基于STM32單片機的智能水閥控制系統

摘要：本文設計了一套基于STM32單片機的智能水龍頭控制系統。該系統集成了紅外線人體探測、數字溫度傳感器、舵機驅動的混合水閥、OLED顯示屏等模塊，實現了水溫智能控制、水流自動斷水等功能。該系統采用STM32F407作為控制核心，時鐘頻率高達168MHz，具備強大的處理能力，可執行復雜的溫控算法。溫度傳感器采用DS18B20數字傳感器，直接輸出水溫數值，確保了測量精度?；旌纤y使用舵機調節冷熱水流量比，快速響應，能有效控制水溫。紅外傳感模塊探測人體信號，實現自動斷水控制。測試結果表明，系統響應迅速，停水時間是出水時間的一半左右，達到良好的控溫效果和智能節水效果。本系統為公共場所提供了一種節水、節能、智能化的水龍頭解決方案。

關鍵詞：STM32；智能水龍頭；水溫控制；紅外檢測；即用即停

一直以來，醫院、飯店等公共場所的水龍頭多為手動開關模式，容易損壞，長期不用易生銹，且無法精確控制水量和水溫，造成水資源浪費嚴重。同時，還存在一定的疾病傳播風險。鑒于上述問題，本研究旨在設計一套智能水龍頭控制系統，用于公共場所，以實現準確的水溫控制、水量控制和用戶體溫檢測功能，還引入廢水循環系統。該系統能夠有效減少公共場所的用水量，提供更優質的用水體驗，并降低疾病傳播風險。

1系統總體設計方案

圖1系統總體設計方案

本設計的核心是采用STM32F407VGT6芯片作為控制核心，負責整個系統的智能控制。結合紅外線人體探測模塊、溫度傳感器、OLED顯示屏等部件來實現智能水龍頭的功能。

1.1控制核心

采用STM32F407系列32位ARMCortexM4核微控制器，最高主頻可達168MHz，擁有210DMIPS的強大處理能力，可滿足系統的數學運算和控制算法執行需求。內置FPU提高了浮點運算效率。

1.2傳感器模塊

紅外線人體體溫傳感器：采用MLX90615模塊，可非接觸測量人體表面溫度，以便系統根據體溫來調節出水溫度。

水溫傳感器：使用數字溫度傳感器DS18B20，直接以數值形式輸出檢測到的水溫，精度高。

人體感應模塊：使用HCSR501人體紅外感應模塊，當檢測到人體存在時觸發系統開始工作。

1.3OLED顯示屏

采用0.96寸OLED智能顯示屏，通過I2C串行接口與STM32連接，用于顯示工作狀態、水溫參數及用戶體溫等信息。OLED屏采用自發光的有機發光二極管技術，具有響應速度快、對比度高、視角寬等優點，支持中英文顯示，菜單化操作，交互性強。內置DDRAM圖像存儲器，可實現顯示內容的快速刷新。工作溫度范圍廣，可適應室內外環境。該顯示屏為用戶提供了直觀的系統運行狀態界面。

1.4輸出模塊

輸出模塊主要包括舵機驅動的混合水閥和控制總水流的電磁閥。混合水閥采用封閉式舵機驅動，根據PID算法計算的角度進行飽和控制，快速調節冷熱水流量比例，實現精確控溫；電磁閥則直接由STM32的GPIO信號控制，響應速度快，在0.05秒內可完成斷水。兩者的配合使用可保證系統在準確、快速地調節水溫的同時，智能地控制水量，避免不必要的浪費，滿足了對水量與溫度閉環控制的需求。

1.5PID控溫算法

本系統采用PID控溫算法來實現精確的水溫調節，該算法根據水溫傳感器DS18B20的實時反饋值，經過比例、積分、微分運算后輸出控制舵機的角度。其中，比例項P提高系統動態響應速度，積分項I可消除穩態誤差，微分項D可增加系統穩定性。通過調優PID的參數，可獲得系統良好的靜態與動態性能。而采用增量式PID和濾波器的方法，則可進一步提高系統的抗干擾能力和穩定性。配合定期自整定和在線自校正，PID算法的應用顯著增強了智能水龍頭的溫控精度和速度。

