电子坐便器中清洗器的性能检测系统设计*

翁晓伟 曹 睿 江晓红 郑丙辉

(1 台州市产品质量安全检测研究院 浙江 台州 318000)(2 浙江大学电气工程学院 杭州 310027)

前言

随着当今生活水平的日益提高，人们对于生活品质的要求也越来越高。近年来坐便器作为日常生活中重要的一环，发展也十分迅速。日本智能马桶盖在国内的红极一时，表明了人们对于高性能坐便器的需求正在日益高涨。此后国内大量的电子坐便器类产品也开始如雨后春笋一般纷纷涌出。

而在电子坐便器产业欣欣向荣的同时，由于检测标准不一而导致的合格判定问题也应该引起重视。而导致该问题的主要原因是因为电子坐便器的生产过程中涉及到材料科学、机械设计、电气自动化等多种相关科技，而国家并未出台统一规范的标准。在这样的局面下，国家质量监督检疫总局于2018年2月启动了“全国智能马桶产品质量攻坚计划”，其中的重要组成部分之一便是“打好关键零部件质量提升的攻坚战”。

清洗器是电子坐便器的重要组成部分之一，其主要职能是将经过加热器加热的温水喷出来清洗人体，因此其电气绝缘性以及清洗水流的压力和流量等指标至关重要，对于用户的体验影响极大。笔者设计提出了一套能够对清洗器零部件性能进行评估的检测系统，能够迅速有效地反应出被测清洗器的相关性能指标。

1 总体方案设计

当前国内的电子坐便器的标准不一，既有各个企业自己制定的标准，也有行业内的相关标准。而上述2种标准都偏向于整机的性能检测，对于零部件的检测要求以及相关检测系统却没有一个完整的方案。在查阅相关标准以及文献后，笔者针对清洗器的性能指标提出了相应的测试项目以及指标。

清洗器的主要检测项目有如下9项：高水压泄露检查、清洗水流量测量、清洗力测量、清洗面积测量、喷头自洁功能、喷嘴伸出和回收时间、断水与断电位置恢复、绝缘电阻与电气强度、耐久老化可靠性试验。为了获取稳定精确的数据，测试项目中所有的测量均使用现有的高精度测量仪器。

清洗器检测系统由3个部分组成：检测控制器、上位机以及水管管路工装夹具。清洗器性能检测系统的结构如图1所示。

图1 清洗器性能检测系统结构示意图

由图1可知，核心部件检测控制器负责数据中转以及接口转换，通过接受上位机的相关测试指令设置，对清洗器进行操作，然后接受仪器的实时数据返回给上位机，最后由上位机对数据进行分析得出性能评价。

2 系统硬件电路的设计

系统硬件电路的核心部分是由主控单片机系统和多个辅助电路组成的检测控制器，检测控制器作为典型的嵌入式系统，其结构如图2所示。

图2 检测控制器的电路结构示意图

2.1 主控单片机的选择

在主控单片机的选择上，主要的限制因素是通用异步收发传输器UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 接口的个数。通过图2可知，主控单片机需要通过RS232接口连接总共6个部件，因此至少需要6个UART接口的单片机，通过端口复用功能可以使用价格低廉的芯片，从而取代价格较为昂贵的多UART接口单片机。通过调研，最终决定选择单片机STM32F103RCT6，因为它具有5个UART接口，64个引脚，经过串口复用设计后，能够满足检测控制器的硬件设计的需求。

2.2 电源电路

图3 检测控制器的供电关系结构示意图

检测控制器由市电交流220 V作为输入电源，220 V分别给继电器所控制的对象和AC-DC电源转换模块供电，AC-DC电源转换模块将市电交流的220 V电压转换为直流电24 V。接着将直流24 V通过降压开关电源电路转换得到12 V的直流电源，其中24 V到12 V的降压开关电源电路使用了常用的LM2596开关电源芯片，保证电源转换效率的同时也不会发热过于严重。12 V直流电通过线性稳压芯片78M05转换为5 V的直流电压，最后由线性稳压芯片AMS1117转换为直流电3.3 V。在监测控制器的供电系统中，12 V直流电主要给继电器的驱动供电；5 V直流电给清洗器的通信控制部分供电；3.3 V直流电主要给单片机和外部辅助电路供电。检测控制器的供电关系结构如图3所示。

2.3 继电器驱动电路

检测控制器上配备了多达6路的磁保持继电器，分别用于控制水路电磁阀、清洗器及仪器设备等的通断。因为其路数较多，并且驱动需要正向和反向一共2个，因此本系统使用了2片复合晶体管阵列芯片作为磁保持继电器的驱动器。如图4所知，由1片晶体管阵列芯片、UL2003驱动、3个磁保持继电器及1个磁保持继电器组成的电路连接情况。

图4 磁保持继电器及其驱动电路图

2.4 通信电路

检测控制器通过串口和外部的仪器设备通信，并且读取数据，经过分配设计后，采用时分复用的接口方式来最大化利用UART。本系统将3个UART接口采用接口分两路的方法，分时复用为6路RS232通信接口。每一个单片机UART接口的时分复用结构如图5所示，先将TTL电平的串口信号经由RS232电平转换芯片转换为标准的RS232串口通信信号，然后通过切换信号继电器，在指定的RS232接口上实现串口通信。

图5 单片机1路UART接口时分2路RS232接口

3 系统软件的设计

整个清洗器性能检测系统的软件包含2大部分，它们分别是上位机的电脑软件和检测控制器的嵌入式控制软件。上位机软件主要负责人机交互和数据处理，检测控制器软件则主要负责控制所有仪器设备和，并读取相应的数据向上位机进行上传。

3.1 上位机软件的设计

上位机软件使用了C#开发，能在Windows操作系统下便捷地进行开发测试相关工作。上位机的操作方法为先选择待检测清洗器的编码，然后进入测试项目选择界面，选择需要进行测试的项目，然后检测控制器开始该项目的检测，期间上位机会不断地接收，并且显示出检测控制器返回的实时数据，直到测试完成，处理接收到的数据并显示最终的性能测试结果。上位机的具体工作流程如图6所示。

图6 上位机软件的工作流程图

3.2 检测控制器软件的设计

检测控制器根据上位机的指令，做出相应的控制操作。检测控制器需要协调好清洗器和其它仪器设备的开启顺序及数据收集上报工作。每个测试项目的控制内容都不一样，图7给出了功率测试项目的工作流程图。

3.3 通信数据格式

上位机和检测控制器之间通过RS232串口通信，使用指定的数据帧格式，每个数据帧包括同步头码、数据内容和校验字节，能够简单有效地完成通信工作。上位机的指令数据帧和检测控制器返回的数据帧定义分别如表1与表2所示。

图7 功率测试项目检测控制器的工作流程图

表1 上位机的指令数据帧格式

表2 检测控制器返回的数据帧格式

4 系统实际应用

电子坐便器中清洗器性能的检测系统，已成功地应用于国家智能马桶产品质量监督检验中心，能够较好地完成和清洗器零部件相关的测试项目。表3列举了某清洗器的检测结果。

表3 某清洗器的测试结果

该清洗器的最终检测结果为基本合格，在清洗水量方面表现欠佳，建议厂家进行节水性能优化，提升对进水水量及水压变化的适应能力。

5 结论

笔者介绍了用于电子坐便器中负责清洗人体的清洗器零部件性能检测系统的主要软硬件设计方案，成功地搭建了一套检测系统并做了相关性能的测试。该检测系统为清洗器零部件的性能检测实验提供了标准的试验检测平台，能准确客观地评价清洗器零部件的质量，为电子坐便器行业的品质提升提供了帮助。