密度 ρ=1000kg/m³ ，重力加速度 g=9.8N/kg ，由 可得水位高度 h=p/ρg 。將 ?ρ= 1000kg/m³ g=9.8N/kg 代入公式，可得出 P_max=10kPa 對應的水位： h=1000×10/（1000×9.8）≈1.02m 。由此可知，最大壓強對應的水位為 102cm ，而當前水位h^′ 與 AD 值的關系為：

h^′=102×PressureApplied=1.24×（AD-102.4）

控制模塊就可以根據(jù)讀到的 |AD| 值計算出當前水位高度。

但水位傳感器設置在管道內，而浴缸存在上進水和下進水的不同方式，其中上進水會使管道內形成不同大小的空氣腔，這些空氣腔會產生一定的壓力，容易造成水位傳感器測算出來的水位與實際水位有誤差，對此，采用學習初始值的方案來解決。

在浴缸安裝完成后，先進行一次預進水，到達幾個指定的位置時，系統(tǒng)自動記錄位置對應的水壓值，再與理論值做一個比較容差計算后，得出真實水位對應的AD值。

這種自學習的算法使得本款浴缸具有可以自適應不同地區(qū)用戶的不同進水方式且不受水位傳感器在管道中的位置限制的優(yōu)勢。

底盤內的水位則采用電極來進行檢測。

2.1.2 水泵系統(tǒng)

水泵系統(tǒng)是溢流系統(tǒng)的主要組成部分，主要是通過PWM信號改變水泵電機的供電頻率來改變水泵的轉速，從而調節(jié)水泵的流量，實現(xiàn)不同的水流速度，提供不同檔位的溢流按摩功能。

2.1.3 溫度傳感器

在溢流過程中，溫度的損耗是比較大的，系統(tǒng)中的溫度傳感器會實時監(jiān)控當前水溫，并與遙控器/App下發(fā)的用戶設置的溫度相比較，控制加熱器組件的開啟和關閉，實現(xiàn)浴缸溫度始終處于用戶設置的溫度的容差范圍內。

2.1.4 運動組件

以蝶閥作為主要運動部件來實現(xiàn)溢流時水路的轉換，當開啟溢流功能時，水泵工作的同時打開蝶閥，實現(xiàn)底盤與浴缸內的水路連通，從而開啟溢流，如果停止溢流功能，則關閉水泵并切斷底盤與浴缸內的水路連接，避免浴缸內的水在重力的作用下進入底盤。

2.2 電子落水系統(tǒng)設計

電子落水系統(tǒng)設計如圖3所示，主控芯片在接收到來自遙控器或App的控制信號后，驅動電路驅動電動推桿運動，打開電子落水，在電動推桿的運行過程中，電流反饋電路會監(jiān)測電動推桿是否處于堵轉等異常情況，實時反饋至主控芯片，如果有異常情況，主控芯片會上報警告信息，并通過驅動電路關閉電子落水，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，以免造成器件損壞。

2.2.1 電機控制系統(tǒng)

電子落水系統(tǒng)的核心是電動推桿的控制，采用電機控制可以在電子落水系統(tǒng)接收到開啟、關閉的指令后，通過控制電機的正反轉來達到開啟、關閉落水的效果。

本設計中采用的是德州儀器的DRV8801高性能電機驅動芯片[2]，主控芯片通過相位及使能接口對驅動電機進行正反轉控制，靈活控制電動推桿的開啟和關閉，實現(xiàn)電子落水系統(tǒng)的自動控制。SENSE腳為電流的檢測引腳，設計過流電流保護算法實現(xiàn)電機堵轉控制。

電機控制電路圖如圖4所示。

根據(jù)歐姆定律 V=IR ，通過測量檢測電阻上的電壓V和電路中設置的SENSE腳的阻值，即可計算出流過的電流。當SENSE腳電壓 V_SENSE 超過過流保護閾值時，認為發(fā)生了過流情況，切斷電機的供電，以保護電機和驅動器不受過流損壞。

電動推桿實時的電流信號是通過檢測VPROPI引腳的電壓得到的，如下式所示：

在電子落水電路中，電動推桿的運行電流大概為 500mA ，而堵轉電流為2A，且?guī)в袡C械限位的裝置，即在推桿的行程兩端設置限位擋塊，當推桿運動到設定的極限位置時，推桿上的部件會與限位擋塊接觸，阻止推桿繼續(xù)移動，此時電動推桿的電流會降到很小。

