一种恒温淋浴器温控系统设计

常广志

（太原理工大学，山西 太原 030024）

一种恒温淋浴器温控系统设计

常广志

（太原理工大学，山西 太原 030024）

目前，淋浴器出水温度受很多因素的影响，不能保持恒定。在储水式电热水器的基础上，通过单片机控制对混水阀进行自动调节，并在喷头上进行二次加热，从而实现淋浴头直接恒温出水。

淋浴器；混水阀；流量；单片机

随着科技的不断进步，人们对家电使用中的舒适度要求也越来越高，但目前的淋浴器还存在很多不尽如人意的地方，比如太阳能热水器温度受天气影响较大；即热式电热水器功率过大，电线负荷较重；储水式电热水器温度不稳定。本设计就是在储水式电热水器的基础上，在喷头处加入温度及流量传感器，通过单片机的数据采集和处理，对带有步进电机的混水阀进行自动调节，并控制喷头内加热器进行二次加热，实现淋浴头直接恒温出水。

1 总体设计

该恒温淋浴器温控系统以单片机为控制核心，通过其实现温度、流量的检测，以及阀门的自动调节和淋浴头二次加热。总体结构如图1所示。

在混水阀的出口处装有1个温度传感器，可以实时感应冷热水混合后的温度。从混水阀到淋浴头还有一段距离，在开关和调温、调流量的过程中，水温会产生一定的变化。为了最直接地了解出水口温度，在喷头出水口处还设计了1个温度传感器和1个压力开关。流量传感器设置在混水阀出口处。此系统设置了4个按键，分别为温度加、减和流量加、减，当流量减为0时系统关闭。显示输出部分采用锁存器来驱动LED数码管和发光两极管，可以明亮、清晰地显示参数，且驱动电路简单。为了准确控制流量，采用2个步进电机分别控制冷热水阀门，步进电机需要通过驱动电路来供电。加热器采用电磁热水器，通过高频软开关技术，利用单片机输出不同占空比的PWM波来控制其输出功率。

图1 温控系统总体结构

2 各部分组成

本设计的微处理器采用通用型AT89S52单片机。温度测量采用2个DS18B20数字温度传感器，它测温范围大，测量精度可达0.5℃，它外围电路非常简单，只需要1根带上拉电阻的数据线与单片机相连，就可以通过程序读出温度值。流量检测器采用磁性涡轮开关与霍尔元件配合，将流量转换为电脉冲信号，通过串行A/D转换芯片ADC0832将数据传给单片机。喷头加热时不能干烧，所以，在喷头内设置1个压力开关，当喷头有水时闭合，加热器才能启动。本系统按键与显示输出合成在电路板上，按键采用薄膜按键，两路温度指示分别用2个两位的LED数码管显示、流量指示另外用8个并排的发光二极管表示。阀门驱动采用步进电机，可以实现准确控制，不受水压、温度等干扰。加热器选用电磁式，可以快速、准确地控制加热量。

3 软件设计

软件的设计是一个系统能否正常运行的关键，该系统采用汇编语言编程以达到快速、高效的目的。单片机资源有限，各端口的分配和寄存器定义是编程的基础。表1给出了本系统端口和寄存器的分配情况。按键采用外中断方式，温度、流量采用查询方式。显示输出采用外部锁存器静态驱动方式，当参数有变化时只要改写相应锁存器数据即可，这样显示稳定，不受延时程序影响。总流量输出从0～7分为8个档位，由冷热水2个输出量叠加组成。加热器功率输出设置了8个档位，以适应不同需要。

该系统程序由1个主程序和温度检测子程序、流量检测子程序、按键中断子程序、显示输出子程序、加热驱动子程序组成。主程序简化流程如图2所示。开机初始化设定默认温度为38℃，流量为0，初始化后通过温度检测子程序，分别读取混水阀温度和出水口温度，并将出水口温度和设定温度值显示输出；读取流量值，并显示输出。温度和流量设定由中断程序完成，一旦设置改变，设定温度实时显示输出，流量设定值显示3 s后转为实测值输出。

表1 系统的端口和寄存器分配

当流量设定为0时，用户不需要供水，系统只进行检测、显示；当流量大于0时，用户开始用水。为了解决现有淋浴器开始总要放一定量冷水的问题，本系统采取先加热再出水的方案，即在喷头处加热水后再开始放水，这会产生一定的延时和流量渐变。喷头加热前要检测压力开关状态，看喷头处是否有水，如果没水，则执行预出水程序，然后根据设定温度与出口温度差来决定加热量，直到温差相近时混水阀才逐步开启到设定值。混水阀开关量由预设值决定总量，先平分总出水量，在保持总量不变的情况下，根据出水阀处的温度值重新调节冷热水阀开启度，直到设定温度。同时，喷头处随时根据喷头温度和流量确定加热量。

图2 主程序简化流程图

DS18B20和ADC0832都是常用芯片，用通用程序读取即可。流量控制程序相对复杂一些，因为阀门的开启度与真实流量存在一定的非线性，而且冷热水压力也会出现偶然性变化，所以，需要在经验值的基础上，根据温度再做修正。加热驱动子程序需要根据混水阀温度、出水口温度、设定温度以及实测流量，综合计算选择输出功率。

4 结束语

本系统还在实验阶段，还存在许多问题和不足，比如对加热器的控制还需要考虑温差和流量的各种过渡曲线，这需要借助大量实验取得的经验值加以调整。此外，如何使预加热过程更加合理，也需要在使用中不断体验再加以改进。此外，还可以引入遥控功能，使操作更加便捷。

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［3］周俊，李玉鹏，余华.智能型混水阀控制系统的设计［J］.中国电子教育，2016（02）.

［4］喻秋山，徐大鹏.一种自动控温混水阀系统的设计［J］.长江大学学报（自科版），2017，14（09）.

TU822

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.01.133

2095－6835（2018）01－0133－02

常广志（1973—），男，河南辉县人，大学讲师，硕士学历，从事电子仪器与测量研究工作。

〔编辑：张思楠〕