李玉全 王代強(qiáng)*

（1、貴州大學(xué)，貴州 貴陽(yáng)550000 2、貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550000 3、貴州民族大學(xué)，貴州 貴陽(yáng)550000）

1 概述

目前住宅淋浴器多為機(jī)械式控制淋浴器，即通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)溫度控制器來(lái)改變淋浴出口的溫度。人們必須不斷調(diào)整混合閥調(diào)整冷熱自來(lái)水的基準(zhǔn)比率保持適當(dāng)?shù)乃疁?，如果水溫不能滿(mǎn)足自己的需求，有必要手動(dòng)調(diào)整冷熱水的基準(zhǔn)比率，通過(guò)這種方式，用戶(hù)將體驗(yàn)很多不便，水溫可能對(duì)用戶(hù)引起不適。同時(shí)，電淋浴器也存在漏水、過(guò)熱等隱患。為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)混水控制器。

2 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(guò)輸入控制信號(hào)，在步進(jìn)電機(jī)的作用下，調(diào)節(jié)混水閥開(kāi)度，從而達(dá)到控制水溫的目的。整個(gè)水溫調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的框架原理如圖1 所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 溫度采集電路

在系統(tǒng)的溫度采集電路中使用DS18B20 溫度傳感器來(lái)測(cè)量混合閥的出水溫度值。DS18B20 是一種數(shù)字單總線(xiàn)溫度傳感器，使用串行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。它將溫度測(cè)量和A/D轉(zhuǎn)換功能集成到芯片中。它采用單總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，可直接與微機(jī)連接并直接輸出數(shù)字量。它可用于形成單路測(cè)溫電路或多路測(cè)溫電路。由于本系統(tǒng)探測(cè)的溫度為水溫，因此采用帶探頭的DS18B20 測(cè)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(cè)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(xiàn)；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(jī)的I/O 端相連，此時(shí)，無(wú)論電源屬于內(nèi)部寄生還是外部寄生，I/O端口線(xiàn)為5KΩ，因?yàn)槿绻麑?xiě)內(nèi)存模式和溫度傳感器DS18B20 的A/D轉(zhuǎn)換步驟，必須有一個(gè)強(qiáng)烈的上拉過(guò)程，最大上拉時(shí)間是10us。系統(tǒng)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(shè)計(jì)的測(cè)溫電路具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接舒適、連接線(xiàn)利用率低等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 各模塊電源設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的電源供應(yīng)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片5V電源蜂鳴器、觸摸按鈕電路和L298 控制端子；步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)選用12V電源。開(kāi)關(guān)采用12V/30W的電源控制，L78M05 穩(wěn)壓芯片來(lái)控制5V電壓的穩(wěn)定性，3.3V電壓主要是通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片來(lái)得到。

3.3 步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)

由于混合閥的控制精度要求，采用步進(jìn)電機(jī)控制混合閥的開(kāi)啟；同時(shí)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)芯片L298P 放大用于混合閥開(kāi)關(guān)功能的單片機(jī)控制信號(hào)，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(guò)360 度，大概為210°左右；因此，步進(jìn)電機(jī)控制器可以實(shí)現(xiàn)高精度；同時(shí)，從恒溫混合閥的控溫精度來(lái)看，一般需要用戶(hù)設(shè)定的溫度值為±2℃，這樣步進(jìn)電機(jī)可以使用步進(jìn)角度為1.8°；為了便于控制混水閥的旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩容器約為2.0N/m。

3.3.1 步進(jìn)電機(jī)選型。整個(gè)淋浴器水溫控制系統(tǒng)需要保證水溫的恒定以及溫度的控制精度，因此步進(jìn)電機(jī)的選用為57 混合式2相步進(jìn)電機(jī)57BYGH7630，性能參數(shù)如表1 所示。

