淋浴器自动混水控制器设计与实现

李玉全 王代强*

（1、贵州大学，贵州 贵阳550000 2、贵州职业技术学院，贵州 贵阳550000 3、贵州民族大学，贵州 贵阳550000）

1 概述

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

系统采用STM32 处理器为控制核心，借助R61509V 的3.2 寸TFT LCD控制器和触摸屏输入，通过输入控制信号，在步进电机的作用下，调节混水阀开度，从而达到控制水温的目的。整个水温调节控制系统的框架原理如图1 所示。

3 系统硬件设计

3.1 温度采集电路

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。DS18B20 是一种数字单总线温度传感器，使用串行接口进行数据传输。它将温度测量和A/D转换功能集成到芯片中。它采用单总线结构，可直接与微机连接并直接输出数字量。它可用于形成单路测温电路或多路测温电路。由于本系统探测的温度为水温，因此采用带探头的DS18B20 测量混合水的温度值，只采集混水阀的温度值，故选择单通道测温方式。

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；另一种电源采用的是寄生模式，VCC和CND接地，并且DQ 引脚与单片机的I/O 端相连，此时，无论电源属于内部寄生还是外部寄生，I/O端口线为5KΩ，因为如果写内存模式和温度传感器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10us。系统外接3.3V电源，电路如图2 所示。

图2 DS18B20 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。

3.2 各模块电源设计

整个系统的电源供应由三部分组成：12V、5V 和3.3V 的电源。3.3V 的电源主要供电给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；步进电机的驱动选用12V电源。开关采用12V/30W的电源控制，L78M05 稳压芯片来控制5V电压的稳定性，3.3V电压主要是通过电压转换芯片来得到。

3.3 步进电机电路设计

由于混合阀的控制精度要求，采用步进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20℃-50℃；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/m。

3.3.1 步进电机选型。整个淋浴器水温控制系统需要保证水温的恒定以及温度的控制精度，因此步进电机的选用为57 混合式2相步进电机57BYGH7630，性能参数如表1 所示。

表1 57BYGH7630 性能参数表

3.3.2 步进电机电路。电机电路与电机连接，带动电机进行旋转，放大电机功率。在电机驱动电路的设计中，其影响着淋浴器的控制性能和电机的可操控性。这里我们使用特殊的双极电机驱动芯片L298。L298 是一种高电压、高工作电流的双全桥驱动器。其输出电流为4A，工作电压达到了46V。并且该电路还具有超温保护功能，能够控制电平信号与TTL兼容。整个驱动电路硬件连接图如图3 所示。

图3 L298P 应用电路图

驱动电路需要配备两种不同数值的电压源，一种是5V电源，另一种是驱动电源，考虑到电机电压和电流，淋浴器水温控制系统采用12V/1.5A的步进电机控制，直接与L298P 的系统电源连接。

4 系统软件设计

整个水温控制系统采用多任务路径进行调节控制，在STM32处理器的控制下，能够实现出口水温恒定、温度设定、时钟设定等功能。整个控制顺序如图4。

图4 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。（3）触摸屏自标定。（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程序。画面主要显示用户设置的水温值和时间信息。

系统实时识别电磁阀开关状态的设置，如果电磁阀关闭，整个控制系统将进入画面1 程序。画面1 的程序控制流程图如图5 所示。

图5 画面1 控制程序流程图

在画面1 中，通过设定打开电磁阀，这个时候系统进入画面2状态，步进电机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。整个控制流程见图6。

图6 画面2 控制程序流程图

本系统程序采用多任务的设计形式，主要包括有：任务启动、电磁阀开关过程以及信息采集等。通过启动任务，开始对出水温度进行调节，然后在电磁阀的开和关过程中，维护水温的恒定，这个时候对出口水温进行采集，然后与设定水温进行比对，如果在设定水温范围内，则电磁阀关闭，维持随温度的恒定；反之，电磁阀开启，在步进电机的作用下继续调节水温。

5 结论

本文主要设计了基于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）控制器硬件电路已完成。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）通过出水温度与初始水温设定值的对比，来控制步进电机的工作状态，从而保持水温的恒定。