淋浴器自動混水控制器設計與實現

李玉全 王代強*

（1、貴州大學，貴州 貴陽550000 2、貴州職業技術學院，貴州 貴陽550000 3、貴州民族大學，貴州 貴陽550000）

1 概述

目前住宅淋浴器多為機械式控制淋浴器，即通過手動調節溫度控制器來改變淋浴出口的溫度。人們必須不斷調整混合閥調整冷熱自來水的基準比率保持適當的水溫，如果水溫不能滿足自己的需求，有必要手動調整冷熱水的基準比率，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，本文設計了一種自動混水控制器。

2 控制系統總體方案設計

系統采用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，在步進電機的作用下，調節混水閥開度，從而達到控制水溫的目的。整個水溫調節控制系統的框架原理如圖1 所示。

3 系統硬件設計

3.1 溫度采集電路

在系統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 是一種數字單總線溫度傳感器，使用串行接口進行數據傳輸。它將溫度測量和A/D轉換功能集成到芯片中。它采用單總線結構，可直接與微機連接并直接輸出數字量。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 引腳與單片機的I/O 端相連，此時，無論電源屬于內部寄生還是外部寄生，I/O端口線為5KΩ，因為如果寫內存模式和溫度傳感器DS18B20 的A/D轉換步驟，必須有一個強烈的上拉過程，最大上拉時間是10us。系統外接3.3V電源，電路如圖2 所示。

圖2 DS18B20 溫度采集電路

本次DS18B20 設計的測溫電路具有測溫系統簡單、測溫精度高、連接舒適、連接線利用率低等優點。

3.2 各模塊電源設計

整個系統的電源供應由三部分組成：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；步進電機驅動芯片5V電源蜂鳴器、觸摸按鈕電路和L298 控制端子；步進電機的驅動選用12V電源。開關采用12V/30W的電源控制，L78M05 穩壓芯片來控制5V電壓的穩定性，3.3V電壓主要是通過電壓轉換芯片來得到。

3.3 步進電機電路設計

由于混合閥的控制精度要求，采用步進電機控制混合閥的開啟；同時，通過步進電機芯片L298P 放大用于混合閥開關功能的單片機控制信號，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，步進電機控制器可以實現高精度；同時，從恒溫混合閥的控溫精度來看，一般需要用戶設定的溫度值為±2℃，這樣步進電機可以使用步進角度為1.8°；為了便于控制混水閥的旋轉，步進電機的轉矩容器約為2.0N/m。

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

表1 57BYGH7630 性能參數表

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

圖3 L298P 應用電路圖

驅動電路需要配備兩種不同數值的電壓源，一種是5V電源，另一種是驅動電源，考慮到電機電壓和電流，淋浴器水溫控制系統采用12V/1.5A的步進電機控制，直接與L298P 的系統電源連接。

4 系統軟件設計

整個水溫控制系統采用多任務路徑進行調節控制，在STM32處理器的控制下，能夠實現出口水溫恒定、溫度設定、時鐘設定等功能。整個控制順序如圖4。

圖4 系統主程序流程圖

初始化包括：（1）系統時鐘設置、STM32 端口初始化配置、LCD初始化配置、中斷矢量設置、電機復位等。（2）觸摸屏觸點是否自校準。（3）觸摸屏自標定。（4）在觸摸屏校準前或校準后，系統會在電磁閥關閉的情況下進入畫面程序。畫面主要顯示用戶設置的水溫值和時間信息。

系統實時識別電磁閥開關狀態的設置，如果電磁閥關閉，整個控制系統將進入畫面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，通過設定打開電磁閥，這個時候系統進入畫面2狀態，步進電機根據所設定的溫度值和所記錄的溫度值進行恒溫控制。同時，用戶可以在此畫面狀態下校準時鐘，校準觸摸屏，設置水溫值。整個控制流程見圖6。

圖6 畫面2 控制程序流程圖

本系統程序采用多任務的設計形式，主要包括有：任務啟動、電磁閥開關過程以及信息采集等。通過啟動任務，開始對出水溫度進行調節，然后在電磁閥的開和關過程中，維護水溫的恒定，這個時候對出口水溫進行采集，然后與設定水溫進行比對，如果在設定水溫范圍內，則電磁閥關閉，維持隨溫度的恒定；反之，電磁閥開啟，在步進電機的作用下繼續調節水溫。

5 結論

本文主要設計了基于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）基于行業和技術背景，本文分析了混水控制器系統的方案，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，擴展了一些實現控制器功能所需的外圍電路，包括LCD電路、電機驅動電路、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定值的對比，來控制步進電機的工作狀態，從而保持水溫的恒定。