表1 57BYGH7630 性能參數(shù)表

3.3.2 步進(jìn)電機(jī)電路。電機(jī)電路與電機(jī)連接，帶動(dòng)電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，放大電機(jī)功率。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，其影響著淋浴器的控制性能和電機(jī)的可操控性。這里我們使用特殊的雙極電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298。L298 是一種高電壓、高工作電流的雙全橋驅(qū)動(dòng)器。其輸出電流為4A，工作電壓達(dá)到了46V。并且該電路還具有超溫保護(hù)功能，能夠控制電平信號(hào)與TTL兼容。整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路硬件連接圖如圖3 所示。

圖3 L298P 應(yīng)用電路圖

驅(qū)動(dòng)電路需要配備兩種不同數(shù)值的電壓源，一種是5V電源，另一種是驅(qū)動(dòng)電源，考慮到電機(jī)電壓和電流，淋浴器水溫控制系統(tǒng)采用12V/1.5A的步進(jìn)電機(jī)控制，直接與L298P 的系統(tǒng)電源連接。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)水溫控制系統(tǒng)采用多任務(wù)路徑進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，在STM32處理器的控制下，能夠?qū)崿F(xiàn)出口水溫恒定、溫度設(shè)定、時(shí)鐘設(shè)定等功能。整個(gè)控制順序如圖4。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

初始化包括：（1）系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置、STM32 端口初始化配置、LCD初始化配置、中斷矢量設(shè)置、電機(jī)復(fù)位等。（2）觸摸屏觸點(diǎn)是否自校準(zhǔn)。（3）觸摸屏自標(biāo)定。（4）在觸摸屏校準(zhǔn)前或校準(zhǔn)后，系統(tǒng)會(huì)在電磁閥關(guān)閉的情況下進(jìn)入畫(huà)面程序。畫(huà)面主要顯示用戶(hù)設(shè)置的水溫值和時(shí)間信息。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)識(shí)別電磁閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)的設(shè)置，如果電磁閥關(guān)閉，整個(gè)控制系統(tǒng)將進(jìn)入畫(huà)面1 程序。畫(huà)面1 的程序控制流程圖如圖5 所示。

圖5 畫(huà)面1 控制程序流程圖

在畫(huà)面1 中，通過(guò)設(shè)定打開(kāi)電磁閥，這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)進(jìn)入畫(huà)面2狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)所設(shè)定的溫度值和所記錄的溫度值進(jìn)行恒溫控制。同時(shí)，用戶(hù)可以在此畫(huà)面狀態(tài)下校準(zhǔn)時(shí)鐘，校準(zhǔn)觸摸屏，設(shè)置水溫值。整個(gè)控制流程見(jiàn)圖6。

圖6 畫(huà)面2 控制程序流程圖

本系統(tǒng)程序采用多任務(wù)的設(shè)計(jì)形式，主要包括有：任務(wù)啟動(dòng)、電磁閥開(kāi)關(guān)過(guò)程以及信息采集等。通過(guò)啟動(dòng)任務(wù)，開(kāi)始對(duì)出水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后在電磁閥的開(kāi)和關(guān)過(guò)程中，維護(hù)水溫的恒定，這個(gè)時(shí)候?qū)Τ隹谒疁剡M(jìn)行采集，然后與設(shè)定水溫進(jìn)行比對(duì)，如果在設(shè)定水溫范圍內(nèi)，則電磁閥關(guān)閉，維持隨溫度的恒定；反之，電磁閥開(kāi)啟，在步進(jìn)電機(jī)的作用下繼續(xù)調(diào)節(jié)水溫。

5 結(jié)論

本文主要設(shè)計(jì)了基于STM32 微處理器的淋浴器自動(dòng)混水控制器，主要完成工作如下：（1）基于行業(yè)和技術(shù)背景，本文分析了混水控制器系統(tǒng)的方案，提出了一系列有效可行的方案，完成了整個(gè)硬件電路和軟件的構(gòu)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(kuò)展了一些實(shí)現(xiàn)控制器功能所需的外圍電路，包括LCD電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、觸摸屏電路、溫度傳感電路等。（3）通過(guò)出水溫度與初始水溫設(shè)定值的對(duì)比，來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，從而保持水溫的恒定。