淋浴器自动混水控制器设计与实现【报告】.docx

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1、淋浴器自动混水控制器设计与实现摘要：随着生活水平的提高和家电的普及，使用淋浴器变得越来越普遍，但市场 上的淋浴器水温都是手动调节。人们经常需要通过不断调节混合阀来调节冷水和 热水的初始比例，以保持适当的水温。为了使淋浴器更容易使用，本文设计了一 种热水和冷水混合控制器。控制系统的使用让用户在用水时大大方便,操作简单, 界面美观，安全稳定。可以利用混水阀的控制精度高、稳定性好，混水阀的运转 可以通过步进电机来实现;通过控制电磁阀，可以实现淋浴器等给水系统的开关; 加入触摸屏，连接到单片机，对TFT屏进行操作，可以完成淋浴器自动混水控 制。关键词：混水控制器；水温调节；STM32单片机1引言当前，

2、淋浴器市场呈现出电淋浴器、气淋浴器和太阳能淋浴器占主导地位的 态势。其他类型的淋浴器，如即时热水淋浴器和热泵淋浴器还处于产品开发和市 场积累阶段。据统计，燃气泄漏数量已上升到非正常死亡名单的第三位；压缩热 泵淋浴器系统复杂，技术不成熟，初期投资本钱过高；太阳能淋浴器受到地域、 气候、结构等因素的严重限制，往往造成大量的水资源浪费和管道天然气、液化 天然气价格上涨的影响，越来越多的家庭选择电淋浴器作为家庭首选。但目前住宅淋浴器多为机械式控制淋浴器，即通过手动调节温度控制器来改 变淋浴出口的温度。人们必须不断调整混合阀调整冷热自来水的基准比率保持适 当的水温，如果水温不能满足自己的需求，有必要手动

3、调整冷热水的基准比率， 通过这种方式，用户将体验很多不便，水温可能对用户引起不适。同时，电淋浴 器也存在漏水、过热等隐患。为解决上述问题，本文设计了一种自动混水控制器。 2控制系统总体方案设计控制器：STM32F103VC;图像输出：3.2英寸400x320像素TFT液晶显示屏；用户输入：触摸屏，触摸按钮；执行机构：12V步进电机、混水阀、电磁阀；电机驱动：1298p;3.5报警系统关于报警体系包含声报警与光报警这2个局部。此次筹划中，声报警模块选 用蜂鸣器发出警报。蜂鸣器就是喇叭，普遍使用在各类电子商品中，用在提醒、 警报等一系列相关的很多应用场所。它和家庭使用的相关设备中的喇叭在使用方 面

4、具有近似的局部，一般运作电流偏大，线路中的TTL电平差不多无法驱动蜂 鸣器，要求增添1个电流扩大的线路，换言之，这只针脚极难驱动蜂鸣器发声， 因此增添1只三极管去升高经过蜂鸣器的电流值。使用单片机调控P1.6并形成某一频率的方波，这样能够确保声报警板块发 出声音。相关的线路图在图3-7展示。八 LStSPEAKER Q1RI . . .I- I - 470 PNP 系统电源模块系统电源主要由三个局部组成，为整个系统提供三个电压值：12V、5V、 电压电源STM32处理器、LCD显示屏和背光电路；步进电机驱动芯片 5V电源蜂鸣器、触摸按钮电路和L298控制端子；步进电机驱动需要12V电压。 电源

5、采用12V/30W开关电源，5V电压由L78Mo5稳压芯片电路确定，3.3V电压 由电压转换芯片确定。在电源板块，滤波和保护线路具有关键的效用，体系是不 是可以安全运用，极大层面上由电源的平稳性来确定。这个筹划使用桥式整流线路，把交流型的电网电压转成需要的直流型电压， 给各个线路供应固定的直流+5V电压。从端口 J1导入的约220V的交流电压，通 过变压装置转成约15V的直流型电压，然后通过全波整流桥BR1实施整流，之 后获得一个幅值是8V上下的波动直流。它通过Cll、C12滤除杂波之后，获 得一个相对稳定的直流，之后通过LM7805实施稳压输出+5V电压，C10再次滤 波后，得到稳定的+5V