1.6廢水模塊

收集廢水，經過濾后提供循環使用。廢水模塊采用了一體化設計，占地面積小，不僅工藝新穎，操作維護簡單，所采用的耐腐蝕材料的使用壽命還可以長達20年以上。

1.7模式選擇

1.7.1普通模式

（1）系統默認啟動后進入該模式。

（2）紅外傳感器檢測到用戶接近時，打開電磁閥。

（3）水溫傳感器實時檢測水的溫度。

（4）MCU根據用戶體表溫度和設定溫度范圍，計算混合水閥的開度比例，控制冷熱水流量比例，使水溫保持在設定范圍內。

（5）用戶離開后，紅外傳感器發送信號，MCU關閉電磁閥，水閥回到關閉狀態。

1.7.2兒童模式

（1）可通過語音或按鍵手動切換至該模式。

（2）系統自動將水溫控制在更低溫度，例如35℃左右。

（3）避免兒童使用時被高溫燙傷。

（4）其他流程同普通模式。

1.7.3高溫消毒模式

（1）系統可以在夜間或長時間無人使用后，自動進入該模式。

（2）打開熱水閥，控制水溫升至60℃左右對管道進行消毒。

（3）設置一個計時器，例如消毒10分鐘后關閉熱水閥，恢復至普通模式。

1.7.4節水模式

（1）可通過語音或按鍵切換至該模式。

（2）設置單次出水量閾值，例如最大出水體積為1升。

（3）水流傳感器實時檢測出水量，當累計達到閾值時，MCU切斷電磁閥。

（4）或者根據統計設置日最大用水量，超過后進入停水狀態。

1.7.5自定義模式

（1）APP中可設置溫度范圍、出水時間等參數。

（2）MCU根據APP的自定義參數運行。

（3）實現個性化使用需求。

1.7.6遠程控制模式

（1）支持WiFi、4G等連接，可在APP遠程查看系統狀態。

（2）可遠程發送控制指令開啟/關閉水龍頭。

（3）連接云平臺實現遠程監控和診斷。

2系統工作流程

（1）初始化階段：上電后，STM32進行外設的初始化，包括OLED顯示屏、紅外測溫模塊、水溫傳感器DS18B20等的引腳初始化，以及中斷功能的設置。

（2）主程序循環：不斷檢測紅外人體感應模塊的輸出狀態，當檢測到人體靠近時，進入工作狀態。

（3）獲取數據：啟動紅外測溫模塊和水溫傳感器DS18B20進行數據采集，通過STM32的ADC取得人體表面溫度和水溫數據。

（4）PID計算：將采集到的溫度數據輸入PID算法，計算出控制舵機所需的角度值，再利用DMA傳輸加速運算速度。

（5）控制執行：設置PWM輸出控制舵機轉動到計算所得角度，以調節水溫，同時打開電磁閥使水流出。

（6）信息顯示：在OLED屏幕上實時顯示當前人體溫度和水溫信息。

（7）斷水控制：當紅外感應模塊檢測到人體離開時，STM32關閉電磁閥，切斷水流。

（8）數據保存：使用RTC實時時鐘功能，將水溫曲線等數據保存到STM32的內部Flash。

（9）低功耗：人體離開一定時間后，系統進入低功耗睡眠模式，降低功耗。

圖2工作流程圖

通過STM32的強大功能，實現了對整個系統的統一智能控制，使智能水龍頭具有準確的溫控、人性化的使用體驗以及智能的節水控制。

3系統創新方案

（1）采用紅外線非接觸式人體溫度測量，可以準確檢測使用者體表溫度，根據體溫的差異主動調節出水溫度，實現個性化服務。

（2）采用PID算法實現精準的溫控系統，舵機控制混合水閥按照計算結果高效調節水溫，使控溫響應時間縮短。

