基于STM32和高精度传感器的智能水温调节系统

胡家豪 王桥 崔忠伟 林洁 徐亚艳 王璇 张振东

摘 要：采用传统沐浴器洗澡时，人们总是会花费些许时间来调节水温。由于水的比热容偏大，用传统的水阀调节水温不仅效率低，浪费水，还存在忽冷忽热现象。而水温的调节时长、稳定与否，对沐浴的舒适度和用水量具有重要的影响，因此对水温的调控尤为重要。系统主控是STM32，通过传感器对当前水温环境进行实时监控，采集数据。然后根据用户设定的目标温度及传感器所采集到的温度信息，通過PID自适应调节输出温度，若输出温度与用户输入的目标温度相同则水输出。

关键词：沐浴装置;智能;稳定;节约;高效;PID控制算法

中图分类号：TP391;TN609文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）11-00-02

0 引 言

目前，国内外沐浴均使用传统的热水器装置，发现存在以下问题[1]：

（1）当人们使用这种装置时，会花费较多时间去调节水的温度，水温太高可能会导致烫伤，水温太低导致效率低下，可能会引起使用者感冒;

（2）使用时需要自己动手调节水温，花费时间较长，浪费水资源;

（3）当使用者需要用水时，所需要的水温不易调节。

综上所述，传统沐浴装置过于浪费时间，也达不到节约用水目标。为了解决上述问题，我团队将研发一款面向家庭浴室、公共澡堂、美容店等场所的智慧恒温节水装置。

1 系统总体设计

本系统以STM32F103C8T6为主控芯片，由DS18B20/LM35高精度温度传感器、防水按键、OLED128128高分辨率节能显示模块、水泵、电磁阀等组成。系统框图如图1所示。

该装置可用于家庭、酒店、美容院等场所，具有节水省时、精准调节水温的功能，属于节能科技沐浴方式[2]。

2 系统硬件设计

本系统的硬件设备分三部分，即主控芯片、输入设备、输出设备。其中主控芯片采用STM32;输入设备采用DS18B20和防水按键;输出设备包括OLED128128、水泵、电磁阀、止回阀。系统硬件组成如图2所示。

在输入设备部分，本系统所选用的高精度温度传感器DS18B20/LM35用于实时采集温度数据，并传给主控分析处理。用户根据自身的需求通过防水按键设置目标温度[3]。

STM32主控芯片主要负责处理实时数据、控制算法。其工作流程为：STM32主控芯片根据用户设定的目标温度，及DS18B20/LM35所采集到的温度信息，通过PID自适应调节输出温度，若输出温度与用户输入的目标温度相同则将有水输出[4-5]。

使用过程中，OLED128128高分辨率节能显示模块显示可调节的最高温度和最低温度，更好地实现人机交互。在收到主控芯片发出的开发请求以后，水泵、电磁阀、止回阀协调工作，调整各自出水量，实现温度控制。采用电源适配器供电，具有功率小、可以大幅减少安全隐患的特点;采用回流结构，节约水资源[6]。

止回阀和电磁阀对外部结构的优化起到重要作用，其工作流程为：止回阀控制水流单向流动，当输出温度与目标温度相同时输出管的电磁阀打开，有水输出[7]。优化结构如图3所示。

3 软件设计

本系统以STM32为核心处理器，通过STM32控制传感器完成数据采集，并通过串口实时显示数据[8]。三者通信示意如图4所示。

该装置的核心算法是PID自适应调节算法。通过STM32进行数据操控，当被控过程参数未知时，在每个采样周期，利用加权递推最小二乘算法显式辨识过程模型;再以PID控制器传递函数中的零极点对消被控过程传递函数中的部分极零点，由此计算出各时刻的PID控制量，以使得闭环系统良好运行[9-10]。PID自适应调节算法模型如下：

STM32核心参数程序如下：

void PidInit（void）

{

Printfch（“Pid  initing...”，1）;

pid.Kp = 0.01;

pid.Sv = 100;//目标300

pid.Td = 1500;

pid.Ti =2000 ;

pid.T = 200;

pid.S_Ek =0;

pid.uout0 = 50;

pid.Ek=0;

pid.Ek_1=0;

pid.flg=0;

}

PID曲线如图5所示。

本系统运行步骤如图6所示。一方面通过温度传感器采集水温信息并将其传给主控，通过OLED显示当前温度可调范围，用户根据自身要求调节水温，然后主控芯片STM32通过PID自适应调节算法得出温度值，并传给出水模块执行，水温达标则输出;另一方面装置可检测输出水温是否达标，若水温不在用户要求范围内，出水口电磁阀关闭，水温信息反馈到主控芯片调节水温，节约能源，保护用户用水安全。

4 结 语

通过硬件设计、软件设计研发的这款基于STM32主控芯片的智能水温调节系统，一方面成功解决了传统沐浴装置调节效率低、浪费水和时间的问题;另一方面延伸出智能调节水温OLED屏，不仅避免了水温忽冷忽热的问题，还实现了用户自主调节水温的功能。经过实际测试，用户调节适合的水温用时约20 s;采用电源适配器供电，功率小，减少安全隐患;采用回流结构，节约水资源。本系统能够完全满足用户需求，为用户提供一种智慧恒温、省时省力、便捷舒适的沐浴方式。

参考文献

[1]申付俊.浅析水泵节能技术途径[J].科技创新与应用，2013，3（16）：124.

[2]石志国，王志良，丁大伟.物联网技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2012.

[3]张天鹏，魏蔚.“一线式”数字温度计DS18B20原理与应用[J].办公自动化，2009，15（2）：24-26.

[4]钟卫连.基于单片机的太阳能热水器控制系统设计[J].电子世界，2019，41（12）：191-192.

[5]赵景玉，赵琳.PID算法及其演变[C]// 西安：2001中国控制与决策学术年会，2001：234-236.

[6]段炼，邱勇.OLED照明及OLED有源显示材料与器件[J].新材料产业，2011，13（2）：20-26.

[7]金炜.电磁阀的控制原理与图符解析[J].贵州电力技术，2011，35（2）：67-70.

[8]赵亮，侯国锐.单片机C语言编程与实例[M].北京：人民邮电出版社，2003.

[9]李蒙.基于STM32单片机的实验教学系统[M].天津：天津大学出版社，2008.

[10]吴功宜，吴英.物联网工程导论[M].北京：机械工程出版社，2012.