6、直流电流，为系统提供稳定电压，保证电路的稳定性和抗 干扰性，如图3-9所示。图3-9电源系统电路图3.6 步进电机电路设计由于混合阀的控制精度要求，采用步迸电机控制混合阀的开启；同时，通过 步进电机芯片L298P放大用于混合阀开关功能的单片机控制信号，控制电磁阀。混水控制阀的温度范围通常为20C-50C ;而温度控制器的角度通常不超过 360度，大概为210。左右；因此，步进电机控制器可以实现高精度；同时，从 恒温混合阀的控温精度来看，一般需要用户设定的温度值为2,这样步进电 机可以使用步进角度为1.8。；为了便于控制混水阀的旋转，步进电机的转矩容 器约为2.0N/mo步进电机选型考虑到混水阀

7、转动所需的扭矩和混水阀调节水温的精度，系统采用57混合 式2相步进电机。其外观及外部界面如图3所示。6 Lead s三omB()DRHOWHTHI.U红白站图3 57BYGH7630外观及接线图57BYGH7630性能参数如表2所示。表2 57BYGH7630性能参数表372步进电机电路电机型号电机长 度步距 角相电压相电流相电感相电 阻转动 惯量静力 矩定位 力矩57BYGH763076mm1.812V1.5 A1.6H1Q480g 21.8N.m0.68Kg.c m电机驱动电路直接与电机相连，驱动电机旋转，起到功率放大的作用。因此 两相步进电机可以使用L298芯片驱动，考虑到电路板的尺寸和

8、安装空间，本系 统采用L298芯片。如果用L298P驱动两相步进电机，驱动电路的硬件连接图如图3-25所示。图4 L298P应用电路图根据电机的电压和电流要求，系统选用12V/1.5A步进电机驱动混水阀，使其直接连接到L298P的系统电源。4系统软件设计4.1软件总体设计软件设计是为了满足系统功能的需要。其总体流程图如图4/所示。软件设计是为了满足系统功能的需要。其总体流程图如图4/所示。IStepGainl图4软件总体流程图本系统的软件设计采用了模块化设计方法，对每一个功能编写了一个或几个 功能画数，表4-1说明了功能所对应的闲数。表4-1本设计各项功能函I数表功能困数主函数声音警报、提示音

9、LED灯报警用户数据输入延时液晶显示采样转换温度设定系统工作模式，系统初始化A模式下的温度控制void main (void) void sound (short) void led(void)void in8051 (short *p) void delay (irrt)void display (short, short) Short ds 18b20 (void)short get mode (void) void control (short, short)4.2 WAVE6000软件简介程序界面WAVE6000界面如图4-1所示。W 0000 :(8031) a-lol x|磔丽 M

10、kE) ” HP)JM7(R)(* 外au 分IWKOI 5(H),lai XI| St，3 D O =0。/寸|X 电、方断,0 旭 (国 EBB-yBlW.ffK.ffi aoPC:0000M O*TftOOOOH A: OOM WOOM y07Hw“ax包心N图 4-3 WAVE6000 界面4.3程序流程各个程序的流程图如下。4.3.1 主程序流程图主程序流程图如图4-4所示。采样子程序流程图采样子程序流程图如图4-5所示。采样值始址送RI 采样次数送RO图4-5采样子程序流程图滤波子程序流程图滤波子程序流程图如图4-6所示。图4-6滤波子程序流程图显小子程序流程图显示子程序流程图如图

11、4,7所示。图4-7显小子程序流程图4.3.5 按键选择流程图按键选择流程图如图4-8所示。开始，调 TRAST1.图4-8按键选择流程图PID控制子程序流程图根据PID算法公式，PID算法程序使用两个字节的追加程序，两个字节的补 程序，双字节的无符号乘法的运算程序，以及两个字节符号乘法程序来实现PID 式的编程。PID控制子程序流程图如图4-9所示。温度检测：DS 18B20温度传感器；时钟：处理器外围实现时钟功能；报警：5V驱动蜂鸣器；与PC机进行数据交换：JTAG接口、串行接口等。 电源：12V/30W开关电源；图1控制器总体设计3系统硬件设计创立单片机关于炉温的调控体系，能够选用STC

