一種恒溫淋浴器溫控系統設計

常廣志

（太原理工大學，山西 太原 030024）

一種恒溫淋浴器溫控系統設計

常廣志

（太原理工大學，山西 太原 030024）

目前，淋浴器出水溫度受很多因素的影響，不能保持恒定。在儲水式電熱水器的基礎上，通過單片機控制對混水閥進行自動調節，并在噴頭上進行二次加熱，從而實現淋浴頭直接恒溫出水。

淋浴器；混水閥；流量；單片機

隨著科技的不斷進步，人們對家電使用中的舒適度要求也越來越高，但目前的淋浴器還存在很多不盡如人意的地方，比如太陽能熱水器溫度受天氣影響較大；即熱式電熱水器功率過大，電線負荷較重；儲水式電熱水器溫度不穩定。本設計就是在儲水式電熱水器的基礎上，在噴頭處加入溫度及流量傳感器，通過單片機的數據采集和處理，對帶有步進電機的混水閥進行自動調節，并控制噴頭內加熱器進行二次加熱，實現淋浴頭直接恒溫出水。

1 總體設計

該恒溫淋浴器溫控系統以單片機為控制核心，通過其實現溫度、流量的檢測，以及閥門的自動調節和淋浴頭二次加熱。總體結構如圖1所示。

在混水閥的出口處裝有1個溫度傳感器，可以實時感應冷熱水混合后的溫度。從混水閥到淋浴頭還有一段距離，在開關和調溫、調流量的過程中，水溫會產生一定的變化。為了最直接地了解出水口溫度，在噴頭出水口處還設計了1個溫度傳感器和1個壓力開關。流量傳感器設置在混水閥出口處。此系統設置了4個按鍵，分別為溫度加、減和流量加、減，當流量減為0時系統關閉。顯示輸出部分采用鎖存器來驅動LED數碼管和發光兩極管，可以明亮、清晰地顯示參數，且驅動電路簡單。為了準確控制流量，采用2個步進電機分別控制冷熱水閥門，步進電機需要通過驅動電路來供電。加熱器采用電磁熱水器，通過高頻軟開關技術，利用單片機輸出不同占空比的PWM波來控制其輸出功率。

圖1 溫控系統總體結構

2 各部分組成

本設計的微處理器采用通用型AT89S52單片機。溫度測量采用2個DS18B20數字溫度傳感器，它測溫范圍大，測量精度可達0.5℃，它外圍電路非常簡單，只需要1根帶上拉電阻的數據線與單片機相連，就可以通過程序讀出溫度值。流量檢測器采用磁性渦輪開關與霍爾元件配合，將流量轉換為電脈沖信號，通過串行A/D轉換芯片ADC0832將數據傳給單片機。噴頭加熱時不能干燒，所以，在噴頭內設置1個壓力開關，當噴頭有水時閉合，加熱器才能啟動。本系統按鍵與顯示輸出合成在電路板上，按鍵采用薄膜按鍵，兩路溫度指示分別用2個兩位的LED數碼管顯示、流量指示另外用8個并排的發光二極管表示。閥門驅動采用步進電機，可以實現準確控制，不受水壓、溫度等干擾。加熱器選用電磁式，可以快速、準確地控制加熱量。

3 軟件設計

軟件的設計是一個系統能否正常運行的關鍵，該系統采用匯編語言編程以達到快速、高效的目的。單片機資源有限，各端口的分配和寄存器定義是編程的基礎。表1給出了本系統端口和寄存器的分配情況。按鍵采用外中斷方式，溫度、流量采用查詢方式。顯示輸出采用外部鎖存器靜態驅動方式，當參數有變化時只要改寫相應鎖存器數據即可，這樣顯示穩定，不受延時程序影響。總流量輸出從0～7分為8個檔位，由冷熱水2個輸出量疊加組成。加熱器功率輸出設置了8個檔位，以適應不同需要。

該系統程序由1個主程序和溫度檢測子程序、流量檢測子程序、按鍵中斷子程序、顯示輸出子程序、加熱驅動子程序組成。主程序簡化流程如圖2所示。開機初始化設定默認溫度為38℃，流量為0，初始化后通過溫度檢測子程序，分別讀取混水閥溫度和出水口溫度，并將出水口溫度和設定溫度值顯示輸出；讀取流量值，并顯示輸出。溫度和流量設定由中斷程序完成，一旦設置改變，設定溫度實時顯示輸出，流量設定值顯示3 s后轉為實測值輸出。

表1 系統的端口和寄存器分配

當流量設定為0時，用戶不需要供水，系統只進行檢測、顯示；當流量大于0時，用戶開始用水。為了解決現有淋浴器開始總要放一定量冷水的問題，本系統采取先加熱再出水的方案，即在噴頭處加熱水后再開始放水，這會產生一定的延時和流量漸變。噴頭加熱前要檢測壓力開關狀態，看噴頭處是否有水，如果沒水，則執行預出水程序，然后根據設定溫度與出口溫度差來決定加熱量，直到溫差相近時混水閥才逐步開啟到設定值。混水閥開關量由預設值決定總量，先平分總出水量，在保持總量不變的情況下，根據出水閥處的溫度值重新調節冷熱水閥開啟度，直到設定溫度。同時，噴頭處隨時根據噴頭溫度和流量確定加熱量。

圖2 主程序簡化流程圖

DS18B20和ADC0832都是常用芯片，用通用程序讀取即可。流量控制程序相對復雜一些，因為閥門的開啟度與真實流量存在一定的非線性，而且冷熱水壓力也會出現偶然性變化，所以，需要在經驗值的基礎上，根據溫度再做修正。加熱驅動子程序需要根據混水閥溫度、出水口溫度、設定溫度以及實測流量，綜合計算選擇輸出功率。

4 結束語

本系統還在實驗階段，還存在許多問題和不足，比如對加熱器的控制還需要考慮溫差和流量的各種過渡曲線，這需要借助大量實驗取得的經驗值加以調整。此外，如何使預加熱過程更加合理，也需要在使用中不斷體驗再加以改進。此外，還可以引入遙控功能，使操作更加便捷。

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TU822

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.01.133

2095－6835（2018）01－0133－02

常廣志（1973—），男，河南輝縣人，大學講師，碩士學歷，從事電子儀器與測量研究工作。

〔編輯：張思楠〕