（3）設置多種工作模式，如普通模式、消毒模式等，用戶可以根據需要進行選擇，拓展產品應用場景。

（4）引入廢水收集及循環利用系統，提高水資源利用效率，實現環境保護和衛生間升級。

（5）采用OLED顯示屏實時顯示工作狀態、水溫等信息，交互性強，使用更友好。

（6）STM32控制核心，集成各種外設接口，通過智能算法實現系統的精確調控與優化。

通過以上創新設計，本系統顯著提升了公共水龍頭產品的智能化水平和使用體驗，實現了對水資源的合理利用。

4系統仿真與調試

系統軟件與硬件全部設計完畢之后以KeiluVision5為編程環境對編寫的程序文件進行HEX格式的轉換，然后在單片機上進行燒錄，采用STLINK仿真器對各模塊進行了仿真研究，對系統的運行效率和穩定性進行了觀測，并對各模塊做了優化和調整，最終觀測到了系統的總體運行狀態，從而達到了縮短時間、節水的效果。

4.1系統測試

系統測試是對完整集成后的系統進行測試的階段，用來評價系統對具體需求規格說明的符合性，系統測試是在單元、組件和集成測試階段之后進行的。系統測試所用的數據必須盡可能地像真實數據一樣精確有代表性?？梢允褂谜鎸崝祿蛘呤褂谜鎸崝祿囊粋€復制，復制數據精度必須盡可能地代表真實的數據。因此，為了檢驗系統的功能實現，對系統進行實際測試并上電后觀察出水情況，對人體進入紅外探測范圍水龍頭開始出水、人體走出紅外探測范圍水龍頭停水所用的時間做了一個系統測試，下表是傳感器檢測水龍頭出水停水的測試結果。

4.2優化方案

測試結束時，發現反應時間數值超出我們的理想值，我們對程序設計方面對停水和出水進行優化。方案如下：傳感器感應到人體時，將結果反饋給控制芯片，從而控制水龍頭。由于出水是一個持續高電平的過程，我們可以在結束過程中設置一個中斷時間控制器，當輸出由高電平轉為輸出低電平時，觸發中斷時間，實現自動停水，而無須將反饋發送到控制芯片。這樣做相當于減少了一半的處理過程，從而縮短了時間，也達到了節水的效果。經調整之后，停水時間大大縮短，符合預期。

5結論

本研究通過分析公共場所用水的問題，從硬件與軟件兩方面進行設計。本系統不僅可以實現用水的即用即停，溫度控制，而且可以實現廢水循環，將洗手水進行廢水利用，功能非常豐富。STM32系統工作穩定，可以更好地保障用戶的體驗感，顯著地節約了水資源的使用，改善了公共衛生的普遍浪費水問題，有較大的推廣應用價值。同時希望該系統能夠在各個公共場所投入使用，實現溫度檢測數據的實時傳輸，以便后續迭代可提供給用戶更舒適的洗手體驗感。

參考文獻：

［1］劉軍.例說STM32［M］.第2版.北京：北京航空航天大學出版社，2014.

［2］程建平.基于Porteus和Keil構建的虛擬仿真平臺在嵌入式系統課程中的應用［J］.信息與電腦（理論版），2021，33（07）：240243.

［3］周治國，鄭章媛，張建.一種嵌入式系統串行接口彩色屏幕動態畫面顯示方法［J］.工業控制計算機，2020，33（08）：2930+32.

［4］柳青.嵌入式系統中Modbus/TCP協議棧的設計和實現［J］.機電產品開發與創新，2020，33（06）：1214.

作者簡介：吳宇哲（2002—），男，漢族，湖北武漢人，本科，現主要從事算法優化、電子信息方面研究。