12、8952当作调控的中心。在 单片机的相关课程内，我们已熟知51单片机，使用的时候比拟顺手，能够支撑 ISP线上编程，确保编程作业较便利与自主地实施。实施数据的转化，调控线路 选用继电装置进行调控，具有高于89C51的运行频率，进而具有较快的核算速 率。此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的数据。关于温度传感装置，选用十分广泛的3DG6晶体管，低廉的电压/频率转化 装置(V/F) LM331和STC8952模块构成的温度测定仪。但抗干扰性差，数据处 理复杂，数据存放空间大，受市场限制。在筹划过程内，普遍选用热电阻传感装置，关于钳电阻的温度传感装置，能 够运用其电阻与温度呈现某一国数关联而制

13、作的温度传感装置，因为其测定精确 度较高、测定范畴较大等一系列相关特征，被普遍使用在中温(-200C+650C )开始,根据 E(K)=Ur-Ui(K)计尊 E(K).I 1计算 Ki,XE(K)aJ计算 KrE(K)-E(K-1)1 1计算 Kp(E(K)-E(K-l)+KiE(K).I 计算 KE(K卜正(1(-1)+田1()+长生&1(卜2(1(；)+正(1(-2)卜计算P(K)，返回.图4-9 PID算法程序流程图当中断到来时，关闭计数器，清F0标志位，返回主程序。T1中断程序流程图如图4-1()所示。中断到来.关计数器TL，清F0标志位清P34中断返回.图4-10 T1中断子程序流程

14、图系统采用多任务调用路径实现对系统的控制。通过控制STM32处理器，可 以实现恒温出水口、温度设定、时钟设定等功能。主控制顺序如图5所示。图5系统主程序流程图初始化包括：（1）系统时钟设置、STM32端口初始化配置、LCD初始化配 置、中断矢量设置、电机复位等。（2）触摸屏触点是否自校准。如果用户在上 次使用时，触摸屏有自校准功能，校准结果保存在内置的STM32备份寄存器中; 同时设置自标定标志位，显示触摸屏是否已提前进行自标定，通过读取标志位来 评估自标定。（3）触摸屏自标定：系统无触控如果系统自标定，系统将进入自 标定界面。（4）在触摸屏校准前或校准后，系统会在电磁阀关闭的情况下进入 画面

15、程序。画面主要显示用户设置的水温值和时间信息。（5）系统可以在此画 面下进行触摸屏校准、时钟校准、预热等功能。（6）电磁阀开启状态画面2: 系统实时识别电磁阀开关状态的设置。如果电磁阀翻开，淋浴器将退出，电磁阀 下进入画面2程序控制状态;步进电机目前正在根据所设定的温度值和所记录的 温度值进行恒温控制。同时，用户可以在此画面状态下校准时钟，校准触摸屏， 设置水温值。（7）系统实时识别电磁阀开关状态的设置。如果电磁阀关闭，系 统将重新进入画面1的控制程序，否那么将出现在画面2的程序中。画面I的程序控制流程图如图6所示。配置标志位的状态。如果配置好了，请在RTC中读取时间信息，否那么时间将设 置为

16、0:(X)o (2)读取状态保存状态标志位状态，用来判断用户是否保存了上 次设置的温度值。保存温度值，从备份寄存器读取温度值，否那么用户设置的温度 值设置为初始值30匕；(3)液晶显示屏显示用户设定的温度和时间值；该接口 提供了预处理、时钟配置和触点校准。通过触摸这些控件，可以输入该信息的设 置界面；同时，通过调节控制器、液晶控制器和电磁阀的温度，可以节省这些控 制器的温度。在画面1中，电磁阀翻开后，系统进入画面2的程序控制状态，程序控制流 程图如图7所示。图7画面2控制程序流程图翻开电磁阀后，淋浴器会出水。此时，系统将感应到混水阀的水温，然后在 液晶显示屏上显示出漏水量和用户设定的温度值。该

