基于STM32和高精度傳感器的智能水溫調(diào)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(shí)，人們總是會(huì)花費(fèi)些許時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)水溫。由于水的比熱容偏大，用傳統(tǒng)的水閥調(diào)節(jié)水溫不僅效率低，浪費(fèi)水，還存在忽冷忽熱現(xiàn)象。而水溫的調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)、穩(wěn)定與否，對(duì)沐浴的舒適度和用水量具有重要的影響，因此對(duì)水溫的調(diào)控尤為重要。系統(tǒng)主控是STM32，通過(guò)傳感器對(duì)當(dāng)前水溫環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集數(shù)據(jù)。然后根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的目標(biāo)溫度及傳感器所采集到的溫度信息，通過(guò)PID自適應(yīng)調(diào)節(jié)輸出溫度，若輸出溫度與用戶(hù)輸入的目標(biāo)溫度相同則水輸出。

關(guān)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(lèi)號(hào)：TP391;TN609文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）11-00-02

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)外沐浴均使用傳統(tǒng)的熱水器裝置，發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題[1]：

（1）當(dāng)人們使用這種裝置時(shí)，會(huì)花費(fèi)較多時(shí)間去調(diào)節(jié)水的溫度，水溫太高可能會(huì)導(dǎo)致?tīng)C傷，水溫太低導(dǎo)致效率低下，可能會(huì)引起使用者感冒;

（2）使用時(shí)需要自己動(dòng)手調(diào)節(jié)水溫，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，浪費(fèi)水資源;

（3）當(dāng)使用者需要用水時(shí)，所需要的水溫不易調(diào)節(jié)。

綜上所述，傳統(tǒng)沐浴裝置過(guò)于浪費(fèi)時(shí)間，也達(dá)不到節(jié)約用水目標(biāo)。為了解決上述問(wèn)題，我團(tuán)隊(duì)將研發(fā)一款面向家庭浴室、公共澡堂、美容店等場(chǎng)所的智慧恒溫節(jié)水裝置。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(chǎng)所，具有節(jié)水省時(shí)、精準(zhǔn)調(diào)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(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)備分三部分，即主控芯片、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。其中主控芯片采用STM32;輸入設(shè)備采用DS18B20和防水按鍵;輸出設(shè)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(shè)備部分，本系統(tǒng)所選用的高精度溫度傳感器DS18B20/LM35用于實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，并傳給主控分析處理。用戶(hù)根據(jù)自身的需求通過(guò)防水按鍵設(shè)置目標(biāo)溫度[3]。

STM32主控芯片主要負(fù)責(zé)處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、控制算法。其工作流程為：STM32主控芯片根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的目標(biāo)溫度，及DS18B20/LM35所采集到的溫度信息，通過(guò)PID自適應(yīng)調(diào)節(jié)輸出溫度，若輸出溫度與用戶(hù)輸入的目標(biāo)溫度相同則將有水輸出[4-5]。

使用過(guò)程中，OLED128128高分辨率節(jié)能顯示模塊顯示可調(diào)節(jié)的最高溫度和最低溫度，更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。在收到主控芯片發(fā)出的開(kāi)發(fā)請(qǐng)求以后，水泵、電磁閥、止回閥協(xié)調(diào)工作，調(diào)整各自出水量，實(shí)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(diǎn);采用回流結(jié)構(gòu)，節(jié)約水資源[6]。

止回閥和電磁閥對(duì)外部結(jié)構(gòu)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(dòng)，當(dāng)輸出溫度與目標(biāo)溫度相同時(shí)輸出管的電磁閥打開(kāi)，有水輸出[7]。優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STM32為核心處理器，通過(guò)STM32控制傳感器完成數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)串口實(shí)時(shí)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(yīng)調(diào)節(jié)算法。通過(guò)STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)操控，當(dāng)被控過(guò)程參數(shù)未知時(shí)，在每個(gè)采樣周期，利用加權(quán)遞推最小二乘算法顯式辨識(shí)過(guò)程模型;再以PID控制器傳遞函數(shù)中的零極點(diǎn)對(duì)消被控過(guò)程傳遞函數(shù)中的部分極零點(diǎn)，由此計(jì)算出各時(shí)刻的PID控制量，以使得閉環(huán)系統(tǒng)良好運(yùn)行[9-10]。PID自適應(yīng)調(diào)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(biāo)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(xiàn)如圖5所示。

本系統(tǒng)運(yùn)行步驟如圖6所示。一方面通過(guò)溫度傳感器采集水溫信息并將其傳給主控，通過(guò)OLED顯示當(dāng)前溫度可調(diào)范圍，用戶(hù)根據(jù)自身要求調(diào)節(jié)水溫，然后主控芯片STM32通過(guò)PID自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法得出溫度值，并傳給出水模塊執(zhí)行，水溫達(dá)標(biāo)則輸出;另一方面裝置可檢測(cè)輸出水溫是否達(dá)標(biāo)，若水溫不在用戶(hù)要求范圍內(nèi)，出水口電磁閥關(guān)閉，水溫信息反饋到主控芯片調(diào)節(jié)水溫，節(jié)約能源，保護(hù)用戶(hù)用水安全。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)研發(fā)的這款基于STM32主控芯片的智能水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一方面成功解決了傳統(tǒng)沐浴裝置調(diào)節(jié)效率低、浪費(fèi)水和時(shí)間的問(wèn)題;另一方面延伸出智能調(diào)節(jié)水溫OLED屏，不僅避免了水溫忽冷忽熱的問(wèn)題，還實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)自主調(diào)節(jié)水溫的功能。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，用戶(hù)調(diào)節(jié)適合的水溫用時(shí)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(jié)構(gòu)，節(jié)約水資源。本系統(tǒng)能夠完全滿(mǎn)足用戶(hù)需求，為用戶(hù)提供一種智慧恒溫、省時(shí)省力、便捷舒適的沐浴方式。

參考文獻(xiàn)

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

[2]石志國(guó)，王志良，丁大偉.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[3]張?zhí)禊i，魏蔚.“一線(xiàn)式”數(shù)字溫度計(jì)DS18B20原理與應(yīng)用[J].辦公自動(dòng)化，2009，15（2）：24-26.

[4]鐘衛(wèi)連.基于單片機(jī)的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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(guó)控制與決策學(xué)術(shù)年會(huì)，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(chǎn)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(shù)，2011，35（2）：67-70.

[8]趙亮，侯國(guó)銳.單片機(jī)C語(yǔ)言編程與實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[9]李蒙.基于STM32單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[M].天津：天津大學(xué)出版社，2008.

[10]吳功宜，吳英.物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論[M].北京：機(jī)械工程出版社，2012.