一种即热装置在智能马桶的应用

钟建伟+张燕金+滕世国

（韶关乳源东阳光机械有限公司 ，广东 韶关 512721）

摘 要： 即熱加热装置在智能马桶上应用，可以提高客户使用的舒适度.而即热装置在智能马桶上的应用难点在于温度的稳定.本文采用ATmega16单片机为核心，具有多重过温保护功能，在温度超过42℃有软件停止加热保护程序、在温度超过48℃时，硬件直接切断进水水路；设有防干烧（超72℃）保护、低流量（小于0.3L/Min）和高流量（大于1L/Min）保护电路以及除气泡防烫伤人装置.

关键词： 防干烧；过温保护；气泡检测设计；模糊PID控制

中图分类号：TM502 文献标识码：A 文章编号：KX1705628

引言

传统储热式水箱智能马桶存在的问题有：加热慢，时间久，热水量有限；水箱长期加热，易结垢，易滋生细菌，同时浪费电.即热加热装置能解决以上缺点，即开即用，节水节电，长时间使用都有热水；由于加热的水是流动水，不易结垢，水质干净；体积小，满足设计的空间要求.

在市场现有的智能马桶即热电路存在缺陷：当出水流量变化较大时，水温变化很大，容易烫伤用户，同时也会造成出水温度的忽冷忽热，清洗舒适度不好.

本文针对传统储热式水箱智能马桶和市面上的即热智能马桶缺点进行电路设，采用多到过温保护及除气泡防烫伤人装置，防止烫伤人；加热控制采用模糊PID加热算法，使即热加热装置在智能马桶上应用更加稳定.

1 硬件电路设计

1.2 总体电路设计

系统是以基于ATmega16单片机的主控板为核心，总体电路设计见图1.市电先经过漏电空气开关，再供给设备. 开关电源采用明纬的PD-45A（双电源，+12V和+5V输出），给主控板供电；流量计采用神林电子的RSIR-2LB，最大耐压0.49 Mpa，测试范围0.3～2 L/min.按键显示面板采用触摸按键.出水电机采用三协电机的步进电机.水温传感器采用三菱电机的DTN-W493H6P，使用温度范围-30～105℃.48℃温控开关采用同鼎盛的KSD301.防干烧采用艾默生的G5A01 72℃ 20A/250VAC温度保险丝，温度超过72+0/-5℃，切断加热电源.出水温度超过42℃，通过软件程序，切断出水电路.

1.2基于ATMEGA16单片机的主控电路及外围电路

以ATMEL公司的ATmega16单片机为核心的主控制硬件电路如图2所示.它包括外部时钟源模块、复位电路、流量检测模块、进水温度和加热温度检测模块.其中进水温度和加热温度检测模块检测进水温度和加热温度，提供参数给PID.出水电机控制电路.加热保护在流量检测小于0.3L/Min和大于1L/min、进水水温超过35℃和出水水温超过42℃起作用，将停止加热.硬件过温保护将参数设置为48℃起保护.

1.3过零信号取样电路

过零信号电路如图3所示.AC220V电源经全桥二极管D2整流，将全波信号滤波限流处理，经光耦PC1产生基本脉冲信号，滤波得到50Hz频率过零脉冲信号.过零信号输入单片机，给即热加热提供基准信号，控制加热管功率，实现对水温的控制.

1.4加热控制电路

加热控制采用固态继电器G3NE-220T作为开关控制水温加热.选择固态继电器主要是基于其高寿命，高可靠，控制功率小，快速转换，电磁干扰小等特点.此电路增加液位检测，即热装置有气泡是，液位不导通，即热装置停止加热.电路增加大功率电感线圈L2，消除谐波震动，提高抗干扰能力，是水温加热更稳定.

1.5过温保护电路

过温保护电路如图5，具有响应快，稳定性好的特点.其工作原理是：出水热敏电阻检测到温度时，通过分压电阻R17，将温度信号转换为电压信号，然后通过比较器upc393，与设定温度比较（由R12/R13，R14/15组成上下限基准温度）.检测温度没有超出上下限基准温度时，upc393的2脚输出低电平，使进水电磁阀的一端对地导通；单片机同时控制进水电磁阀的另外一端，使其与12V接通，可以使电磁阀导通，正常进水加热.当出水温度超过48℃，电压比较回路输出高电平，关闭进水水路，从而没有水流出，防止烫伤人；同时将高电平信号反馈给单片机水温检测信号，控制即热控制信号，使即热装置停止加热.

2. 控制系统软件设计

程序流程图见图6，包括：参数初始化（各端口及计时器初始化），故障自检，读取存储参数（用户设定参数），读取水温AD值（进水、加热和出水三个温度的AD值），模糊PID加热模块.通过对进出水温度检测、出水温度检测，当前流量值，设定水温值，来调用模糊PIID加热算法，进行加热处理，如果有故障马上停止加热.

模糊PID电解控制的原理是：通过读取读取当前的水温，对比设定值，可求出差值k0.再根据k0、当前温度AD值和当前流量计算出需要补偿的误差值e和误差变化率ec，通过查表得到Kp、Ki和Kd.运行PID运算，计算出需要的加热功率.在加热过程中，不断检测e和ec的值，从而确定Kp、Ki和Kd这3个参数，来控制功率输出，实现水温加热恒定（+/-2℃）.程序的采样时间设置为100 ms，能满足控制精度要求.

3结束语

本文对即热装置在智能马桶上的应用进行了比较全面的安全设计和优化的水温控制算法，使加热水温稳定.在进水压力0.2MPa，进水温度为15℃，出水流量0.6L/min，进行了测试.设定温度为40℃加热6秒可以达到设定温度；设定温度为38℃加热4秒可达设定温度；设定温度为36℃加热3秒可达设定温度.此即热装置在智能马桶上的应用，使用户使用更舒适满意.

参考文献

[1] 海涛.ATmega系列单片机原理及应用--C语言教程[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2] 滕世国.基于ATmega8的即热式电热水器温度控制及保护系统[J].嘉应学院，2014，S32（8）：37-42

[3] 康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分[M].4版.北京：高等教育出版社，1999.

[4] 李人厚.智能控制理论和方法[M].西安：西安电子科技大学出版社，1999.

[5] 高国燊，余文烋，彭康拥，等.自动控制原理[M].广州：华南理工大学出版社，2005