17、界面被认为是主显示界面， 用户可以切换该界面中的界面进行其他相关设置。进入手表时间校准界面后，进 入触摸屏校在界面进行触点校准。切换到主显示器后，标准设置完成。之后，无 论整定是否完成，（ID步进电机对混水阀的控制实时执行，完成恒温控制。之 后，程序将继续记录渠道的水温（2）值和恒温控制的控制。在此过程中，当采 集到关闭电磁阀的信息后，系统将退出循环程序，进入画面1的主控制程序。本系统的程序设计采用多任务设计方法，即系统启动任务、电磁阀关闭任务、 电磁阀开启状态任务和输入信息采集任务。上述程序功能可以通过切换和规划这 些任务来实现。启动任务完成恒温自标定功能，确定其他三项任务；输入信息任 务负

18、责触摸屏和按钮的检测，同时采集出水的水温；关闭电磁阀的任务完成功能, 特别是当电磁阀关闭时，翻开电磁阀的任务完成混水阀出水时的功能。这两个任 务会根据收集中的信息发生变化。5总结本文主要设计并实现了基于STM32微处理器的淋浴器自动混水控制器，主 要完成工作如下：（1）基于行业和技术背景，本文分析了混水控制器系统的方 案，提出了一系列有效可行的方案，完成了整个硬件电路和软件的构建。(2) 控制器硬件电路己完成。硬件电路以STM32处理器为核心处理器，扩展了一些 实现控制器功能所需的外围电路，包括LCD电路、电机驱动电路、触摸屏电路、 温度传感电路等。(3)通过设定出水温度和温度记录电路检测到的

19、反应温度来 控制步进电机，实现淋浴器恒温输出。系统采用恒温控制，实时、准确地满足企 业的要求，并能快速得到设定的温度值。参考文献1常广志.一种恒温淋浴器温控系统设计.科技与创新,2018, 000(001):133-134.2刘建军.多功能全自动混水淋浴器:.3徐冬顺.淋浴器的温度均衡给水器:.4刘义杰.基于单片机的家用淋浴房控制器设计与实现J.电子制作,2013, 000(016):47-47.5王峰.淋浴热水器温度控制器W.家庭电子,2003(02):24.6苏兴，孙锡红.基于Simulink的节水型淋浴器流量和温度的模糊控制仿真J. 能源技术,2005, 26(2):49-49.7王峰.

20、淋浴热水器温度控制器J.中小企业科技,2004(02):33.范畴的温度测定内。然而钳电阻的阻值和温度呈现非线性的关联，因此要求实施 非线性的校对。校对划为模拟线路校对与微处理器的数字化校对，对于前者，具 有许多现有的线路，其精度偏低，并且极易遭到温漂等要素的干预，对于后者， 要求在微处理体系内进行应用，把Pt电阻的阻值与温度进行对照之后贮存至 EEPROM内，参照线路内实际测定的AD值通过查表样式核算对应的温度数。选用DS18B20当作温度监测器件，其为数字可编程温度传感装置。它能够 直接读取受测的温度数值。无需把它的导出信号连至A/D转换装置中，降低了 体系硬件线路的本钱与全部体系的体积，

21、用于数据的转化，调控线路模块会选用 固态继电器实施调控，这个方案线路比拟简洁，而且能够符合选题中各类条件的 数据。因为选用具备一总线特征的温度传感装置，因此线路以简洁的方式进行连 接；并且这个传感装置具有极强的通讯协定，经过数个简洁的操纵能够完成传感 装置和单片机之间的互动，涵盖对传感装置实施复位、读写数据及写指令这些操 作。软、硬件便于调整试验，制造的本钱偏低。同样导致体系测定成果的精度极 大程度上获得提升。这个筹划其实是对于电机绕组上绝缘漆的烘干温度实施调 控，大概是100 ,在其测定范畴中。联合多个局部进行思考，通过比照各类温度传感装置，这个筹划确定选用 DS18B20创立温度监测线路。

22、3.1 系统的组成和工作原理经常使用PID算法实施温度调控。这个筹划从本钱、筹划繁杂度、实际应用 性和研发时间很多要素方面进行思考，最后选用DDC算法，首要展现在升降温 的流程内。体系是经典的闭环反应型温度调控体系。当中数字调控装置的相关功 能通过单片机去完成。这个体系调控的对象是电炉等要求维持在某一区间恒温的装备，均要求存在 升降温的作用，一些在温度高于一定最大值的时候会发出警报。某个时间的真实 温度小于客户设置的最小值的时候，体系将处在升温形态，直至真实温度抵达最 大值，体系会终止升温。否那么，假如真实温度大于客户设置的最小值，那么体系 处在降温形态。如果真实温度超出客户设置的最大、最小值

