一種即熱裝置在智能馬桶的應用

鐘建偉+張燕金+滕世國

（韶關乳源東陽光機械有限公司 ，廣東 韶關 512721）

摘 要： 即熱加熱裝置在智能馬桶上應用，可以提高客戶使用的舒適度.而即熱裝置在智能馬桶上的應用難點在于溫度的穩定.本文采用ATmega16單片機為核心，具有多重過溫保護功能，在溫度超過42℃有軟件停止加熱保護程序、在溫度超過48℃時，硬件直接切斷進水水路；設有防干燒（超72℃）保護、低流量（小于0.3L/Min）和高流量（大于1L/Min）保護電路以及除氣泡防燙傷人裝置.

關鍵詞： 防干燒；過溫保護；氣泡檢測設計；模糊PID控制

中圖分類號：TM502 文獻標識碼：A 文章編號：KX1705628

引言

傳統儲熱式水箱智能馬桶存在的問題有：加熱慢，時間久，熱水量有限；水箱長期加熱，易結垢，易滋生細菌，同時浪費電.即熱加熱裝置能解決以上缺點，即開即用，節水節電，長時間使用都有熱水；由于加熱的水是流動水，不易結垢，水質干凈；體積小，滿足設計的空間要求.

在市場現有的智能馬桶即熱電路存在缺陷：當出水流量變化較大時，水溫變化很大，容易燙傷用戶，同時也會造成出水溫度的忽冷忽熱，清洗舒適度不好.

本文針對傳統儲熱式水箱智能馬桶和市面上的即熱智能馬桶缺點進行電路設，采用多到過溫保護及除氣泡防燙傷人裝置，防止燙傷人；加熱控制采用模糊PID加熱算法，使即熱加熱裝置在智能馬桶上應用更加穩定.

1 硬件電路設計

1.2 總體電路設計

系統是以基于ATmega16單片機的主控板為核心，總體電路設計見圖1.市電先經過漏電空氣開關，再供給設備. 開關電源采用明緯的PD-45A（雙電源，+12V和+5V輸出），給主控板供電；流量計采用神林電子的RSIR-2LB，最大耐壓0.49 Mpa，測試范圍0.3～2 L/min.按鍵顯示面板采用觸摸按鍵.出水電機采用三協電機的步進電機.水溫傳感器采用三菱電機的DTN-W493H6P，使用溫度范圍-30～105℃.48℃溫控開關采用同鼎盛的KSD301.防干燒采用艾默生的G5A01 72℃ 20A/250VAC溫度保險絲，溫度超過72+0/-5℃，切斷加熱電源.出水溫度超過42℃，通過軟件程序，切斷出水電路.

1.2基于ATMEGA16單片機的主控電路及外圍電路

以ATMEL公司的ATmega16單片機為核心的主控制硬件電路如圖2所示.它包括外部時鐘源模塊、復位電路、流量檢測模塊、進水溫度和加熱溫度檢測模塊.其中進水溫度和加熱溫度檢測模塊檢測進水溫度和加熱溫度，提供參數給PID.出水電機控制電路.加熱保護在流量檢測小于0.3L/Min和大于1L/min、進水水溫超過35℃和出水水溫超過42℃起作用，將停止加熱.硬件過溫保護將參數設置為48℃起保護.

1.3過零信號取樣電路

過零信號電路如圖3所示.AC220V電源經全橋二極管D2整流，將全波信號濾波限流處理，經光耦PC1產生基本脈沖信號，濾波得到50Hz頻率過零脈沖信號.過零信號輸入單片機，給即熱加熱提供基準信號，控制加熱管功率，實現對水溫的控制.

1.4加熱控制電路

加熱控制采用固態繼電器G3NE-220T作為開關控制水溫加熱.選擇固態繼電器主要是基于其高壽命，高可靠，控制功率小，快速轉換，電磁干擾小等特點.此電路增加液位檢測，即熱裝置有氣泡是，液位不導通，即熱裝置停止加熱.電路增加大功率電感線圈L2，消除諧波震動，提高抗干擾能力，是水溫加熱更穩定.

1.5過溫保護電路

過溫保護電路如圖5，具有響應快，穩定性好的特點.其工作原理是：出水熱敏電阻檢測到溫度時，通過分壓電阻R17，將溫度信號轉換為電壓信號，然后通過比較器upc393，與設定溫度比較（由R12/R13，R14/15組成上下限基準溫度）.檢測溫度沒有超出上下限基準溫度時，upc393的2腳輸出低電平，使進水電磁閥的一端對地導通；單片機同時控制進水電磁閥的另外一端，使其與12V接通，可以使電磁閥導通，正常進水加熱.當出水溫度超過48℃，電壓比較回路輸出高電平，關閉進水水路，從而沒有水流出，防止燙傷人；同時將高電平信號反饋給單片機水溫檢測信號，控制即熱控制信號，使即熱裝置停止加熱.

2. 控制系統軟件設計

程序流程圖見圖6，包括：參數初始化（各端口及計時器初始化），故障自檢，讀取存儲參數（用戶設定參數），讀取水溫AD值（進水、加熱和出水三個溫度的AD值），模糊PID加熱模塊.通過對進出水溫度檢測、出水溫度檢測，當前流量值，設定水溫值，來調用模糊PIID加熱算法，進行加熱處理，如果有故障馬上停止加熱.

模糊PID電解控制的原理是：通過讀取讀取當前的水溫，對比設定值，可求出差值k0.再根據k0、當前溫度AD值和當前流量計算出需要補償的誤差值e和誤差變化率ec，通過查表得到Kp、Ki和Kd.運行PID運算，計算出需要的加熱功率.在加熱過程中，不斷檢測e和ec的值，從而確定Kp、Ki和Kd這3個參數，來控制功率輸出，實現水溫加熱恒定（+/-2℃）.程序的采樣時間設置為100 ms，能滿足控制精度要求.

3結束語

本文對即熱裝置在智能馬桶上的應用進行了比較全面的安全設計和優化的水溫控制算法，使加熱水溫穩定.在進水壓力0.2MPa，進水溫度為15℃，出水流量0.6L/min，進行了測試.設定溫度為40℃加熱6秒可以達到設定溫度；設定溫度為38℃加熱4秒可達設定溫度；設定溫度為36℃加熱3秒可達設定溫度.此即熱裝置在智能馬桶上的應用，使用戶使用更舒適滿意.

參考文獻

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