根據(jù)以上參數(shù)，設計計算驅動電動推桿的各個參數(shù)，如表1所示。

V_TRIP=0.5V ，電機SPEC上的堵轉電流為2A，于是實際設計中，TRIP電流的設置要高于SPEC上的電流值，在此按照2.5A的堵轉電流計算，SENSE腳配置的電阻值 R₄ 如下式所示：

R₄=0.5V/2.5A=0.2Ω

2.2.2 過零檢測系統(tǒng)

實時檢測當前浴缸的上電情況，一旦發(fā)生浴缸斷電的情況，及時通知主控芯片，打開電子落水。

過零檢測電路中應用的是PC814這一內部有兩個反向并聯(lián)的紅外發(fā)光二極管的光電耦合器，市電通過限流電阻降壓后，經過PC814時，在交流電正半周和負半周都有一個紅外發(fā)光二極管導通，輸出高電平信號給主控芯片，在交流電接近零時，二極管截止，輸出低電平信號給主控芯片。電路圖如圖5所示。

其他系統(tǒng)的硬件設計在此不做過多贅述。

3 軟件系統(tǒng)設計

本設計采用的是Microchip公司推出的一款PIC24FJ256系列高性能16位單片機，此單片機具有較高的處理速度，配備的256KB的閃存程序存儲器和16KB的數(shù)據(jù)存儲器，為程序代碼和數(shù)據(jù)存儲提供了充足的空間，可以滿足本系統(tǒng)控制多子系統(tǒng)的軟件程序運行需求。

在此介紹溢流系統(tǒng)的軟件設計：溢流系統(tǒng)接收到溢流指令之后，先判斷底盤和浴缸內的水位是否滿足溢流水位，如果滿足則打開水泵和蝶閥，開啟溢流功能，若不滿足則拒絕溢流指令。同時實時監(jiān)控浴缸內的水溫，判斷水溫是否滿足用戶設置水溫，如果不滿足則打開加熱器組件，如果發(fā)現(xiàn)已經滿足用戶設置水溫，則關閉加熱器組件。直到接收到關閉溢流指令，關閉水泵，關閉蝶閥，關閉加熱器組件。具體軟件流程圖如圖6所示。

4 系統(tǒng)功能測試

本系統(tǒng)采用自主開發(fā)的Python腳本程序來進行功能測試，測試腳本模擬了IoT與控制器進行交互。

測試腳本如圖7所示。在通信配置窗口中配置通信參數(shù)，設置自動發(fā)送功能。下發(fā)指令到下位機的方式有兩種，一種是使用集成在腳本中的命令按鈕直接下發(fā)指令，另外也可以在數(shù)據(jù)窗口中直接輸入指令下發(fā)。下位機回復的內容和信息都在主窗口中顯示出來。

將此腳本程序接入浴缸系統(tǒng)，根據(jù)浴缸的功能，發(fā)送對應的功能命令給浴缸系統(tǒng)，浴缸會按照指令執(zhí)行功能，并反饋正確的數(shù)據(jù)，以此完成浴缸功能的測試。

5 結束語

該新型智能化多功能SPA浴缸于2021年在KBIS展會上展出，精心打磨兩年后，已于2023年、2024年分別在中國和美國市場上市。此款浴缸一經上市，就獲得了廣大用戶非常好的反饋。

在后疫情時代，人們對自身健康更加關注，因此減壓式SPA型浴缸在服務業(yè)尤其是旅游業(yè)得到了廣泛青睞和重視應用。這款浴缸以其智能化控制的亮點成為擺脫傳統(tǒng)浴缸設計桎梏的一款創(chuàng)新產品，從而有效推動了浴缸系統(tǒng)的智能化進程。

[參考文獻]

[1]霍尼韋爾.Basic Board Mount Pressure Sensors[Z]， 2017.

[2]德州儀器.DRV880x DMOS Full-Bridge Motor Drivers [z]，2025.

收稿日期：2025-04-09

作者簡介：任文杰（1985一），女，上海人，工程師，研究方向：衛(wèi)浴產品中的電子應用。