23、，那么体系也将经过 语音、警报灯去发出警报信号，与此同时开启对应的降升温举措。图2-1系统整体设计图体系基础硬件架构流程图参见图2-1的展示，其功能与运行的原理为下。(1) STC8952:用于中心计算与调控，协同体系各类板块的作业。(2)温度传感装置DS18B20:用于温度和数字量的转换。能够精确至小数 点后四位。(3) LCD展示板块：选用普遍使用的LCD 1602展示温度传感装置获 得的温度，而且展示时的时间，还有温度的最大最小值。(4)红、蓝色LED,蜂鸣器：用于体系的警报。如果温度高于客户设置的 最大、最小值，那么体系发出警报。LED灯会在单片机的调控下燃亮，与此同 时蜂鸣器发送警报

24、音，告知客户选取对应的举措。关于单片机的极小体系涵盖晶振线路与复位线路。极小应用体系的筹划为单 片机应用体系筹划的前提。在STC8952中，复位导入针脚RST用于单片机的初始化操作，能够确保程 序从确定位置开始实施，在时钟线路运行之后，如果RST针脚中产生高于2个 机器周期的高电平，就能够实时复位操纵，如果RST维持高电平，那么STC8952 会实施循环复位，如果RST从高电位转为低电位，那么STC8952方可0000H这 一地址起实施程序，这个体系选用上电加上按钮复位的线路。当振荡频率选用 12MHz时，下列图3-1中的电解电容C3取IOjiF, R1取0.1K左右，R2取10K。U1XTA

25、L1PO.O/ADO P0.1/AD1 P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0e/AD6RSTP0.7/AD7P2O/A6 P2.VAQP2.2/A10PSENP2.3/A11ALEP24Al2EAP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P1.0/T2P3 0/RXDP1.1/T2EXP3.VP1.2P3.2/INTOP1.3P3.3/1NT1P1.4P3.4/T0P1.5P3.5/T1P1.6P3.6/WRP1.7P3.7/RDAT80CS2图3-1单片机复位与时钟电路STC8952本身就是一个复杂的同步时序线路，想要确保完成运行样式，在独 一

26、的时钟信号调控下，STC8952能够严肃根据次序去执行命令，时钟频率会干扰 模块的速率与平稳性。这个体系选用内置时钟样式去给体系供应时钟信号。STC8952内置1个用来 组成振荡器的高放大倍数的反向放大装置，它的导入导出针脚分别是XTAL1与 XTAL2,跨接在晶振与用来微调的电容，这样组成1个自激励振荡装置。线路内的Cl、C2选33pF,然而电容偏小将干扰振荡的频率、平稳性与迅速 性。晶振频率是12MHZ,单片机的速度随频率的升高而加快，这样对于贮存器 的速率要求比拟高。想要提升平稳性，会选用温度平稳性较佳的NPO电容，它 是一类极其通用的具备温度补给属性的单片陶瓷电容。STM32F1O3最

27、小系统板的启动模式，根据启动设置键来启动系统运行。该 类型单片机分不同三种工作模式，表I为STM工作模式选择表选择相应的启动 方式，本系统采用启动方式是从用户闪存启动模式，既将启动模式设置成 BOOTO=0, BOOTX=Xo将最小系统板的SW拨码按键设计为该模式。表1 STM32工作模式选择序号BOOTIBOOTO启动位置1X0用户闪存211内置SRAM301系统储存器3.2 温度采集转换系统VCC DQ23.04.7k系统电路图如图3-2所示。GND S18P2O图3-2温度转换采集系统电路图关于DS18B20,其为美国DALLAS企业研制的单线式智能化的温度传感装 置。DS18B20的特

28、点如下:(D利用单总线的特殊技术，数据可以通过串行口线或另一个I/O 口线传 输到微机；(2) DS18B20记录的温度值可直接输出，无需A/D转换；(3)温度测量范围-55C+125C,测量分辨率为0.0625C ;(4)包含激光修改的64位读取内存；(5)适用于各类微型计算机；(6)可设置各温度的上下限；(7)包含寄生电源。对于单线总线，如果其处在闲置形态，那么呈现出高电平。操纵单线总线的 时候,务必从闲置形态着手。单线总线加上低电平的转化时间超出480Ms的时候, 总线中全部的元件都被复位。主CPU有复位脉冲产生以后，附属元件会产生回 答脉冲(PRESENCE PULSE),告知主CPU

29、它已准备就绪，可以接受数据与指 令。在系统的温度采集电路中使用DS18B20温度传感器来测量混合阀的出水温 度值。温度检测电路可以实现反应功能，可以及时、准确地设定温度值。DS18B20 采用了探头封装形式。探头安装在混合阀的混合水出口，用于记录混合阀的出口 温度，实现系统的封闭温度控制。在硬件电路方面，DS18B20与MCU的连接方式有两种。一是将VCC连接 到外部电源，CND连接到地面，DQ引脚连接到MCU的I/O端口线；另一种是 使用寄生电源，此时VCC和CND接地，DQ引脚连接到单片机的I/O端口，不 管它是否内部寄生电源或外部电源，I/O端口线为5KQ,因为如果写内存模式和 温度传感

30、器DS18B20的A/D转换步骤，必须有一个强烈的上拉过程，最大上拉 时间是10uso系统外接3.3V电源，电路如图2所示。图2DS18B20温度采集电路本次DS18B20设计的测温电路具有测温系统简单、测温精度高、连接舒适、 连接线利用率低等优点。33升温3区动控制系统这个体系运用DDC调控技术，其实是直接数字调控体系。DDC调控是电脑 用在工业调控中极其广泛的一类样式。电脑经过导入通路对于参变量实施巡回监 测，并且参照界定的调控规那么实施计算，之后发送调控信号，经过导出通路直接 调控调节阀等实行机构。如果实地温度在客户设置的最大、最小值范畴内，那么 加热器的运行因为温度贴近边界值而对应进行

31、调节的一类调控样式，一般情况 下，DDC段设为5孰图3-3 DDC控制下的现场温度曲线系统可通过键盘对温度进行预先设置，单片机会参照目前的温度与预先设置 的温度实施比照，调控固态继电器的通断去调整电热丝的加热功率，进而确保温 度快速实现预先设定的数值，并且维持原状。当P1.4 口输出一个高电平时，固态继电器导通工作，进行加热升温工作。如图3-4所示。图3-4驱动控制电路图在程序设计中用PL4控制送出脉冲信号。P1.4为“1”时，输出5V; P1.4 为“0”时，输出0Vo3.4键盘显示系统这个体系的客户页面运用人机工程学的机理,利用系统科学的思想与方法实 施筹划，确保其可以适宜操纵者的使用需要

32、。关于LCD的使用，可以确保操纵 者使用极易认知的样式去展示调控体系的目前形态与操纵者关注的数据，比方目 前的时间、温度、最高温度、最低温度。体系开启的时候，LCD的时间展示成 “()()一()()一()()”，目前温度展示的是目前的环境温度数，客户设置的最大、最小 温度依次默许成30C与10C。表示系统已经正常启动，可以工作。体系为操纵者供应了极易认知且足够的信息提醒，便于操纵者准确进行应 用。与此同时，顾及到客户操纵页面具有较佳的容措实力，提升了体系的总体综 合实力。系统的连接图如图3-5和3-6所示。本设计由STC8952芯片控制的4键键盘和液晶显示器组成，以实现用户的 输入与数据输出。第一个键用于协同加1键和减1键实施时间的设置，第二个键 用于协同加1键和减1键实施最大、最小温度值的设置。PODTACO PQ.VA01 PO2fACe POTAO PQ.WA0 PO5fAra.7/A0?，2DT， ，Z WQ,NNAO R23TA11 P2.4/AC F2STAO R2ATAU，卬8 pj.tn FiaTTTD P33TTHP3.W1D F3ST1P3J&WK P37/IVF23X11FZfifAU niM”口 l injfWT 2Mm nno ，mj，r E/n图3-6键盘显示系统电路图